協(xié)同凝膠（Synergistic interaction gels, SIGs）在3D打印、結(jié)腸給藥和持續(xù)釋放方面有著巨大的應(yīng)用前景。黃原膠與羅望子膠（Tamarind gum, TMG）通過協(xié)同組裝能夠產(chǎn)生SIGs；然而，它們的協(xié)同組裝機(jī)理尚不明確。
2024年7月，F(xiàn)ood Hydrocolloids （IF=11.0）雜志上發(fā)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(xiàng)工作闡明了在Xanthan-rich體系中，黃原膠聚集形成了粗束網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，TMG簇粘附其上；TMG-rich體系中，TMG則積極參與創(chuàng)建由黃原膠分子鏈聚集包裹的“海-島”組裝結(jié)構(gòu)。較高的TMG濃度有助于增強(qiáng)TMG與黃原膠的結(jié)合程度。TMG與黃原膠結(jié)合的增強(qiáng)與分子鏈距的增加和有序結(jié)構(gòu)排列的緊密性有關(guān)。該研究有助于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)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(biāo)測定技術(shù)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(shù)手段對TMG和黃原膠進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析。
2. 使用Micro-DSC和動(dòng)態(tài)流變儀研究TMG與黃原膠在降溫過程中的相轉(zhuǎn)變行為，結(jié)合AFM探明其在不同相轉(zhuǎn)變階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，明確兩者發(fā)生協(xié)同凝膠化的膠凝過程、闡明其分子組裝機(jī)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征（網(wǎng)格尺寸、分形維數(shù)、相關(guān)長度等），使用質(zhì)構(gòu)分析儀和動(dòng)態(tài)流變儀表征凝膠體系的力學(xué)強(qiáng)度，建立凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征與體系力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系。
1. TMG和黃原膠的精細(xì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析
本研究中TMG和黃原膠兩種多糖的化學(xué)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(xué)組成、分子特性和單糖組成
2. TMG/黃原膠的協(xié)同膠凝行為
圖2.1顯示了TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復(fù)配溶膠在5 oC環(huán)境下，經(jīng)放置16 h并倒置2 h后的流動(dòng)情況。倒瓶實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)配比例對TMG和黃原膠之間協(xié)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(jìn)行了較大程度的協(xié)同組裝。
圖2.1 不同復(fù)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(xié)同膠凝行為，使用微量熱DSC對TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復(fù)配溶膠在冷卻過程中的熱流變化進(jìn)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(nèi)有明顯的放熱峰（peak-Ⅰ），歸因于黃原膠的分子鏈構(gòu)象由無規(guī)線團(tuán)向雙螺旋轉(zhuǎn)變。隨著TMG的添加，所有復(fù)配樣品的DSC曲線上均在22 oC附近出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)變峰。
在TMG/黃原膠復(fù)配樣品中，Xanthan-rich體系（T1X9、T2X8、T3X7、T4X6和T5X5）的peak-Ⅰ強(qiáng)度明顯高于TMG-rich體系（T6X4、T7X3、T8X2、T1X9）。由于復(fù)配樣品中的peak-Ⅰ位置與黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)變的位置重合，所以認(rèn)為復(fù)配樣品所出現(xiàn)的熱變化來源于黃原膠的螺旋轉(zhuǎn)變。AFM圖像進(jìn)一步顯示，在70~40 oC范圍內(nèi)，黃原膠分子鏈主要參與自組裝過程（后文討論）。基于這些發(fā)現(xiàn)，可以確定peak-Ⅰ對應(yīng)于黃原膠分子鏈的螺旋重構(gòu)，peak-Ⅱ則對應(yīng)于TMG與黃原膠的協(xié)同組裝。
TMG/黃原膠復(fù)配溶膠冷卻過程中協(xié)同膠凝放熱峰（peak-Ⅱ）的焓值統(tǒng)計(jì)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(dá)到最大。這表明其協(xié)同組裝程度隨兩者混合比例的不同而發(fā)生變化，協(xié)同組裝最強(qiáng)的是T7X3。
圖2.2 不同復(fù)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(tǒng)計(jì)（b）
圖2.3 不同復(fù)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(xié)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(gòu)象和聚集情況，結(jié)果如圖2.4所示。70 °C時(shí)黃原膠的單鏈、雙螺旋和多絲結(jié)構(gòu)在體系中隨機(jī)分布。當(dāng)溫度降至40 °C時(shí)，聚集成粗束形成雙螺旋相互交聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到5 °C時(shí)，形成了一個(gè)均勻的聚集網(wǎng)絡(luò)，主要由粗束結(jié)構(gòu)組成。相反，在TMG中觀察到嚴(yán)重的熱聚集現(xiàn)象，隨著溫度的降低，TMG的一些單鏈與聚集體分離，并進(jìn)一步自組裝成線性雙螺旋長鏈。同時(shí)，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(jié)如下：
在Xanthan-rich體系中，黃原膠鏈在構(gòu)建組裝結(jié)構(gòu)的框架中起主要作用。其協(xié)同膠凝過程如下：（1）冷卻至70 °C時(shí)，黃原膠無規(guī)線團(tuán)開始轉(zhuǎn)變?yōu)殡p螺旋結(jié)構(gòu)，而TMG的聚集狀態(tài)沒有明顯變化。（2）當(dāng)溫度降低到40 °C時(shí)，黃原膠的相變已經(jīng)完成，由螺旋結(jié)構(gòu)和多絲結(jié)構(gòu)形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。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(dāng)冷卻至5 °C時(shí)，TMG聚集簇在較低溫度下由于氫鍵增強(qiáng)而附著在黃原膠網(wǎng)絡(luò)上，形成以黃原膠粗束網(wǎng)絡(luò)為主的協(xié)同組裝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
在TMG-rich體系中，TMG聚集簇的解離形成了相互聯(lián)系的“海-島”組裝結(jié)構(gòu)。其協(xié)同膠凝過程如下：（1）當(dāng)溫度降至70 °C時(shí)，黃原膠鏈的聚集狀態(tài)和構(gòu)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(tuán)簇，同時(shí)部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性雙螺旋結(jié)構(gòu)。“海-島”結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化不斷發(fā)生。同時(shí)，黃原膠在TMG團(tuán)簇周圍聚集結(jié)合，降低TMG團(tuán)簇的表面能，形成長鏈相互連結(jié)的“海-島”協(xié)同組裝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖2.4 濃度為5 μg/mL的不同復(fù)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(xié)同凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征
利用SAXS對TMG、黃原膠和TMG/黃原膠協(xié)同凝膠中散射體的納米尺度特征進(jìn)行了研究，其雙對數(shù)圖如圖3.1a所示。散射光譜從低q區(qū)的最大散射強(qiáng)度至中q區(qū)的連續(xù)平滑變化，表明樣品中均存在納米級(jí)有序結(jié)構(gòu)。AFM圖像同樣證實(shí)了黃原膠和TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的結(jié)構(gòu)是由高密度(有序結(jié)構(gòu))域和聚合物鏈組成的三維網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Power law函數(shù)、Cauchy函數(shù)和Lorentzian函數(shù)（式（1））對黃原膠和TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的SAXS數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。
TMG、黃原膠、TMG/黃原膠協(xié)同凝膠納米尺度散射體的相關(guān)參數(shù)總結(jié)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(nèi)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(gè)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(jí)有序結(jié)構(gòu)(高密度域)的存在，并表示有序結(jié)構(gòu)的尺寸(在下文中稱為d1)，而位于q = 0.132 ??1的峰是因?yàn)榫酆衔镦湹纳⑸洚a(chǎn)生。
從SAXS的雙對數(shù)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(dòng)，這是由于完全由黃原膠形成的納米結(jié)構(gòu)逐漸減少(DSC曲線中的peak-Ⅰ可以證實(shí))導(dǎo)致。黃原膠的鏈距d1（用Bragg方程計(jì)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(jié)構(gòu)由網(wǎng)狀成功轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂?島”，使TMG與黃原膠間的結(jié)合增強(qiáng)，導(dǎo)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(jié)合的增強(qiáng)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(guān)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(nèi)，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(fā)生在此長度之外。TMG/黃原膠復(fù)配樣品的ξchain值隨TMG含量的增加呈下降趨勢，結(jié)構(gòu)更加致密。
圖3.1不同復(fù)配比例TMG/黃原膠凝膠的SAXS雙對數(shù)圖（a）以及SAXS數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)
利用脈沖梯度場核磁共振測量了樹枝狀大分子（PAMAM）的擴(kuò)散系數(shù)，對3.02 ppm處的特征峰進(jìn)行分析，利用公式（2）計(jì)算出TMG、黃原膠和TMG/黃原膠復(fù)配凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸（ξm），結(jié)果如圖2.6所示。
擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純黃原膠樣品的網(wǎng)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(wǎng)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?yàn)門MG與黃原膠之間的分子相互作用相對較弱，不足以擴(kuò)大粗束之間的間隙。
對于純TMG體系，5 oC時(shí)密集排列的TMG簇的網(wǎng)格尺寸約為40 nm，在TMG-rich體系中加入黃原膠后，T7X3的網(wǎng)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?nèi)酢MG-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(wǎng)絡(luò)中TMG聚集體與黃原膠粗束結(jié)構(gòu)結(jié)合體的大小和連接這些結(jié)合體的柔性鏈的緊密度，從而形成更加完美的“海-島”結(jié)構(gòu)。
圖2.6 PAMAM在不同復(fù)配比例TMG/黃原膠凝膠中的信號(hào)衰減（a）及TMG/黃原膠的相關(guān)微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)
4. TMG/黃原膠的協(xié)同凝膠的力學(xué)強(qiáng)度
圖4.1a顯示了TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的凝膠強(qiáng)度值，TMG/黃原膠凝膠的凝膠強(qiáng)度從15 g左右增加到80 g，隨著TMG含量的增加，凝膠強(qiáng)度下降到50 g左右，在T7X3處達(dá)到峰值。TMG-rich體系比Xanthan-rich體系表現(xiàn)出更高的凝膠強(qiáng)度，這與焓變的結(jié)果一致，表明TMG與黃原膠間的協(xié)同膠凝作用與凝膠強(qiáng)度呈正相關(guān)。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(qiáng)度。此外，Xanthan-rich體系的微相分離（DSC曲線上出現(xiàn)兩個(gè)放熱峰）導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度降低。
圖4.1 不同復(fù)配比例TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的凝膠強(qiáng)度（a），平均儲(chǔ)存模量（b）
本章探討了TMG與黃原膠在降溫過程中的組裝動(dòng)力學(xué)以及TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的納米結(jié)構(gòu)和力學(xué)強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，在Xanthan-rich體系中形成了由黃原膠c粗束結(jié)構(gòu)為主體的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，少量的TMG聚集成小顆粒附著在黃原膠粗束網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，黃原膠的雙螺旋結(jié)構(gòu)通過氫鍵相互作用與TMG聚集體緊密結(jié)合。從TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征來看，TMG與黃原膠結(jié)合親和力的增強(qiáng)，擴(kuò)大了黃原膠雙螺旋的鏈距，提高了有序結(jié)構(gòu)排列的緊密性，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸。這些因素共同增強(qiáng)了TMG/黃原膠協(xié)同凝膠的力學(xué)強(qiáng)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
