离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜性质的影响

吴健锋,张立彦

(华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640)

离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜性质的影响

吴健锋,张立彦*

(华南理工大学食品科学与工程学院,广东广州 510640)

本文研究了添加NaCl、CaCl2及FeCl3对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶聚电解质复合物(PEC)溶液的浊度、膜的溶胀度、接触角和机械性能等的影响,并通过红外光谱分析和扫描电镜观察,探讨了离子对PEC静电复合及膜结构的影响。结果表明:在0～60 mmol/L浓度范围内,PEC溶液浊度随离子浓度的增大呈现先升高后降低的趋势;离子种类及浓度对PEC膜的溶胀度影响趋势不同,添加50 mmol/L FeCl3的PEC膜溶胀度显著提高;离子种类及浓度对PEC膜接触角的影响趋势不同;离子添加可以显著提高PEC膜的拉伸强度,降低断裂伸长率,添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸强度;红外光谱分析发现,离子添加不影响壳聚糖和果胶、阿拉伯胶之间的静电复合方式;扫描电镜观察发现添加NaCl、CaCl2的PEC膜表面相对光滑,而添加FeCl3形成的膜表面凹凸不平,较粗糙。

壳聚糖,果胶,阿拉伯胶,PEC膜,离子

壳聚糖、果胶和阿拉伯胶都是天然高分子多糖,无毒、可降解并具有良好的生物活性,三者形成的聚电解质复合物(PEC)不仅具备三种天然多糖的优点,还能形成新的性能,使得新形成的PEC的疏水性更强,有利于促进该复合物在结肠靶向给药领域的应用[1-3]。

在PEC形成过程中,由于壳聚糖与果胶、阿拉伯树胶的复合主要通过静电相互作用进行,除了所在溶液环境中pH会影响复合物的形成外,离子强度及阴、阳离子的种类及浓度也会显著影响PEC的形成及PEC特性[4-6]。但至今,不同浓度不同种类离子对壳聚糖、果胶、阿拉伯胶PEC膜性质的影响以及作用实质尚未有研究报道。鉴于此,本文研究不同离子对PEC溶液的浊度、膜的溶胀度、接触角和机械性能方面的影响,并通过红外光谱分析和扫描电镜观察,研究各离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶复合物结构和性质的影响,为其在食品、医药方面的应用奠定研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

壳聚糖 奥兴生物有限公司;脱乙酰度82.3%,分子量为15万;果胶 Sigma-Aldrich公司,P9135-100G,酯化度>70%,分子量为4万;阿拉伯胶 Sigma-Aldrich公司,V900768-500G 分子量约为25万;其他化学试剂均为分析纯。

PHS-25型pH计 上海雷磁仪器厂;TGL-16型超速离心机 上海安科仪器有限公司;Vector 33型傅里叶-红外光谱分析仪 Bruker公司;JSM-6360LV型扫描电镜 Jeol公司;Model752型紫外-可见分光光度计 上海现科分光仪器有限公司;L&W抗张强度仪 瑞典;OCA40型表面接触角测试仪 德国dataphysics公司。

1.2 实验方法

1.2.1 含离子壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC溶液及膜的制备 PEC溶液制备:根据笔者先前的研究选择三者复合的最佳配比、pH及浓度,将壳聚糖、果胶、阿拉伯胶分别溶于pH3.5的醋酸缓冲液中,得到浓度为2%(w/v)的溶液。壳聚糖溶液中加入一定量的离子,离子浓度为0～60 mmol/L。按照壳聚糖∶果胶∶阿拉伯胶=1∶2∶3的比例搅拌混合30 min,使三者充分反应,得到复合溶液。PEC膜制备:根据笔者先前的研究选择三者复合的最佳配比、pH及浓度,将果胶和阿拉伯胶分别溶配成浓度为2%的溶液,并搅拌12 h。按2∶3的比例将果胶和阿拉伯胶溶液充分混合,再缓慢加入壳聚糖粉末,保持溶液总浓度为2%不变,边轻轻搅拌边滴加冰乙酸,搅拌30 min。将制得的凝胶真空排气2 h,平铺于玻璃器皿中并于50 ℃烘箱中干燥18 h,得到的干燥膜在相对湿度为85%的容器内平衡均湿48 h。

1.2.2 壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC溶液浊度的测定 样品在测定浊度前需振匀,之后于600 nm处测定复合溶液透光度的变化,并按以下公式计算浊度。

浊度的计算公式如下[7]:

L为光程长度(cm),It为投射光强度,I0为入射光的强度。

1.2.3 溶胀度测定 将制得的干燥膜剪成2 cm×2 cm大小,室温环境下,充分浸没于去离子水中,每隔1 h取出,并用滤纸将膜表面附着的水分擦拭掉,称重。溶胀度(SR)的计算公式为:

其中,W0为干燥膜的重量,g;Wt为t时刻膜的重量,g。

1.2.4 接触角测定 PEC膜表面接触角可以用水滴法测量。将剪成1 cm×2 cm的膜贴在玻璃盖片上,使用移液管将1滴3 μL的水放置于膜表面,用显微镜上的照相机记录水滴的图像以计算接触角,每次至少测定三个点,取平均值。

1.2.5 机械性能测定 将膜剪成1.5 cm×6 cm长条状,设定延伸速度为10 mm/min,测定延伸长度,并测膜的厚度,用于计算膜的拉伸强度和断裂伸长率,每种样品至少测定三次。

拉伸强度计算公式如下[8]:

其中,TS为拉伸强度,MPa;F为拉伸力,N;L为膜的宽度,mm;d为膜的厚度,mm。

断裂伸长率计算公式如下[6]:

其中,EAB为断裂伸长率,%;L为膜断裂前的长度,mm;L0为膜的初始长度,mm。

1.2.6 红外光谱测定 取干燥膜,用刀片刮取膜表面得到粉末,将粉末与KBr混合,压片,测定其红外光谱。

1.2.7 超微结构观察 使用扫描电镜观察PEC膜的表面形态,将样品贴在样品台上,喷金后进行观察并拍照。电压为15 kV,放大倍数为×40倍。

1.2.8 数据处理 每组进行3次平行实验,使用Office 2007中的Excel软件以及GraphPad Prism 5.01版进行图表整理与数据分析。

2 结果与讨论

2.1 离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶复合溶液浊度的影响

研究了三种离子物质在低浓度(0～60 mmol/L)下对复合溶液浊度的影响,结果如图1。

图1 离子种类及浓度对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶复合溶液浊度的影响Fig.1 Influence of ions and concentration on chitosan/pectin /gum Arabic complex solution turbidity and viscosity

由图1可知,不论何种离子,随离子浓度的逐渐增大,复合物溶液浊度均呈现先增高后降低的趋势。在实验浓度范围内,添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2和40 mmol/L FeCl3的溶液浊度分别达到最大值。上述现象的原因可能是:壳聚糖、果胶、阿拉伯胶均是带有电荷的高分子多糖,其带电性、分子构型和延伸性均受环境中离子的影响。添加少量离子时,阴、阳离子会分别覆盖在壳聚糖、果胶和阿拉伯胶分子上,使得分子链间斥力增大,有利于分子链延伸,暴露出更多的结合位点,因此有利于形成更多的复合物[9];随离子浓度的继续增大,过量的阴、阳离子会屏蔽壳聚糖、果胶和阿拉伯胶分子表面的正负电荷,使复合变得困难,另外分子链刚性也会增加,不易弯曲转折,从而干扰三者之间的静电相互作用[4,10],溶液浊度也会因复合程度的减弱而降低。

2.2 离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜性能的影响

2.2.1 溶胀度 添加不同种类及浓度离子所得PEC膜的溶胀度随时间的变化如图2。

图2 离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜溶胀度的影响Fig.2 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane swelling deree

图2显示,添加不同浓度、不同种类的阳离子对PEC膜溶胀度大小及随时间的变化趋势影响不同。各膜在浸泡1 h时间内,溶胀度呈线性增加,其后随时间延长,吸水量逐渐减少;浸泡4 h后添加NaCl的PEC膜溶胀度变化不大,达到溶胀平衡,而添加CaCl2和FeCl3的PEC膜达到溶胀平衡所需时间分别为3 h和2 h。

添加50 mmol/L FeCl3时PEC膜的吸水溶胀性显著提高,这可能是由于离子浓度过高,占据了过多果胶和阿拉伯胶分子内的结合位点。另外,Fe3+能与果胶交联[11],导致果胶分子中结合位点减少,使壳聚糖分子倾向于与阿拉伯胶复合,由于阿拉伯胶亲水性较强,所形成的膜更易吸水。

2.2.2 接触角 测定含不同浓度(0～60 mmol/L)、不同种类离子PEC膜的接触角大小,结果如图3所示。

图3 离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜表面接触角的影响Fig.3 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane surface contact angle

接触角是表征膜亲水性的一个指标,膜表面接触角越小,说明膜的亲水性越好,越易吸水,膜溶胀度也越大[12-14]。由图3,添加不同离子形成的PEC膜表面接触角随离子种类和浓度大小的变化而变化。添加NaCl、CaCl2的PEC膜的表面接触角随浓度的增加呈现出先增大后减小的趋势,这与图2中离子对膜溶胀度大小的变化趋势正好相反。添加FeCl3的PEC膜,随离子浓度的增大,其表面接触角先减小后逐渐增大,说明适量离子的添加可改变膜的亲水性。

2.2.3 机械性能 不同离子浓度壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜的机械性能如图4所示。图4表明,PEC膜本身具有一定的拉伸强度,添加离子后能显著提高膜的拉伸强度,降低膜的断裂伸长率,这可能是因为低浓度离子添加造成高分子分子链伸展,静电复合后相互缠结搭接,需要较大的拉力才可拉断。与对照样相比,PEC膜具有最大拉伸强度的离子浓度分别为:NaCl 30 mmol/L、CaCl240 mmol/L、FeCl340 mmol/L,这与溶液浊度随离子浓度变化的趋势类似,其中添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸强度9.844 MPa。

添加离子的PEC膜,其断裂伸长率会显著降低,但随离子浓度的改变,其差异不大。可能的原因是适量的离子可以增加分子链间的静电复合,但分子链间的流动性降低,宏观上表现为膜硬度和脆性的加强、延伸性减弱[8,15-16]。

图4 离子对壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜机械性能的影响Fig.4 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane mechanical behavior

2.2.4 红外光谱分析 PEC膜包埋牛血清蛋白实验中测得包埋率和载药率随溶胀度的升高而增大[9,17],因此选择应用前景较好的,各离子PEC膜最大溶胀度时的浓度为FT-IR的测定对象,分别为NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L,结果如图5所示。

图5 壳聚糖、果胶、阿拉伯胶及添加离子的壳聚糖/果胶/阿拉伯胶复合物红外光谱图Fig.5 FT-IR spectra of chitosan/pectin/gum Arabic polyelectrolyte complex with

2.2.5 扫描电镜 选择各离子PEC膜最大溶胀度时的浓度制作PEC膜,分别为NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L的PEC膜,研究其表面结构。放大倍数为×40,结果如图6所示。

图6 添加离子前后壳聚糖/果胶/阿拉伯胶PEC膜扫描电镜图Fig.6 SEM photos of chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane with

观察图6可发现,添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、较粗糙,而NaCl、CaCl2交联的PEC膜表面较为光滑。分析其原因,可能是由于添加FeCl3促进了壳聚糖与阿拉伯胶的复合,复合物呈微囊颗粒状,宏观上膜凹凸不平,具有粗糙感;而添加低浓度的NaCl、CaCl2可以使聚合物大分子伸展,通过静电复合形成较为均匀的三元复合物,与未添加离子的PEC膜相比,其形成的PEC膜结构较为均匀致密,宏观上表现为膜较平整、光滑。这也与膜的吸水溶胀性相对应。

3 结论

壳聚糖/果胶/阿拉伯胶溶液的浊度随离子浓度的增大呈现先升高后降低的趋势,添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2、40 mmol/L FeCl3时三元复合溶液的浊度最大。

添加10 mmol/L NaCl、10 mmol/L CaCl2、50 mmol/L FeCl3时,各PEC膜分别达到最大溶胀度,低于或高于此浓度,所得膜的溶胀度均有所下降。相比于对照样,添加50 mmol/L FeCl3PEC膜的吸水溶胀性显著提高;PEC膜的表面接触角随NaCl、CaCl2浓度增加呈现先增大后减小的趋势,而添加FeCl3的PEC膜,随离子浓度的增大,其表面接触角先减小后逐渐增大;添加离子后能显著提高PEC膜的拉伸强度,但其断裂伸长率普遍较低,表现出一定的脆性。

通过红外光谱分析发现,离子对壳聚糖和果胶、阿拉伯胶之间的静电复合作用不产生影响。

扫描电镜观察PEC膜的表面形态发现,添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、较为粗糙,而添加NaCl和CaCl2后形成的PEC膜表面相对较光滑。

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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

吴健锋(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：食品加工与保鲜 ，E-mail:hhxz12345@163.com。

*通讯作者:张立彦(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：食品加工与保鲜，E-mail：liyanzh@scut.edu.cn。

广东省科技计划项目资助(2014B020204002)。

TS202

B

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

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.043