協同凝膠（Synergistic interaction gels, SIGs）在3D打印、結腸給藥和持續釋放方面有著巨大的應用前景。黃原膠與羅望子膠（Tamarind gum, TMG）通過協同組裝能夠產生SIGs；然而，它們的協同組裝機理尚不明確。
2024年7月，Food Hydrocolloids （IF=11.0）雜志上發表一篇題為“Assembly behavior and nano-scale microstructure of tamarind gum/ xanthan synergistic interaction gels”的研究論文。這項工作闡明了在Xanthan-rich體系中，黃原膠聚集形成了粗束網絡結構，TMG簇粘附其上；TMG-rich體系中，TMG則積極參與創建由黃原膠分子鏈聚集包裹的“海-島”組裝結構。較高的TMG濃度有助于增強TMG與黃原膠的結合程度。TMG與黃原膠結合的增強與分子鏈距的增加和有序結構排列的緊密性有關。該研究有助于設計和生產具有所需性能特征的基于SIGs的人工凝膠食品，如人造海參和背膘等。三黍生物提供黃原膠指標測定技術支持。
1. 使用凝膠滲透色譜、高效液相色譜、核磁共振波譜法等多種技術手段對TMG和黃原膠進行精細結構和化學組成分析。
2. 使用Micro-DSC和動態流變儀研究TMG與黃原膠在降溫過程中的相轉變行為，結合AFM探明其在不同相轉變階段的拓撲結構特征，明確兩者發生協同凝膠化的膠凝過程、闡明其分子組裝機制。
3. 利用小角X射線衍射和脈沖梯度場核磁共振探究凝膠體系的三維網絡結構特征（網格尺寸、分形維數、相關長度等），使用質構分析儀和動態流變儀表征凝膠體系的力學強度，建立凝膠三維網絡結構特征與體系力學強度之間的關系。
1. TMG和黃原膠的精細結構和化學組成分析
本研究中TMG和黃原膠兩種多糖的化學組成、分子特性和單糖組成如表1所示。
表1 TMG和黃原膠的化學組成、分子特性和單糖組成
2. TMG/黃原膠的協同膠凝行為
圖2.1顯示了TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復配溶膠在5 oC環境下，經放置16 h并倒置2 h后的流動情況。倒瓶實驗表明，復配比例對TMG和黃原膠之間協同組裝具有顯著影響。其中，T7X3、T6X4、T5X5、T4X6、T3X7、T2X8和T1X9樣品中的TMG和黃原膠分子鏈間進行了較大程度的協同組裝。
圖2.1 不同復配比例的TMG/黃原膠溶膠在5 oC下放置16 h倒置2 h后的圖片
為了探究TMG和黃原膠的協同膠凝行為，使用微量熱DSC對TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復配溶膠在冷卻過程中的熱流變化進行了記錄，其DSC曲線如圖2.2a所示。黃原膠樣品降溫過程中的DSC曲線在75~50 oC范圍內有明顯的放熱峰（peak-Ⅰ），歸因于黃原膠的分子鏈構象由無規線團向雙螺旋轉變。隨著TMG的添加，所有復配樣品的DSC曲線上均在22 oC附近出現了新的放熱峰（peak-Ⅱ），而純TMG樣品和純黃原膠樣品的DSC曲線未在此處發現明顯的轉變峰。
在TMG/黃原膠復配樣品中，Xanthan-rich體系（T1X9、T2X8、T3X7、T4X6和T5X5）的peak-Ⅰ強度明顯高于TMG-rich體系（T6X4、T7X3、T8X2、T1X9）。由于復配樣品中的peak-Ⅰ位置與黃原膠構象轉變的位置重合，所以認為復配樣品所出現的熱變化來源于黃原膠的螺旋轉變。AFM圖像進一步顯示，在70~40 oC范圍內，黃原膠分子鏈主要參與自組裝過程（后文討論）。基于這些發現，可以確定peak-Ⅰ對應于黃原膠分子鏈的螺旋重構，peak-Ⅱ則對應于TMG與黃原膠的協同組裝。
TMG/黃原膠復配溶膠冷卻過程中協同膠凝放熱峰（peak-Ⅱ）的焓值統計如圖2.2 b所示。隨著TMG含量的增加，焓值（ΔH）先增加后降低，在T7X3處達到最大。這表明其協同組裝程度隨兩者混合比例的不同而發生變化，協同組裝最強的是T7X3。
圖2.2 不同復配比例的TMG/黃原膠溶膠在冷卻過程中的DSC曲線（a）及peak-Ⅱ的焓值統計（b）
圖2.3 不同復配比例的TMG/黃原膠溶膠在冷卻過程中的G’（a）和tan δ（b）曲線
為了直觀的揭示TMG與黃原膠的協同組裝過程，采用原子力顯微鏡觀察不同相變過程（70 °C、40 °C和5 °C）后分子鏈的構象和聚集情況，結果如圖2.4所示。70 °C時黃原膠的單鏈、雙螺旋和多絲結構在體系中隨機分布。當溫度降至40 °C時，聚集成粗束形成雙螺旋相互交聯的三維網絡結構。當溫度進一步降低到5 °C時，形成了一個均勻的聚集網絡，主要由粗束結構組成。相反，在TMG中觀察到嚴重的熱聚集現象，隨著溫度的降低，TMG的一些單鏈與聚集體分離，并進一步自組裝成線性雙螺旋長鏈。同時，聚集體尺寸逐漸減小，由新形成的雙螺旋長鏈鏈接。基于這些觀察，TMG與黃原膠之間的組裝行為可以總結如下：
在Xanthan-rich體系中，黃原膠鏈在構建組裝結構的框架中起主要作用。其協同膠凝過程如下：（1）冷卻至70 °C時，黃原膠無規線團開始轉變為雙螺旋結構，而TMG的聚集狀態沒有明顯變化。（2）當溫度降低到40 °C時，黃原膠的相變已經完成，由螺旋結構和多絲結構形成相互交聯的網狀結構。然而，由于簇的尺寸相對較小，TMG鏈與簇的解離并不顯著。（3）當冷卻至5 °C時，TMG聚集簇在較低溫度下由于氫鍵增強而附著在黃原膠網絡上，形成以黃原膠粗束網絡為主的協同組裝網絡結構。
在TMG-rich體系中，TMG聚集簇的解離形成了相互聯系的“海-島”組裝結構。其協同膠凝過程如下：（1）當溫度降至70 °C時，黃原膠鏈的聚集狀態和構象沒有明顯變化。（2）在冷卻至40 °C的過程中，TMG鏈逐漸脫離團簇，同時部分轉變為線性雙螺旋結構。“海-島”結構在局部形成。（3）隨著溫度降低到5 °C，TMG聚集簇的解離和線性雙螺旋鏈的轉化不斷發生。同時，黃原膠在TMG團簇周圍聚集結合，降低TMG團簇的表面能，形成長鏈相互連結的“海-島”協同組裝網絡結構。
圖2.4 濃度為5 μg/mL的不同復配比例TMG/黃原膠溶液在冷卻過程中（70 °C、40 °C和5 °C）的AFM圖片
3. TMG/黃原膠協同凝膠的三維網絡結構特征
利用SAXS對TMG、黃原膠和TMG/黃原膠協同凝膠中散射體的納米尺度特征進行了研究，其雙對數圖如圖3.1a所示。散射光譜從低q區的最大散射強度至中q區的連續平滑變化，表明樣品中均存在納米級有序結構。AFM圖像同樣證實了黃原膠和TMG/黃原膠協同凝膠的結構是由高密度(有序結構)域和聚合物鏈組成的三維網絡。在此基礎上，結合Power law函數、Cauchy函數和Lorentzian函數（式（1））對黃原膠和TMG/黃原膠協同凝膠的SAXS數據進行擬合。
TMG、黃原膠、TMG/黃原膠協同凝膠納米尺度散射體的相關參數總結如表3.1所示。利用Bragg方程(d = 2π/q，其中d為散射體大小)可以得到本研究中記錄的0.006-0.3 ??1范圍內的散射體大小為2.0-100 nm。
在圖3.1b中，觀察到黃原膠樣品的散射曲線存在兩個峰。位于q = 0.049 ?-1的峰歸因于黃原膠分子鏈聚集形成的納米級有序結構(高密度域)的存在，并表示有序結構的尺寸(在下文中稱為d1)，而位于q = 0.132 ??1的峰是因為聚合物鏈的散射產生。
從SAXS的雙對數圖可以看出，隨著TMG含量的增加，0.049 ??1左右的峰變的不明顯，且峰位置向低q方向移動，這是由于完全由黃原膠形成的納米結構逐漸減少(DSC曲線中的peak-Ⅰ可以證實)導致。黃原膠的鏈距d1（用Bragg方程計算）約為12.8 nm，加入TMG后明顯增大至34.88 nm。T7X3樣品中的分子鏈聚集結構由網狀成功轉變為“海-島”，使TMG與黃原膠間的結合增強，導致d1從T5X5的16.5 nm增加到T7X3的33.1 nm。
n值揭示了散射體(高密度域)排列的緊密性。TMG的加入使得散射體更加密集，這可以從n值的增加中得到證明。隨著TMG含量的增加，n值也不斷增加，但在T9X1中降低，其變化趨勢與焓變值相同。這表明了TMG與黃原膠結合的增強是由于散射體緊密度增加。
位于q = 0.132 ??1處的峰揭示了分子鏈的相關長度（ξchain，?）。觀察到黃原膠和TMG的ξchain值分別為8.69 ?和2.4 ?。這表明在8.69 ?范圍內，黃原膠鏈段被水或同一鏈的其他鏈段所包圍，并且鏈的糾纏發生在此長度之外。TMG/黃原膠復配樣品的ξchain值隨TMG含量的增加呈下降趨勢，結構更加致密。
圖3.1不同復配比例TMG/黃原膠凝膠的SAXS雙對數圖（a）以及SAXS數據和黃原膠的擬合曲線（b）
表3.1 TMG*、黃原膠和TMG/黃原膠凝膠中三維網絡結構的相關參數
利用脈沖梯度場核磁共振測量了樹枝狀大分子（PAMAM）的擴散系數，對3.02 ppm處的特征峰進行分析，利用公式（2）計算出TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復配凝膠三維網絡結構的網格尺寸（ξm），結果如圖2.6所示。
擴散實驗結果表明，純黃原膠樣品的網格尺寸約為26 nm，在Xanthan-rich體系（T1X9和T3X7）中添加TMG并沒有顯著影響其網格尺寸，這表明在Xanthan-rich體系中加入TMG對黃原膠鏈的組裝影響有限。這是因為TMG與黃原膠之間的分子相互作用相對較弱，不足以擴大粗束之間的間隙。
對于純TMG體系，5 oC時密集排列的TMG簇的網格尺寸約為40 nm，在TMG-rich體系中加入黃原膠后，T7X3的網格尺寸增加到約60 nm，而后降低到T5X5的約50 nm。這表明黃原膠的存在改善了TMG分子間的相互作用從而使TMG的聚集程度變弱。TMG-rich體系中相對較大的散射體（由d1表示）和密集的分子鏈（由ξchain表示）有利于提高網絡中TMG聚集體與黃原膠粗束結構結合體的大小和連接這些結合體的柔性鏈的緊密度，從而形成更加完美的“海-島”結構。
圖2.6 PAMAM在不同復配比例TMG/黃原膠凝膠中的信號衰減（a）及TMG/黃原膠的相關微觀結構參數
4. TMG/黃原膠的協同凝膠的力學強度
圖4.1a顯示了TMG/黃原膠協同凝膠的凝膠強度值，TMG/黃原膠凝膠的凝膠強度從15 g左右增加到80 g，隨著TMG含量的增加，凝膠強度下降到50 g左右，在T7X3處達到峰值。TMG-rich體系比Xanthan-rich體系表現出更高的凝膠強度，這與焓變的結果一致，表明TMG與黃原膠間的協同膠凝作用與凝膠強度呈正相關。密集排列的散射體和密集排列的分子鏈共同提高了凝膠的彈性模量以及TMG-rich體系的凝膠強度。此外，Xanthan-rich體系的微相分離（DSC曲線上出現兩個放熱峰）導致凝膠強度降低。
圖4.1 不同復配比例TMG/黃原膠協同凝膠的凝膠強度（a），平均儲存模量（b）
本章探討了TMG與黃原膠在降溫過程中的組裝動力學以及TMG/黃原膠協同凝膠的納米結構和力學強度。研究結果表明，在Xanthan-rich體系中形成了由黃原膠c粗束結構為主體的三維網絡結構，少量的TMG聚集成小顆粒附著在黃原膠粗束網絡的分子鏈上；TMG-rich體系中則形成了由TMG聚集體及其相互連接的雙螺旋鏈組成的“海-島”結構，黃原膠的雙螺旋結構通過氫鍵相互作用與TMG聚集體緊密結合。從TMG/黃原膠協同凝膠的三維網絡結構特征來看，TMG與黃原膠結合親和力的增強，擴大了黃原膠雙螺旋的鏈距，提高了有序結構排列的緊密性，擴大了網絡結構的網格尺寸。這些因素共同增強了TMG/黃原膠協同凝膠的力學強度。
TMG與Xanthan凝膠原理示意圖
文章鏈接：DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110392
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排版：野凌
審核：三黍生物企宣部
