一、研究背景

β - 胡萝卜素是一种具有抗氧化特性的维生素 A 原营养素，在功能性食品递送中，因稳定性差、生物利用度低面临挑战。琼脂糖作为递送载体有潜力，但存在凝胶强度高、乳化性差等局限。当前对琼脂糖的改性方法有缺陷，而酚酸有抗氧化和抗菌性。本研究用酚酸改性琼脂糖，旨在制备具抗氧化和抗菌活性的递送系统，提升 β - 胡萝卜素递送效果。

集美大学肖琼副教授团队在《Food Hydrocolloids》期刊（IF=11）上发表了题目为“

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

文章中将琼脂糖制备成具有特定功能的活性递送材料。用酚酸（对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸）对琼脂糖（Na-Ag）进行改性，制备琼脂糖衍生物。结构表征证实，酚酸通过在 C-6 羟基位置的酯化反应成功接枝到琼脂糖上，增强了其两亲性。乳化活性从 Na-Ag 的 6.73 提升至对香豆酸改性琼脂糖（Pa-Ag）的 23.19，咖啡酸（Ca-Ag）和阿魏酸（Fa-Ag）改性的琼脂糖也有类似的提升。通过肉眼和显微镜观察确认了乳液的稳定性，改性琼脂糖中液滴分布均匀。红细胞溶血试验表明其具有良好的生物相容性和安全性。该研究得出结论，酚酸改性显著提高了琼脂糖的乳化性能和 β- 胡萝卜素包封率，为改善亲脂性化合物在各个行业中的递送和稳定性提供了一种有前景的方法。

文章中分析琼脂糖的流变特性用到了流变仪，并且流变仪由我们上海凯时官方平台自主研发制造，那么具体操作方法是什么呢？

二、材料与方法

2.1. 材料

分子量为 315,336Da、凝胶强度≥1200g/cm²、电渗≤0.15、硫酸根含量 < 0.15%、胶凝温度为 35 - 37°C、熔点为 87 - 89°C、水分含量≤10% 的琼脂糖购自格林富（福建）食品有限公司；对香豆酸、咖啡酸、阿魏酸等酚酸，以及自由基清除剂 2,2 - 二苯基 - 1 - 苦基肼（DPPH）、2,2'- 联氮 - 双（3 - 乙基苯并噻唑啉 - 6 - 磺酸）（ABTS）和 2% 小鼠红细胞购自上海麦克林生化科技有限公司；用于偶联反应的试剂 EDC・HCl 和 DMAP 也购自上海麦克林生化科技有限公司；营养肉汤和 LB 培养基由北京陆桥技术有限公司提供；大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）菌株取自中国广东微生物菌种保藏中心；化学级无水乙醇、N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）、氢氧化钠和盐酸购自西陇科学股份有限公司。所有材料均未经进一步纯化直接使用。根据实验步骤的具体要求选择每种材料的质量和来源，以确保结果的一致性和可重复性。

2.2. 改性琼脂糖的制备

酚酸改性琼脂糖采用 EDC・HCl/DMAP 催化法合成，该方法有助于酚酸的羧基与琼脂糖的羟基之间发生酯化反应。具体步骤如下：将 1.8g 对香豆酸与 5g 天然琼脂糖溶解在 250mL 二甲基甲酰胺中，在 30°C 下磁力搅拌至溶液澄清。加入 4.0g EDC・HCl 和 1.0g DMAP 催化酯化反应，在 30°C 下搅拌 8h。用 95% 乙醇沉淀改性琼脂糖，过滤除去 DMF 和其他杂质，用乙醇和水洗涤，并离心或过滤 5 次进行纯化。最后将产物冷冻干燥并研磨，得到对香豆酸改性琼脂糖，记为 Pa-Ag。

按照相同的步骤，分别制备咖啡酸改性琼脂糖和阿魏酸改性琼脂糖，分别记为 Ca-Ag 和 Fa-Ag。所加入的咖啡酸和阿魏酸的量分别为 2.0g 和 2.2g。

2.3. 流变学测试方法

使用配备平行板几何形状（直径 25mm，间隙 1mm）的 RH-20 流变仪（上海凯时官方平台实业发展有限公司）研究天然琼脂糖和改性琼脂糖的流变学性质。对每个样品进行频率扫描测试和温度扫描测试。在频率扫描测试中，样品在测量前于 25°C 平衡 5min。振荡频率在 0.1 - 10Hz 之间变化，记录储能模量（G′）和损耗模量（G″）随频率的变化。温度扫描测试在 1Hz 的恒定振荡频率下进行。在温度扫描测试前，在转子边缘加入少量二甲基硅油，以防止高温下水分蒸发。温度以 5°C/min 的速率从 20°C 升高到 80°C。

三、实验结果

使用流变仪分析了天然琼脂糖和改性琼脂糖的粘弹性，结果见下图。从图中可以看出，在低频区域，所有样品的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″）。随着振荡频率增加，G′和 G″均呈下降趋势，并在 3Hz 左右相交。这可归因于两个因素：其一，在低频区域，振荡周期长于琼脂糖分子链的松弛时间，分子链有足够时间产生弹性响应，使得 G′ > G″。随着频率增加，振荡周期逐渐接近分子链的松弛时间，导致粘性耗散增加，G′和 G″逐渐减小直至交汇。其二，高频振荡可能破坏琼脂糖凝胶内的部分物理缠结和氢键，损害弹性网络结构，使材料逐渐转变为粘性液体，这表现为 G′和 G″持续下降。

此外，在低温区域，所有样品的 G′仍大于 G″，这表明琼脂糖凝胶主要表现出弹性行为，具有稳定的凝胶网络结构。随着温度升高时，G′和 G″均逐渐降低，这意味着凝胶的粘弹性能减弱，网络结构因热振荡而部分遭到破坏。当温度达到约 32℃时，所有样品的 G′和 G″迅速下降，这表明琼脂糖凝胶开始发生显著的凝胶 - 溶胶转变。这是因为温度升高破坏了琼脂糖分子链之间的物理缠结和氢键，导致弹性网络结构崩塌，材料逐渐转变为粘性液体。

对比不同样品的储能模量和凝胶强度数据，会发现一个有趣的现象。总体而言，对羟基苯甲酸和咖啡酸的引入显著降低了琼脂糖的凝胶强度，同时提高了其储能模量。这可能是由于天然琼脂糖通过分子间氢键形成了致密的网络结构，从而具有较高的硬度。对香豆酸和咖啡酸分子的引入产生了一定程度的空间位阻，阻碍了凝胶网络内的紧密堆积和相互作用，进而降低了凝胶的抗压强度。然而，与此同时，适度降低的凝胶密度增加了琼脂糖分子链的流动性，使得凝胶网络在变形后更容易恢复到原始状态，表现出更好的弹性和柔韧性。此外，与 Na - Ag 相比，Fa - Ag 的凝胶强度和储能模量明显更低，这可能是因为阿魏酸分子上的甲氧基引入了过多的疏水相互作用和空间位阻效应，对琼脂糖凝胶结构造成了过度破坏。