协同凝胶（Synergistic interaction gels, SIGs）在3D打印、结肠给药和持续释放方面有着巨大的应用前景。黄原胶与罗望子胶（Tamarind gum, TMG）通过协同组装能够产生SIGs；然而，它们的协同组装机理尚不明确。
2024年7月，Food Hydrocolloids （IF=11.0）杂志上发表一篇题为“Assembly behavior and nano-scale microstructure of tamarind gum/ xanthan synergistic interaction gels”的研究论文。这项工作阐明了在Xanthan-rich体系中，黄原胶聚集形成了粗束网络结构，TMG簇粘附其上；TMG-rich体系中，TMG则积极参与创建由黄原胶分子链聚集包裹的“海-岛”组装结构。较高的TMG浓度有助于增强TMG与黄原胶的结合程度。TMG与黄原胶结合的增强与分子链距的增加和有序结构排列的紧密性有关。该研究有助于设计和生产具有所需性能特征的基于SIGs的人工凝胶食品，如人造海参和背膘等。三黍生物提供黄原胶指标测定技术支持。
1. 使用凝胶渗透色谱、高效液相色谱、核磁共振波谱法等多种技术手段对TMG和黄原胶进行精细结构和化学组成分析。
2. 使用Micro-DSC和动态流变仪研究TMG与黄原胶在降温过程中的相转变行为，结合AFM探明其在不同相转变阶段的拓扑结构特征，明确两者发生协同凝胶化的胶凝过程、阐明其分子组装机制。
3. 利用小角X射线衍射和脉冲梯度场核磁共振探究凝胶体系的三维网络结构特征（网格尺寸、分形维数、相关长度等），使用质构分析仪和动态流变仪表征凝胶体系的力学强度，建立凝胶三维网络结构特征与体系力学强度之间的关系。
1. TMG和黄原胶的精细结构和化学组成分析
本研究中TMG和黄原胶两种多糖的化学组成、分子特性和单糖组成如表1所示。
表1 TMG和黄原胶的化学组成、分子特性和单糖组成
2. TMG/黄原胶的协同胶凝行为
图2.1显示了TMG、黄原胶和TMG/黄原胶复配溶胶在5 ºC环境下，经放置16 h并倒置2 h后的流动情况。倒瓶实验表明，复配比例对TMG和黄原胶之间协同组装具有显著影响。其中，T7X3、T6X4、T5X5、T4X6、T3X7、T2X8和T1X9样品中的TMG和黄原胶分子链间进行了较大程度的协同组装。
图2.1 不同复配比例的TMG/黄原胶溶胶在5 ºC下放置16 h倒置2 h后的图片
为了探究TMG和黄原胶的协同胶凝行为，使用微量热DSC对TMG、黄原胶和TMG/黄原胶复配溶胶在冷却过程中的热流变化进行了记录，其DSC曲线如图2.2a所示。黄原胶样品降温过程中的DSC曲线在75~50 ºC范围内有明显的放热峰（peak-Ⅰ），归因于黄原胶的分子链构象由无规线团向双螺旋转变。随着TMG的添加，所有复配样品的DSC曲线上均在22 ºC附近出现了新的放热峰（peak-Ⅱ），而纯TMG样品和纯黄原胶样品的DSC曲线未在此处发现明显的转变峰。
在TMG/黄原胶复配样品中，Xanthan-rich体系（T1X9、T2X8、T3X7、T4X6和T5X5）的peak-Ⅰ强度明显高于TMG-rich体系（T6X4、T7X3、T8X2、T1X9）。由于复配样品中的peak-Ⅰ位置与黄原胶构象转变的位置重合，所以认为复配样品所出现的热变化来源于黄原胶的螺旋转变。AFM图像进一步显示，在70~40 ºC范围内，黄原胶分子链主要参与自组装过程（后文讨论）。基于这些发现，可以确定peak-Ⅰ对应于黄原胶分子链的螺旋重构，peak-Ⅱ则对应于TMG与黄原胶的协同组装。
TMG/黄原胶复配溶胶冷却过程中协同胶凝放热峰（peak-Ⅱ）的焓值统计如图2.2 b所示。随着TMG含量的增加，焓值（ΔH）先增加后降低，在T7X3处达到最大。这表明其协同组装程度随两者混合比例的不同而发生变化，协同组装最强的是T7X3。
图2.2 不同复配比例的TMG/黄原胶溶胶在冷却过程中的DSC曲线（a）及peak-Ⅱ的焓值统计（b）
图2.3 不同复配比例的TMG/黄原胶溶胶在冷却过程中的G’（a）和tan δ（b）曲线
为了直观的揭示TMG与黄原胶的协同组装过程，采用原子力显微镜观察不同相变过程（70 °C、40 °C和5 °C）后分子链的构象和聚集情况，结果如图2.4所示。70 °C时黄原胶的单链、双螺旋和多丝结构在体系中随机分布。当温度降至40 °C时，聚集成粗束形成双螺旋相互交联的三维网络结构。当温度进一步降低到5 °C时，形成了一个均匀的聚集网络，主要由粗束结构组成。相反，在TMG中观察到严重的热聚集现象，随着温度的降低，TMG的一些单链与聚集体分离，并进一步自组装成线性双螺旋长链。同时，聚集体尺寸逐渐减小，由新形成的双螺旋长链链接。基于这些观察，TMG与黄原胶之间的组装行为可以总结如下：
在Xanthan-rich体系中，黄原胶链在构建组装结构的框架中起主要作用。其协同胶凝过程如下：（1）冷却至70 °C时，黄原胶无规线团开始转变为双螺旋结构，而TMG的聚集状态没有明显变化。（2）当温度降低到40 °C时，黄原胶的相变已经完成，由螺旋结构和多丝结构形成相互交联的网状结构。然而，由于簇的尺寸相对较小，TMG链与簇的解离并不显著。（3）当冷却至5 °C时，TMG聚集簇在较低温度下由于氢键增强而附着在黄原胶网络上，形成以黄原胶粗束网络为主的协同组装网络结构。
在TMG-rich体系中，TMG聚集簇的解离形成了相互联系的“海-岛”组装结构。其协同胶凝过程如下：（1）当温度降至70 °C时，黄原胶链的聚集状态和构象没有明显变化。（2）在冷却至40 °C的过程中，TMG链逐渐脱离团簇，同时部分转变为线性双螺旋结构。“海-岛”结构在局部形成。（3）随着温度降低到5 °C，TMG聚集簇的解离和线性双螺旋链的转化不断发生。同时，黄原胶在TMG团簇周围聚集结合，降低TMG团簇的表面能，形成长链相互连结的“海-岛”协同组装网络结构。
图2.4 浓度为5 μg/mL的不同复配比例TMG/黄原胶溶液在冷却过程中（70 °C、40 °C和5 °C）的AFM图片
3. TMG/黄原胶协同凝胶的三维网络结构特征
利用SAXS对TMG、黄原胶和TMG/黄原胶协同凝胶中散射体的纳米尺度特征进行了研究，其双对数图如图3.1a所示。散射光谱从低q区的最大散射强度至中q区的连续平滑变化，表明样品中均存在纳米级有序结构。AFM图像同样证实了黄原胶和TMG/黄原胶协同凝胶的结构是由高密度(有序结构)域和聚合物链组成的三维网络。在此基础上，结合Power law函数、Cauchy函数和Lorentzian函数（式（1））对黄原胶和TMG/黄原胶协同凝胶的SAXS数据进行拟合。
TMG、黄原胶、TMG/黄原胶协同凝胶纳米尺度散射体的相关参数总结如表3.1所示。利用Bragg方程(d = 2π/q，其中d为散射体大小)可以得到本研究中记录的0.006-0.3 Å−1范围内的散射体大小为2.0-100 nm。
在图3.1b中，观察到黄原胶样品的散射曲线存在两个峰。位于q = 0.049 Å-1的峰归因于黄原胶分子链聚集形成的纳米级有序结构(高密度域)的存在，并表示有序结构的尺寸(在下文中称为d1)，而位于q = 0.132 Å−1的峰是因为聚合物链的散射产生。
从SAXS的双对数图可以看出，随着TMG含量的增加，0.049 Å−1左右的峰变的不明显，且峰位置向低q方向移动，这是由于完全由黄原胶形成的纳米结构逐渐减少(DSC曲线中的peak-Ⅰ可以证实)导致。黄原胶的链距d1（用Bragg方程计算）约为12.8 nm，加入TMG后明显增大至34.88 nm。T7X3样品中的分子链聚集结构由网状成功转变为“海-岛”，使TMG与黄原胶间的结合增强，导致d1从T5X5的16.5 nm增加到T7X3的33.1 nm。
n值揭示了散射体(高密度域)排列的紧密性。TMG的加入使得散射体更加密集，这可以从n值的增加中得到证明。随着TMG含量的增加，n值也不断增加，但在T9X1中降低，其变化趋势与焓变值相同。这表明了TMG与黄原胶结合的增强是由于散射体紧密度增加。
位于q = 0.132 Å−1处的峰揭示了分子链的相关长度（ξchain，Å）。观察到黄原胶和TMG的ξchain值分别为8.69 Å和2.4 Å。这表明在8.69 Å范围内，黄原胶链段被水或同一链的其他链段所包围，并且链的纠缠发生在此长度之外。TMG/黄原胶复配样品的ξchain值随TMG含量的增加呈下降趋势，结构更加致密。
图3.1不同复配比例TMG/黄原胶凝胶的SAXS双对数图（a）以及SAXS数据和黄原胶的拟合曲线（b）
表3.1 TMG*、黄原胶和TMG/黄原胶凝胶中三维网络结构的相关参数
利用脉冲梯度场核磁共振测量了树枝状大分子（PAMAM）的扩散系数，对3.02 ppm处的特征峰进行分析，利用公式（2）计算出TMG、黄原胶和TMG/黄原胶复配凝胶三维网络结构的网格尺寸（ξm），结果如图2.6所示。
扩散实验结果表明，纯黄原胶样品的网格尺寸约为26 nm，在Xanthan-rich体系（T1X9和T3X7）中添加TMG并没有显著影响其网格尺寸，这表明在Xanthan-rich体系中加入TMG对黄原胶链的组装影响有限。这是因为TMG与黄原胶之间的分子相互作用相对较弱，不足以扩大粗束之间的间隙。
对于纯TMG体系，5 ºC时密集排列的TMG簇的网格尺寸约为40 nm，在TMG-rich体系中加入黄原胶后，T7X3的网格尺寸增加到约60 nm，而后降低到T5X5的约50 nm。这表明黄原胶的存在改善了TMG分子间的相互作用从而使TMG的聚集程度变弱。TMG-rich体系中相对较大的散射体（由d1表示）和密集的分子链（由ξchain表示）有利于提高网络中TMG聚集体与黄原胶粗束结构结合体的大小和连接这些结合体的柔性链的紧密度，从而形成更加完美的“海-岛”结构。
图2.6 PAMAM在不同复配比例TMG/黄原胶凝胶中的信号衰减（a）及TMG/黄原胶的相关微观结构参数
4. TMG/黄原胶的协同凝胶的力学强度
图4.1a显示了TMG/黄原胶协同凝胶的凝胶强度值，TMG/黄原胶凝胶的凝胶强度从15 g左右增加到80 g，随着TMG含量的增加，凝胶强度下降到50 g左右，在T7X3处达到峰值。TMG-rich体系比Xanthan-rich体系表现出更高的凝胶强度，这与焓变的结果一致，表明TMG与黄原胶间的协同胶凝作用与凝胶强度呈正相关。密集排列的散射体和密集排列的分子链共同提高了凝胶的弹性模量以及TMG-rich体系的凝胶强度。此外，Xanthan-rich体系的微相分离（DSC曲线上出现两个放热峰）导致凝胶强度降低。
图4.1 不同复配比例TMG/黄原胶协同凝胶的凝胶强度（a），平均储存模量（b）
本章探讨了TMG与黄原胶在降温过程中的组装动力学以及TMG/黄原胶协同凝胶的纳米结构和力学强度。研究结果表明，在Xanthan-rich体系中形成了由黄原胶c粗束结构为主体的三维网络结构，少量的TMG聚集成小颗粒附着在黄原胶粗束网络的分子链上；TMG-rich体系中则形成了由TMG聚集体及其相互连接的双螺旋链组成的“海-岛”结构，黄原胶的双螺旋结构通过氢键相互作用与TMG聚集体紧密结合。从TMG/黄原胶协同凝胶的三维网络结构特征来看，TMG与黄原胶结合亲和力的增强，扩大了黄原胶双螺旋的链距，提高了有序结构排列的紧密性，扩大了网络结构的网格尺寸。这些因素共同增强了TMG/黄原胶协同凝胶的力学强度。
TMG与Xanthan凝胶原理示意图
文章链接：DOI：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110392
三黍生物拥有行业内领先专业多糖检测分析平台，助您快速获得优质多糖理化指标数据，推进研究进展。
如果您需要任何测定分析上的帮助，欢迎后台联系我们咨询技术细节！
更多推荐：
左滑查看更多：
排版：野凌
审核：三黍生物企宣部
