白燕，宋爽，朱蓓薇，孫宏元，左文健2,，胡梅

1.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.海南省院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新中心，海南 三亞 572022；3.海南熱帶海洋學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，海南 三亞 572022

0 引言

海藻酸鈉是一種從褐藻中提取的聚電解質(zhì)，由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸通過1-4糖苷鍵連接而成。海藻酸鈉及其表面活性劑復(fù)合體系廣泛應(yīng)用于食品、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-4]。F.Davarci等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在CaCl2溶液中加入吐溫20可增強(qiáng)海藻酸鈉溶液穿透CaCl2溶液表面的能力，有利于生成球形凝膠微球。J.Mirtic等[6]研究發(fā)現(xiàn)，利用表面活性劑氯化十六烷基吡啶作為海藻酸鹽的交聯(lián)劑制備穩(wěn)定的可用于溶解難溶性藥物(布洛芬)的復(fù)合納米粒子，該表面活性劑在低于其臨界膠束濃度(cmc)時(shí)可增加藥物的溶解度。亞甲基藍(lán)多存在于印染和紡織工業(yè)的廢水中，若直接排放對水生生物不利。N.U.Alamin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑十二烷基硫酸鈉可提高活性炭-海藻酸鹽“珠子”對亞甲基藍(lán)的吸附能力。

吐溫20(聚氧乙烯(20)失水山梨醇單月桂酸酯)是一種常用的非離子表面活性劑和食品添加劑，由疏水基和親水基組成，在水中不電離，不易受強(qiáng)電解質(zhì)無機(jī)鹽的影響，常用作制備精油類微膠囊的乳化劑[8]。海藻酸鈉也是常用的微膠囊壁材，并常與表面活性劑一起聯(lián)用[9-10]。微膠囊的制備一般在較高離子強(qiáng)度的溶液中進(jìn)行，溶液中較高的離子強(qiáng)度會(huì)壓縮海藻酸鈉這類聚電解質(zhì)鏈中帶電官能團(tuán)的雙電層，形成卷曲的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而對微膠囊壁材的特性產(chǎn)生較大影響[11]?；诖?，本文擬通過測定表面張力、熒光光譜和黏度，研究吐溫20與海藻酸鈉的相互作用，并以強(qiáng)電解質(zhì)NaCl作為溶液的離子強(qiáng)度源，研究其離子強(qiáng)度對該相互作用的影響，以期為吐溫20與海藻酸鈉在微膠囊領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

海藻酸鈉(1%溶液黏度為550 mPa·s)，青島明月海藻集團(tuán)有限公司產(chǎn)；吐溫20，生工生物工程(上海)股份有限公司產(chǎn)；芘，美國Sigma公司產(chǎn)；NaCl，天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)；甲醇，廣東化學(xué)試劑廠產(chǎn)。所有溶液均用三次水配制。

1.2 主要儀器與設(shè)備

ME104E型分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司產(chǎn)；duNouy環(huán)(半徑9.55 mm，鉑絲半徑0.3 mm)，承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測設(shè)備有限公司產(chǎn)；DC3020型低溫恒溫槽，上海平軒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)；Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)，美國安捷倫科技公司產(chǎn)；烏氏黏度計(jì)(半徑0.6～0.8 mm),臺(tái)州市椒江區(qū)玻璃儀器廠產(chǎn)；76-1A型數(shù)顯玻璃恒溫水浴、S312-90型電動(dòng)恒速攪拌器，金壇市精達(dá)儀器制造有限公司產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 溶液的配制用三次水溶解吐溫20得到母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20溶液；用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉溶液溶解吐溫20得到母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液；稱取一定量的NaCl固體溶解于一定濃度的海藻酸鈉溶液中，配制加鹽海藻酸鈉溶液，待用；稱取一定量的吐溫20，使用加鹽海藻酸鈉將其溶解作為母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液。

1.3.2 表面張力的測定采用duNouy環(huán)測定吐溫20溶液、吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液及吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的表面張力[12]，低溫恒溫槽的溫度設(shè)定為25oC，平行測定5次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 熒光光譜的測定量取100 μL芘的甲醇溶液置于10 mL比色管中，利用N2吹干，分別加入10 mL吐溫20溶液、吐溫20-海藻酸鈉溶液和吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液，使芘在溶液中的濃度為10-6mol/L，超聲振蕩30 min，靜置2 h后測定其熒光光譜。激發(fā)波長為335 nm[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力的影響分析

表面張力是表面(或界面)上作用力的變化，對水溶液來說，水分子間的作用力較大，而其他分子在表面上的吸附會(huì)降低水的表面張力。海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響如圖1所示。由圖1可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，由于吐溫20分子在空氣-水表面上的吸附，當(dāng)吐溫20濃度較小時(shí)，吐溫20溶液的表面張力隨其濃度的增大快速下降；當(dāng)吐溫20濃度大于一定數(shù)值后，吐溫20分子在空氣-水表面上達(dá)到最大吸附量，其表面張力基本不再隨吐溫20濃度的增大而變化，且此時(shí)吐溫20分子在溶液中聚集成膠束。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為cmc，代表表面活性劑降低水的表面張力的效率；此時(shí)的表面張力稱為γcmc，代表表面活性劑降低水表面張力的能力[8]。測得吐溫20溶液的cmc為4.95×10-5mol/L，γcmc為37.26 mN/m。

圖1 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響Fig.1 The effect of sodium alginate on the surface tension isotherms of Tween 20-sodium alginate complexes

加入海藻酸鈉后，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力在cmc之前高于不添加海藻酸鈉的吐溫20溶液，且海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表面張力升高越多。這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c會(huì)形成疏水空腔結(jié)構(gòu)，吐溫20的疏水基進(jìn)入這些疏水空腔后可形成包結(jié)復(fù)合物。在陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)與β-環(huán)糊精的相互作用中也存在類似的現(xiàn)象[15]。但當(dāng)吐溫20濃度超過6.96×10-5mol/L時(shí)，再增大其濃度，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力基本不變。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為表觀臨界膠束濃度(cmc*)，在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中，cmc*為6.96×10-5mol/L，γcmc*為38.43 mN/m；在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中，cmc*為8.30×10-5mol/L，γcmc*為38.38 mN/m。此時(shí)的γcmc*比不添加海藻酸鈉時(shí)的γcmc略高，可認(rèn)為存在海藻酸鈉且達(dá)到最大吸附量時(shí)，復(fù)合物分子參與了表面吸附。

根據(jù)cmc*-cmc=Rm海藻酸鈉，其中，R為吐溫20分子在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)/(mol·g-1)，m海藻酸鈉為海藻酸鈉的質(zhì)量濃度/(g·L-1)，可計(jì)算吐溫20在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)為3.61×10-5mol/g，即1 g海藻酸鈉上包結(jié)了3.61×10-5mol的吐溫20。此時(shí)，不同于β-環(huán)糊精因化學(xué)鍵形成固有疏水空腔，海藻酸鈉在溶液中是通過靜電作用和疏水作用形成疏水空腔的，且空腔的數(shù)量受海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%和0.10%時(shí)，吐溫20在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)分別為1.01×10-4mol/g和3.35×10-5mol/g，即低海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中結(jié)合的吐溫20相對較多，吐溫20分子更容易與低質(zhì)量分?jǐn)?shù)海藻酸鈉溶液中的海藻酸鈉分子結(jié)合形成復(fù)合物。這可能是因?yàn)榈唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，海藻酸鈉分子在溶液中的結(jié)構(gòu)較松散，有利于吐溫20分子與海藻酸鈉分子的疏水空腔結(jié)合。

2.2 NaCl對吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液表面張力的影響分析

吐溫20是非離子表面活性劑，在水中不電離，不易受強(qiáng)電解質(zhì)的影響，但海藻酸鈉是陰離子多糖，可在水中電離出陰離子聚電解質(zhì)，易受電解質(zhì)的影響。圖 2為NaCl對吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響。由圖2可以看出，加入濃度為0.10 mol/L的NaCl溶液后，在cmc*之前及相同的吐溫20濃度下，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力比未添加NaCl的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液小;且其cmc*為5.41×10-5mol/L，γcmc*為38.25 mN/m，均低于吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，減少了疏水空腔的數(shù)量，吐溫20分子更多的是以疏水力結(jié)合在海藻酸鈉的疏水鏈段上，不利于吐溫20在疏水空腔中包結(jié)，且不利于吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物在空氣-水表面上的吸附。

圖2 NaCl對吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響Fig.2 The effect of NaCl on the surface tension isotherm of Tween 20-sodium alginate (0.02%)-NaCl complexes

2.3 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液微極性的影響分析

熒光探針是研究表面活性劑與聚合物相互作用的一種簡單而有效的技術(shù)[16]，與表面張力不同，熒光探針技術(shù)一般表征的是體相的性質(zhì)。芘探針常用來研究膠束體系的微極性，它的熒光光譜有5個(gè)峰，第1峰(373 nm)和第3峰(384 nm)強(qiáng)度的比值(I1/I3)可以表征芘分子所處環(huán)境的微極性，I1/I3越小，芘分子所處環(huán)境的微極性越小，因?yàn)檐欧肿颖旧硐鄬κ杷?，所以更易增溶在疏水性較大的環(huán)境中，即I1/I3較小的環(huán)境中。

圖3為海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液I1/I3的影響。由圖3可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的I1/I3隨吐溫20濃度增大的變化情況分成3個(gè)階段。第一階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大基本沒有變化，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┰隗w相中沒有形成聚集體[14]，芘分子此時(shí)所處的位置還在水中；第二階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大快速下降，說明此時(shí)芘分子所處環(huán)境的微極性下降，這可能是因?yàn)轶w系中的預(yù)膠束量隨著吐溫20濃度的增大而增多，芘分子增溶在較為疏水的預(yù)膠束中；第三階段，吐溫20濃度增大到一定程度時(shí)，芘分子所處環(huán)境的微極性基本不再隨吐溫20濃度的增大而變化，這時(shí)體系中已形成了膠束，芘分子增溶在膠束中，其微環(huán)境的疏水性基本不變。當(dāng)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的海藻酸鈉時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的I1/I3隨吐溫20濃度的變化基本與未添加海藻酸鈉的吐溫20溶液一樣。當(dāng)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的海藻酸鈉時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的I1/I3隨吐溫20濃度的變化也分為3個(gè)階段。第一階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大依舊變化不大，但是相比未添加海藻酸鈉時(shí)略小，這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c分子中有一些疏水空腔，能夠略微降低芘分子所處微環(huán)境的I1/I3，但相較吐溫20分子的預(yù)膠束及膠束，疏水性相對較??；第二階段，I1/I3隨著吐溫20濃度的增大快速下降，這可能是因?yàn)橥聹?0分子在預(yù)膠束階段結(jié)合到海藻酸鈉分子鏈上形成復(fù)合物，體系的I1/I3比單獨(dú)的吐溫20分子形成的聚合物低，即疏水性更大，但小于吐溫20膠束的疏水性；第三階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大變化較小，這時(shí)吐溫20分子在海藻酸鈉分子上的包結(jié)達(dá)到飽和，體系中出現(xiàn)了吐溫20分子聚集成的膠束，這說明芘分子依舊是增溶在吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物中。吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)復(fù)合溶液的I1/I3與吐溫20-海藻酸鈉(0.10%)復(fù)合溶液不同，這可能是因?yàn)楫?dāng)海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)適合芘分子包結(jié)的疏水空腔，進(jìn)而有利于形成吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物。

圖3 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液I1/I3的影響Fig.3 The effect of sodium alginate on I1/I3 of Tween 20-sodium alginate complexes

I1/I3開始快速下降時(shí)的吐溫20濃度可以認(rèn)為是開始形成預(yù)膠束的濃度(cpc)。不添加海藻酸鈉的吐溫20溶液，cpc為2.01×10-5mol/L;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，cpc為2.19×10-5mol/L，兩者數(shù)值較接近。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，cpc為1.46×10-5mol/L，小于不添加海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)吐溫20分子結(jié)合在海藻酸鈉分子上，在較低濃度時(shí)就可以形成較為疏水的微區(qū)。

2.4 NaCl對吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液微極性的影響分析

NaCl對吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液I1/I3的影響如圖 4所示。由圖4可以看出，加入濃度為0.10 mol/L的NaCl后，當(dāng)吐溫20濃度小于cpc時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3升高到1.60，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，使其結(jié)構(gòu)變得更緊密，不利于芘分子直接在海藻酸鈉疏水空腔中包結(jié)，海藻酸鈉更多起到電解質(zhì)的作用，從而增大了芘分子所處環(huán)境的微極性。S.Kancharla等[17]研究了電解質(zhì)對陰離子型氟表面活性劑膠束的影響，發(fā)現(xiàn)加入NaCl會(huì)增大芘的I1/I3。隨著吐溫20濃度的增大，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3逐漸降低，cpc為6.56×10-6mol/L，遠(yuǎn)低于不添加NaCl的復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，雖然不利于芘在海藻酸鈉空腔中的包結(jié)，但卻有利于吐溫20分子與海藻酸鈉鏈上疏水位點(diǎn)的結(jié)合，從而形成珠串型的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物，而芘可能增溶在吐溫20與海藻酸鈉鏈上形成的“珠子”中。吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3下降到平臺(tái)期時(shí)，為1.28，高于不添加NaCl的復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)檐旁鋈艿奈恢檬峭聹?0-海藻酸鈉復(fù)合物，而不是吐溫20的膠束。

圖4 NaCl對吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液I1/I3的影響Fig.4 The effect of NaCl on I1/I3 of Tween 20-sodium alginate (0.02%)-NaCl complexes

2.5 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液黏度的影響分析

黏度是大分子的重要特征，ηsp代表由于溶質(zhì)的存在而導(dǎo)致溶劑黏度的增量[18]。海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液ηsp的影響如圖5所示。由圖5可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的ηsp遠(yuǎn)小于添加海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的ηsp，且ηsp隨著吐溫20濃度的增大略有升高，這可能是因?yàn)橥聹?0的膠束增大了內(nèi)摩擦。當(dāng)添加海藻酸鈉時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp大幅度提高，說明海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)是復(fù)合溶液ηsp的決定因素。當(dāng)吐溫20濃度小于cmc*時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp基本不隨吐溫20 濃度的變化而變化；當(dāng)吐溫20濃度大于cmc*時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp都下降。這可能是因?yàn)橥聹?0分子奪取了一部分海藻酸鈉分子的水化水，導(dǎo)致海藻酸鈉分子鏈卷曲。

圖5 海藻酸鈉對吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液ηsp的影響Fig.5 The effect of sodium alginate on ηsp of Tween 20-sodium alginate complexes

2.6 NaCl對吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響分析

NaCl(0.10 mol/L)對吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響如圖6所示。由圖6可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的ηsp隨著吐溫20濃度的增大在cmc后略有升高。當(dāng)復(fù)合溶液中添加海藻酸鈉時(shí)，因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，降低了海藻酸鈉的團(tuán)簇尺寸，因此復(fù)合溶液的ηsp大幅下降，但仍高于只有吐溫20的體系，說明海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍是復(fù)合溶液ηsp的決定因素。隨著吐溫20濃度的增大，復(fù)合溶液的ηsp在cmc*之前基本不變，之后略微增大，這可能是因?yàn)橥聹?0分子結(jié)合在海藻酸鈉分子鏈上形成珠串結(jié)構(gòu)，在一定程度上增大了分子鏈的水動(dòng)力學(xué)半徑，從而增大了內(nèi)摩擦。

圖6 NaCl(0.10 mol/L)對吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響Fig.6 The effect of NaCl(0.10 mol/L)on ηsp of Tween 20-sodium alginate-NaCl complexes

3 結(jié)論

本文通過對表面張力、熒光光譜和黏度的測定，研究了吐溫20與海藻酸鈉在其混合體系中的相互作用，以及NaCl對該體系相互作用的影響,得到如下結(jié)論。

1)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力在cmc*之前高于未添加海藻酸鈉的溶液，且海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表面張力升高越多。加入NaCl溶液后，在cmc*之前，吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液表面張力下降。

2)當(dāng)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中添加了較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.02%)的海藻酸鈉時(shí)，其I1/I3隨吐溫20濃度的變化與未添加海藻酸鈉的吐溫20溶液體系一樣；當(dāng)添加較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.10%)的海藻酸鈉時(shí)，其I1/I3下降。加入NaCl溶液后，在cpc之前，吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3升高。

3)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)是吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液黏度的決定因素。吐溫20濃度大于cmc*時(shí)，可略微降低吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的黏度；加入電解質(zhì)NaCl后，吐溫20達(dá)到一定濃度后，可略微升高復(fù)合溶液的黏度。

該研究將為理解吐溫20與海藻酸鈉的相互作用，及其在微膠囊領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。