pH对 复合凝聚薄荷油微胶囊形态及复合凝聚物性质的影响＊

董志俭,夏书芹,贾承胜,张晓鸣,许时婴

1(渤海大学生物与食品科学学院,辽宁锦州,121000) 2(江南大学食品学院,江苏无锡,214112)

pH对 复合凝聚薄荷油微胶囊形态及复合凝聚物性质的影响＊

董志俭1,夏书芹2,贾承胜2,张晓鸣2,许时婴2

1(渤海大学生物与食品科学学院,辽宁锦州,121000) 2(江南大学食品学院,江苏无锡,214112)

研究了pH对复合凝聚薄荷油微胶囊的形态及壁材复合凝聚物性质的影响,揭示了复合凝聚物对微胶囊形态影响的内在原因。结果表明:当pH由4.3降到3.7时,壁材复合凝聚物的组成及产率没有明显变化,复合凝聚球状多核微胶囊粒径的增大主要是由于壁材复合凝聚物间静电排斥力的下降和复合凝聚物凝胶性的增强所致;而当pH低于3.7时,由于大量的明胶分子从壁材复合凝聚物中排斥出,微胶囊形态变得不规则。

微胶囊,复合凝聚法,复合凝聚物,凝胶性,流变性,Zeta电位

复合凝聚微胶囊根据其内部结构,可以分为单核微胶囊和多核微胶囊。单核微胶囊是由单个的油滴被复合凝聚物包埋形成的;而多核微胶囊是由大量的单核微胶囊相互聚集,形成具有多芯结构的微胶囊[1-2]。已报道的研究主要集中在如何制备单核微胶囊。单核微胶囊的粒径较小,分布均匀,适合应用在无碳复写纸等化工产品中。与单核微胶囊相比,多核微胶囊具有更好的控制释放性质[3],并且减少了生产工序,降低了生产成本[4]。然而在这方面的研究仍然很少,因为在多核微胶囊的制备过程中,微胶囊的形态很容易变得不规则,难以得到理想的球状多核结构的微胶囊。因此如何通过调整工艺参数,制备具有球形结构、流动性良好的多核微胶囊成为这项技术的关键。

复合凝聚微胶囊化的过程可分为4个阶段,分别是乳化、复合凝聚、凝胶化和固化[5]。在复合凝聚阶段,通过调整pH使带正电荷的明胶分子与带负电荷的阿拉伯胶分子相互作用,形成水不溶性的复合凝聚物,复合凝聚物沉积在乳状液滴的表面,构成了微胶囊壁。Weinbreck等的研究表明,pH能够显著影响乳清分离蛋白/阿拉伯胶复合凝聚物的带电性质[6],小角度X射线衍射也证明了pH对复合凝聚物的性质有重要影响,当静电相互作用较为强烈时,复合凝聚物变得更加致密、均一[7]。复合凝聚物的性质对于复合凝聚微胶囊的研究具有重要的指导意义。复合凝聚物的性质不同,对微胶囊形态的影响亦不同[8],Burgess的实验表明,即使没使用桥联剂,清蛋白/阿拉伯胶复合凝聚物的高黏性也能够很好地稳定微胶囊,防止聚集[9]。Tomassin指出,复合凝聚物的黏弹性影响了微胶囊化的过程[10]。因此pH对于复合凝聚物的性质和复合凝聚微胶囊的形态具有十分重要的影响。

本文通过研究pH对复合凝聚微胶囊的形态以及复合凝聚物性质的影响,探索了复合凝聚物的性质对微胶囊形态影响的内在本质。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

明胶,国药集团上海化学试剂有限公司;阿拉伯胶,上海润创食品有限公司;薄荷素油,南通薄荷油厂;转谷氨酰胺酶,泰州一鸣生物技术有限公司。

1.2 实验仪器

RW20.N悬臂式搅拌器,广州仪科实验室技术有限公司;紫外可见分光光度计,北京锐利分析仪器公司;Zetasize2000型Zeta电位仪,英国Malvern公司;Agilent1100型氨基酸高效液相色谱仪,美国Agilent公司;PHS-2C型精密酸度计,上海精密科学仪器有限公司;ARG2流变仪,美国TA公司;FJ-200高速分散器,上海标本模型厂;TS100/TS100-F倒置显微镜,日本Nikon公司。

1.3 实验方法

1.3.1 明胶/阿拉伯胶复合凝聚微胶囊的制备[11]

分别制备质量分数1%的明胶、阿拉伯胶溶液各1000 mL,混合后加入40g薄荷油,并用高速分散器在10000 r/min下乳化 3min。乳状液被转移到三口烧瓶中,在40℃的水浴及400 r/min的搅拌速度下,滴加质量分数10%的乙酸溶液,将乳状液调整到所需 p H值,10 min后微胶囊悬浮液的温度被冷却到10℃以下,加入一定量的甲醛(质量分数37%)溶液,然后将pH提高到10,进行固化处理。30 min后,升温到40℃。过滤,洗涤,得到一定含水量的湿复合凝聚微胶囊。

1.3.2 复合凝聚微胶囊形态的观察

取一滴固化后的复合凝聚微胶囊悬浮液,将其放于载玻片上,用倒置显微镜观察并拍照。

1.3.3 复合凝聚物的制备及产率计算

分别配置250 mL质量分数1%的明胶和阿拉伯胶溶液,再将2种溶液混合,在40℃水浴中400 r/min的搅拌速度下,调整到所需pH。将得到的复合凝聚物悬浮液在5℃下放置12 h,复合凝聚物沉于下部,形成凝胶层,上部为上清液。将上清液倒出测量其体积,并进一步测量上清液中的明胶含量。底部的复合凝聚物取出后,冷冻干燥,称量其质量,并计算产率:

当测量复合凝聚物的流变性质时,将得到的凝胶层升温融化,并加入少量相应pH的水,调整复合凝聚物的浓度到11%,以此作为流变实验的样品。

1.3.4 Woessner法测定复合凝聚物上清液中羟脯氨酸含量

1.3.4.1 水解液的制备

取 3mL 1.3.3中的上清液,置于水解管中,加入6 mol/L HCl,真空封管,110℃水解24 h后,蒸干HCl,稀释,定容到10 mL得水解液。

1.3.4.2 测定方法

以0.001 mol/L HCl作空白,4 mL测试液或标准溶液加入2 mL氯胺T溶液,混和,室温下静置5 min,加入对二甲氨基苯甲醛溶液2 mL,混和,60℃加热20 min,置于水中冷却,测定560 nm的吸光度OD。根据标准溶液浓度和吸光度作出标准曲线,再根据标准回归方程和测试液的吸光度计算出上清液中羟脯氨酸的含量。

1.3.5 上清液中的明胶含量测定

氨基酸分析表明明胶分子中羟脯氨酸含量为9.97%,因此上清液中的明胶质量:

上清液中的明胶质量=上清液中羟脯氨酸质量/9.97%

1.3.6 复合凝聚物中的明胶含量及明胶与阿拉伯胶的转化率

复合凝聚物中明胶的质量=起始加入明胶的质量-上清液中的明胶的质量

复合凝聚物中阿拉伯胶的质量=复合凝聚物的质量-复合凝聚物中明胶的质量

明胶的转化率=复合凝聚物中明胶的质量/起始加入明胶的质量

阿拉伯胶的转化率=复合凝聚物中阿拉伯胶的质量/起始加入阿拉伯胶的质量

明胶含量=复合凝聚物中明胶的质量/复合凝聚物的质量

1.3.7 Zeta电位的测定

分别配置一定浓度的明胶和阿拉伯胶溶液,并且将其调到所需的pH值。每次取10 mL溶液,测Zeta电位。

1.3.8 流变性质测定

采用ARG2型流变仪进行流变分析。使用椎板(直径40 mm,椎度2度,狭缝距离为 1mm)进行小变形振荡扫描分析。测试台的温度被控制在25℃,加1 mL的样品在测试台上,进行动态流变实验,频率扫描是在1%的应变(线性黏弹区内)下进行,频率由1rad/s增加至100 rad/s,样品表面加轻质硅油进行保护以免水分蒸发。

2 结果与讨论

2.1 pH值对复合凝聚多核微胶囊形态影响

由图1可知,当pH值由4.3降到3.7时,形成的复合凝聚多核微胶囊成球状,并且微胶囊的平均粒径逐渐增大(图1-a～图1-c);当pH值降到3.4和3.1时,球状多核微胶囊变得不规则(图1-d～图1-e);当pH为2.8时,不规则的多核微胶囊被进一步破坏,形成更小的单核和多核微胶囊(图1-f)。因此制备复合凝聚球状多核微胶囊的最适pH值为3.7～4.0。

2.2 pH值对复合凝聚物带电性质的影响

由图2可知,当pH值由4.3降到3.4时,明胶带正电荷,所带电量逐渐增加,阿拉伯胶带负电荷,所带电量逐渐减少,复合凝聚物的净电荷由负变正,电量也先减少再增加。当pH值由4.3降到3.7时,复合凝聚物所带的电量显著降低,复合凝聚液滴之间的静电排斥力下降,相互间容易碰撞聚集形成粒径更大的球状多核微胶囊。

2.3 pH值对复合凝聚物凝胶性质的影响

图1 pH对复合凝聚微胶囊形态的影响

图2 pH值对复合凝聚物带电性质的影响

图3 pH对复合凝聚物凝胶性质的影响

由图3可知,pH值为4.3的复合凝聚物的黏性模量和弹性模量均最低,黏性模量曲线与弹性模量曲线受频率的影响都较大,曲线相交点的频率也最低,复合凝聚物凝胶性最差,更多体现流体性质。当pH值为4.0时,在低频区弹性模量高于黏性模量,并且弹性模量受频率的影响很小,而在高频区黏性模量高于弹性模量,体现弱凝胶性质。pH值为3.7的复合凝聚物具有较高的弹性模量(G’)与黏性模量(G"),并且在整个频率区间内弹性模量均高于黏性模量;弹性模量受频率的影响不大,在低频区具有较大的平台,而黏性模量随频率的增加显著提高,这说明了这种复合凝聚物具有较强的凝胶性[12]。pH值为3.4的复合凝聚物的黏、弹性曲线与pH值4.0的相近,也体现出弱凝胶的性质。因此当pH值由4.3降到3.7时,复合凝聚物的凝胶性逐渐增强,所形成的复合凝聚微胶囊的结构更加稳定,粒径也逐渐增大。而当pH值继续下降时,凝胶性减弱,结构渐趋不稳定。

2.4 pH值对复合凝聚物组成的影响

在图4中,当pH值由4.3降到3.7时,明胶和阿拉伯胶的转化率及复合凝聚物中明胶的含量变化均不大;继续降低pH值,明胶的转化率和复合凝聚物中明胶的含量显著降低,而阿拉伯胶的转化率明显提高。pH的下降导致明胶所得带正电荷量显著增加,而阿拉伯胶所带的负电荷量逐渐减少,当pH值降到3.7以下,明胶分子间的静电排斥作用超过明胶与阿拉伯胶分子间的静电吸引作用,大量明胶分子从复合凝聚物中移出,致使明胶的转化率及复合凝聚物中明胶含量下降;而移出的明胶分子中,少量会与溶液中的阿拉伯胶分子相互作用,形成复合凝聚物,因而阿拉伯胶的转化率升高。

图4 pH对复合凝聚物组成的影响

pH值在4.3～3.7内复合凝聚物的组成变化相对较小,球状多核微胶囊粒径的增大是由于壁材复合凝聚物净电荷的减少及凝胶性的增强所致。当pH值降到3.7以下,大量的明胶分子被从壁材复合凝聚物中排斥出,微胶囊壁的孔隙结构加大,形态变得不规则。

图5为预测的明胶/阿拉伯胶复合凝聚物分子的可能结构模型。白带为阿拉伯胶分子,黑球为明胶分子,明胶、阿拉伯胶分子通过静电相互作用缠绕聚集在一起,形成大的复合凝聚物分子。

图5 明胶、阿拉伯胶复合凝聚物的构成模型

2.5 pH值对复合凝聚物产率的影响

由图6可知,当pH值由4.3降到3.7时,由于明胶、阿拉伯胶的转化率变化都不大,导致复合凝聚物的产率变化不明显;且在此pH值范围内,明胶具有超过90%的转化率,因此复合凝聚物的产率较高。而当pH值由3.7降到3.4时,复合凝聚物的产率由73%降到68%,原因在于尽管阿拉伯胶的转化率略有提高,但明胶的转化率显著下降,导致了复合凝聚物的产率明显下降。因此,当pH值由4.3降到3.7,复合凝聚物的产率变化不大,球形微胶囊粒径增大不是由于复合凝聚物产率增加所致。

图6 pH对复合凝聚物产率的影响

3 结论

(1)当pH值由4.3降到3.7时,复合凝聚微胶囊呈球状多核结构,并且微胶囊的粒径逐渐增大;pH值低于3.7时,微胶囊的形态变得不规则。

(2)当pH值由4.3降到3.7时,壁材复合凝聚物间的静电排斥力下降、凝胶性增强导致球状多核微胶囊粒径的增大;而壁材复合凝聚物的组成及产率对于微胶囊的粒径影响不大。

(3)当pH值降到3.7以下时,壁材复合凝聚物中明胶分子间的静电排斥力超过了明胶、阿拉伯胶分子间的静电吸引力,大量的明胶分子被从微胶囊壁中排斥出,微胶囊壁的孔隙结构加大,形态变得不规则。

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ABSTRACTEffect of pH on the morphology and the property ofmicrocapsules encapsulating peppermint oil by coacervation aswallmaterialwas investigated.The principle of the effect of coacervates on the morphology ofmicrocapsuleswas illustrated.The results showed thatwith the decrease ofpH from 4.3 to 3.7,the composition and productivity of coacervates rarely changed.So the increase of particle size of sphericalmultinuclearmicrocapsuleswas the result from the decrease of electronic resistantpower and the increase of gelling property for coacervates.When pH was blew 3.7,the morphology ofmicrocapsules turned irregular and released plenty of gelatin from coacervate wallmaterial.

Key wordsmicrocapsule,coacervation,coacervate,gelling property,thixotropy,Zeta potential

Effect of pH on Morphology and Property of Microcapsule Encapsulating Peppermint Oil by Coacervation

Dong Zhi-jian1,Xia Shu-qin2,Jia Cheng-sheng2,Zhang Xiao-ming2,Xu Shi-ying2
1(College of Biotechnology and Food Science,Bohai University,Jinzhou 121000,China)
2(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214112,China)

博士,讲师(张晓鸣教授为通讯作者)。

＊国家科技支撑计划项目(2006BAD27B04)

2010-01-27,改回日期:2010-04-27