脂肪酸燕麦β-葡聚糖酯结构对其临界自聚集浓度和胶束粒径的影响

祝佩佩，陈 芳，叶发银,2，赵国华,2,*（.西南大学食品科学学院，重庆 40075；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 4007 5）



脂肪酸燕麦β-葡聚糖酯结构对其临界自聚集浓度和胶束粒径的影响

祝佩佩1，陈 芳1，叶发银1,2，赵国华1,2,*
（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 40071 5）

摘 要：采用响应曲面法探讨了脂肪酸燕麦β-葡聚糖酯（fatty acid oat β-glucan esters，FAOGE）的结构对其临界聚集浓度（critical aggregation concentration，CAC）值和胶束粒径的影响。考察的FAOGE结构参数包括：燕麦β-葡聚糖的分子质量（7.4×104～16.8×104D）、取代度（0.010±0.002～0.030±0.002）和酰基链长（6、8、10）。结果表明：不同结构的FAOGE溶液的CAC值在质量浓度为0.050～0.165 mg/mL的范围内，其大小随着取代度、酰基链长的降低或β-葡聚糖分子质量的增加而增加。结构参数对CAC值的影响顺序为：酰基链长＞取代度＞燕麦β-葡聚糖分子质量。不同结构的FAOGE自聚集体的平均粒径在264.7～530.9 nm的范围内，且随着取代度、酰基链长的降低及β-葡聚糖分子质量的增加而逐渐增加，结构参数对自聚集体的平均粒径的影响顺序为：取代度＞酰基链长＞燕麦β-葡聚糖分子质量。

关键词：脂肪酸β-葡聚糖酯；结构；临界聚集浓度；粒径

引文格式：

祝佩佩,陈芳,叶发银,等.脂肪酸燕麦β-葡聚糖酯结构对其临界自聚集浓度和胶束粒径的影响[J].食品科学,2016,37(5):12-16.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605003.http://www.spkx.net.cn

ZHU Peipei,CHEN Fang,YE Fayin,et al.Effects of structure parameters of fatty acid oat β-glucan ester on its critical aggregation concentration and micelle size[J].Food Science,2016,37(5):12-16.(in Chinese with English abstract)

两亲性分子在水溶液中能自聚集形成具有特殊核-壳结构的胶束[1]，由于其形成的胶束粒度小（通常在几十至几百纳米之间），且核内可装载疏水性药物和生物活性物质，使其在亲脂性物质增溶、靶向输送、保护等方面展现出了巨大的潜能，现已被广泛应用于医药、食品、日用化工等领域[2-4]。近年来，两亲性多糖由于其良好的生物相容性和可降解性而受到越来越多的关注。β-葡聚糖作为一种广泛存在于粮谷类作物（青稞、燕麦等）中的一类亲水性非消化性多糖，对人体健康有很重要的生理功能，现已被国内外大量的研究与流行病学调查结果所证实，其能起到降血糖、降血脂、抗结肠癌、调节机体免疫的作用[5-6]。本课题项目组前期研究发现，利用辛烯基琥珀酸及脂肪酸对燕麦β-葡聚糖进行疏水化改性后，形成的酯在水溶液中能发生自聚集形成核壳结构，并可提高亲脂性化合物的溶解度[7-8]。

两亲性酯在水溶液中通过疏水缔合作用自聚集形成胶束的最低浓度称为临界聚集浓度（critical aggregation concentration，CAC），这对于两亲性物质是一种重要的功能参数[9]。而形成的胶束的粒径决定自聚集体载药量、溶解度/分散性和生物利用度，也是其特别重要的理化性质之一[7]。有文献报道称两亲性分子的结构参数如取代度、分子质量、疏水部分碳链长度等对胶束的自聚集行为、溶解度、粒径及胶束对脂溶性化合物的荷载率具有显著影响[10-12]。为了进一步研究合成的脂肪酸燕麦β-葡聚糖酯（fatty acid oat β-glucan esters，FAOGE）的相关特性，本实验以FAOGE的结构参数（燕麦β-葡聚糖分子质量、酯的取代度、酰基链长）为自变量，利用响应曲面法分析了FAOGE的结构与临界聚集浓度和胶束粒径之间的关系，以期为FAOGE在食品和医药工业中应用提供更全面的依据。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

燕麦β-葡聚糖（纯度80%） 河北省张家口一康生物科技有限公司；己酸甲酯（色谱纯）、辛酸甲酯、癸酸甲酯、二甲基亚砜 上海Adams公司；己酸、辛酸、癸酸、正庚烷（色谱纯）、异丙醇、N,N’-羰基二咪唑成都市科龙化工试剂厂；芘 美国Sigma公司；其他所有试剂均为分析纯。

1.2仪器与设备

BS-223S电子天平 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；85-2数显恒温磁力搅拌器 金坛市易晨仪器制造有限公司；HH-2数显恒温水浴锅 金坛市富华仪器有限公司；GC-2010气相色谱仪、LC-20A高效液相色谱仪 日本岛津公司；QL-866漩涡振荡器 江苏省海门市其林贝尔仪器制造有限公司；ZS90激光粒度分析仪 英国Malvern仪器有限公司；ALPHA1-4 LSC冷冻干燥机 河南兄弟仪器设备有限公司；F-2500荧光分光光度计 日本日立公司。

1.3方法

1.3.1β-葡聚糖水解物的制备及其分子质量测定

β-葡聚糖的水解参考文献[8]，干燥后的水溶性β-葡聚糖及其水解物用自封袋装好后，室温下贮藏于干燥器中备用[13]。β-葡聚糖及其水解物重均分子质量由高效体积排阻色谱法（high performance size exclusion chromatography，HPSEC）测定[14]，5 个标准葡聚糖（T4、T7、T50、T200、T200）用蒸馏水配制成质量浓度为2.0 mg/mL溶液并过0.45 øm滤膜，进入高效液相色谱仪测定。并以保留时间（tR）为横坐标，分子质量的对数（lgMt）为纵坐标进行作图，得到标准曲线方程为：y＝－0.281 9x＋8.766 1（R2＝0.988 7）。通过测定，经1、3 mL盐酸水解得到的β-葡聚糖和原β-葡聚糖的分子质量分别为7.4×104、12.1×104、16.8×104D。

1.3.2FAOGE的制备

两种水解的β-葡聚糖和原β-葡聚糖与脂肪酸生成酯的制备参考文献[8]方法，合成的FAOGE的取代度控制在0.009 0～0.029 1范围之内。

1.3.3FAOGE取代度的测定

FAOGE取代度的测定参考文献[8]。取代度的计算见下式。

式中：Mw为酰基的分子质量/D（己酰为98.16，辛酰为126.21，癸酰为154.26）。

1.3.4FAOGE自聚集体形成

称取40 mg FAOGE溶于20 mL纯水中，并加热溶液至沸腾，持续2 min，冷却后补齐溶液体积至20 mL。再次加热至沸腾持续2 min，冷却后补齐溶液至20 mL，得到FAOGE自聚集溶液。

1.3.5FAOGE的CAC值测定

CAC值的测定利用荧光探针法，配制浓度为3×10－4mol/L的芘甲醇溶液。取10 mL的具塞试管，向每管中加入3×10－4mol/L的芘20 øL，之后用N2将溶液中的甲醇吹干，再向每管中加入10 mL不同质量浓度（0.000 3～3 mg/mL）的FAOGE溶液，从而使得芘的最终浓度为6×10－7mol/L。然后用漩涡振荡器高速混合均匀，在室温条件下将溶液避光放置过夜，用荧光分光光度计测定芘的发射光谱。其激发波长为330 nm，发射和激发狭缝均为10 nm，发射光谱的扫描范围为360～420 nm。记录I1（373 nm）和I2（384 nm）的荧光强度，以芘的荧光强度I1/I3与FAOGE的质量浓度的对数作图，求出临界聚集浓度[7]。

1.3.6粒径的测定

取适量1.3.4节中制备的自聚集溶液在5 600×g条件下离心10 min后装入比色杯中，将比色杯放入粒径测定仪的样池中进行粒径测定，样品均重复测定3 次。测试条件为：氦氖激光器，波长为633 nm，温度为（25±0.1） ℃，动态光散射角度为90 °[7]。

1.3.7响应面试验设计

采用Box-Behnken设计原理，选取FAOGE的CAC值、平均粒径为响应值，FAOGE的结构参数：燕麦β-葡聚糖分子质量（X1）、脂肪酸β-葡聚糖酯取代度（X2）、酰基链长（X3）为自变量，进行响应面优化试验。

1.4数据分析

数据分析采用SPSS 17.0和Design-Expert 8.0软件。用Turkey’s HSD进行方差分析（P＜0.05为差异显著），数据用表示。

2　结果与分析

2.1响应曲面试验结果

在本试验中，燕麦β-葡聚糖分子质量、FAOGE取代度、酰基链长对FAOGE溶液的CAC值和胶束粒径的影响见表1。

表1　FAOGE的CAC和胶束粒径的Box-Behnken试验结果Table 1 Box-Behnken design arrangement with response values of critical aggregation concentration(CAC)and micelle size of fatty acid oat -glucan esters(FAOGEs)

2.2FAOGE结构对CAC值的影响

运用Design-Expert软件对表1中的CAC值试验结果进行方差分析。

表2　FAOGE的CAC值和胶束粒径的二次响应模型方差分析Table 2 Analysis of variance(ANOVA)for the effects of structure parameters on CAC and micelle size of FAOGEs

由表2可知，各单因素项燕麦β-葡聚糖分子质量（X1）、酯的取代度（X2）、酰基链长（X3）和燕麦β-葡聚糖分子质量的二次项（X12）、取代度的二次项（X22）、酰基链长的二次项（X32）对FAOGE的CAC的影响是显著的，其中X2、X3、X32的影响为极显著（P＜0.01），燕麦β-葡聚糖分子质量和取代度的交互项（X1X2）、取代度与酰基链长的交互项（X2X3）对FAOGE的CAC的影响显著（P＜0.05），而燕麦β-葡聚糖分子质量和酰基链长的交互项（X1X3）对FAOGE的CAC的影响不显著，说明设计中的因素与CAC之间不是简单的线性关系。

为了进一步分析各因素对响应值的影响趋势，利用Design-Expert软件，分别固定酰基链长（X3）、酯的取代度（X2）和燕麦β-葡聚糖分子质量（X1）在原点，依次绘制得到其他两个变量的等高线图（图1）。

图1　FAOGE的结构对CAC值影响的等高线图Fig.1 Contour plots for the effects of structure parameters on CAC of FAOGEs

2.2.1燕麦β-葡聚糖分子质量对CAC值的影响

由图1a、1b可知，随着燕麦β-葡聚糖分子质量的递增，FAOGE胶束溶液的CAC值逐渐增大，说明β-葡聚糖分子质量越大，FAOGE越不容易发生自聚集。这是由于酸水解显著降低了FAOGE的黏度，使其溶液流变学特性发生改变，降低了FAOGE发生自聚集时的空间位阻[15]。Kim等[16]曾报道在乙二醇壳聚糖-脱氧胆酸结合物中，随着乙二醇壳聚糖分子质量的增大，疏水的脱氧胆酸之间的有效结合越困难。

2.2.2取代度对CAC的影响

由图1a、1c可知，随着取代度的增大，FAOGE胶束溶液的CAC逐渐减小。当取代度最大时，FAOGE的CAC最小。这是由于随着疏水改性物质取代度的不断提高，FAOGE疏水侧链的分子内疏水相互作用力就逐渐增强，在极性溶液中就越容易形成紧密的核壳结构聚合体[17]。这说明FAOGE胶束溶液的CAC与取代度之间成负相关，与Wang Hao[18]、Filippov[19]等的研究结果一致。

2.2.3酰基链长对CAC的影响

由图1b、1c可知，随着酰基链长的增加，FAOGE胶束溶液的CAC值逐渐减小。说明酰基链越长的FAOGE越容易发生自聚集。这是因为两亲性物质发生自聚集行为的主要推动力是疏水相互作用，而随着酰基链长的增加，FAOGE侧链的疏水性增加，使得其更容易发生自聚集，CAC值就显著降低。这与Lin[20]和van Kempen[21]等的研究结果一致。

2.3FAOGE结构对其胶束粒径的影响

运用Design-Expert软件对表1中FAOGE的胶束粒径的试验结果部分进行方差分析。由表2可知，燕麦β-葡聚糖分子质量（X1）、酯的取代度（X2）、酰基链长（X3）、燕麦β-葡聚糖分子质量和取代度的交互项（X1X2）、燕麦β-葡聚糖分子质量和酰基链长的交互项（X1X3）及燕麦β-葡聚糖分子质量的二次项（X12）对粒径的影响显著。而取代度的二次项（X22）、酰基链长的二次项（X3

2）及取代度与酰基链长的交互项（X2X3）对粒径的影响不显著。这说明设计中的因素与响应值（粒径）之间不是简单的线性关系。

为了进一步分析各因素对响应值的影响趋势，利用Design-Expert软件，分别固定酰基链长（X3）、取代度（X2）和燕麦β-葡聚糖的分子质量（X1）在原点，绘制得到其他两个变量的等高线图（图2）。

图2　FAOGE的结构对其胶束粒径影响的等高线图Fig.2 Contour plots for the effects of structure parameters on micelle size of FAOGEs

2.3.1燕麦β-葡聚糖分子质量对胶束粒径的影响

由表2和图2可知，FAOGE的结构对其胶束粒径具有显著的影响。具体来看，由图2a、2b可知，FAOGE胶束粒径随着燕麦β-葡聚糖分子质量的增大而增大。这可能是由于两方面的原因：一方面，当FAOGE的疏水链部分相同时，FAOGE中的燕麦β-葡聚糖的分子质量越大，其链越长，相较于链短的燕麦β-葡聚糖所形成的胶束的壳越大；另一方面，当燕麦β-葡聚糖的分子质量减小时，会使胶束自聚集时的空间曲率降低，从而使整个胶束更容易被压缩[22]。

2.3.2取代度对胶束粒径的影响

由图2a、2c可知，随着FAOGE取代度的增大，胶束的粒径逐渐减小。这是因为取代度的增大使FAOGE分子链上疏水基团数量增加，进一步增加了FAOGE分子内与分子间的疏水作用，使整个胶束更紧密的结合在一起。此外，也有文献[23]报道，当疏水链段的取代度增大时，所需的形成一个胶束的聚合物分子束越少，因此胶束的粒径就越小。相似的实验结果也出现在对N-癸二酰基壳聚糖[24]、油酰基壳聚糖[17]、油酰海藻酸酯[25]的研究中。

2.3.3酰基链长对胶束粒径的影响

由图2b、2c可知，FAOGE的胶束粒径随酰基链长的增长而减小，这是由于随着酰基链长的增加，使疏水基团的疏水性增大，从而增大了疏水基团间的相互作用，使自聚集胶束形成更紧密的核壳结构，表现为胶束粒径减小。这与施东健等[23]的研究结果一致。

3 结 论

本实验利用响应曲面法研究了FAOGE的结构因素（燕麦β-葡聚糖分子质量、酯的取代度、酰基链长）对其自聚集体的CAC和粒径的影响。经过实验研究发现，FAOGE的结构对其自聚集行为和胶束粒径具有显著的影响。其中不同结构的FAOGE溶液的CAC值在质量浓度为0.050～0.165 mg/mL的范围内，随着取代度的增大、酰基链长的增长以及燕麦β-葡聚糖分子质量的降低而显著降低，越容易发生自聚集行为。不同结构的FAOGE的自聚集体平均粒径在264.7～530.9 nm范围内，其随着取代度的增大、酰基链长的增长以及燕麦β-葡聚糖分子质量的减小而显著减小。

参考文献：

[1]GONÇALVES C,MARTINS J A,GAMA F M.Self-assembled nanoparticles of dextrin substituted with hexadecanethiol[J].Biomacromolecules,2007,8(2):392-398.DOI:10.1021/bm060993e.

[2]NISHIURA H,SUGIMOTO K,AKIYAMA K,et al.A novel nano-capsule of α-lipoic acid as a template of core-shell structure constructed by self-assembly[J].Journal of Nanomedicine & Nanotechnology,2013,4(1):1-7.DOI:10.4172/2157-7439.1000155.

[3]BISHT S,FELDMANN G,SONI S,et al.Polymeric nanoparticleencapsulated curcumin(“nanocurcumin”):a novel strategy for human cancer therapy[J].Journal of Nanobiotechnology,2007,5(1):1-18.DOI:10.1186/1477-3155-5-3.

[4]LE T T D,LA T H,LE T M P,et al.Docetaxel and curcumincontaining poly(ethylene glycol)-block-poly(ε-caprolactone)polymer micelles[J].Advances in Natural Sciences:Nanoscience and Nanotechnology,2013,4(2):025006.DOI:10.1088/2043-6262/4/2/025006.

[5]管骁,姚惠源,李景军,等.燕麦β-葡聚糖研究进展[J].食品科学,2009,30(15):231-237.

[6]MEENA D K,DAS P,KUMAR S,et al.Beta-glucan:an ideal immunostimulant in aquaculture(a review)[J].Fish Physiology & Biochemistry,2013,39(3):431-457.DOI:10.1007/s10695-012-9710-5.

[7]LIU J,LI J,MA Y Q,et al.Synthesis,characterization,and aqueous self-assembly of octenylsuccinate oat β-glucan[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2013,61(51):12683-12691.DOI:10.1021/jf4035354.

[8]CHEN F,LIU J,YE F Y,et al.Synthesis and characterization of fatty acid oat β-glucan ester and its structure-curcumin loading capacity relationship[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2014,62(50):12256-12264.DOI:10.1021/jf504596u.

[9]KALYANASUNDARAM K,THOMAS J.Environmental effects on vibronic band intensities in pyrene monomer fluorescence and their application in studies of micellar systems[J].Journal of the American Chemical Society,1977,99(7):2039-2044.DOI:10.1021/ja00449a004.

[10]CHYTIL M,PEKAŘ M.Effect of new hydrophobic modification of hyaluronan on its solution properties:evaluation of self-aggregation[J].Carbohydrate Polymers,2009,76(3):443-448.DOI:10.1016/j.carbpol.2008.11.003.

[11]陈玉霞,朱文娴,麻建国,等.胶束增溶技术研究[J].食品科学,2004,25(增刊1):265-270.

[12]DUVAL-TERRIÉ C,HUGUET J,MULLER G.Self-assembly and hydrophobic clusters of amphiphilic polysaccharides[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2003,220(1):105-115.DOI:10.1016/S0927-7757(03)00062-1.

[13]TOSH S,WOOD P,WANG Q,et al.Structural characteristics and rheological properties of partially hydrolyzed oat beta-glucan:the effects of molecular weight and hydrolysis method[J].Carbohydrate Polymers,2004,55(4):425-436.DOI:10.1016/j.carbpol.2003.11.004.

[14]LAZARIDOU A,BILIADERIS C,IZYDORCZYK M.Molecular size effects on rheological properties of oat beta-glucans in solution and gels[J].Food Hydrocolloids,2003,17(5):693-712.DOI:10.1016/S0268-005X(03)00036-5.

[15]JOHANSSON L,VIRKKI L,ANTTILA H,et al.Hydrolysis of β-glucan[J].Food Chemistry,2006,97(1):71-79.DOI:10.1016/j.foodchem.2005.03.031.

[16]KIM K,KWON S,PARK J,et al.Physicochemical characterizations of self-assembled nanoparticles of glycol chitosan-deoxycholic acid conjugates[J].Biomacromolecules,2005,6(2):1154-1158.DOI:10.1021/bm049305m.

[17]LI Y Y,CHEN X G,LIU C S,et al.Effect of the molecular mass and degree of substitution of oleoylchitosan on the structure,rheological properties,and formation of nanoparticles[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2007,55(12):4842-4847.DOI:10.1021/jf062648m.

[18]WANG H,WILLIAMS P,SENAN C.Synthesis,characterization and emulsification properties of dodecenyl succinic anhydride derivatives of gum Arabic[J].Food Hydrocolloids,2014,37(2):143-148.DOI:10.1016/j.foodhyd.2013.10.033.

[19]FILIPPOV S,LEZOV A,SERGEEVA O,et al.Aggregation of dextran hydrophobically modified by sterically-hindered phenols in aqueous solutions:aggregates vs.single molecules[J].European Polymer Journal,2008,44(10):3361-3369.DOI:10.1016/j.eurpolymj.2008.07.041.

[20]LIN L,WANG C,CHEN K,et al.Synthesis and physicochemical properties of casein-derived surfactants[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2009,346(1):47-51.DOI:10.1016/j.colsurfa.2009.05.023.

[21]van KEMPEN S,SCHOLS H,van der LINDEN E,et al.Effect of variations in the fatty acid chain on functional properties of oligofructose fatty acid esters[J].Food Hydrocolloids,2014,40(11):22-29.DOI:10.1016/j.foodhyd.2014.01.031.

[22]WANG W,MCCONAGHY A M,TETLEY L,et al.Controls on polymer molecular weight may be used to control the size of palmitoyl glycol chitosan polymeric vesicles[J].Langmuir,2001,17(3):631-636.DOI:10.1021/la001078w.

[23]施冬健,刘晓亚,陈明清,等.光敏性双亲共聚物在水溶液中的胶束化行为[J].功能高分子学报,2004,17(2):261-266.DOI:10.3969/j.issn.1008-9357.2004.02.019.

[24]王征,涂春玲.两亲性壳聚糖衍生物的合成及其自聚集现象[J].高等学校化学学报,2008,29(2):419-424.DOI:10.3321/j.issn:0251-0790.2008.02.040.

[25]LI Q,LIU C G,HUANG Z H,et al.Preparation and characterization of nanoparticles based on hydrophobic alginate derivative as carriers for sustained release of vitamin D3[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2011,59(5):1962-1967.DOI:10.1021/jf1020347.

Effects of Structure Parameters of Fatty Acid Oat β-Glucan Ester on Its Critical Aggregation Concentration and Micelle Size

ZHU Peipei1,CHEN Fang1,YE Fayin1,2,ZHAO Guohua1,2,*
(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China; 2.Chongqing Engineering Research Center of Regional Food,Chongqing 400715,China)

Abstract:The structural dependence of the self-aggregation behavior and size of micelles of fatty acid oat β-glucan esters(FAOGEs)was investigated in this study.The structure parameters of FAOGEs tested included molecular weight(Mw)of β-glucan(7.4 × 104–16.8 × 104D),degree of substitution(DS)of oat β-glucan fatty acid esters(0.010 ± 0.002–0.030 ± 0.002),and acyl chain length(6,8 and 10).The results showed that the critical aggregation concentration(CAC)of FAOGEs with different structures was in the range of 0.050–0.165 mg/mL and increased significantly with decreasing DS and acyl chain length and with increasing Mwof oat β-glucan.The effect of structure parameters of FAOGE on CAC was in the decreasing order:acyl chain length > DS > Mwof oat β-glucan.The average micelle size of FAOGEs with different structures was in the range of 264.7–530.9 nm and increased significantly with decreasing DS and acyl chain length and with increasing Mwof oat β-glucan.The effect of structure parameters of FAOGE on micelle size was in the decreasing order:DS > acyl chain length > Mwof oat β-glucan.

Key words:fatty acid oat β-glucan esters; structure; critical aggregation concentration; size

中图分类号：TS201.2

文献标志码：A

文章编号：1002-6630（2016）05-0012-05

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605003 10.7506/spkx1002-6630-201605003.http://www.spkx.net.cn

*通信作者：赵国华（1971—），男，教授，博士，研究方向为食品化学与营养学。E-mail：zhaoguohua1971@163.com

作者简介：祝佩佩（1991—），女，硕士研究生，研究方向为食品安全与质量控制。E-mail：1436817273@qq.com

基金项目：国家自然科学基金面上项目（31371737）；重庆市特色食品工程技术研究中心能力提升项目（cstc2014pt-gc8001）

收稿日期：2015-06-10