阿拉伯胶种类对复合凝聚微胶囊成囊性质研究

吕 怡，张晓鸣

(江南大学食品学院，江苏无锡214122)

阿拉伯胶种类对复合凝聚微胶囊成囊性质研究

吕 怡，张晓鸣*

(江南大学食品学院，江苏无锡214122)

研究了两种阿拉伯胶(Acacia senegal和Acacia seyal)对复合凝聚微胶囊成囊性质的影响。通过对阿拉伯胶性质的测定及复聚物的动态流变分析，发现由两种类型胶参与形成的复聚物随温度降低，体系的粘弹性转变存在较大差异:具体体现于Acacia senegal胶参与形成的复聚物，其粘性向弹性转变的温度大大高于Acacia seyal胶参与形成的复聚物。该流变特性进一步体现于微胶囊制备上的外观差异，并同时为采用不同类型的阿拉伯胶制备出形态优良的微胶囊提出了工艺上的相应改进措施。

阿拉伯胶，复合凝聚，流变，显微图像

1 材料与方法

1.1 材料与设备

明胶 食用级，凝冻强度200，河北成大明胶有限公司;阿拉伯胶A.senegal(AA)/A.seyal(BA) 法国CNI有限公司;茉莉精油 上海林铂香精厂;冰醋酸、氢氧化钠 分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司。

Zetasizer Nano电位仪 英国马尔文仪器有限公司;Aglient 1100型氨基酸自动分析仪 美国安捷伦公司;UV－1600紫外可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司;AR－G2流变仪 美国TA公司; FJ200－S数显高速分散机 上海标本模型厂; RW20.n悬臂式搅拌器 广州仪科实验室技术有限公司;DELTA 320 pH计 梅特勒－托利多仪器上海有限公司;BX51研究级荧光生物显微镜 日本奥林巴斯公司。

1.2 实验方法

1.2.1 明胶/阿拉伯胶溶液电位测定 分别配置浓度为0.01%(w/v)的明胶和阿拉伯胶溶液(AA/ BA)，在(40±1)℃条件下将其调到所需pH，使用Zetasizer Nano电位仪分别测定各个溶液的 Zeta电位。

1.2.2 阿拉伯胶的氨基酸分析 精确称量阿拉伯胶(AA/BA)粉末400mg置于水解管中，加入8mL盐酸溶液(6mol/L)，抽真空封融，放入110℃烘箱中水解。24h后打开水解管，转入25mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度。过滤，取滤液1mL置于10mL烧杯中，在真空干燥器中抽酸。12h后，用0.02mol/L稀盐酸溶解完全抽酸后的固体，过0.45μm膜，移取400μL样品至进样瓶，等待进样。

1.2.2.1 色谱条件色谱柱 采用 OPA衍生化法。ODS Hypersil，250mm×4.6mm;柱温:40℃。流动相: 20mmol/L醋酸钠溶液，甲醇∶乙腈=1∶2(v/v);检测器:UV338nm;流速:1.0mL/min。

1.2.3 复聚物溶液流变性质测定 采用AR－G2流变仪进行流变分析，所选探头为椎板(直径40mm，椎度2°，狭缝距离54μm)。测试样品为明胶与阿拉伯胶(AA/BA)制备的复聚物溶液(3%，w/v;pH4.0;混合比例1∶1)。为了不破坏样品结构，首先进行线性粘弹区的确定。在确定频率、应力下，对样品进行动态温度扫描。温度设定范围为40～－2.5℃。

1.2.4 复合凝聚微胶囊的制备 将明胶和阿拉伯胶在热水中搅拌溶解(1%，w/v;混合比例1∶1)，加入芯材茉莉精油，10000r/min高速分散乳化3～5min。乳状液倒入三口烧瓶中，45℃下恒温匀速搅拌，调节pH至4.0，反应一定时间后降温到15℃以下，继续反应15min。

1.2.5 微胶囊的形态观察 在搅拌过程中用吸管吸取一滴微胶囊分散液置于载玻片上并铺平，使用BX51荧光生物显微镜观察其形态并拍照。放大倍数100倍。

1.2.6 数据的统计分析 数据测三次取平均值，并通过origin 8.0软件计算标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 不同种类阿拉伯胶的电位分析

复合凝聚反应的基础即两种大分子间的静电相互作用。因此，通过研究胶体电荷的变化情况，可以获得复聚物反应的大致pH。明胶与两种阿拉伯胶(AA/BA)在不同pH下的带电情况如图1所示。明胶是一种蛋白质，属两性电解质，其带电情况与pH关系密切。随pH的逐渐降低，明胶电位逐渐上升，并在pH4.8左右穿越了电位零点，即明胶的等电点。相比明胶，两种阿拉伯胶的电位变化相对平缓，在pH 3～6的范围内，其均带负电。由图1可见，两种来源于不同树种的阿拉伯胶带电性质极其相似，仅有的一点差异可归为实验误差范围。为了使发生的静电相互作用达到最大值，必须控制使明胶与阿拉伯胶所带的电荷电量相等，电性相反。基于此，本实验选取的最佳复凝聚反应条件为混合比例1∶1，pH 4.0。

图1 明胶及阿拉伯胶(AA/BA)的电位随pH的变化Fig.1 Effect of pH on zeta－potential of gelatin and gum arabic(AA/BA)

2.2 不同种类阿拉伯胶的氨基酸组成分析

阿拉伯胶的组成极其复杂，除了多糖成分，还含有少量的蛋白组分，蛋白含量的差异对于阿拉伯胶的诸多性质均有显著影响。如图2所示，为两种阿拉伯胶的氨基酸组成。由图2可得，两种阿拉伯胶具有相同的18种氨基酸，羟脯氨酸(hyp)是其特异性氨基酸。通过柱状图可清楚地看到，AA所含的各种氨基酸含量都高于BA。把所有的氨基酸含量相加，可得AA中所含的蛋白总量为2.29%，而BA中所含的蛋白含量仅为1.10%，约为AA的一半。阿拉伯胶作为一种多糖却有着极好的乳化性，这直接与其所含的蛋白有关。以阿拉伯胶作为微胶囊的壁材，内部包覆的是油溶性香精，因此壁材的乳化性高低直接决定了芯材与壁材的吸附性能。

图2 两种阿拉伯胶(AA/BA)的氨基酸组成分析Fig.2 The amino acid composition for gum arabic(AA/BA)

2.3 不同种类阿拉伯胶组成的复聚物流变性质分析

通过对两种类别阿拉伯胶的电位及氨基酸组成分析，可以发现AA胶与BA胶具有相同的带电特性，因此不会影响复聚物发生的最适pH范围;但基于它们氨基酸组成的差异，可能会导致一些表面特性的差别。因此，对明胶－阿拉伯胶在pH 4.0条件下的复聚物流变性质进行了分析。

在实际制备微胶囊的过程中，所选取的壁材总浓度为1%，当pH调至4.0时，带正电的明胶分子与带负电的阿拉伯胶分子发生静电相互作用，形成复聚物并从溶液中析出并包裹芯材成为微胶囊。经过后续的冷却过程，最初形成的热溶胶壁材逐渐硬化，形成具有相对刚性的结构。为模拟上述过程，特设定以下流变实验以表征两种阿拉伯胶在微胶囊制备中的差别。虽然实际体系中的壁材总浓度仅为1%，但最终参与形成凝聚物后是一个对壁材组分的富集过程，故为了模拟实际制备体系，在本实验中将壁材浓度提高至3%进行流变实验。通过前期的线性粘弹区确定，所选取的动态流变实验条件为:振荡应力2Pa，频率5Hz，温度变化范围40～－2.5℃。如图3所示为3%的明胶－阿拉伯胶(AA/BA)混合液(1∶1)pH调至4.0后，随温度降低体系粘弹性质的差别。

在降温的初始阶段，无论是明胶－AA体系还是明胶－BA体系，其弹性模量(G')均小于粘性模量(G'')，即体系更多体现的是流体的性质。随着温度的逐渐下降，G'、G″均发生了较缓慢地上升，但幅度均不大。对于AA而言，在20℃时，G'发生了急剧地上升，并在17℃左右超越了G″，此时体系更多体现出类固体的性质，随着温度进一步下降，弹性模量继续显著上升，至－2.5℃时，已达11Pa。由此可见，在微胶囊的制备过程中，冷却步骤对于微胶囊形态的显著影响。对于BA而言，在开始阶段的降温过程，其特征与AA相似，但直至温度达10℃左右，G'才发生较显著上升，至3℃左右G'超过G″，逐渐显现出弹性特征。

由上述流变性质分析得出，当选取BA与明胶作为微胶囊壁材时，可能由于BA的内部性质差异，如氨基酸组成的不同，从而使得在正常的冷却操作中(15℃)，明胶－BA无法获得与明胶－AA相当的弹性水平。

图3 复聚物的动态流变性质随明胶－AA、明胶－BA等体系及温度的变化Fig.3 Effect of temperature on dynamic rheological characteristics of complexes composed of gelatin－AA and gelatin－BA

2.4 不同种类阿拉伯胶组成的微胶囊显微图像分析

冷却过程是微胶囊制备过程中极其重要的一个步骤［13］。在复凝聚过程中，反应温度为40℃，此时通过调节pH使壁材间的凝聚形成囊壁，但由于温度较高，所形成的壁材复合物此时所体现的是类液体的性质。只有通过冷却过程，才能使壁材硬化，所制备的微胶囊才具有相对刚性的结构。为了直观反映内部粘弹性质的差异，分别对明胶－AA，明胶－BA制备的微胶囊不同冷却温度下的显微图像进行分析。

图4所示为明胶－AA为壁材的茉莉香精微胶囊不同冷却温度下的显微图像。由图4(a)可见，当40℃时，微胶囊囊壁完全不可见，只能看见溶胀了的微胶囊轮廓。此时由于壁材的溶融性，其粒径接近50μm。该温度下的微胶囊毫无结构可言，一旦停止搅拌过程，将很快粘连、沉淀。温度降至30℃(图4 (b))时，囊壁隐约可见，但微胶囊仍处于高度溶胀阶段，粒径与40℃变化不大，且有部分粘连现象。如图4(c)所示，20℃时，微胶囊已具有相对固定的球形结构，粒径下降至30μm左右，但仍有部分粘连。温度继续下降至15℃时，微胶囊之间的粘连性有很大改善，形成了球形较好的状态。通过上述流变分析可知，当温度低于15℃时，复聚物体系的贮能模量大于损耗模量，并开始了急剧上升阶段，预示了体系趋于结构稳定的弹性成分在不断增加。因此说明微胶囊的外观结构与复聚物的流变性质具有直接的对应性。

图4 明胶－AA微胶囊不同冷却温度下的显微图像Fig.4 The morphology of microcapsules composed of gelatin－AA at different cooling temperature

如图5所示为明胶－BA为壁材的茉莉香精微胶囊不同冷却温度下的显微图像。由图5可见，30℃时，微胶囊仍呈溶胀状态，囊壁完全不可见，且未见明显的球形结构，这与图4(b)的微弱囊壁具有显著差别。继续降温至20℃和10℃时，微胶囊虽然形成了可见囊壁，但其形态极不规则，并且粘连现象严重。通过降温至0℃时，微胶囊的形态才发生较大改观，许多粘连的囊壁渐渐分开，大体成球形胶囊。从流变的角度分析，明胶－BA体系的粘性成分大大强于明胶－AA体系，只有当冷却温度降至3℃以下，才发生逆转。因此，在惯常的复合凝聚微胶囊冷却过程中，普通的冰水冷却无法达到该逆转温度，所得到的微胶囊形态大大劣于明胶－AA体系。

3 结论

复合凝聚微胶囊作为一种极具潜力的疏水性物质包埋方法，其应用常常受制于壁材的选择。本研究通过对阿拉伯胶的两种类别进行分析，发现其带电性质相同，但氨基酸组成具有较大差异。通过进一步对明胶－阿拉伯胶组成的复聚物最适条件下的流变性质进行研究，发现对于弹性成分大于粘性成分的阶段，明胶－BA体系较明胶－AA体系具有更低的温度，即意味着要达到同样的较高弹性模量值时，明胶－BA体系需使温度降至更低。该结果通过相应微胶囊冷却过程的显微图像进行了深一步的阐释。结果发现，如果单以微胶囊的显微形态作为指标进行考量，价格便宜的BA型阿拉伯胶(A.seyal)只要通过控制冷却温度，即可以达到与AA型阿拉伯胶(A.senegal)相媲美的外观结构。在复合凝聚微胶囊的制备过程中，冷却过程的目的是使微胶囊的囊壁硬化，形成具有一定刚性的结构，其后会有一个固化过程，目的是使囊壁间发生分子水平的交联，从而能对抗高温、机械力等外界因素［14－15］。因此，只要在冷却过程中达到体系的弹性成分大于粘性成分，微胶囊之间就不发生粘连现象，理论上对于微胶囊的各方面性质都不会产生影响。后续还将对两种阿拉伯胶制备的微胶囊包埋效率、耐热性及控释性等进行研究，为更全面地评价两种类型胶的成囊性质、有效地指导实际应用提供理论依据。

图5 明－BA微胶囊不同冷却温度下的显微图像Fig.5 The morphology of microcapsules composed of gelatin－BA at different cooling temperature

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Effect of gum arabic variety on the formation characteristic of microcapsule prepared by complex coacervation

LV Yi，ZHANG Xiao－ming*
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The effect of gum arabic variety(Acacia senegal and Acacia seyal)on the formation characteristic of microcapsule prepared by complex coacervation was investigated.Through the comparisons of gum arabic characteristics and the rheological analysis from their corresponding complexes，it was found that systems composed of different variety of gum arabic showed great variance on the property of viscoelasticity.In particular，the transition temperature from viscosity to elasticity was much higher for Acacia senegal type complexes than Acacia seyal type complexes.Such rheological pattern would furtherly represent on the morphological difference of corresponding microcapsules.Also，it could be applied to guide the preparation of microcapsule using different variety of gum arabic.

gum arabic;complex coacervation;rheology;morphology

TS201.2

A

1002－0306(2012)10－0124－04

复合凝聚微胶囊化技术选取两种或两种以上的水溶性高分子电解质作成膜材料，在适当条件下，使大分子聚合物带上相反电荷发生静电吸附作用，在溶液中产生凝聚相并包埋芯材，形成具有球形多核结构的微胶囊［1］。由于该微胶囊具有较高载量，并能耐受高温及机械力，具备缓释特性［2］，可用于食品［3］、化工［4］、医药［5］等诸多行业，获得一系列高附加值的产品。复合凝聚微胶囊所选取的壁材组合通常为明胶与阿拉伯胶。明胶来源于动物骨头、皮肤和筋腱，由母体胶原经酸或碱水解制得［6］。该技术一般选取碱水解明胶，其等电点为pH4.6～5.2［7］。经实验表明，凝冻强度为200的明胶所制备的微胶囊各方面品质均较好。相较明胶种类的筛选，阿拉伯胶就复杂许多。阿拉伯胶来源于豆科金合欢树种(acacia trees)的粘稠渗出物经干燥而得［8－9］。金合欢树种在非洲、印度、澳大利亚、中美洲和北美西南部均有分布。食品添加剂联合专家委员会(Joint Expert Committee on Food Additives)将阿拉伯胶分为两种类型，分别来源于Acacia senegal和Acacia seyal树种的树干渗出物所形成的干固胶状物［10－11］。基于此，目前商品化的阿拉伯胶主要分为两类:A.senegal，其具有良好的乳化活性，应用领域广泛;A.seyal，乳化性较弱，应用领域局限。在商品价格方面，A.senegal的价格也高于A.seyal型，约为后者的两到三倍［12］。传统采用的制备复合凝聚微胶囊的阿拉伯胶为A.senegal型，受制于其高昂的价格，该技术很难在工业生产中加以应用。本文选取两种类别的阿拉伯胶，通过其电位、氨基酸组成、流变性质的分析，指导微胶囊的制备工艺。

2011－12－05 *通讯联系人

吕怡(1984－)，女，在读博士生，研究方向:香精的微胶囊化研究。

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD23B01);广东省部产学研项目(2010B090400139)。