海藻酸鈉與κ-卡拉膠復配膠體的流變特性研究

◎ 陳麗葉，許仁杰，林艷秋，王藝偉，宋洪波

（1.福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350015;2.中央儲備糧長樂直屬庫有限公司，福建 福州 350217；3.福建農林大學 食品科學學院，福建 福州 350002)

蛋白質、酶、益生菌以及其他食品活性成分很容易遭受人體胃的高酸性環境和胃蛋白酶的破壞而降低或失去生物學活性，無法順利在腸道特定部位吸收，大大降低其功效。固定化酶、凝膠微球、微膠囊等包埋技術不僅能有效地保護活性物質的生物學活性，且能在胃腸道的特定部位實現靶向釋放[1-4]。海藻酸鈉和卡拉膠均為聚陰離子多糖，分別具有可電離的弱酸性基團羧基和硫酸基，在pH從低到高的環境中，溶脹率越來越大。由于其本身黏性、膠凝性及溶脹性等特性有利于活性物質長時間保留在膠基載體中，達到緩釋效果，使其被廣泛應用在固定化酶、微膠囊上作為載體。研究固定化酶、凝膠微球、微膠囊等包埋技術的制備工藝、過胃保護及釋放特性，首先需要研究載體所形成膠液的流變性。

流變性（如流動曲線、觸變性、動態黏彈性等）會直接影響凝膠微球、微膠囊等的制備及感官品質。流動曲線，即剪切速率-黏度的關系曲線，是膠體品質的判定依據，許多加工處理過程（如提取、過濾、擠壓和純化等）均涉及液體流動，或者是在產品加工處理過程（如巴氏殺菌、蒸發、干燥和無菌處理等）都會涉及流動條件的分析；觸變性，即剪切速率-剪切應力的關系，反映膠體在攪拌之后的穩定性；動態黏彈性的研究，能反映樣品的物理結構、化學組成、能量損耗以及溶膠與凝膠的轉變[5]。可見，研究膠體流變特性對其在實際生產中的應用具有重要的意義。

本文主要研究海藻酸鈉和κ-卡拉膠復配比例對形成的復配膠體流變特性的影響規律，為其在緩釋微球（或微膠囊）、固定化酶等方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

κ-卡拉膠（純度≥99.5%）、海藻酸鈉（純度≥99.5%），北京索萊寶科技有限公司。

RH digital磁力攪拌器，德國IKA公司；MCR301流變儀，奧地利安東帕有限公司；KQ5200DE超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 膠體的配制

稱取一定質量的海藻酸鈉、κ-卡拉膠（精確到0.001 g）分散到蒸餾水中，80 ℃水浴30 min，使其完全溶解；室溫下采用磁力攪拌器以1 000 r·min-1攪拌30 min使之混合均勻；超聲脫氣15 min，制得復配膠體。

1.2.2 流變特性的測定

采用MCR301流變儀，選取直徑50 mm的平板測量系統，探頭與面板間距均設置為1 mm。

（1）流動曲線。在25 ℃下，剪切速率掃描范圍在0.1～150.0 s-1下，測定復配膠體樣品的表觀黏度。記錄其黏度η（mPa·s）與剪切速率γ（s-1）的關系。

（2）觸變性。在25 ℃下，剪切速率先從0.1 s-1增加到600 s-1，隨即以同樣的變化速率從600 s-1下降0.1 s-1，記錄整個過程的剪切應力變化情況，升速階段采用Herschel-Bulkley模型（式1）進行回歸擬合[6]。

式中：τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；k為黏稠系數，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流動行為指數，0＜n≤1，無量綱。

（3）動態黏彈性的測定。頻率掃描：在25 ℃，應力為0.5%條件下，以角頻率范圍為0.1～100 rad·s-1進行逐點掃描，測定復配膠的貯藏模量G′和損耗模量G′隨振蕩頻率的變化規律。溫度掃描：參照文獻[7]，將樣品放入己預熱至55 ℃的MCR301流變儀的樣品臺上，冷卻至0 ℃，蓋上蓋板，并用硅油密封，平衡5 min。從0 ℃以5 ℃·min-1的速度升至80 ℃后，平衡5 min后再以5 ℃·min-1的速度從80 ℃降到0 ℃，在頻率為10 rad·s-1、應變為0.5%的條件下，進行逐點掃描，測定升溫和降溫過程中G′和G′的變化。

1.3 數據處理

繪圖采用Origon 9.0軟件。各處理間的差異分析采用Duncan新復極差法。

2 結果與分析

2.1 海藻酸鈉-卡拉膠復配膠體的流動曲線

圖1是不同海藻酸鈉和κ-卡拉膠配比的膠體（復配膠總濃度為2.0%）在25 ℃下剪切速率與黏度的關系。如圖1所示，膠體黏度隨著剪切速率的增大而減小，具有剪切稀化特征，表明復配膠體屬于假塑型流體，可能與海藻酸鈉和κ-卡拉膠分子鏈在溶液里的解糾纏、拉伸及其重新排列造成結構崩坍的多重作用有關[8-9]。在相同剪切速率下，隨著組分κ-卡拉膠所占比例的加大，黏度先減小后增大。BEL??AKCVITANOVI?等[10]在研究各種復配膠體的黏度時，結果顯示2%海藻酸鈉的黏度大于2%復配膠（海藻酸鈉∶κ-卡拉膠=8∶2）的黏度，與本文研究結果一致；通常適量添加一種物質，會使另一種聚合物黏度適當降低[11-12]。而后隨著組分κ-卡拉膠所占比例的繼續加大，可能由于組分海藻酸鈉與κ-卡拉膠發生協同作用，導致表觀黏度顯著增大。

圖1 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體表觀黏度的影響圖

2.2 海藻酸鈉-卡拉膠復配膠體的觸變性

圖2是不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比的膠體（復配膠總濃度為2.0%）在25 ℃下剪切速率與剪切應力的關系。由于在2.0%復配膠濃度，海藻酸鈉∶κ-卡拉膠配比為2∶8時，膠體在室溫下逐漸凝膠，在高剪切速率下，凝膠會隨剪切速率的加快而從探頭中滑出，導致所形成的點較為雜亂，因此不討論。觸變環的面積是指物料從低速率至高速率剪切，再從高速率至低速率剪切后，剪切應力-剪切速率曲線出現的環形空白面積，反映觸變性的大小[13]。如圖2所示，在不同復配比條件下，增速和減速兩個過程所得的剪切應力幾乎重合，觸變環的面積很小，表明膠體經過外力作用后，其黏度變化不大，且在外力撤出后，會很快恢復到未經力作用的狀態，反映膠體較小的觸變性[14]。觸變性越小越有利于食品加工制作過程中的保型[15]。

圖2 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體剪切應力的影響圖

采用Herschel-Bulkley方程對圖2中的曲線進行擬合，所得擬合參數如表1所示。決定系數R2均大于0.99，說明曲線和方程的擬合效果好，具有一定的指導意義。k值則隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大先減小后增大，即膠體表觀黏度隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大呈現先減小后增大的趨勢。n均小于1，即復配膠體均為假塑型流體；n值隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大逐漸變小，表明膠體越來越偏離牛頓型流體[16]。

表1 不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下膠體的Herschel-Bulkley方程擬合參數表

2.3 海藻酸鈉-卡拉膠復配膠體的動態黏彈性

2.3.1 振蕩頻率對復配膠體動態黏彈性的影響

圖3（a）是在25 ℃時，復配膠總濃度為2.0%，不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下，膠體的儲能模量（G′）和耗損模量（G′）與角頻率（ω）的關系。G′和G′隨著ω的增大而增大。海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5時，G′明顯大于G′，隨著角頻率的增大，兩個模量大小越來越接近，這表明體系黏彈性行為以黏性為主[17]。海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為2∶8和0∶10時，G′和G′之間有一個交點，此時的復配膠體屬于高分子纏結溶液。在低頻區，G′＞G′，表明體系以黏性為主，呈類似液體的溶膠狀態；隨著角頻率的繼續增大，出現交點，表明體系從溶膠向弱凝膠狀態轉變；同時交點隨著κ-卡拉膠所占比例的增大向低頻區移動，這可能與溶膠內耗增加，彈性對溶膠的貢獻變大有關[18]；超過交點后，G′′＜G′，表明體系以彈性為主，由于無足夠時間解糾纏，從而呈類似固體的弱凝膠狀態[19]。

另外，由圖3（a）可以看出，隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，G′和G′均呈先減小后逐漸增大的趨勢，在海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時最小。這說明在8∶2時，復配膠的黏彈性最小；隨著κ-卡拉膠所占比重的增多，體系逐漸與κ-卡拉膠的凝膠性質類似，所以黏彈性均增大。

圖3（b）是在25 ℃時，不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下，膠體的復數黏度與角頻率（ω）的關系。由圖可知，海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5時，僅在高頻區時，復數黏度才對角頻率有稍微依賴性，隨著角頻率的增大而減小；海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為2∶8和0∶10時，在測試頻率范圍內，復數黏度均隨著角頻率的增大而減小，這也證明了其剪切稀化特性。另外，隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，復數黏度對角頻率的依賴性越來越強，且呈先稍微減小后逐漸增大的趨勢，在海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時最小，這也與2.1所測定的表觀黏度結果相符。分別對海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5、2∶8和0∶10的復數黏度和角頻率曲線進行線性擬合，得到斜率分別為-0.062±0.010、-0.071±0.011、-0.12±0.013、-0.39±0.017 和 -0.71±0.004；MORRIS等[20]提出當其斜率接近-0.76時，多糖體系已為“弱凝膠”狀態，0.71小于0.76，因此通過其斜率可進一步證明復配膠體系為高分子纏結溶液，且隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，則越接近“弱凝膠”。

圖3 在不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下動態振蕩頻率掃描測試曲線圖

2.3.2 溫度對復配膠體動態黏彈性的影響

圖4（a）和（b）分別表示在復配膠總濃度為2.5%、海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2下，復配膠體在升溫和冷卻過程中G′和G′的變化情況。

由圖4（a）可知，G′和G′隨著溫度的升高而逐漸降低，這是由于溫度的升高使分子間和分子內氫鍵斷裂，造成G′減小[21]；使聚合物被破壞而熔化，導致G′減小，所形成的雙螺旋結構逐漸改變構象最終變成無規則線圈[22]。當溫度為22 ℃左右，出現交點，所對應的溫度則為熔化溫度，體系開始從凝膠向溶膠轉變。隨著溫度的繼續升高，G′始終小于G′，說明體系已變為典型的黏彈性溶液。

由圖4（b）可知，在降溫過程中，G′和G′均逐漸增大，G′上升速率比G′快，但G′＜G′，表明體系仍以黏性為主，呈溶膠狀態。當溫度在15 ℃左右時，G′和G′發生迅速升高，直到出現交點，交點所對應的溫度為凝膠溫度，表明體系開始以彈性為主，逐漸由溶膠向凝膠轉變[20]。之后隨著溫度的繼續降低，G′始終大于G′，表明復配膠三維結構的存在[23]。

圖4 膠體溫度與儲能模量（G′）和耗損模型（G′）的相關性圖

表2是復配膠總濃度為2.0%，在不同海藻酸鈉和κ-卡拉膠配比下，復配膠體的凝膠溫度和熔化溫度。由表2可知，單純的海藻酸鈉沒有凝膠溫度和熔化溫度，表明在0～80 ℃，海藻酸鈉本身沒有任何的物理狀態的轉變，仍然保持其溶膠的形式，這與SOUKOULIS等[24]的研究結果一致。隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，凝膠溫度和熔化溫度均呈逐漸增大的趨勢。這是因為隨著組分κ-卡拉膠所占比重的增大，κ-卡拉膠網絡結構內分子間氫鍵增多，有利于形成更多的雙螺旋結構，使其在較高溫度下仍具有較強的網絡結構，同時結構瓦解也要更高溫度，因而造成其凝膠溫度和熔化溫度的升高[7]。綜上，在形成凝膠的過程中，海藻酸鈉與卡拉膠復配是以卡拉膠作為骨架，海藻酸鈉只是起到填充骨架的作用。

表2 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體的凝膠溫度和熔化溫度影響表

復配膠體的熔化溫度均高于凝膠溫度，表明體系在相轉變過程中具有溫度上的滯后性。這是因為從溶膠向凝膠轉變是一個自發降溫的放熱過程，而從凝膠向溶膠轉變則需要外界加溫的非自發吸熱過程，兩個過程均要服從熱力學第二定律，即ΔG=ΔH-T·ΔS，因此要使溫度回升到凝膠溫度，熱動能不足以克服分子間形成凝膠網絡的相互作用力，需要吸收更多能量來克服，從而造成熔化溫度高于凝膠溫度[14,25]。

3 結論

（1）海藻酸鈉與κ-卡拉膠復配膠體為假塑性流體，具有剪切稀化的特征。其黏度隨著組分κ-卡拉膠所占比例的加大而先減小后增大，海藻酸鈉和κ-卡拉膠比例為8∶2時最小。

（2）海藻酸鈉/κ-卡拉膠復配膠體幾乎無觸變環，反映復配膠體觸變性較小，表明其對攪拌具有良好的穩定性，有利于在微膠囊等加工過程中保型。曲線與Herschel-Bulkley方程能夠準確表現海藻酸鈉/κ-卡拉膠復配膠體的剪切速率與剪切應力的關系。

（3）復配膠體的儲能模量（G′）和耗損模量（G′）隨著角頻率（ω）的增大而增大，且均隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，呈先減小后逐漸增大的趨勢，當海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時黏彈性最小，體系的黏彈性行為以黏性為主。

（4）升溫時，G′和G′逐漸減小；降溫時，G′和G′逐漸增大。隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，凝膠溫度和熔化溫度均呈逐漸升高。復配膠體在溶膠-凝膠相轉變過程存在溫度滯后性，所形成的復配凝膠是以κ-卡拉膠為骨架，海藻酸鈉起填充骨架作用。

上述流變參數對了解海藻酸鈉與κ-卡拉膠復配膠體的流變學和膠體性質，最終控制產品特性具有重要作用。