壳聚糖/阿拉伯胶聚电解质颗粒稳定Pickering乳液及乳液凝胶研究

◎ 唐鑫宇，孙 彤，高 慧，潘 欣，袁小凡，高成成，孟令晗

（南京财经大学 食品科学与工程学院，江苏 南京 210023）

已经有多种固体颗粒被报道作为Pickering乳液的乳化剂，包括无机和有机聚合物胶体颗粒如二氧化硅、乳胶、磁性颗粒、黏土和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒等[1]。但是，这些非食品级纳米颗粒表现出的生物相容性差、生物可降解性低等问题限制了Pickering乳液在食品、药品和化妆品中的广泛应用[2]。因此，开发食品级生物可降解聚合物并用于稳定Pickering乳液具有现实 意义[3]。

壳聚糖（Chitosan，CS）是一种自然界中仅次于纤维素的第二丰富的天然线性多糖。由于其具有无毒性、生物可降解性、抗菌性和成膜性等特性，在组织工程、药物输送系统、食品和化妆品等领域有着广泛的应用[4-5]。在高pH（＞6.5）时，壳聚糖渐渐失去水溶性而卷曲成不溶性的纳米颗粒；在低pH（＜6.5）下，其氨基被质子化并带有正电荷，可以和其他阴离子小分子或大分子通过静电相互作用生成纳米颗粒，被广泛用作药物递送系统。已有研究报道壳聚糖纳米颗粒、壳聚糖-三聚磷酸盐（CS-TPP）纳米颗粒[6]、玉米醇溶蛋白-壳聚糖复合颗粒（ZCP）[7]等的成功制备。阿拉伯胶（Gum Arabic，GA）来源于金合欢属植物枝干所分泌的树胶，其结构中含有蛋白和鼠李糖，是良好的水包油型乳化体系的稳定剂，并且在较宽的酸碱环境下、高离子强度和高温环境下表现出良好的稳定性[8-10]。近来研究表明CS中的氨基基团可与GA分子上的羧基发生静电相互作用形成微纳米复合体，进而改善壳聚糖的亲疏水性和稳定性[11]。已有研究报道壳聚糖的分子量、脱乙酰度、复配比、pH等内外因素对CS与GA聚电解质纳米复合体结构具有显著影响[12]。但将该复合颗粒用于稳定Pickering乳液的研究极少。

乳液凝胶是一种将乳化的油滴包埋在凝胶基质中的软固体，也是一种良好的新型智能功能因子传递体系[13]。乳胶凝胶因其网络结构可以提高乳液的稳定性并可调控活性物质的释放[14]。因此，本研究通过静电复合法制备CS/GA复合颗粒，并用于稳定Pickering乳液，主要探究不同质量比、温度、离子强度、pH对乳液稳定性的影响。在此基础上，研究不同温度对Pickering乳液的成胶及乳液凝胶流变特性的影响，旨在为开发新型食品级复合颗粒稳定Pickering乳液及其应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

壳聚糖（CS，5w Da），北京索莱宝；阿拉伯胶（GA），上海麦克林生化科技有限公司；福临门葵花籽油，中粮集团；乙酸（冰醋酸）、氯化钠、氢氧化钠和盐酸，所有试剂均为分析级。

1.2 仪器与设备

PRACTUM224-1CN电子天平，上海翼控机电有限公司；WSJB-03恒温磁力搅拌器，河南中良科技仪器有限公司；pH计，上海精密科学仪器有限公司；GL-21M高速冷冻离心机，上海紫一试剂厂；XMTD-8222数显鼓风干燥箱，南京大卫仪器设备有限公司；T18-高速分散器，德国IKA集团；数显恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；ZS-90纳米粒度仪，英国Malvern仪器有限公司；MCR302流变仪，Anton Paar公司；蔡司倒置式显微镜，德国Carl Zeiss公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同质量比的CS/GA复合颗粒的制备

称取一定量的CS加入1%（v/v）醋酸溶液中，40 ℃ 磁力搅拌5 h制成1%（w/v）的CS溶液，称取一定量GA加入超纯水中，40 ℃磁力搅拌5 h制成10%（w/v）的GA溶液。分别用NaOH或HCl调pH至4.5。然后分别以1∶4、1∶6、1∶8的质量比将CS溶液缓慢加入GA溶液中，磁力搅拌约30 min后8000 r·min-1离心15 min。离取下层凝聚物置于烘箱中，40 ℃干燥20 h以制备复合颗粒。

1.3.2 固体颗粒粒径与Zeta电位的测定

利用ZS-90纳米粒度仪测定样品的粒径分布与电位。将不同质量比的复合颗粒以1%（w/v）的颗粒浓度分别溶于超纯水中。然后用去离子水按1∶100稀释振荡，避免多重散射效应。折射率设定为1.456，吸收率为0.001。所有试验均在25 ℃下进行。

1.3.3 基于CS/GA复合颗粒Pickering乳液的制备

将制备的复合颗粒以1%（w/v）颗粒浓度溶于超纯水中，然后与等体积的葵花籽油混合，经12000 r·min-1高速分散7 min，制备Pickering乳液。为研究不同质量比对乳液的影响，将不同质量比（1∶4、1∶6、1∶8）的CS/GA复合颗粒制备成Pickering乳液；为研究不同温度、离子强度、pH对乳液稳定性的影响，固定复合颗粒质量比为1∶6制备Pickering乳液，温度设置为40 ℃、60 ℃、80 ℃，NaCl浓度为10 mmol·L-1、30 mmol·L-1、50 mmol·L-1和70 mmol·L-1，pH为3.5、4.5、5.0、5.5和6.0。

1.3.4 不同温度下Pickering乳液的成胶

将上述Pickering乳液分别在40 ℃、20 ℃下静置24 h成胶，观察成胶状态。

1.3.5 乳液凝胶流变实验

（1）乳液凝胶应变扫描测试。流变仪参数设置为PP 50转子；间距0.5 mm；温度25 ℃；应变变化范围0.01%～100.00%；频率恒定1 Hz。频率扫描时，测量结果为应变（x轴）与模量G′、G″（y轴）的关系曲线，应变的变化规律使用对数变化。每个实验至少重复 3次。

（2）乳液凝胶频率扫描测试。频率变化范围为0.1～100.0 rad·s-1；应变恒定（在线性区内），测量结果为频率（x轴）与模量G′、G″（y轴）的关系曲线，频率的变化规律使用对数变化。每个实验至少重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同质量比的CS/GA对复合颗粒粒径和电位的影响

表1为不同CS/GA质量比的粒径、ζ-电位测定结果。结果表明，随着GA含量的增加，更多的GA和CS结合，导致粒径增大。当CS/GA质量比从1∶4提高至1∶6时，聚合物分散性指数（Polymer Dispersity Index，PDI）从0.665降至0.354，而当质量比进一步提高至1∶8后，PDI值又升至0.564，表明CS/GA质量比为1∶6时，形成的纳米颗粒最均匀，粒径分布最窄。通常认为，较小的粒径和ζ-电位的绝对值（正或负）越高，体系越稳定，即溶解或分散可以抵抗聚集[15]。此外，从乳液的稳定性结果中可以看出，样品1∶6稳定的Pickering乳液比1∶4的稳定性更高，这可能是由于样品1∶6粒径分布更窄。

表1 CS/GA的质量比对固体颗粒粒径和ζ-电位的影响表

2.2 不同CS/GA质量比对Pickering乳液稳定性的影响

图1为不同质量比的CS/GA复合颗粒形成的Pickering乳液室温下放置24 h后的观察结果。经24 h放置后，1∶4的乳液经过絮凝、聚结后，出现破乳现象，并明显分层，上层可观察到肉眼可见的大油滴。显微镜中乳液仅存在一些直径较小的液滴，较大的液滴已经破乳或超出显微镜测试范围。这可能是因为1∶4 CS/GA复合颗粒的粒径分布较宽，大颗粒粒径导致乳液破乳，稳定性下降。此外，在显微镜下观察到质量比为1∶8的乳液呈现出更大的液滴，这可能是因为颗粒粒径较大导致它们相互之间不易吸附，在水界面间所需的空间位阻大，乳液的液滴周围无法形成均匀的界面层，最终导致乳液稳定性变差。而质量比为1∶6的乳液稳定性最好，乳液分层程度最小。其中固体颗粒复合物紧密地结合在油滴周围，乳液出现了一定程度的油滴聚集，但没有明显破乳现象。这可能是因为质量比为1∶6时制备的复合颗粒粒径分布较窄，提高了乳液稳定性。

图1 不同质量比形成的Pickering乳液显微镜照片图

2.3 不同温度对Pickering乳液稳定性的影响

图2为乳液分别在80 ℃、60 ℃、40 ℃水浴锅中1 h后的观察结果。如图所示，随着温度的升高，乳液逐渐分层，稳定性也随着变差。显微镜下，随着温度的升高，乳液液滴出现聚集，并发生破乳，粒径明显增大，稳定性变差。这可能由于随着温度的升高，颗粒的布朗运动及其动能加剧，导致颗粒重新分布到界面上，促进了粒子的解吸。最终导致乳液液滴表面暴露，增加其聚结的趋势。

图2 不同温度下的Pickering乳液显微镜照片图

2.4 不同离子强度对Pickering乳液的影响

图3 为不同离子强度下Pickering乳液。可以看出，离子强度对乳液稳定性有显著影响。随着NaCl的逐步添加，乳液分层逐渐明显。在显微镜下，乳液的粒径随着NaCl浓度的增加而增大，所有样品中乳液液滴都出现了不同程度的聚集，这可能是NaCl的添加降低了复合颗粒表面电荷，使颗粒更容易聚集，导致了乳液分层。

图3 不同离子强度下的Pickering乳液显微镜照片图

2.5 不同pH的CS/GA复合颗粒溶液对Pickering乳液的影响

不同pH条件下，Pickering乳液放置24 h。由于CS在低pH（＜6.5）下，氨基质子化带正电荷，GA在pH 2.2以下羧基解离被抑制。因此采用pH在2.2～6.5的5个梯度进行研究。由图4可知，不同pH条件下Pickering乳液均出现分离现象，其中pH为3.5时乳液分层程度最大，出现破乳现象，乳液最不稳定；pH为5.0时乳液不易分层和破乳，乳液稳定性最好。显微镜下，在pH为3.5时，乳液液滴大小不一，仅剩少量聚集的乳液和固定颗粒；pH为4.5和5.0时乳液液滴较为均一，分布较窄，乳液较为稳定；pH 5.0时的乳液液滴较pH 4.5时的液滴大；在pH为5.5和6.0时，乳液液滴出现了小范围聚集现象。产生这些现象的原因可能是较低的pH减少了GA所带的负电荷数，在与CS静电结合产生复合颗粒时，不足以稳定乳液。随着pH的逐渐升高，CS分子表面电荷减少且发生聚集，从而降低了与GA分子的静电结合数量，导致乳液在较高pH下不稳定。

图4 不同pH下Pickering乳液显微镜照片图

2.6 不同温度下Pickering乳液成胶行为研究

图5 （A）为不同温度下乳液凝胶应变扫描。从图中可以看出，在线性黏弹区（约应变＜10%），40 ℃下凝胶的G′（储能模量）大于20 ℃的G′，且在这一区间，G′随应变变化幅度很小，表明40 ℃下乳液凝胶的成胶性更好，凝胶强度更大。但随着应变的进一步增加，两个样品的G′显著下降，表明胶体结构部分破坏，对应的应变称为临界应变。40 ℃下的凝胶临界应变高于20 ℃的凝胶，表明40 ℃下的乳液凝胶抵抗变形的能力强于20 ℃的凝胶。

图5（B）为不同温度下乳液凝胶频率扫描。从图中可以看出，不同温度下的样品，G′（储能模量）总是大于G″（损耗模量），通常G′值越高，样品的交联度越高[16]，表明40 ℃下乳液凝胶高分子的交联度高于20 ℃下的凝胶。此外，两种凝胶均表现出一定的频率依赖性，在低频率扫描下，样品的G′和G″保持稳定，说明凝胶结构较稳固，但随着扫描频率的增加，G′显著降低，G″显著升高，表明胶体结构被破坏，且20 ℃下的凝胶受频率影响更明显，在扫描频率接近100 rad·s-1时，G′与G″相交，表明乳液凝胶在高频振荡下出现凝胶-溶胶的转变。

图5 不同温度下凝胶的应变扫描（A）和频率扫描（B）图

3 结论

本研究成功制备了壳聚糖/阿拉伯胶（CS/GA）复合颗粒，用于稳定Pickering乳液。研究结果表明，复合颗粒平均粒径在440.2～670.8 nm。ζ-电位随着CS/GA质量比的增加而降低，质量比为1∶6的复合颗粒制备的乳液稳定性最佳。不同质量比的CS/GA 复合颗粒、温度、离子强度、pH对所制备的Pickering乳液稳定性有着不同程度的影响。通过对制备的Pickering乳液凝胶的流变特性分析发现，40 ℃下制备的乳液凝胶强度和韧性较好。本文为开发基于CS/GA复合颗粒稳定Pickering乳液及乳液凝胶奠定了研究 基础。