吳健鋒,張立彥

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640)

離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜性質的影響

吳健鋒,張立彥*

(華南理工大學食品科學與工程學院,廣東廣州 510640)

本文研究了添加NaCl、CaCl2及FeCl3對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠聚電解質復合物(PEC)溶液的濁度、膜的溶脹度、接觸角和機械性能等的影響,并通過紅外光譜分析和掃描電鏡觀察,探討了離子對PEC靜電復合及膜結構的影響。結果表明:在0～60 mmol/L濃度范圍內,PEC溶液濁度隨離子濃度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;離子種類及濃度對PEC膜的溶脹度影響趨勢不同,添加50 mmol/L FeCl3的PEC膜溶脹度顯著提高;離子種類及濃度對PEC膜接觸角的影響趨勢不同;離子添加可以顯著提高PEC膜的拉伸強度,降低斷裂伸長率,添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸強度;紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),離子添加不影響殼聚糖和果膠、阿拉伯膠之間的靜電復合方式;掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)添加NaCl、CaCl2的PEC膜表面相對光滑,而添加FeCl3形成的膜表面凹凸不平,較粗糙。

殼聚糖,果膠,阿拉伯膠,PEC膜,離子

殼聚糖、果膠和阿拉伯膠都是天然高分子多糖,無毒、可降解并具有良好的生物活性,三者形成的聚電解質復合物(PEC)不僅具備三種天然多糖的優(yōu)點,還能形成新的性能,使得新形成的PEC的疏水性更強,有利于促進該復合物在結腸靶向給藥領域的應用[1-3]。

在PEC形成過程中,由于殼聚糖與果膠、阿拉伯樹膠的復合主要通過靜電相互作用進行,除了所在溶液環(huán)境中pH會影響復合物的形成外,離子強度及陰、陽離子的種類及濃度也會顯著影響PEC的形成及PEC特性[4-6]。但至今,不同濃度不同種類離子對殼聚糖、果膠、阿拉伯膠PEC膜性質的影響以及作用實質尚未有研究報道。鑒于此,本文研究不同離子對PEC溶液的濁度、膜的溶脹度、接觸角和機械性能方面的影響,并通過紅外光譜分析和掃描電鏡觀察,研究各離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復合物結構和性質的影響,為其在食品、醫(yī)藥方面的應用奠定研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 奧興生物有限公司;脫乙酰度82.3%,分子量為15萬;果膠 Sigma-Aldrich公司,P9135-100G,酯化度>70%,分子量為4萬;阿拉伯膠 Sigma-Aldrich公司,V900768-500G 分子量約為25萬;其他化學試劑均為分析純。

PHS-25型pH計 上海雷磁儀器廠;TGL-16型超速離心機 上海安科儀器有限公司;Vector 33型傅里葉-紅外光譜分析儀 Bruker公司;JSM-6360LV型掃描電鏡 Jeol公司;Model752型紫外-可見分光光度計 上海現(xiàn)科分光儀器有限公司;L&W抗張強度儀 瑞典;OCA40型表面接觸角測試儀 德國dataphysics公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 含離子殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC溶液及膜的制備 PEC溶液制備:根據筆者先前的研究選擇三者復合的最佳配比、pH及濃度,將殼聚糖、果膠、阿拉伯膠分別溶于pH3.5的醋酸緩沖液中,得到濃度為2%(w/v)的溶液。殼聚糖溶液中加入一定量的離子,離子濃度為0～60 mmol/L。按照殼聚糖∶果膠∶阿拉伯膠=1∶2∶3的比例攪拌混合30 min,使三者充分反應,得到復合溶液。PEC膜制備:根據筆者先前的研究選擇三者復合的最佳配比、pH及濃度,將果膠和阿拉伯膠分別溶配成濃度為2%的溶液,并攪拌12 h。按2∶3的比例將果膠和阿拉伯膠溶液充分混合,再緩慢加入殼聚糖粉末,保持溶液總濃度為2%不變,邊輕輕攪拌邊滴加冰乙酸,攪拌30 min。將制得的凝膠真空排氣2 h,平鋪于玻璃器皿中并于50 ℃烘箱中干燥18 h,得到的干燥膜在相對濕度為85%的容器內平衡均濕48 h。

1.2.2 殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC溶液濁度的測定 樣品在測定濁度前需振勻,之后于600 nm處測定復合溶液透光度的變化,并按以下公式計算濁度。

濁度的計算公式如下[7]:

L為光程長度(cm),It為投射光強度,I0為入射光的強度。

1.2.3 溶脹度測定 將制得的干燥膜剪成2 cm×2 cm大小,室溫環(huán)境下,充分浸沒于去離子水中,每隔1 h取出,并用濾紙將膜表面附著的水分擦拭掉,稱重。溶脹度(SR)的計算公式為:

其中,W0為干燥膜的重量,g;Wt為t時刻膜的重量,g。

1.2.4 接觸角測定 PEC膜表面接觸角可以用水滴法測量。將剪成1 cm×2 cm的膜貼在玻璃蓋片上,使用移液管將1滴3 μL的水放置于膜表面,用顯微鏡上的照相機記錄水滴的圖像以計算接觸角,每次至少測定三個點,取平均值。

1.2.5 機械性能測定 將膜剪成1.5 cm×6 cm長條狀,設定延伸速度為10 mm/min,測定延伸長度,并測膜的厚度,用于計算膜的拉伸強度和斷裂伸長率,每種樣品至少測定三次。

拉伸強度計算公式如下[8]:

其中,TS為拉伸強度,MPa;F為拉伸力,N;L為膜的寬度,mm;d為膜的厚度,mm。

斷裂伸長率計算公式如下[6]:

其中,EAB為斷裂伸長率,%;L為膜斷裂前的長度,mm;L0為膜的初始長度,mm。

1.2.6 紅外光譜測定 取干燥膜,用刀片刮取膜表面得到粉末,將粉末與KBr混合,壓片,測定其紅外光譜。

1.2.7 超微結構觀察 使用掃描電鏡觀察PEC膜的表面形態(tài),將樣品貼在樣品臺上,噴金后進行觀察并拍照。電壓為15 kV,放大倍數(shù)為×40倍。

1.2.8 數(shù)據處理 每組進行3次平行實驗,使用Office 2007中的Excel軟件以及GraphPad Prism 5.01版進行圖表整理與數(shù)據分析。

2 結果與討論

2.1 離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復合溶液濁度的影響

研究了三種離子物質在低濃度(0～60 mmol/L)下對復合溶液濁度的影響,結果如圖1。

圖1 離子種類及濃度對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復合溶液濁度的影響Fig.1 Influence of ions and concentration on chitosan/pectin /gum Arabic complex solution turbidity and viscosity

由圖1可知,不論何種離子,隨離子濃度的逐漸增大,復合物溶液濁度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。在實驗濃度范圍內,添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2和40 mmol/L FeCl3的溶液濁度分別達到最大值。上述現(xiàn)象的原因可能是:殼聚糖、果膠、阿拉伯膠均是帶有電荷的高分子多糖,其帶電性、分子構型和延伸性均受環(huán)境中離子的影響。添加少量離子時,陰、陽離子會分別覆蓋在殼聚糖、果膠和阿拉伯膠分子上,使得分子鏈間斥力增大,有利于分子鏈延伸,暴露出更多的結合位點,因此有利于形成更多的復合物[9];隨離子濃度的繼續(xù)增大,過量的陰、陽離子會屏蔽殼聚糖、果膠和阿拉伯膠分子表面的正負電荷,使復合變得困難,另外分子鏈剛性也會增加,不易彎曲轉折,從而干擾三者之間的靜電相互作用[4,10],溶液濁度也會因復合程度的減弱而降低。

2.2 離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜性能的影響

2.2.1 溶脹度 添加不同種類及濃度離子所得PEC膜的溶脹度隨時間的變化如圖2。

圖2 離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜溶脹度的影響Fig.2 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane swelling deree

圖2顯示,添加不同濃度、不同種類的陽離子對PEC膜溶脹度大小及隨時間的變化趨勢影響不同。各膜在浸泡1 h時間內,溶脹度呈線性增加,其后隨時間延長,吸水量逐漸減少;浸泡4 h后添加NaCl的PEC膜溶脹度變化不大,達到溶脹平衡,而添加CaCl2和FeCl3的PEC膜達到溶脹平衡所需時間分別為3 h和2 h。

添加50 mmol/L FeCl3時PEC膜的吸水溶脹性顯著提高,這可能是由于離子濃度過高,占據了過多果膠和阿拉伯膠分子內的結合位點。另外,Fe3+能與果膠交聯(lián)[11],導致果膠分子中結合位點減少,使殼聚糖分子傾向于與阿拉伯膠復合,由于阿拉伯膠親水性較強,所形成的膜更易吸水。

2.2.2 接觸角 測定含不同濃度(0～60 mmol/L)、不同種類離子PEC膜的接觸角大小,結果如圖3所示。

圖3 離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜表面接觸角的影響Fig.3 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane surface contact angle

接觸角是表征膜親水性的一個指標,膜表面接觸角越小,說明膜的親水性越好,越易吸水,膜溶脹度也越大[12-14]。由圖3,添加不同離子形成的PEC膜表面接觸角隨離子種類和濃度大小的變化而變化。添加NaCl、CaCl2的PEC膜的表面接觸角隨濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,這與圖2中離子對膜溶脹度大小的變化趨勢正好相反。添加FeCl3的PEC膜,隨離子濃度的增大,其表面接觸角先減小后逐漸增大,說明適量離子的添加可改變膜的親水性。

2.2.3 機械性能 不同離子濃度殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜的機械性能如圖4所示。圖4表明,PEC膜本身具有一定的拉伸強度,添加離子后能顯著提高膜的拉伸強度,降低膜的斷裂伸長率,這可能是因為低濃度離子添加造成高分子分子鏈伸展,靜電復合后相互纏結搭接,需要較大的拉力才可拉斷。與對照樣相比,PEC膜具有最大拉伸強度的離子濃度分別為:NaCl 30 mmol/L、CaCl240 mmol/L、FeCl340 mmol/L,這與溶液濁度隨離子濃度變化的趨勢類似,其中添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸強度9.844 MPa。

添加離子的PEC膜,其斷裂伸長率會顯著降低,但隨離子濃度的改變,其差異不大。可能的原因是適量的離子可以增加分子鏈間的靜電復合,但分子鏈間的流動性降低,宏觀上表現(xiàn)為膜硬度和脆性的加強、延伸性減弱[8,15-16]。

圖4 離子對殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜機械性能的影響Fig.4 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane mechanical behavior

2.2.4 紅外光譜分析 PEC膜包埋牛血清蛋白實驗中測得包埋率和載藥率隨溶脹度的升高而增大[9,17],因此選擇應用前景較好的,各離子PEC膜最大溶脹度時的濃度為FT-IR的測定對象,分別為NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L,結果如圖5所示。

圖5 殼聚糖、果膠、阿拉伯膠及添加離子的殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復合物紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of chitosan/pectin/gum Arabic polyelectrolyte complex with

2.2.5 掃描電鏡 選擇各離子PEC膜最大溶脹度時的濃度制作PEC膜,分別為NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L的PEC膜,研究其表面結構。放大倍數(shù)為×40,結果如圖6所示。

圖6 添加離子前后殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜掃描電鏡圖Fig.6 SEM photos of chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane with

觀察圖6可發(fā)現(xiàn),添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、較粗糙,而NaCl、CaCl2交聯(lián)的PEC膜表面較為光滑。分析其原因,可能是由于添加FeCl3促進了殼聚糖與阿拉伯膠的復合,復合物呈微囊顆粒狀,宏觀上膜凹凸不平,具有粗糙感;而添加低濃度的NaCl、CaCl2可以使聚合物大分子伸展,通過靜電復合形成較為均勻的三元復合物,與未添加離子的PEC膜相比,其形成的PEC膜結構較為均勻致密,宏觀上表現(xiàn)為膜較平整、光滑。這也與膜的吸水溶脹性相對應。

3 結論

殼聚糖/果膠/阿拉伯膠溶液的濁度隨離子濃度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2、40 mmol/L FeCl3時三元復合溶液的濁度最大。

添加10 mmol/L NaCl、10 mmol/L CaCl2、50 mmol/L FeCl3時,各PEC膜分別達到最大溶脹度,低于或高于此濃度,所得膜的溶脹度均有所下降。相比于對照樣,添加50 mmol/L FeCl3PEC膜的吸水溶脹性顯著提高;PEC膜的表面接觸角隨NaCl、CaCl2濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而添加FeCl3的PEC膜,隨離子濃度的增大,其表面接觸角先減小后逐漸增大;添加離子后能顯著提高PEC膜的拉伸強度,但其斷裂伸長率普遍較低,表現(xiàn)出一定的脆性。

通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),離子對殼聚糖和果膠、阿拉伯膠之間的靜電復合作用不產生影響。

掃描電鏡觀察PEC膜的表面形態(tài)發(fā)現(xiàn),添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、較為粗糙,而添加NaCl和CaCl2后形成的PEC膜表面相對較光滑。

[1]Fenrnadez MJ,Fell JT.Pectin/chitosan mixtures as coatings for colon-specific drug Delivery:aninvitroevaluation[J]. International Journal of Pharmaceutics,1998,169:115-119.

[2]Ghaffari A,Navaee K,Oskoui M,et al. Preparation and characterization of free mixed-film of pectin/chitosan/Eudragit?,RS intended for sigmoidal drug delivery[J]. European Journal of Pharmaceutics & Biopharmaceutics,2007,67(1):175-186.

[3]張立彥,劉小芳. 殼聚糖與阿拉伯膠靜電復合作用研究及顯微觀察[J]. 食品科技,2016(4):238-242，248.

[4]孫燕婷,黃國清,肖軍霞,等. 阿拉伯膠/殼聚糖復凝聚相的制備及表征[J]. 中國食品學報,2013,13(2):43-48.

[5]張立彥,包麗坤. 離子對殼聚糖/果膠聚電解質復合物溶脹性及微觀結構的影響研究[J]. 現(xiàn)代食品科技,2013,10:2353-2357.

[6]Liu S,Low NH,Nickerson MT. Effect of pH,salt,and biopolymer ratio on the formation of pea protein isolate-gum arabic complexes[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2009,57(4):1521-1526.

[7]Chang Y,Mclandsborough L,Mcclements D J. Interaction of cationic antimicrobial(ε-polylysine)with food-grade biopolymers:Dextran,chitosan,carrageenan,alginate,and pectin[J]. Food Research International. 2014,64:396-401.

[8]陳達佳,趙利,袁美蘭,等. 膠原蛋白與殼聚糖復合膜的機械性能[J]. 食品科學,2014(09):112-117.

[9]包立坤. 殼聚糖/果膠聚電解質復合物特性分析及牛血清蛋白負載研究[D]. 廣州:華南理工大學,2014.

[10]王國志. 殼聚糖與阿拉伯膠的復凝聚及其微囊的制備[D]. 哈爾濱:黑龍江大學,2013.

[11]張良珂,袁佩,田睿,等. 不同離子交聯(lián)果膠凝膠微丸溶脹及釋藥性質研究[J]. 生物醫(yī)學工程學雜志,2009(05):1030-1033.

[12]祝振鑫. 膜材料的親水性、膜表面對水的濕潤性和水接觸角的關系[J]. 膜科學與技術,2014,34(2):1-4.

[13]Rosa M J,Pinho M N D. Membrane surface characterisation by contact angle measurements using the immersed method[J]. Journal of Membrane Science,1997,131(1):167-180.

[14]Hurwitz G,Guillen G R,Hoek E M V. Probing polyamide membrane surface charge,zeta potential,wettability,and hydrophilicity with contact angle measurements[J]. Journal of Membrane Science,2010,349(1-2):349-357.

[15]高美玲,汪東風,楊偉,等. 離子交聯(lián)殼聚糖/海藻酸鈉可降解復合膜的研究[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版),2011(10):61-66.

[16]劉莉莉. 殼聚糖/明膠復合膜的制備及性能研究[D]. 湛江:廣東海洋大學,2014.

[17]張立彥,焦文娟,包麗坤. 三種離子物質對殼聚糖/果膠聚電解質復合物牛血清蛋白釋放特性的影響[J]. 現(xiàn)代食品科技,2015(1):37-42.

[18]Manrique G,Lajolo F. FT-IR spectroscopy as a tool for measuring degree of methyl esterification in pectins isolated from ripening papaya fruit[J]. Postharvest biology and technology,2002,25(1):99-107.

[19]Shameli K,Ahmad M B,Zargar M,et al. Synthesis and characterization of silver/montmo-rillonite/chitosan bionano-composites by chemical reduction method and their antibacterial activity[J]. International Journal of Nanomedicine,2011,6:271-284.

[20]Ocak B. Complex coacervation of collagen hydrolysate extracted from leather solid wastes and chitosan for controlled release of lavender oil[J]. Journal of Environmental Management,2012,100(2):22-28.

Effects of ions on properties of chitosan/pectin/Arabic gum PEC membrane

WU Jian-feng,ZHANG Li-yan*

(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Effects of NaCl,CaCl2and FeCl3on turbidity of chitosan/pectin/Arabic gum PEC solution,swelling degree,contact Angle and mechanical performance of PEC membrane were studied. The effects of ions on the structures and properties of PEC membrane were investigated through infrared spectrum analysis and scanning electron microscope(SEM). The results showed that the turbidity of the PEC solution increased firstly and then decreased with increasing ion concentrations in the range of 0～60 mmol/L. Variety and concentration of ions had different influence on the swelling degree of PEC membrane. The membrane with 50 mmol/L FeCl3showed significant high swelling degree. Variety and concentration of ions also had diffrent influence on the Contact angle of the membrane. Ions addition can significantly improve the tensile strength of membrane and reduced the elongation rate at break of membrane,PEC membrane with 40 mmol/L FeCl3had the highest tensile strength.. Infrared spectral analysis exhibited that ions had no influence on the complexation of chitosan,pectin,and Arabic gum. SEM photos showed that the PEC membrane with NaCl,and CaCl2had smooth surface,while the surface of membrane with FeCl3had concave and convex shape and was much coarser.

chitosan;pectin;Arabic gum;PEC membrane;ions

2016-07-14

吳健鋒(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：食品加工與保鮮 ，E-mail:hhxz12345@163.com。

*通訊作者:張立彥(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：食品加工與保鮮，E-mail：liyanzh@scut.edu.cn。

廣東省科技計劃項目資助(2014B020204002)。

TS202

B

:1002-0306(2017)03-0270-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.043