一、研究背景

β - 胡蘿卜素是一種具有抗氧化特性的維生素 A 原營(yíng)養(yǎng)素，在功能性食品遞送中，因穩(wěn)定性差、生物利用度低面臨挑戰(zhàn)。瓊脂糖作為遞送載體有潛力，但存在凝膠強(qiáng)度高、乳化性差等局限。當(dāng)前對(duì)瓊脂糖的改性方法有缺陷，而酚酸有抗氧化和抗菌性。本研究用酚酸改性瓊脂糖，旨在制備具抗氧化和抗菌活性的遞送系統(tǒng)，提升 β - 胡蘿卜素遞送效果。

集美大學(xué)肖瓊副教授團(tuán)隊(duì)在《Food Hydrocolloids》期刊（IF=11）上發(fā)表了題目為“

Emulsion gels with dual antioxidant and antibacterial functions for  optimized β-carotene Delivery: Utilizing phenolic acid-modified agarose”的文章（https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111495）

文章中將瓊脂糖制備成具有特定功能的活性遞送材料。用酚酸（對(duì)香豆酸、咖啡酸、阿魏酸）對(duì)瓊脂糖（Na-Ag）進(jìn)行改性，制備瓊脂糖衍生物。結(jié)構(gòu)表征證實(shí)，酚酸通過在 C-6 羥基位置的酯化反應(yīng)成功接枝到瓊脂糖上，增強(qiáng)了其兩親性。乳化活性從 Na-Ag 的 6.73 提升至對(duì)香豆酸改性瓊脂糖（Pa-Ag）的 23.19，咖啡酸（Ca-Ag）和阿魏酸（Fa-Ag）改性的瓊脂糖也有類似的提升。通過肉眼和顯微鏡觀察確認(rèn)了乳液的穩(wěn)定性，改性瓊脂糖中液滴分布均勻。紅細(xì)胞溶血試驗(yàn)表明其具有良好的生物相容性和安全性。該研究得出結(jié)論，酚酸改性顯著提高了瓊脂糖的乳化性能和 β- 胡蘿卜素包封率，為改善親脂性化合物在各個(gè)行業(yè)中的遞送和穩(wěn)定性提供了一種有前景的方法。

文章中分析瓊脂糖的流變特性用到了流變儀，并且流變儀由我們上海保圣自主研發(fā)制造，那么具體操作方法是什么呢？

二、材料與方法

2.1. 材料

分子量為 315,336Da、凝膠強(qiáng)度≥1200g/cm²、電滲≤0.15、硫酸根含量 < 0.15%、膠凝溫度為 35 - 37°C、熔點(diǎn)為 87 - 89°C、水分含量≤10% 的瓊脂糖購(gòu)自格林富（福建）食品有限公司；對(duì)香豆酸、咖啡酸、阿魏酸等酚酸，以及自由基清除劑 2,2 - 二苯基 - 1 - 苦基肼（DPPH）、2,2'- 聯(lián)氮 - 雙（3 - 乙基苯并噻唑啉 - 6 - 磺酸）（ABTS）和 2% 小鼠紅細(xì)胞購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；用于偶聯(lián)反應(yīng)的試劑 EDC?HCl 和 DMAP 也購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司；營(yíng)養(yǎng)肉湯和 LB 培養(yǎng)基由北京陸橋技術(shù)有限公司提供；大腸桿菌（E. coli）和金黃色葡萄球菌（S. aureus）菌株取自中國(guó)廣東微生物菌種保藏中心；化學(xué)級(jí)無水乙醇、N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）、氫氧化鈉和鹽酸購(gòu)自西隴科學(xué)股份有限公司。所有材料均未經(jīng)進(jìn)一步純化直接使用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟的具體要求選擇每種材料的質(zhì)量和來源，以確保結(jié)果的一致性和可重復(fù)性。

2.2. 改性瓊脂糖的制備

酚酸改性瓊脂糖采用 EDC?HCl/DMAP 催化法合成，該方法有助于酚酸的羧基與瓊脂糖的羥基之間發(fā)生酯化反應(yīng)。具體步驟如下：將 1.8g 對(duì)香豆酸與 5g 天然瓊脂糖溶解在 250mL 二甲基甲酰胺中，在 30°C 下磁力攪拌至溶液澄清。加入 4.0g EDC?HCl 和 1.0g DMAP 催化酯化反應(yīng)，在 30°C 下攪拌 8h。用 95% 乙醇沉淀改性瓊脂糖，過濾除去 DMF 和其他雜質(zhì)，用乙醇和水洗滌，并離心或過濾 5 次進(jìn)行純化。最后將產(chǎn)物冷凍干燥并研磨，得到對(duì)香豆酸改性瓊脂糖，記為 Pa-Ag。

按照相同的步驟，分別制備咖啡酸改性瓊脂糖和阿魏酸改性瓊脂糖，分別記為 Ca-Ag 和 Fa-Ag。所加入的咖啡酸和阿魏酸的量分別為 2.0g 和 2.2g。

2.3. 流變學(xué)測(cè)試方法

使用配備平行板幾何形狀（直徑 25mm，間隙 1mm）的 RH-20 流變儀（上海保圣實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司）研究天然瓊脂糖和改性瓊脂糖的流變學(xué)性質(zhì)。對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行頻率掃描測(cè)試和溫度掃描測(cè)試。在頻率掃描測(cè)試中，樣品在測(cè)量前于 25°C 平衡 5min。振蕩頻率在 0.1 - 10Hz 之間變化，記錄儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）隨頻率的變化。溫度掃描測(cè)試在 1Hz 的恒定振蕩頻率下進(jìn)行。在溫度掃描測(cè)試前，在轉(zhuǎn)子邊緣加入少量二甲基硅油，以防止高溫下水分蒸發(fā)。溫度以 5°C/min 的速率從 20°C 升高到 80°C。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用流變儀分析了天然瓊脂糖和改性瓊脂糖的粘彈性，結(jié)果見下圖。從圖中可以看出，在低頻區(qū)域，所有樣品的儲(chǔ)能模量（G′）均大于損耗模量（G″）。隨著振蕩頻率增加，G′和 G″均呈下降趨勢(shì)，并在 3Hz 左右相交。這可歸因于兩個(gè)因素：其一，在低頻區(qū)域，振蕩周期長(zhǎng)于瓊脂糖分子鏈的松弛時(shí)間，分子鏈有足夠時(shí)間產(chǎn)生彈性響應(yīng)，使得 G′ > G″。隨著頻率增加，振蕩周期逐漸接近分子鏈的松弛時(shí)間，導(dǎo)致粘性耗散增加，G′和 G″逐漸減小直至交匯。其二，高頻振蕩可能破壞瓊脂糖凝膠內(nèi)的部分物理纏結(jié)和氫鍵，損害彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎承砸后w，這表現(xiàn)為 G′和 G″持續(xù)下降。

此外，在低溫區(qū)域，所有樣品的 G′仍大于 G″，這表明瓊脂糖凝膠主要表現(xiàn)出彈性行為，具有穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高時(shí)，G′和 G″均逐漸降低，這意味著凝膠的粘彈性能減弱，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因熱振蕩而部分遭到破壞。當(dāng)溫度達(dá)到約 32℃時(shí)，所有樣品的 G′和 G″迅速下降，這表明瓊脂糖凝膠開始發(fā)生顯著的凝膠 - 溶膠轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)闇囟壬咂茐牧谁傊欠肿渔溨g的物理纏結(jié)和氫鍵，導(dǎo)致彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)崩塌，材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎承砸后w。

對(duì)比不同樣品的儲(chǔ)能模量和凝膠強(qiáng)度數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象。總體而言，對(duì)羥基苯甲酸和咖啡酸的引入顯著降低了瓊脂糖的凝膠強(qiáng)度，同時(shí)提高了其儲(chǔ)能模量。這可能是由于天然瓊脂糖通過分子間氫鍵形成了致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而具有較高的硬度。對(duì)香豆酸和咖啡酸分子的引入產(chǎn)生了一定程度的空間位阻，阻礙了凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的緊密堆積和相互作用，進(jìn)而降低了凝膠的抗壓強(qiáng)度。然而，與此同時(shí)，適度降低的凝膠密度增加了瓊脂糖分子鏈的流動(dòng)性，使得凝膠網(wǎng)絡(luò)在變形后更容易恢復(fù)到原始狀態(tài)，表現(xiàn)出更好的彈性和柔韌性。此外，與 Na - Ag 相比，F(xiàn)a - Ag 的凝膠強(qiáng)度和儲(chǔ)能模量明顯更低，這可能是因?yàn)榘⑽核岱肿由系募籽趸肓诉^多的疏水相互作用和空間位阻效應(yīng)，對(duì)瓊脂糖凝膠結(jié)構(gòu)造成了過度破壞。