（材料学专业论文）辣素明胶—阿拉伯胶—单宁微囊和纳囊的研究.pdf

摘要 本文对聚合物分子配合组装的基本原理及特点、微囊微球壁材及芯材聚合物 的性质和应用、微囊微球的制备方法、微囊微球结构与性能的表征以及微囊微球 的应用作了较为详细的评述。采用明胶- n 拉伯胶一单宁复合凝聚法制备了含辣 素类化合物的微囊微球和纳囊，用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微 镜、红外光谱、紫外光谱对所制各的微囊微球和纳囊进行了表征。 研究表明：采用分子组装技术制备微囊微球具有反应条件比较温和、反应过 程易于控制的特点，特别适用于敏感性药物、植物的天然提取物等芯材的微囊化： 采用香兰素一亚硝酸钠比色法测定辣素的含量，经验证此法具有方便、快捷、实 用的特点；确定明胶、阿拉伯胶的组装质量配合为l ；l ，二者之间进行等量电 荷相互作用；对微囊微球的配合形成机理进行了探讨：对制备微囊微球的工艺进 行研究，探讨了组装温度、p h 值，体系浓度、搅拌速度、分散剂的类型与用量、 后处理方式等对微囊微球形态结构的影响，并优化制备微囊微球的工艺条件为： p h 值为4 1 4 3 ，凝聚时间l h ，温度以4 5 5 5 为宜；所制备的微囊微球的 平均粒径为2 0 3 0 um ，并具有球形比较完整、粒径分布较窄的特点：比较了三 种分散剂的乳化效果，结果表明h e c 的效果较佳；研究表明搅拌速度对微囊微球 的形貌和粒径分布影响较大，当转速为3 5 0r p m 时，其形貌和粒径分布较好； 比较了不同后处理方法对微囊微球形貌的影响，探讨了单宁与微囊微球的作用机 理，研究表明体系中单宁与明胶反应后可在微囊表面形成一层刚性疏水膜，减少 了微囊微球之间的粘连，使微囊微球的形态和分散性保持良好；制备了纳囊，其 平均粒径为4 0 0 6 0 0 r i m ，并对纳囊与微囊形成机理进行了分析和比较；所制备的 微囊微球其平均药物包封率为7 8 9 2 ，平均载药量为1 8 6 9 ：研究了微囊微 球及纳囊的释放行为。 进步研究了辣素微囊微球对葡萄灰霉病菌、青霉菌、黑曲霉菌和葱鳞葡萄 孢霉抑制效果，结果表明：溶液p h 对辣素微囊微球的抑菌效果影响较为明显， 在p h 为5 0 时，抑菌效果达到极大值；随着悬浮液中微囊微球浓度的增加，其 抑菌效果也有所增加，但是与其浓度的增加并不呈线性关系；随着微囊微球释放 的进行，其抑菌效果也有一定的提高，并考察其对葡萄灰霉菌孢子萌发的抑制作 用，释放7 2 小时后，其抑制率达到6 9 3 ；辣素微囊微球的抑菌效果在温度为 6 0 最为明显；随着温度的升高，微囊微球的抑菌效果明显降低，当达到8 0 以上时，对几种菌均未显示出抑制作用。 关键词：微囊；纳囊；微球；纳球：分子组装；辣素：单宁；药物释放；抑 菌 a b s t r a c t t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e ro f p o l y m e r i ca s s e m b l yw e r es u m m a r i z e di nt h e d i s s e r t a t i o n t h ep r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fw a l la n dc o r em a t e r i a l s ，p r e p a r a t i o n m e t h o d s ，s t r u c t u r e a n dc h a r a c t e r i z a t i o n ，t h e a p p l i c a t i o n s o fm i c r o c a p s u l e sw e r e r e v i e w e di nd e t a i l s t h e c a p s a i c i n - c o n t a i n i n gm i c r o c a p s u t e sa n dn a n o c a p s u l e s o f g e l a t i n a c a c i a - t a n n i nw e r ep r e p a r e db yc o m p l e xc o a c e r v a t i o n ，a n dt h e nc h a r a c t e r i z e d b yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ，i n f r a r e ds p e c t r u m ， u l t r a v i o l e t i n v i s i b l es p e c t r u ma n ds oo n i tw a ss h o w nt h a tm o l e c u l a r a s s e m b l yw a ss u i t a b l ef o rt h em i c r o e n c a p s u l a t i o no f s e n s i t i v em e d i c i n e sa n dn a t u r a l p l a n t e x t r a c t sb e c a u s ei th a dt h e p r o p e r t i e s o f m o d e r a t ec h e m i c a lr e a c t i o n sa n d e a s i l y c o n t r o l l e d p r o c e d u r e s t h e c o n t e n t so f c a p s a i c i no fm i c r o c a p s u l e sa n dn a n o c a p s u l e sw e r ed e t e r m i n e db yt h ec o n v e n i e n t ， r a p i da n dp r a c t i c a lm e t h o do fv a n i l l i n - s o d i u mn i t r i t ec o l o r i m e t r y , m o r e o v e r , t h e a s s e m b l yr a t i ob e t w e e ng e l a t i na n d a c a c i aw e r em e a s u r e do nt h eb a s i so f e q u a lc h a r g e i n t e r a c t i o n ，a n dt h ea s s e m b l ym e c h a n i s mw a sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ep r o c e s s i n g f a c t o r s i n c l u d i n ga s s e m b l yt e m p e r a t u r e ，p h ，s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n ，s t i r r i n gr a t e ， t y p e sa n dd o s a g eo fs u r f a c t a n t s ，t a n n i nf o rp r e p a r i n gm i c r o s ；p h e r e sw e r eo p t i m i z e dt o a s p e c i f i cc o n d i t i o n ，n a m e l yp h 2 4 1 4 3 ，a s s e m b l yt i m ea b o u tl h ，t e m p e r a t u r ef r o m 4 5 - 5 5 t h em i c r o c a p s u l e sa n d m i c r o s p h e r e s h a d 血em e a nd i a m e t e ro f 2 0 3 0 “m w i t hg o o dd i s p e r s i o n ，e v e nd i s t r i b u t i o na n dr o u n ds h a p e t h ee m u l s i f i e de f f e c t so f t h r e et y p e so fs u r f a c t a n t sw e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h em o r p h o l o g ya n dp a r t i c l e d i a m e t e ro fm i c r o c a p s u l e sa n dm i c r o s p h e r e s ，s h o w i n gt h a t h y d r o x y l e t h y lc e l l u l o s e h a da g o o dp e r f o r m a n c e s t i r r i n g r a t ee x e r t e da n i m p o r t a n t i n f l u e n c eo nt h e a p p e a r a n c ea n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no ft h ep r o d u c t s w h e ns t i r r i n gr a t er e a c h e d 3 5 0r p m ，t h e m i c r o c a p s u l e s a n d m i c r o s p h e r e s h a d g o o d s i z ed i s t r i b u t i o na n d m o r p h o l o g y t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt a n n i na n d g e l a t i n w a sa l s o d i s c u s s e d ，p r o v i n gt h a tb e c a u s eo ft h eh y d r o g e nb o n da n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n b e t w e e nt a n n i na n dg e l a t i n ，ar i g i dl a y e rw a sc r e a t e da tt h es u r f a c eo f m i c r o c a p s u l e s a n dm i c r o c a p s u l e st od e c r e a s ea g g r e g a t i o na n dm a k et h e mh a v eg o o dm o r p h o l o g y a n dd i s p e r s i o n t h en a n o c a p s u l e sw i t ht h em e a nd i a m e t e ro f4 0 0 6 0 0 u mw e r ea l s o p r e p a r e db yp o l y m e r i ca s s e m b l y ，a n d t h em e c h a n i s m d i f f e r e n c eb e t w e e n m i c r o c a p s u l e s a n d n a n o c a p s u l e s w a s i n v e s t i g a t e d i nt h et h e s i s t h em e a n m i c r o e n c a p s u l a t i o ne f f i c i e n c y a n d d r u gl o a d i n g c o n t e n to f m i c r o c a p s u l e s a n d m i c r o s p h e r e sw e r e7 8 9 2 a n d1 8 6 9 r e s p e c t i v e l y , a n dt h er e l e a s eb e h a v i o rw a s s t u d i e di nt h ep a p e r t h ea n t i m i c r o b i a le f f e c t so ft h em i c r o c a p s u l sa n dm i c r o s p h e r e so nt h eb a c t e r i u m ， s u c ha sb o t r y t i sc i n e r e ap e r s ，p e n i c i l l i u ms p p ，a s p e r g i l l u sn i g e rvt i e g h ，a n db s q u a m o s aj c w a l k e r , w e r e s t u d i e di nt h e p a p e r i tw a ss u g g e s t e d t h a tt h ep hh a da r t i m p o r t a n t e f f e c to nt h ei n h i b i t i o n e f f e c to ft h e p r o d u c t s ，s h o w i n g t h a tt h e m i c r o c a p s u l e sa n dm i c r o s p h e r e sh a d am a x i m a li n h i b i t i o ne f f e c ta tp h 。5 0 w i t ht h e i n c r e a s eo fc a p s a i c i nc o n t e n ti nt h em i c r o c a p s u l e sa n dm i c r o s p h e r e s ，t h ei n h i b i t i o n e f f e c ta l s or o s e ，b u ts h o w i n gt h en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nc a p s a i c i nc o n t e n ta n d i n h i b i t i o ne f f e c t ，t h ea n t i m i c r o b i a le f f e c ti n c r e a s e d d u r i n g t h er e l e a s eo f m i c r o c a p s u l e sa n dm i c r o s p h e r e s ，a n dt h ei n h i b i t i o nr a t eo n t h es p o r ef e r m e n t a t i o no f b o t r y t i sc i n e r e ap e r s r e a c h e d6 9 3 0 a f t e rr e l e a s eh o u ra b o u t7 2 h t h ei n h i b i t i o n e f f e c to f m i c r o c a p s u l e sa n dm i c r o s p h e r e so nt h e s eb a c t e r i u mr e a c h e dm a x i m u ma tt h e t e m p e r a t u r eo f 6 0 。c w h e n t h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h ei n h i b i t i o ne f f e c td e c r e a s e d g r e a t l y , s h o w i n g l i t t l ei n h i b i t i o ne f f e c ta t8 0 k e y w o r d s ：m i c r o c a p s u l e s ；n a n o c a p s u l e s ；m i c r o s p h e r e s ；n a n o s p h e r e s ；m o l e c u l a r a s s e m b l y ；c a p s a i c i n ；t a n n i n ；d r u gr e l e a s e ；a n t i m i c r o b i a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤姿态堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：再b 青岛、撇字日期：i 。口3 年7 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权盘垄盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：罩p 午品 南 导师签名 签字日期：b 步7 月 7 日 签字日期：哆种7 月日 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 微囊一般系指气态、固态或液态物质被材料包封成的微小胶囊。通常粒 径在1 2 5 0um 之间的称微囊，而粒径在1 0 h 1 0 0 0 n m 之间的称纳囊i l j 。 微球在材料科学中系指尺寸在微米级别的微粒材料。但其形状并不限于 球形，只是在某些场合及描述微球模型中为球形，严格地说，称为微粒材料 更为贴切。通常粒径在1 2 5 0 bm 之间的称微球，而粒径在1 0 1 0 0 0 n m 的 称纳球。 微囊化技术是把分散的固体物质颗粒、液滴或气体完全包封在一层膜中形成球 状微囊的一种技术【2 】。微囊化( m i c r o e n c a p s u l a t i o n ) 这概念是在2 0 世纪3 0 年代 由胶体化学家b a r r e t t g r e e n 提出来的，他用凝聚技术制备出了第一种胶体微囊1 3 】。 2 0 世纪5 0 年代，g r e e n 等【4 l 在研制多纸复印系统时制备了包含染料的无碳压敏复 写纸微囊，这是最早作为商品出售的微囊。6 0 年代，微囊化技术开始广泛应用于 制药业和日用化学工业，微囊化药物、燃料、香料、粘合剂等产品的相关研究日 益增多，使其从其它技术中分离出来，形成专门的研究领域【4 】。这些微囊产品基本 上属于不透膜微囊，膜仅起隔离作用，只有在外部作用破坏掉微囊膜届，内部物 质才被释放出来。c h a n g 等1 5 】于1 9 5 7 年首次报道了对生物活性物质的微囊化研究， 将酶、蛋白质、激素等生物活性物质通过包封在选择性透过膜中，形成微囊。通 过微囊膜的选择透过作用，使囊外大于某一相对分子质量的物质不能扩散进入， 而生物环境中的营养成分和囊内生物活性物质或细胞分泌的小分子产物可以自由 出入微囊，从而达到免疫隔离目的。8 。年代初，“m 等【6 1 将微囊化技术与组织细 胞移植相结合，制备了具有良好生物相容性的海藻酸钠聚赖氨酸( a p a ) 微囊作 为免疫隔离工具，包埋猪胰岛细胞，并移植入患糖尿病的大鼠体内，结果表明该 猪胰岛细胞成功调节了血糖水平，代行了大鼠胰腺功能，这一研究成果较好地解 决了组织细胞移植过程中的免疫排斥问题，为组织细胞移植治疗神经、内分泌系 统疾病提供了新思路。9 0 年代以来，人们开始尝试将微囊作为基因重组细胞的免 疫隔离和运载工具，利用重组细胞的代谢产物调节机体生理功能，治疗相关疾病 ”。c h a n g 等 1 2 制备了包裹生长激素基因( h u m a ng r o w t hh o r m o n e ，h g h ) 的 a p a 微囊，用于治疗侏儒症。近年来具有靶向、控释功能的微囊或纳囊得到迅速 第一章绪论 发展，用于基因药物治疗癌症和肿瘤 1 3 - 1 4 。 药物控制释放【1 5 - 1 8 、动植物细胞培养 1 9 - 2 2 、 质分离等领域 1 9 , 2 5 】，已经成为材料、化学、 究热点，具有广阔的应用前景。 目前，微囊化技术的应用研究还涉及 细胞和酶的固定化 2 3 - 2 4 】，以及生化物 化工、生物和医学等多学科领域的研 通过微囊化技术制备的复合微球是一种有壁膜的微型容器，是将活性物质等包 覆在其中所形成半透或密封的微囊【1 】，因此它有许多独特的性能m j ：( 1 ) 改善物 质的物理状态，如将液态物质转变为固态物质；( 2 ) 改善物质的表面性质 2 6 - 2 7 】： ( 3 ) 隔离易起变化的物质以便长期保存；( 4 ) 调节控制释放速度，控制挥发、 溶解、发色时间；( 5 ) 将有毒、有昧等物质与环境隔离：( 6 ) 用于特殊目的的 不相容物质的分离等诸多领域。 利用荷电相反的两种聚电解质的组装作用，形成不溶于水的配合物来制备微囊 微球是近期的研究热点之一。组装是指物质本身通过它们之间的协同相互作用而 形成的有序的、功能化的组装体，组装体中的“信息”是储存于组装体片段中的。 组装存在于各种尺度的物质范围内，具体可以分为四种 2 s j ：介观尺度上的分子组 装：中等尺度上的组装，如蛋白质的组装；生物个体的组装：超大尺度的自组装， 如星系等。组装的构筑基元可以是分子，也可以是由分子构成的自组装体，如蛋 白质、d n a 等。与传统化学相对应，尺寸不同的构筑基元可视为“原子”，而连 接这些构筑基元的作用力即为“化学键”。如果能在确定的尺度上获得构筑基元， 那么就可以用组装的方法构筑各种各样的、功能化的体系。 聚合物组装是指聚合物分子间通过非共价键相互作用组合形成的类结构明 确、稳定、具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构 2 9 】。分子组装是 各种复杂生物结构形成的基础。对生物分子组装体系的分析表明：组装的驱动力 源于较弱且可逆的非共价键相互作用，如氢健、静电吸引、疏水等作用。同时， 组装体系的结构稳定性和完整性也是靠这些作用来维持的。 聚合物组装属于超分子化学的领域。超分子化学是基于分子间的非共价键相互 作用形成分子聚集体的化学。8 0 年代以来超分子化学的兴起，使人们意识到：弱 相互作用力可以在一定条件下加和与协同转化为强的结合能，由于组装过程使超 分子体系具有新的特性，分子不再是保持物性的最小单位。通过对分子间相互作 用的精确调控，超分子化学逐渐发展成为了一门新兴的分子信息化学，它包括在 分子水平和结构特征上的信息存储，以及通过特异性相互作用的分子识别过程以 实现在超分子尺寸上的信息传输和处理1 2 ”。 第一章绪论 聚合物组装是纳米结构聚合物材料制备的重要方法之一。利用带相反电荷由聚 离子链段与非离子亲水链段构成的两种嵌段共聚物在水溶液中进行复合，就会组 装形成单分散性较好且具有核壳结构的纳米粒子，粒子内部由聚电解质复合物组 成，外壳为非离子亲水链段。粒子大小可由聚离子链段长短决定，正是利用这一 点，最近有许多研究工作设计合成各种含聚离子链段的嵌段共聚物与生物活性大 分子( 如蛋白质，核酸等) 复合，形成聚合物纳米粒子，作为蛋白药物或基因药物的 载体 3 1 - 3 2 】。 用纳米粒子作为药物载体可实现靶向输送、缓释给药的目的，这是由于小粒子 可以进人很多大粒子难以进入的人体器官组织，另外纳米粒子能越过许多生物屏 障到达病灶部位。具有生物活性的大分子药物( 如多肽、蛋白类药物等) 很难越过的 生物屏障，用纳米粒子作为载体可克骰这一因难，并提高其在体内输送过程中的 稳定性。用纳米粒子实现基因非病毒转染，是输送基因药物的有效途径【3 l - 3 2 。 通过分子组装技术也可以将药物基通过问隔基团连接到高分子链上，注射到人 体内后，通过特异性识别作用，聚合物药物可以结合病变细胞，使聚合物药能有 很好的选择性【3 ”。由于细胞膜的主动运输作用，与酶结合的聚合物可以进入病 变细胞，从而把药物运载到病变细胞内，又由于酶对间隔基的特异性切断作用而 将抗癌药释放出来。与小分子药物相比，这种基于聚合物超分子的药物有很多优 点，如药效持久、选择性好等。 1 2 制备微囊微球的壁材聚合物 材料是决定微囊微球性能的关键因素之一，虽然很多种无机材料和有机材料均 可用作壁材，但高分子材料最为常用。对壁材聚合物的一般要求是应具备良好的 成膜性能，与包封物不发生反应，而且应具有一定的力学强度及稳定性；对于在 生物环境中应用的微囊微球，材料还应具备良好的生物相容性：对药物控制释放 体系，还要求材料具有生物可降解性。近年来对环境友好材料的研究越来越受到 人们的重视，也是今后材料研究的发展方向和发展趋势。目前研究报道中使用的 微囊微球壁材多为天然、半天然和合成聚合物三大类。天然材料是最常用的微囊 微球制备材料，常用的有：明胶、阿拉伯树胶、琼酯、海藻酸钠、淀粉，蛋白质 等。其中明胶、阿拉伯树胶、海藻酸盐、壳聚糖等资源丰富、制备简单、价格便 宜，极具开发潜力。天然材料般具有无毒、稳定性好、可降解且产物无毒副作 用等特点。半合成材料主要是纤维素类衍生物。常用的有：甲基纤维素、乙基纤 第一章绪论 维素、醋酸纤维素、羧甲基纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素等。这类材料具有毒 性小，粘度大、成盐后溶解度增加、易水解等特点。合成材料可分为可生物降解 材料和不可生物降解材料两类。这类材料一般具有化学稳定性和成膜性好，且膜 的性能可以通过多种手段加以调节，可用于药物注射等特点。近年来，可生物降 解并可生物吸收的材料收到普遍重视并得到广泛应用。立u 聚乳酸( p l a ) 3 5 - 3 8 1 、乳 酸与羟基乙酸的共聚物( p l g a ) 3 9 - 4 2 1 、聚乳酸与聚7 , - - 醇嵌段共聚物( p l a j p e g ) 3 6 3 7 、聚3 一羟基丁酸酯( p h b ) 4 5 - 4 7 等。 1 2 1 咀胶 1 2 1 1 明胶的组成 明胶是胶原温和断裂的产物，它是天然多肽的聚合物。胶原能吸水膨j ； l 乏，但不 溶于水。当胶原与水共热时，胶原的分子链会断裂并生成分子量较小的明胶，明 胶的分子量一般在i 5 x 1 0 4 2 5 x 1 0 4 之间。明胶按照制各方法的不同州以分为酸 法明胶和碱法明胶。 作为制备明胶的原料，胶原是一种纤维蛋白广泛存在于动物( 如猜、牛等) 的结缔组织和硬骨料组织中。胶原蛋白含有18 种氨基酸。氨基酸在胶原分子链的 排列非常复杂，其中脯氨酸、羟脯氨酸和甘氨酸的含量非常高，蛋氨酸的含量很 少。由于明胶中的氨基酸成分与胶原中的氨基酸成分相似，所以明胶的成分受到 胶原来源的影响非常大。另外，由于从胶原制备明胶的过程中处理方法的不同， 包可能会造成明胶的组成成分不同。 根据x 射线衍射法及氨基酸组成研究指出，明胶分子肽链内的氨基酸排列次序 为：每三个氨基酸分子中有一个甘氨酸，一个脯氨酸或羟基脯氨酸，另一个为别 种氨基酸。 上：q i 一c 土。- h c - c 三。一“o - c 王l q c t n 一 一暑十qq 一岳 一 一岳一 h 0 ；h h 0 ；“r 。! “o 0 墼0 骂掣掣 0 二_ z 跹a 二一- ! f i g i - 1t h ea r f a l 唱eo f a m i n o a c i dm o l e c u l e si ng e l a t i n 幽1 1 明胶分f 内的氦基酸排列次序 第一章绪论 这个氨基酸链节的周期距离为2 8 6 a ，比一个氨基酸的伸长距离( 3 4 0 a ) 要 短，由此可以证明，明胶分子的肽链具有弯曲现象。明胶的肽链约含3 0 0 多个这 样的氨基酸链节，因而每一条肽链是由1 0 0 0 个左右的氨基酸组成。 1 2 1 2 明胶的性质 明胶的性质与胶原蛋白的结构有关。市售明胶呈淡黄色，外形有薄片状、粒状， 无味，无臭。酸法明胶密度为1 3 2 5 9 c m 3 ，碱法明胶密度为1 2 8 3 9 c m 3 。明胶遇冷 水会溶胀，投入水中2 h 后可充分溶胀，一般吸收5 1 0 倍的水。在加热至4 0 以 上的热水中，明胶能完全溶解成溶液。水溶液中明胶分子的构型和物理性质随所 处的环境而有所不同。在明胶水溶液中，明胶分子存在两种可逆变化的构型：溶 胶形式和凝胶形式。溶胶形式存在于比较高的温度( 3 5 ) 以上；在1 5 3 5 的 范围内，两种形式的明胶分子成平衡状态共存；在小于1 5 。c 的情况下，明胶以凝 胶形式存在。 与其它蛋白质一样，明胶分子在不同p h 值的溶液中可成为正离子、负离子或 两性离子( 等电点) 。在等电点时溶胀吸水量最小，加入脱水剂时，在4 0 以上 能出现单凝聚。明胶在所有p h 值范围内都易溶于水，利用明胶具有两性离子的特 点，加入与明胶分子所带电荷相反的聚合物，就能使明胶从溶液中析出。如带负 电荷的阿拉伯胶能和带正电的弱酸性明胶溶液反应，使明胶溶液的溶解度急剧下 降，从而产生复凝聚。 明胶溶液可因温度降低而形成具有一定硬度、不能流动的凝胶。明胶溶液形成 凝胶的浓度最低极限值约为1 ，凝胶存在的最高温度为3 5 。c 。凝聚形成后，其 结构向胶原构型的变化历时很长。明胶分子互相结合而形成三维空间的网状结构， 使明胶分子的运动受到限制，但其中间夹持的大量液体却有正常的粘度，电解质 离子在其中的扩散速度和电导率与在溶胶中相同。 明胶在室温、干燥状态下比较稳定，可放置数年。在较高的温度( 3 5 4 0 。c ) 和湿度下保存的明胶容易失去溶解性。在水溶液中，明胶能缓慢的水解转变成分 子量较小的片断，粘度下降，失去凝胶能力。明胶在6 5 。c 以上解聚作用加快，在 8 0o c m n 热1 h 后，凝胶冻力减少5 0 。分子量越小的明胶分解速度越快。 1 2 1 3 明脏的敏感性 明胶在结构上不出现明显的内部有序，因此当温度升高时，明胶在水溶液中呈 现无规构象，这是明胶具备许多优良性能的基础。如明胶水溶液能凝成胶冻，凝 第一章绪论 胶态和溶胶态能可逆地转变：大分子链具有聚电解质的性质：胶体具有极好的成 膜性等。更为重要的是，明胶侧链基团有很高的化学活性，通过各种化学反应或 其他多种方法对明胶进行改性，可以得到许多既有新的特性，又保留明胶优异性 能的新型材料。对明胶的改性根据方法可分成物理改性、化学改性、共混改性等。 在这些改性手段中，通过接枝聚合，对明胶进行的化学改性的报道已有很多 4 7 - 4 8 】。 这种改性方法的特点在于把彼此不相容的两种大分子通过主链与侧链间的化学键 相连接，使它具有两种物质的综合性质。 对明胶的化学接枝改性一些文献已就其接枝单体、引发体系、反应介质、聚合 方法等影响因素及对接枝物的表征做了广泛的研究【4 “”。研究结果表明，接枝聚 合大多在水溶液或乳液中进行；使用的引发体系有：过硫酸钾、偶氮二异丁睛、 四价铈盐等。由于引发体系的不同，反应温度、反应时间、明胶浓度、引发剂浓 度、单体浓度对接枝聚合都有不同程度的影响。研究较多的接枝单体大多为亲油 性的，如丙烯酸酯类等，对水溶性的单体则研究较少，这是因为其接枝共聚物分 离困难，难于对其进行表征。目前已有报道的只有丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、 丙烯酸、羟基丙烯酸等。 随着高分子材料向高性能化、高功能化、智能化、精细化及复合化的方向发展， 明胶这种兼具蛋白质和高分子材料双重特性的材料完全有可能通过改性，实现功 能化、智能化。所谓功能化，是指通过向分子的主链、侧链引入有特殊功能的官 能团，使其在外界条件( 如光、电、热、磁、声、力、生物、化学等) 的作用下，做 出各种响应，产生特定功能，如光敏、导电、催化、记忆、生物功能等【2 5 1 。胶原 本身是一种性能优良的医用生物材料，其蛋白质结构决定了它具有优异的生物功 能，与非生物材料相比，它具有更多的优越性，如无毒副作用，良好的相容性， 能为生物体所吸收，并为创伤提供营养等；而明胶作为胶原的解旋产物，有着与 胶原极为相似的氨基酸结构。除了具备上述这些生物功能，明胶还有降解功能、 粘合功能，且比胶原具有更好的溶解性，凝胶一溶胶的可逆转变性，以及更高的 化学反应活性等，因此有可能通过化学接枝改性等手段，把明胶和其它材料结合 起来，制备具有功能性、智能性的明胶。这种功能性、智能性的明胶突破了传统 的明胶应用领域，可以开发出新的应用价值，特别是对生物领域医药的应用有深 远的意义。 智能聚合物是一类随着外界环境微小的物理和化学刺激而自身某些物理和化 学性质会发生相应变化的聚合物1 2 ”，在这些智能型聚合物中，对温度刺激产生响 第一章绪论 应的聚合物，称为温敏性聚合物。温敏性聚合物在水溶液中的溶解度与般物质 受热后分子运动呈现截然相反的规律：即当温度升高，超出某一特定温度后，聚 合物的溶解度反而下降，甚至从水溶液中沉淀出来。这一特定温度，称之为最低 临界溶解温度( l c s t ) 。具有l c s t 的聚合物有n 一取代丙烯酰胺类聚合物，羟丙 基甲基丙烯酸甲酯，羟丙基甲基纤维素( h p c ) ，聚环氧乙烷( p e o ) ，聚丙二醇( p p c ) ， 聚乙烯基甲基醚( p v m e ) 等。其中，聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 因其l c s t 为 常温，相转变明显，且温度可逆，可用于重复热“开关”，因而受到广泛重视 5 0 - s 1 1 。 有关p n i p a m 的研究、除了其均聚物以外，还可以根据应用目的等要求，制 备p n i p a m 共聚物。将明胶与p n i p a m 相结合，可制备出对温度、p h 、离子等多 重敏感性的生物智能聚合物。制备的新型材料更具有明胶的生物功能，为智能材 料在生物领域，特别是生物体中的应用提供了更好的条件。另外，明胶分子的两 性电离性质使明胶的p h 敏感性与p n i p a m 的温敏性之间的相互关系更为复杂， 要搞清这种材料结构、温敏性、p h 敏感性这三者之间的相互关系还需要大量的研 究工件。 1 2 2 阿拉伯胶 1 2 2 1 阿拉伯胶的来源 阿拉伯胶( a c a c i a ) 是最为广泛应用的树胶，也是最古老的商品之一。它是阿拉 伯胶树( a c a c i as e n e g a l ) n 仓l l 伤或逆境引起的树干分泌物，因多产于阿拉伯国家而得 名。在各种金合欢属树胶( a c a c i ag u m ) 中，阿拉伯胶是最主要的一种商品化树胶， 至今已有几千年的历史。自从树胶被引进欧洲后，它们在食品、医药、印染和造 纸等各种工业中的用途便不断扩展，引起专家学者们浓厚的研究兴趣。 1 2 2 2 阿拉伯胶的性质 天然阿拉伯胶块多为大小不一的泪珠状，略透明的琥珀色；精制胶粉则为白色， 无味可食。阿拉伯胶干粉非常稳定，并可以长期储存，研究表明存储了几十年的 胶块没有发现有明显的性状变化。 因阿拉伯胶结构上带有酸性基团，溶液的自然p h 值也呈弱酸性。溶液的最大 粘度约在p h5 5 5 附近，但p h 值在4 8 范围内变化对其阿拉伯胶性状影响不 大，具有酸环境较稳定的特性。 由于阿拉伯胶结构上带有部分蛋白质及结构外表的鼠李糖，使得阿拉伯胶有良 好的亲水亲油性，是非常好的天然水包油型乳化稳定剂。但不同来源树种的阿拉 第一章绪论 伯胶其乳化稳定效果有差别，一般规律为：鼠李糖含量高的胶体，其乳化稳定性 能也较好。阿拉伯胶还具有降低溶液表面张力的性质，可用于稳定啤酒泡沫等。 已报道的阿拉伯胶的平均相对分子质量有很大差异。数均相对分子质量为2 1 0 5 3x1 0 5 ，重均相对分子质量为3 6 x1 0 5 2 2 x1 0 6 。造成这种差异的主要原因 是由于采用的测定方法不同及样品本身的不均一性。最近，d u v a l l e t 等1 5 2 j 报道了用 蛋白酶处理阿拉伯胶后，重均相对分子质量和数均相对分子质量均为1 8 1 0 5 。 阿拉伯胶的分子量虽大，但其溶解度却在各种多糖化合物中居首位，可达5 0 ，而其5 溶液的相对粘度却在各种多糖溶液中为最小，只有当溶液浓度达到 4 0 以上时，其粘度才大幅提高，这种性质与其它多糖明显不同，也是其它亲水 胶体所不具备的特点之一。 1 2 2 3 阿拉伯胶的结构 对阿拉伯胶的研究主要是以来源于a c a c i as e n e g a l 树木上分泌的胶体为对象。 实际上阿拉伯胶是一种含有钙、镁、钾等多种阳离子的弱酸性大分子多糖，具有 以阿拉伯半乳聚糖为主的、多支链的复杂分子结构。 用酸水解阿拉伯胶可获得d 一半乳糖，l 一阿拉伯糖，l 一鼠李糖和d 一葡萄 糖醛酸：但从不同品种金合欢树获得的阿拉伯胶，单糖比例及理化指标都会有些 差异。同一树种在不同的地理环境中所分泌的阿拉伯胶，甚至同一树木在不同的 树干上采集的阿拉伯胶，在某些理化指标上也会有微小的差别。 由于阿拉伯胶是多支链的结构，也没有发现在结构上有特殊的位点能与其它物 质形成刚性空间结构，因此阿拉伯胶大分子只有增稠作用。又由于其支链众多， 相对分子质量相同的分子在空间所占据的水化体积比较少，因此阿拉伯胶的粘度 较相对分子质量相同的其它线性大分子为低。 研究还表明阿拉伯胶结构的中央是以bl - - 3 键相连的半乳聚糖，l - 一鼠李糖主 要分布在结构的外表。鼠李糖的碳六位上是c h 3 而不是c o h 3 ，因此有非常良好的 亲油性。此外阿拉伯胶在结构上还连有2 左右的蛋白质，尽管这些蛋白物质与多 糖在结构上的连接位置仍不十分明确，但是在氨基酸的成分中，羟脯氨酸占有相 当的比例，这些蛋白物质对于阿拉伯胶的乳化性能影响很大。 图1 2 及1 3 分别是a c s c i as e n e g a l 及a c a c i as e y a l 阿拉伯胶在重水溶液中的c ” 核磁共振图谱【5 引，从中可以看出两者在鼠李糖含量上的差别很大( 化学位移 1 6 5 p p m 左右的峰值强度) 。 第一章绪论 f i g 1 - 21 3 c n m rs p e c s u r nf o ra c a c i as e n e g a l ( l ) w i l l dg u mf r o ms u d a n 图1 - 2a c a c i as e n e g a l 阿拉伯胶在重水溶液中的c ”核磁共振图谱 f i g 1 - 31 3 c n m rs p e e t r u mf o ra c a c i as e y a lg u mf r o mn i g e r 图1 - 3a c a c i as e y a l 阿拉伯胶在重水溶液中的c ”核磁共振图谱 9 第一章绪论 1 2 2 4 阿拉伯胶的结构模型 c o n n o l l y 等认为，阿拉伯胶糖蛋白( g a g p ) 的主链较长、侧链很多，这些 侧链沿着主链形成椭圆形结构，整个分子形同藤条或树枝编织的花环，所以称为 “藤枝编花模型”( w a t t l eb l o s s o m ) 。吴铸等1 55 j 对g a g p 的生化特性进行研究后， 提出了缠绕的绳状结构( t w i s t e d h a i r y r o p e ) 模型，这个模型的要点是： g a g p 是由重复的结构单位所组成，每个结构单位包括4 个羟脯氨酸、2 个丝氨酸、各1 个苏氨酸，脯氨酸、甘氨酸和组氨酸，共约l o 1 2 个氨基酸残基 形成的主链和约4 0 个单糖残基构成的侧链； 在蛋白质主链中，三分之一的氨基酸残基为羟脯氨酸，其中的1 2 发生糖 苷化，6 4 发生寡糖化，2 4 发生多糖化： 多糖侧链沿着蛋白质主链的长轴形成缠绕的绳状结构，从而最大程度地形成 分子内氢键。构成多糖侧链的单糖残基主要是半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖和葡萄 糖醛酸组成。 根据透射电子显微镜观察，g a g p 为杆状分子，长约1 5 0n n l ，直径为5 n m ， 这是支持绳状结构模型的有力证据。此外，植物细胞壁上微孔的孔径一般在3 5 5 5 r i m 之间。因此，绳状结构的g a g p 易于从细胞内经过细胞壁分泌到植物体外， 而编花结构模型却难以解释这种分泌现象。 1 2 2 5 阿拉伯胶的应用 由于其特有的化学组成和理化特性，阿拉伯胶与溶液或溶质接触时可产生多种 作用【5 6 彤】。首先是增稠作用，包括阿拉伯胶在内的多种树胶是由大分子组成的水 合胶体，可以增加溶液中连续相的密度，从而阻止分散相颗粒( 固体、液体或气体) 由重力引起的运动效应而产生稳定作用；其次是吸附作用，树胶可被吸附在多种 表面上的能力是相当重要的；再次是成胶作用，阿拉伯胶等树胶能够与溶剂、其 它溶质分子或存在于相邻界面上的其它基团相互作用而形成多糖凝胶。 正是由于阿拉伯胶的上述特性，在食品工业和其它领域中，得到了广泛的应用。 首先，它可以使食品性能稳定。其次对某些食品的质地和口感有明显的影响，对 食品的其它感性也有重要作用。因此，阿拉伯胶在食品工业中可用作糖果的结晶 抑制剂和乳化剂；在乳品中可用作稳定剂；在食用香精中则作为驻香剂等。 除了在食品业中的应用外，阿拉伯胶还广泛应用于医学、药学、甚至冶金学等 第一章绪论 许多其它领域，以及造纸、印刷、化妆品和纺织品等生产行业中。例如，阿拉伯 胶在胶粘剂中可用来增加淀粉浆糊的粘度，在平板印刷中可用来处理印刷平板， 在纺织品中可作为增稠剂给纺织品上胶等等。