膠性參數下可食性果膠膜的制備及其性能研究

潘婕，曹端林，王建龍，郝媛，張宏博

（1.中北大學化學工程與技術學院，山西太原030051；2.三亞航空旅游職業學院，海南三亞572000）

果膠（pectin，PT）是一種結構復雜的酸性雜多糖，主鏈由D-吡喃半乳糖醛酸在α-1，4-糖苷鍵作用下聚合而成，側鏈由D-半乳糖、L-鼠李糖、D-山梨糖、D-阿拉伯糖等中性糖構成[1]，主要存在于植物細胞壁的初生細胞壁和中間片層中[2]，多與纖維素、半纖維素和木質素等其他成分共存。果膠因其凝膠性，被廣泛用于食品、醫藥等行業，其凝膠機理與酯化度相關[3-5]。高酯果膠（high-methoxy pectin，HMP）以“糖-酸成膠機制”形成凝膠，即需要大量的酸和糖[3]；低酯果膠（lowmethoxy pectin，LMP）形成凝膠則需要金屬陽離子的參與[6]，不需要糖的添加，所以低酯果膠作為制備低糖食品的重要原料而備受青睞。

近年來，為了環境可持續性發展，減少不可降解的食品包裝材料對環境的破壞，相對于合成包裝材料，利用可再生資源開發、生產可生物降解的環保型材料備受關注，將成為今后研究趨勢[7-9]。果膠具有良好的生物相容性、降解性和無毒性，成為生產環保型生物薄膜的首選材料；作為天然高聚物，因其凝膠性，使其制備可食性薄膜成為可能[10]。果膠基薄膜和其他許多可生物降解的薄膜一樣，作為氣體和水分流動的屏障，以延長保質期和保持食品的質量[11]。果膠具有攜帶功能性物質的潛力，可以作為活性物質的載體，用于開發營養強化的可食用薄膜[12]。可食性膜作為活性食品包裝材料，它可以攜帶各種抗菌藥物在包裝系統中，由于活性物質可以連續遷移到食物中，比直接應用抗菌物質可以更有效[13]。

姜黃素（curcumin，Cur）是一種多酚類生物活性化合物，來源于草藥和膳食香料姜黃，具有抗炎、抗氧化，抗癌，抗突變，抗生素，抗病毒，抗真菌，抗淀粉樣，抗糖尿病等多種藥理和生物活性[14-15]。臨床試驗表明，口服姜黃提取物耐受性良好，且未觀察到劑量限制毒性[16]。姜黃素因其眾多的藥理作用和固有的無毒性，已成為傳統藥物，并被用作天然食品添加劑[17]。

果膠作為一種膳食纖維，能夠降低血清膽固醇和血糖含量，被稱為“人體健康的平衡素”[18]；同時也是一種優良的藥物制劑基質，可被用于制藥、健康促進和治療等方面[19]。基于近年來天然多糖在生理功能方面的突破性研究[20]及天然藥食同源材料的優良特性，在食用膜中添加姜黃素，制備無增塑劑、表面活性劑等添加的可食性膜，用于食物包裝或保鮮，可提高食品的附加值，增強競爭力，而且對人體有益。

目前，果膠膜的研究主要集中在果膠改性膜的研究方面，而在膠性參數下、純天然高聚物凝膠膜的研究不多；此外，果膠膜反應的條件也沒有統一標準，實驗室成膜往往膜的厚度、均一性等較難控制。本試驗基于低酯果膠凝膠機理和成膜性能，擬以鈣離子為交聯劑，在設定凝膠性參數條件下制備果膠膜，并對該膜進行表征和性能研究，以拓寬天然多糖的應用領域。在膜的外觀評價、力學性能、體外降解和透光性等一系列性能測試基礎上，最終確定果膠最適濃度、鈣離子濃度、反應溫度和時間，再加入合適劑量的藥食同源材料姜黃素。通過載藥膜在不同pH 值釋放介質中的體外釋藥行為，探究果膠-鈣交聯網絡結構對釋藥性能的影響，以期對可食性包裝膜的制備及其應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

低酯果膠（食品級）：煙臺安德利果膠有限公司；姜黃素（純度99.9%）、無水氯化鈣（分析純）、胃蛋白酶（酶活力≥1 200.0 U/g）、果膠酶（酶活力≥50.0 U/g）：國藥集團化學試劑有限公司；無水磷酸二氫鈉（純度99.0%）、磷酸氫二鈉（分析純）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

DF-101Z 磁力加熱攪拌器：鄭州長城科工貿有限公司；752N 型紫外-可見光分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；AL1194 數顯螺旋測微儀：上海凡莜工具有限公司；LGD5000 電子萬能拉力試驗機：廈門易仕特儀器有限公司；PHS-25 型pH 計：上海儀電科學儀器股份有限公司；D8 ADVANCE A25 型X 射線粉末衍射儀：北京愛科思瑞技術有限公司；JEM-2100F 場發射投射電子顯微鏡：日本電子株式會社；DSC-1 示差掃描量熱儀、ME204E 電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SHA-B 數顯恒溫水浴振蕩器：天津賽得利斯實驗分析儀器制造廠。

1.2 方法

1.2.1 膜的制備

配制不同質量濃度的果膠液100 mL，靜置數小時待其充分溶脹，玻璃棒攪拌使其完全溶解，將膠液移至250 mL 具塞圓底燒瓶，置于恒溫攪拌條件下，使用恒壓分液漏斗緩慢滴加10 mL 的CaCl2溶液進行離子交聯反應。待果膠-鈣交聯反應一定時間后，采用流延法，將膠液趁熱澆注于直徑為60mm 的聚乙烯平皿內，靜置、待成凝膠后，于37 ℃下烘干，起膜后24 h 后用于性能測試。為了減少膜厚度的差異性，膠液須注滿至邊緣線。

1.2.2 膜的性能測定

1.2.2.1 膜厚度測定

采用精度為0.001 mm 的螺旋測微儀測定，在膜的中心及對稱的周邊位置隨機選取5 個點測定厚度，取其平均值。

1.2.2.2 透光性測定

將復合膜潤濕后裁剪成與比色皿側面積一樣大小的形狀，貼附于比色皿外表面，保持平整，避免出現褶皺和氣泡，以空比色皿為參比，測定膜在360 nm～860 nm 波長范圍內的透光率[21]。

1.2.2.3 力學性能測定

將膜剪成一定規格的長方形，用電子萬能拉力試驗機進行拉力測試，測定復合膜的拉伸強度（tensile strength，TS）及斷裂伸長率（elongation at break，EAB）[8]。夾距L0為20 mm，拉引速率為10 mm/min，每組膜測定3 次。測定溫度（25±2）℃，相對濕度（50±3）%。

根據拉力和位移，利用公式（1）和（2）計算膜的拉升強度和斷裂伸長率：

式中：δb為拉伸強度，MPa；F 為拉力，N；A 為截面積，m2；εb為斷裂伸長率，%；ΔL 為位移，mm。

1.2.2.4 降解時間測定

取均勻膜剪成10 mm×20 mm 的長方形，分別放入等量人工體液中，置于37 ℃、轉速為50 r/min 的恒溫振蕩儀中，以肉眼看不到膜碎片為標準，待膜完全降解、記錄體外降解時間。

使用不同pH 值的磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline，PBS）進行人工體液的配制[22-23]。

1）模擬胃液：pH1.20 的鹽酸液，其中加入0.32%的胃蛋白酶。

2）模擬小腸液：pH6.86 的 PBS 緩沖液。

3）模擬結腸液：pH7.40 的 PBS 緩沖液，其中加入0.25%的果膠酶。

1.2.3 膜的表征

1.2.3.1 差示掃描量分析（differential scanning calorimeter，DSC）

采用差示掃描量熱儀，樣品被精確地稱重后置于密封的鋁制鍋內，加熱速率為10 ℃/min，從0 ℃到300 ℃[24]。

1.2.3.2 X 射線衍射分析（X-ray diffraction，XRD）

將膜剪成直徑為20 mm 的圓形，置于X 射線衍射儀下進行分析。掃描電壓為220 V，掃描速度2 θ/min，衍射角 5°～80°[25]。

1.2.3.3 微觀形貌觀察（scanning electron microscope，SEM）

將膜分別置于×1 000 倍掃描電鏡下，觀察膜表面的微觀形態。

1.2.4 載藥及體外釋藥性能

以姜黃素為模型藥物，在制膜過程中加入2 g/L 的姜黃素乙醇溶液，采用流延法成膜。

1.2.4.1 姜黃素含量測定

1）檢測波長的確定：以相應空白膜的PBS 緩沖液和乙醇為參比，在300 nm～700 nm 波長范圍內掃描，確定最大吸收波長λmax 為427 nm。

2）標準曲線的建立：精密稱取5.0 mg 姜黃素標準品，置于100 mL 棕色容量瓶中，加75%乙醇溶解并定容至刻度線。精密移取 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL 標準品溶液置于25 mL 棕色容量瓶中，加乙醇定容至刻度線，搖勻，于427 nm 處測其吸光度。以濃度C（μg/mL）為橫坐標，吸光度A 為縱坐標，繪制標準曲線，并進行線性回歸。得到標準曲線方程為：A=0.142 4C-0.001 8，其中r=0.999 9。結果表明，姜黃素在 1.0 μg/mL～5.0 μg/mL濃度范圍內存在良好的線性關系。

3）膜中姜黃素含量計算：以加入姜黃素總質量（mg）除以所制備藥膜的干燥恒重質量（g），計算所得藥膜中藥物含量。

1.2.4.2 體外釋放度的測定

選取20 mm×20 mm 大小的均勻膜，置于裝有30 mL加入人工胃液、小腸液、結腸液的棕色釋藥杯中，將杯放入溫度為37 ℃、轉速為100 r/min 的恒溫水浴振蕩器中，按照一定的釋藥時間取樣[26]，通過紫外分光光度法測定釋放介質中姜黃素含量，按（3）式計算累積釋放度[23]，繪制不同人工體液中藥物累積釋放度和時間之間的關系曲線，以考察果膠-姜黃素膜的體外釋藥行為。

式中：Re 是累積釋放度，%；cn為第 n 次取樣后釋放介質中藥物濃度，mg/mL；V0為釋放介質的體積，mL；Vi為每次取樣的體積，mL；ci為第 i 次取樣置換時釋放介質中藥物濃度，mg/mL；m 為試樣膜劑中藥物含量，mg。

1.3 數據統計

采用Origin8.5 和SPSS24.0 軟件進行繪圖和數據統計分析，數據結果采用均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 力學性能分析

膜的力學性能是表征天然高分子膜材料抵抗外力破壞的能力，也是決定膜材料是否具有潛在應用價值的主要因素，通常用拉伸強度和斷裂伸長率來描述。55 ℃下交聯2 h 所制備的不同濃度果膠膜的力學性能測試結果如表1 所示。

表1 Ca2+濃度對不同濃度果膠膜厚度和力學性能的影響Table 1 Thickness and mechanical properties of pectin films under different Ca2+concentrations

由表1 可知，鈣離子濃度對不同濃度果膠膜力學性能影響不同，這是由于果膠分子自身結構的復雜性和果膠-鈣凝膠機理的復雜性共同造成的。離子交聯是由不同分子鏈上羧基之間的鈣橋構成的，通過離子交聯形成的有效連接區隨著鈣離子含量的增加半徑略微增加[20]，在膜的力學性能上未能明顯體現。0.6%、0.8 %、1.0 %的膜分別在Ca2+濃度為0.36 %、0.36 %、0.24%的條件下具有較高的拉伸強度和斷裂伸長率。當果膠濃度0.6%、Ca2+濃度為0.24%時，未能形成固態凝膠，可能由于二者濃度較低，所形成的有效連接區過少，交聯網絡結構疏松所致。果膠濃度為1.0%的膜的拉伸強度，隨鈣離子濃度增加呈現下降趨勢，可能由于果膠-鈣過度交聯，導致凝膠析水所致。

相同Ca2+濃度、溫度（55 ℃）下，制備的不同濃度果膠膜的力學性能測試結果如表2 所示。

由表2 可知，不同交聯時間對果膠膜的力學性能無明顯差異性影響。當交聯時間過短時，交聯反應不充分進而影響膜的力學性能；一般情況下，隨著果膠濃度或Ca2+濃度增加，交聯時間應相應增加；當交聯時間過長時，發生斷鏈或β-消除反應[27]，降低膜的力學性能。根據如上果膠膜力學性能測試結果，交聯時間選擇 2 h～4 h 為宜。

表2 交聯時間對果膠膜厚度和力學性能的影響Table 2 Thickness and mechanical properties of pectin films at different cross-linking times

相同Ca2+濃度下、交聯2 h 所制備的不同濃度果膠膜的力學性能測試結果如表3 所示。

表3 交聯溫度對果膠膜厚度和力學性能Table 3 Thickness and mechanical properties of pectin films at different cross-linking temperatures

續表3 交聯溫度對果膠膜厚度和力學性能Continue table 3 Thickness and mechanical properties of pectin films at different cross-linking temperatures

由表3 可知，不同交聯溫度對果膠膜的力學性能影響不同，隨溫度升高，膜的斷裂伸長率均出現先增大后減小的趨勢；交聯溫度為55 ℃時，膜具有較高的拉伸強度。當交聯溫度偏低時，隨著果膠濃度增加，果膠水溶性降低，膠液不均相程度提高，膜的均勻程度降低，對膜的力學性能造成較大影響；溫度較高，隨著攪拌時間增加，果膠鏈會發生斷鏈或β-消除反應增強，凝膠能力降低，影響膜的力學性能。故交聯溫度宜選擇在 50 ℃～60 ℃之間。

綜上所述，選擇0.6%～1.0%果膠濃度，在0.24%～0.84%Ca2+濃度下，交聯溫度 30 ℃～70 ℃，交聯時間 1 h～6 h 即凝膠條件下，均能成功制備出不同力學性能的果膠膜。

2.2 透光率分析

膜的透光率能夠反映果膠-鈣交聯所成凝膠的均相程度，透光率越高均一相越好。不同濃度果膠膜的透光率隨波長的變化曲線如圖1 所示。

圖1 不同果膠膜的透光率Fig.1 Transmittance of different pectin concentration films

由圖1 可知，所制備的果膠膜，均勻程度良好，在360 nm～860 nm 波長范圍內，透光率隨波長的增大而增大，隨果膠濃度增大而降低。當果膠濃度增大，膠液中固形物量增加，所成凝膠均相程度下降，同時膜的厚度增加，致使膜的透光性降低。

2.3 體外降解分析

不同濃度的果膠-鈣凝膠膜體外降解時間如圖2所示。

圖2 不同濃度果膠膜的體外降解情況Fig.2 In vitro degradation of different pectin concentration films

由圖2 可知，隨果膠濃度增加，降解時間延長；人工結腸液中降解所需時間最少；人工胃液中，凝膠膜12 h 未見降解。這是由于果膠為聚陰電解質，酸性條件下，質子化程度高，分子鏈間強烈的靜電作用使得水分子難以穿透果膠-鈣交聯網絡結構，不利于水分的運輸，膜的水溶性降低。表明果膠膜具有一定的結腸靶向性，可用于靶向藥物的包衣材料。

2.4 XRD分析

當X 射線通過某種物質時，每一種物質都有自己的獨特的衍射峰。當物質結構發生變化時，相應特征峰也會改變[28]。所以可通過XRD 圖譜上特征峰的變化來判斷果膠分子在Ca2+的作用下是否發生離子交聯反應。果膠和姜黃素不同狀態下的XRD 譜圖如圖3所示。

圖3 果膠和姜黃素不同狀態下的X 射線衍射光譜Fig.3 X-ray diffraction spectra of pectin and cur under different conditions

如圖3（a）所示，果膠粉末在 13°和 21°處有兩個明顯的特征峰。在Ca2+交聯作用下，果膠膜13°處的衍射峰消失，21°處的衍射峰向右遷移，且強度減弱，這是果膠-鈣分子之間相互作用的結果。如圖3（b）所示，姜黃素在 17、28、40、50°和 66°處有 5 個明顯的衍射峰，峰強度大且峰面窄，表明姜黃素以晶體形式存在。所制備的PT-Cur 載藥膜，姜黃素的特征峰在載藥膜中未呈現，可能由于藥物小分子嵌入果膠-鈣交聯網絡結構所致。表明果膠多糖可以作為藥物的優良載體，能夠完全包覆姜黃素，使晶型藥物未漏出。

2.5 形貌分析

對不同果膠膜和載藥膜進行外觀和微觀形貌觀察，結果如圖4。

圖4 不同果膠膜的形貌Fig.4 Surface morphologies of different pectin gel films

圖4（a）～（c）顯示了不同濃度果膠膜的外觀形貌，隨著果膠濃度的增加，膜厚度增加，顏色變深。圖4（d）為載姜黃素藥膜，膜表面光滑、平整，藥物均勻分散于膜中、無相分離現象。電鏡掃描結果如圖 4（e）和（f），圖4（e）顯示膜表面平整、均勻，致密、無孔洞和裂縫，具有良好的結構完整性。表明果膠-鈣通過離子交聯形成強而緊密的凝膠網絡結構。圖4（f）顯示，純果膠基藥膜中姜黃素晶體形態未被破壞，主要以針形和棒形均勻分散于藥膜中。表明果膠-鈣凝膠網絡結構能夠對藥物起到良好的包埋作用，有效保護藥物晶型不受損，可以作為晶型藥物的優良載體。

2.6 DSC分析

圖5 顯示了示差掃描量熱法獲得的兩種膜的熱行為。

DSC 曲線表明，在溫度低于100℃時，果膠膜和果膠-姜黃素膜均有廣泛的吸熱性能，為相應膜中水分的蒸發；其中載藥膜鎖水性能較強，蒸發溫度較純果膠膜高。在180 ℃左右的吸熱帶，由姜黃素熱降解引起的。在200 ℃以上時，觀察到放熱帶，這是由多糖的熱降解引起的[24]。

2.7 姜黃素含量

在果膠濃度0.8%、Ca2+濃度0.36%、交聯溫度55 ℃、時間2 h 的成膜條件下，添加姜黃素乙醇溶液，制備出的果膠膜中姜黃素（24.35±5.08）mg/g，且質量差異小于5%。

2.8 體外釋藥性能分析

整個釋藥過程中，人工胃液中的姜黃素釋放量低于檢測下限，可視為不釋藥。PT-Cur 膜在人工腸液中釋藥曲線如圖6 所示。

圖6 果膠-姜黃素藥膜體外釋藥曲線Fig.6 Drug release in vitro of edible PT-Cur film

由圖6 可知，隨介質pH 值增大，相同時間內的累積釋放度增大；在pH 6.86 釋放介質中，6 h 中累積釋放度小于50%，顯示出緩釋效果；在pH 7.40 釋放介質中，6 h 中累積釋放度達到70%，6 h 后顯示突釋行為。果膠為聚陰電解質，酸性條件下由于強烈的靜電作用使分子鏈以聚集態存在，膜劑中姜黃素基本不釋放；隨pH 值增大，果膠分子中羧基質子化程度減弱，分子鏈以舒展態存在，且發生不同程度降解，交聯網絡結構溶蝕，姜黃素釋放度增大。

人體中沒有果膠酶，只有當藥膜到達結腸后，在結腸各種微生物的作用下，果膠發生降解[29]，姜黃素得以集中釋放。此外，膜中的鈣離子能增加某些酶的活性[30]，從而加快果膠-鈣交聯網絡的瓦解、藥物骨架的溶蝕，使藥物更快地釋放。給藥體系的這種特點有助于結腸定位遞藥系統的構建。

3 結論

果膠凝膠化是一個非常復雜且包含多種分子間相互作用的過程，除受果膠自身結構的復雜性影響外，還受到很多外在因素如離子強度、溫度、共溶物等影響，鈣含量和果膠濃度對低酯果膠凝膠的影響尤為顯著。果膠分子鏈通過鈣橋交聯形成溶膠、凝膠和非均相析水凝膠3 種形式膠態[20]。在凝膠基礎上制備的果膠膜，其力學性能受果膠濃度影響最為顯著。果膠濃度較低時，形成的果膠-鈣有效交聯區少，交聯網絡結構較為疏松，致使膜薄軟、完整性差，力學性能較低，體外降解時間短。隨果膠濃度增加，膜厚度增加，力學性能提升，體外降解時間延長，透光性下降。當果膠濃度過大時，果膠-鈣之間會因過度交聯而產生凝膠析水現象，導致凝膠發生相分離，降低膜的均勻程度甚至成膜能力，影響膜的各項性能。

姜黃素在果膠膜中含量為（24.35±5.08）mg/g，主要以針形和棒形存在；XRD 分析表明，果膠膜對姜黃素起到了良好的包埋作用；DSC 曲線表明，小分子藥物的嵌入能夠改變果膠-鈣凝膠網絡結構的熱穩定性。

藥物溶出主要伴隨著膜的降解，所制備的果膠基藥膜在不同的釋藥介質中均具有緩、遲釋效果，在人工胃液中低于檢測下限，一定程度表明果膠具有結腸遞藥靶向性。此外，若選擇乙醇作為藥物溶劑時，由于乙醇能夠使果膠聚集沉析，其加量會成為影響果膠基藥膜形貌組織的顯著因素之一。