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海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究

发布日期:2014-11-24 22:41:08
海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究先容
海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究
海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,天然高分子多糖混合物因其多样的相行为及相转变被广泛应用于食品质构设 计中。本论文主要以海藻酸钠/黄原胶混合体系为研究对象,通过目测法和偏光显 微镜法,研究了两者在不同混合比率下的相行为,绘制出两者的二维相图。通过 流变学手段,利用旋转流变仪研究了海藻酸钠/黄原胶混合体系的相分离、液晶以 及凝胶的耦合作用对混合体系溶液粘弹性与凝胶性能的影响。当海藻酸钠浓度保 持在0.5%时,随着黄原胶浓度的不断升高,混合体系中依次出现了三种不同的相 行为:相容、相分离及液晶。在相转变的临界点,混合体系溶液的粘弹性会出现 明显变化,如Cox-Merz关系式的偏离,稳态剪切粘度与动态复合粘度的骤降等。 利用葡萄糖酸内酯(GDL)的诱导酸化作用,使Ca-EDTA中的Ca2+离子逐步释放, 作为溶液中的钙离子来源,利用流变仪监测钙离子诱导的混合体系动态凝胶过程, 发现相行为的转变对混合体系的凝胶动力学有着显著影响,当液晶结构形成时, 弹性储能模量迅速增大,凝胶时间明显缩短。
此外,本文还研究了海藻酸钠/黄原胶混合体系的相行为及其对海藻酸钠-钙离 子凝胶化临界行为的影响。当海藻酸钠浓度为0.5%时,随着黄原胶的添加,混合 体系出现相容、相分离及液晶三种不同的相行为。利用葡萄糖酸内酯(GDL)在线 酸化Ca-EDTA溶液,释放钙离子,研究了不同钙离子引入量时(/=[Ca2+]/[COO—]) 混合体系的粘弹性。Winter-Chambon分析发现临界凝胶点(/gei )随黄原胶浓度的增 加而降低。当相分离发生时,临界凝胶点急剧降低,当液晶结构形成后,临界凝 胶点呈现上升趋势。通过对比Winter-Chambon方法和临界凝胶点模量松弛法所测 得的松弛临界指数(,和《r ),发现黄原胶的添加使海藻酸钠临界凝胶失去结构自 相似性。相分离的发生导致临界凝胶结构排列更加致密,而液晶的出现使临界凝 胶结构排列相对疏松。
第1章引言
1.1研究背景
天然高分子对人类的生存、健康与发展起了重要作用,它们不仅大量应用于食 品、化妆品、纺织印染等传统工业,还广泛应用于制药、医学、生物技术和环境 治理等新兴技术领域,对世界经济产生着巨大的影响。天然高分子包括多糖、蛋 白质等亲水胶体,因具有环境友好性、生体适应性、生物活性等诸多优点,在食 品、化妆品、医学材料、包装材料等领域应用极为广泛,全球每年消耗水溶性天 然高分子接近2000万吨,市值达240亿美金。但由于天然高分子的种类有限,化 学结构相对单一,在材料设计和物性设计时受到限制,可利用的选择较少。
亲水胶体由于良好的乳化性、稳定性、持水性和增稠性等,已在食品工业及制 药、化妆品行业中被广泛使用。但是随着技术的进步,对这些性质的要求也逐渐 增多,传统的亲水胶体及单一的使用方法已经不能够满足要求,因此出现了越来 越多的新型胶体,同时也出现了多种胶体配合使用的方法,消费者目前对食品添 加剂的种类需求不断增长,多种亲水胶体通常同时应用在食品中以控制食品的感 官性状和理化性质 。当两种或多种天然高分子混合后,往往都表现出很强的不相 容性从而使得相分离成为一种较为普遍的现象[2~5]。在许多食品的加工和储藏过程 中,需要避免相分离现象造成的体系不稳定,但在有些加工过程中,又需要利用 相分离过程制备特殊的质地和结构,因此相分离现象在食品工业中的重要性不言 而喻,同时由于其具有其他特殊的作用效果,如分离蛋白质级分[6]等,使得相分离 等相行为成为研究热点。
利用天然高分子混合溶液复杂多样的相行为,如分子构象转变、溶胶-凝胶转 变、相分离、液晶转变等,可达到丰富材料微结构和物性的目的。这些相行为在 天然高分子混合溶液中往往可同时存在,然而目前有关它们之间如何相互耦合共 同影响材料物性的研究还较少报道。
1.2海藻酸钠综述
海藻酸钠是从褐藻中提取出的一类天然高分子多糖,19世纪英国化学家ECC Stanford对海藻酸的工业化做出了大量实质性贡献,1885年海藻酸已开始商业化并 大量投产,1920年美国Kelco企业开始商业化生产纯海藻酸钠[7]。近年来发现海藻 酸钠不仅可以从褐藻中提取获得,还可以从一些细菌的代谢产物中获得,如 尸aerag/wo似和也otocter w'we/而必,然而由于其生产成本较为高昂, 并未大规模推广使用[7, 9]。
1.2.1海藻酸钠的结构与性质
海藻酸钠(Sodium alginate)是由a-L-古洛糖醒酸(G)和P-D-甘露糖醒酸(M) 通过(1—4)连接形成的线性嵌段共聚物[10],其结构如图1-1所示:
 
图1-1.海藻酸钠的化学结构:(a)海藻酸钠单体:甘露糖醛酸和古洛糖醛酸;
(b)海藻酸钠的链状结构;(c)嵌段分布。
Figure 1-1. Structural characteristics of alginates: (a) alginate monomers, (b) chain conformation, (c) block distribution.
研究表明,G单元的均方末端距是M单元的2.2倍,因此G单元的刚性大于 M单元[11],而且两个G嵌段可以和一个二价金属离子螯合形成蛋盒结构,从而形 成离子凝胶,因此G嵌段(古洛糖醛酸)的含量直接决定着海藻酸钠的凝胶程度。 海藻酸一价盐水溶液能通过分子间相互作用形成物理凝胶;在海藻酸盐水溶液中 加入二价金属离子(除Mg +外),均可以形成以螯合作用为主的凝胶。
1.2.2海藻酸钠的国内外研究进展
海藻酸钠广泛应用于食品、化妆品、医药、生物技术等领域,其与二价金属 离子的络合及凝胶化是上述应用的关键科学基础。早在1973年,Rees等人就提出 海藻酸钠与二价金属离子凝胶化的“蛋盒模型,,(egg-box model) [12]。在该模型中, 海藻酸钠的两个G嵌段与多个Ca2+离子发生螯合作用,Ca2+离子被两个单根分子 嵌段夹在中间,形成类似蛋盒的结构。蛋盒结构起到交联点的作用,从而诱导凝 胶化[12?13]。
描述海藻酸钠与二价金属离子凝胶机理的“蛋盒模型”是基于纤维衍射和晶 体结构分析提出的,其在水溶液和凝胶状态中的适用性有待验证,比如蛋盒的基 本结构(高分子链段的构象、排列方式和化学计量比)以及其演化生长方式(渐 进方式、全有全无方式、协同性)依然不明确[14]。自从1973年“蛋盒模型”诞生 以来,世界范围内仍有持续不断的研究工作致力于解析海藻酸钠和果胶与二价金 属离子的相互作用、络合机理和凝胶化行为。当前最为活跃的研究组包括挪威生 物高分子实验室(NOBIPOL)和意大利Trieste大学的Donati团队。
NOBIPOL的Draget、Stokke和Smidsr0d等人主要从物理化学角度研究海藻酸 钠与Ca2+离子的络合机理、微结构、凝胶行为以及凝胶结构-性质的关系。他们利 用小角X射线散射和流变手段研究凝胶点之间分子结构的演化,在低Ca2+浓度下, 分子凝聚以蛋盒模型的二聚体为主,在较高Ca2+浓度下,会生成大量的横向分子 凝聚束[15~16]。通过X射线衍射,他们再次验证了 “蛋盒模型”,但是发现海藻酸钠 与Ca2+离子的络合配位会阻碍二聚体在晶体中的横向堆砌[17]。最近他们研究了古 洛糖醛酸低聚物与Ca2+离子的络合及其对海藻酸钠凝胶的调控[18]。另一方面, NOBIPOL的Skj&k-Brsk等人侧重研究海藻酸钠/二价金属离子体系在药物控释和 细胞微囊化方面的应用,发表了大量的工作[19,20]。其中他们发现,Ba2+离子和Sr2+ 离子取代Ca2+离子交联海藻酸钠,可提高细胞微囊性能[19]。
Trieste大学的Donati等人通过理论模拟实验,研究了海藻酸钠和果胶与二价 金属离子的络合及其在生物技术领域的应用。在特殊分子间作用力和反离子凝聚 理论框架下,假定二聚体的形成是一个渐进过程,他们成功地模拟了 Mg2+和Ca2+ 离子与海藻酸钠和果胶的络合[21~22]。利用差向异构酶,实现了对海藻酸钠分子精 细结构的修饰(M/G比率、序列结构),并研究了不同嵌段结构与二价金属离子的 络合行为[23?25]。结果表明Ca2+离子络合G-和MG-嵌段,Ba2+离子络合G-和M-嵌 段,而Sr2+离子只络合G-嵌段[24]。通过酶修饰,可以针对性地设计络合行为和凝 胶性质,满足不同的生物医学应用需求[25]。
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此外,法国的Braccini等利用分子模拟研究海藻酸钠和果胶与Ca2+离子的络 合,发现两者具有不同的分子凝聚过程,“蛋盒模型”适用于海藻酸钠/Ca2+离子体 系,但不完全适用于果胶/Ca2+离子体系[26]。还有大量工作从废水处理角度出发, 研究Ca2+离子交联海藻酸钠和果胶树脂对Cd2+离子,Pb2+离子和Cu2+离子等重金 属离子的吸附和络合机理,研究pH、离子强度等外界参数对吸附容量和效率的影 响[27?29]。
日本的Takahiro Funami等用分子量相近,但M/G比率不同的海藻酸钠样品研 究了 Ca2+离子诱导的海藻酸钠溶液凝胶行为的流变性质[30]。实验采用CaC〇3作为 Ca2+离子来源,利用GDL对溶液的酸化使Ca2+离子逐步缓释。结果表明, Alginate-Ca的凝胶行为与样品M/G比率及Ca2+离子浓度有关。G嵌段(古洛糖醛 酸)含量较高的样品在Ca2+离子浓度为15 mM时,形成的凝胶模量值要远远高于 M嵌段(甘露糖醛酸)含量较高的样品;在Ca2+离子含量为7.5 mM时,两种样品 的凝胶模量值相近。
国内学者也在积极地研究海藻酸钠和果胶与金属离子的络合、凝胶行为以及 在生物医学领域的应用。华南理工大学的童真教授研究组研究海藻酸钠与Ca2+离 子、Cu2+离子等二价阳离子的相互作用、凝胶化及其临界行为,提出凝胶化按高分 子链的长短可分为生长型和交联型两类[31],分子量较小的Alginate-Ca属于生长型 凝胶化;分子量较高的Alginate-Ca以及Cu2+离子诱导的凝胶化属于交联型凝胶化。 他们在软骨组织工程和药物控释领域也做了大量工作。四川大学的范红松教授对 比研究了碳酸钙和羟基磷灰石酸化诱导海藻酸钠的凝胶化和凝胶性质[32]。武汉大 学的程已雪教授利用海藻酸钠与Ca2+离子的络合,成功自组装出不同的纳米结构 [33]。山东大学的沈强教授、复旦大学的邵正中教授以及清华大学的冯庆玲教授通 过研究海藻酸钠和果胶与Ca2+离子相互作用,用来影响碳酸钙晶体的成核和生长 过程,实现了对晶型、尺寸和形貌的控制[34~36]。此外,国内还有诸多优秀的工作 研究海藻酸钠/果胶/金属离子交联体系在生物材料领域的应用技术,在此不逐一列 举。
1.2.3海藻酸钠的应用
海藻酸钠有着巨大的市场需求量,据粗略估计,当前全球海藻酸钠的年均销 售量为3万吨,年均销售额约为3.2亿美金[37]。由于其天然性、无毒性、非免疫原 性、生物降解性等优点,海藻酸钠不仅应用于食品、化妆品、印染等传统工业中, 作为一种绿色生物材料,愈来愈广泛地应用于制药、生物医学、生物技术、环境
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治理等新兴领域,如药物载体及药物控释、创伤敷料、细胞微囊化、细胞固定、 组织工程支架、废水处理等[38~41]。海藻酸钠的高附加值利用极大的带动了这些新 兴应用技术的发展,更加推动了从分子水平上详细研究其结构-性质关系。海藻酸 钠最为显著的特性是在温和条件下与金属离子的络合能力和凝胶化行为,上述绝 大多数应用离不开其凝胶理论的支撑。
在食品、化妆品和印染等传统工业领域,海藻酸钠被大量用作增稠剂、稳定 剂、凝胶剂和助染剂等,这些应用主要利用了海藻酸钠的溶液、凝胶和流变特性。 海藻酸钠与二价碱土金属离子的络合可方便地调控上述性质,从而达到设计产品 的目的。由于海藻酸钠与二价金属离子凝胶络合时形成的“蛋盒结构” [12],使得 微摩尔浓度的二价金属离子即可引起海藻酸钠结构的改变、增长、聚集和交联, 显著影响其溶解性、溶液和凝胶性质、流变行为及成膜性能等。
在制药、生物医学和生物技术等新兴领域,海藻酸钠被广泛用作药物、细胞 组织的载体。海藻酸钠是目前应用最为广泛的生物基质材料[39]。在设计基质材料 时,最为简易和通用的方法是利用它们与Ca2+离子的络合,生成片剂基材、纤维、 水凝胶、微球、三维预成型支架或可注射支架,为药物的靶向输送和控释、创伤 愈合、细胞的保护和增殖提供特定的溶胀性能、生物相容环境、微通道结构和力 学性质等。这些技术的改进和突破,需要更加深入地理解它们与二价金属离子的 络合分子机理。比如作为创伤敷料的海藻酸钙纤维,不少研究尝试在其中引入Zn2+ 和Ag+等因子,促进伤口的愈合[42],该技术与络合分子机理和竞争直接相关。在 细胞的微囊化技术方面,当Ca2+离子交联的微球或组织支架与生理环境中的磷酸 根、钠和钾离子接触时,会发生离子置换,从而导致力学强度的降低,影响细胞 的生长。目前解决办法是引入阳离子聚电解质层加以保护,但它们往往具有细胞 毒性。最新的研究表明Ba2+离子交联可有效克服上述问题,在细胞微囊化方面应 用前景良好[24]。在环境治理领域,Ca2+离子交联的海藻酸钠被制备成离子交换树脂, 用于工业废水中Cd2+离子、Pb2+离子和Cu2+离子等重金属离子的移除和回收[27?29]。
1.3黄原胶的结构及性质
1.3.1黄原胶的主要结构
美国农业部北部地区研究所(NRRL)于19世纪50年代首次发现了黄原胶, I960年美国Kelco企业进行了小型试验并于次年进行了半工业化投产,1969年获
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得了美国食品药物管理局(Food and Drug Administration, FDA)的认可[43],开始
生产并出售食品级黄原胶,随后日本和法国也开始生产黄原胶,1979年全球黄原 胶年产量已高达18000吨。
黄原胶是由決owowos1菌属发酵产生的胞外多糖。它是由D-葡萄
糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的“五糖重复单元”的结构聚 合体[44]。天然黄原胶相对分子质量很高,一般大于10 。如图1-2所示,黄原胶分 子的一级结构包括D-葡萄糖基主链及含三个糖单位的侧链,侧链则由两个D-甘露 糖和一个D-葡萄糖醛酸交替连接而成。黄原胶的二级结构是由侧链绕主链骨架反 向缠绕,通过氢键、静电力等作用所形成的五重折叠的棒状螺旋结构,其三级结 构是棒状螺旋间靠非共价键结合形成的螺旋复合体[45~46]。
 
图1-2.黄原胶的分子结构 Figure 1-2. Primary structure of xanthan gum.
黄原胶的这些结构和构象决定了其溶液的功能特性:黄原胶复杂的聚集态结 构与分子间作用力,决定了其溶液在低剪切速率以及低溶液浓度下具有高黏度, 表现为典型的假塑性流体;黄原胶硬直分子链和分子链上具备的氢键、阴离子及 缠结起来的侧链对主链形成保护,使其溶液对热、离子、酸碱以及活性酶等具有 良好的耐受性。这种结构一方面使主链免遭酸、碱、生物酶等其它分子的破坏作 用,使黄原胶的溶液粘度保持稳定;另一方面,该结构状态使黄原胶溶液在一定 浓度时分子有序排列,从而引发溶致液晶现象的出现[46~48]。
 
Figure 1-3. Aggregation state of xanthan gum.
1.3.2黄原胶的主要性质
黄原胶对于酸、碱、盐、热等具有很强的耐受性,假塑性是黄原胶最显著的 特性,即在低浓度时也可形成高粘度的典型非牛顿流体(即稳态剪切粘度随着剪 切速率的增大而迅速降低)。
1.3.2.1假塑性
黄原胶溶液是一种典型的假塑性流体,其溶液的稳态剪切粘度随剪切速率的 升高而明显降低。在高剪切速率下,聚合体结构解缠结,使剪切粘度迅速降低; 在低剪切速率时,分子结构又恢复到双螺旋网状聚合体状态,使溶液剪切粘度瞬 间恢复到最大[49]。随着浓度的增加,黄原胶溶液的剪切粘度随剪切速率变化的程 度亦增加,溶液浓度增高,剪切变稀程度随之加剧,从而表现出更强的假塑性流 体特征[50]。
1.3.2.2增稠性
黄原胶具有良好的增稠性,在低浓度下即可具有较高粘度。吉武科[51]等在25 °C条件下测定黄原胶的粘度,发现随着浓度的递减而不断降低,而0.3%是高粘度 的分界点浓度。黄原胶浓度为0.1°%时粘度仅为0.1 Pa* s,而大部分的亲水胶体在 浓度为0.1°%时粘度几乎接近于水(0.001 Pa* s),从而印证了黄原胶在低浓度下高 粘度的优越性能。
1.3.2.3悬浮性和乳化性
黄原胶有着良好的水溶性,即使在冷水中也能溶解。黄原胶溶液与其他亲水
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胶体水溶液相比具有低浓度高粘度的特性,这一特性使其可用作增稠剂和稳定剂, 同时黄原胶也具有良好的悬浮性和乳化性。
黄原胶因其可以显著增加体系粘度和形成弱凝胶(weak gel)结构的特点,被 广泛应用于食品或其他产品,以提高O/W (水包油)乳液的稳定性。但是近年来 发现,只有当黄原胶的添加量达到一定程度时,才能得到预期的稳定作用。麻建 国[52]等通过黄原胶对O/W (水包油)乳状液稳定性的研究发现,在黄原胶浓度低 于0.001%时,实验体系的稳定性变化不大;黄原胶浓度为0.01?0.02%时,可引起 样品底部富水层出现,但体系无明显分层;当黄原胶浓度高于0.02%时,乳液出现 了分层现象,且分层的状态取决于黄原胶浓度的高低;只有当浓度超过0.25%时, 黄原胶才能起到提高体系稳定性的作用。
1.3.2.3稳定性
黄原胶溶液在酸碱、盐、生物酶的存在下以及不同温度时都具有很好的稳定 性。但也有实验显示黄原胶溶液的粘度随着温度的变化而呈现下降的趋势[50]。国 外亦有学者研究发现:黄原胶溶液粘度对温度的依赖性还与溶液浓度高低有关, 浓度越高,粘度随温度变化越小[53]。
黄原胶溶液对酸碱十分稳定,在pH 5?10之间其粘度基本保持不变,在较宽的 pH范围(pH 2?12)内,其粘度最大值与最小值相差小于10%。
盐浓度对黄原胶溶液的粘度有一定影响。当黄原胶浓度较低时,少量盐的加 入可使粘度略微下降,这主要是由分子间电荷力的降低造成的;在黄原胶浓度较 高时,加入大量的盐可使溶液粘度增加,这可能是由于增加了分子间的胶连程度; 而当盐浓度超过0.1%时,溶液粘度保持不变[54~56]。
食品生产中许多酶类如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶等都不能使 黄原胶降解,黄原胶具有较强的抗酶解能力。
1.3.3黄原胶的主要应用
黄原胶在食品、石油、医药、日用化工等各个领域有着极为广泛的应用。如 在食品方面,因具有良好的稳定性、悬浮性、乳化性和增稠性等优良性能而被作 为一种理想的食品添加剂[57]。此外,黄原胶溶液的假塑性特征可以使食品具有良 好的口感,因此被广泛应用于色拉调料、奶制品、面包、饮料、糖果、冷冻食品 中。黄原胶在人体内不可直接降解,可以使人们在摄入食品时既能保证良好口感, 又不会因为食品中热量增加而导致发胖。黄原胶还可以作为牙膏的增稠定型剂。 在医学方面,黄原胶可用作微胶囊药物包裹材料的功能组分,以控制药物缓释。
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由于其自身的亲水性和保水性,可用来制成致密水膜,从而避免皮肤感染。在工 业方面,黄原胶在石油工业中被广泛应用,其假塑性非常强,低浓度的黄原胶水 溶液可保持钻井液的粘度并控制其流变性能,因而在高速转动的钻头部位粘度极 小,可节省动力,而在相对静止的钻孔部位却保持高粘度,从而防止井壁坍塌。 黄原胶具有极大的应用潜力,据估计,全世界对黄原胶的需求量以每年7%?8%的 速度持续增长。
1.4天然高分子混合体系的相行为
伴随着天然高分子复配技术的出现,两种或多种天然高分子混合使用的研究逐 渐增多,如李向阳等人发现甜菜果胶与牛血清蛋白复合使用,可以有效提高甜菜 果胶的乳化稳定性[58];张雅媛等人利用玉米淀粉与黄原胶进行复配改善凝胶性能 的研究等[59]。此外还有些研究是利用混合高分子体系进行食品的结构设计[60~61]、 微胶囊的制备[62]和保护不稳定功能因子的双层乳液的制备[63~64]。在这些研究中都 同时用到了两种或多种天然高分子,如海藻酸钠、黄原胶、卡拉胶、果胶、酪蛋 白酸钠、热变性乳清蛋白、槐豆胶、瓜尔豆胶等。其中多数混合体系出现了不同 的相行为,如相分离、液晶、凝胶现象等,有些食品需要避免这些相转变来保持 体系稳定,而有些研究需要以这些相转变为基础进行微结构的设计。因此,为了 在食品混合体系中更好地运用这些相转变,需要对这些相行为的机理及特征有充 分的理解。
1.4.1相分离
两种高分子之间表现出排斥作用时,当混合溶液处于低浓度状态下体系较为 稳定,呈现出相容状态;混合溶液浓度较高时则会发生隔离型相分离,两种高分 子分别富集于相分离后的上下两相[65]。产生这种热力学不兼容性的主要原因是分 子之间的排阻体积效应,与生物高分子的分子尺寸和分子构象有关。排阻体积 (excluded volume)即分子在溶液中所占据的空间的大小,线性多糖的排阻体积远 大于球形蛋白质的排阻体积,排阻体积越大,排斥作用越强,所以两种线性多糖 混合后发生相分离的临界浓度远低于两种球形蛋白混合时所需的临界浓度[1]。在稀 溶液中,有大量的自由空间可以被占据,因此混合溶液表现出相容的状态。伴随 着高分子浓度的增加,降低了可利用的自由空间,使得高分子之间彼此表现出排 斥作用。
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1.4.2液晶
液晶态是介于液态和固态之间的一种中间态,即有液体的流动性,也有晶体 的特性[66~68]。液晶是一类取向有序的流体,因此具有晶体光学双折射现象的各向 异性,由于液晶分子取向改变产生的光散射,引起液晶浑浊现象,液晶的光散射 比各向同性液体高达数万倍,液晶的这种各向异性特征使其得到了广泛的应用。 大多数液晶物质由棒状分子组成,按照引起液晶态发生的物理条件可分为热致液 晶和溶致液晶。热致液晶态的出现是由于温度到达一定范围而引发物质分子有序 排列,当脱离这个温度范围时,液晶状态则因分子恢复其无序状态而终止。溶致 液晶的出现是因为溶液的浓度增加到一定值使得物质分子开始有序排列,如黄原 胶溶液在一定浓度下则会出现溶致液晶现象。许多天然生物大分子如核酸、蛋白 质、血红蛋白、叶绿素、类胡萝卜素以及多糖等在水中均可呈现液晶结构[69]。
1.4.3凝胶
凝胶是高分子三维网络与溶剂构成的多元体系,凝胶化(gelation)是指体系 从分子分散状态向形成贯穿整个体系的无限大三维网络转变的过程[70]。凝胶化转 变的实质是体系中出现分子量无限大的三维高分子网络,导致产生无限长的松弛 时间,溶液的粘度变得无限大,开始出现平衡模量[70]。目前,描述凝胶化转变的 理论包括Flory和Stockmayer建立的支化理论、de Gennes和Stauffer提出的逾渗 模型等。Winter和Chambon以共价键交联化学凝胶为研究对象,建立了以体系粘 弹性为标尺、描述凝胶临界化行为的Winter-Chambon准则[71?72]。Muthukumar等 人提出了有关临界凝胶结构的分形维数概念,建立了不同条件下松弛临界指数与 分形维数之间的定量关系[73]。
1.5本课题的研究意义与内容
1.5.1研究目的与意义
本文对海藻酸钠/黄原胶混合体系进行了研究,说明了不同相行为对混合体系 的溶液粘弹性及凝胶化的影响,研究结果有助于完善复杂相行为耦合下的物理凝 胶化理论。
近年,海藻酸钠和黄原胶的混合体系引起人们的极大兴趣,被视为一种新型 的治疗胃食管反流病(Gastro oesophageal reflux disease, GORD)的制剂[74?75]。传
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统的海藻酸钠或黄原胶单一制剂基于其在胃液环境中的弱凝胶及假塑性流变性 质,只能被动地阻止胃食管反流[74]。Boyd等人[74,76]发现当混合海藻酸钠和黄原胶 时,伴随着相分离体系出现液晶现象,会引起粘弹性的显著降低,而当稀释混合 物时(比如人体服用后胃部的稀释),粘弹性反而出现数十倍的增加。利用该现象 可开发效果更佳的响应型GORD制剂,同时可降低成本,由于胃食管中存在复杂的 混合过程和凝胶化(由钙离子和氢离子诱导),因此,本研究对海藻酸钠/黄原胶在 新型GORD制剂中的应用有重要引导意义。
1.5.2研究内容
本研究将海藻酸钠与黄原胶以不同比率混合,研究相分离、液晶等相行为对混 合体系溶液的粘弹性、凝胶性能等方面的影响,从以下四个方面进行了研究。主 要内容如下:
(1)海藻酸钠、黄原胶的精细分子结构表征;
(2)海藻酸钠/黄原胶混合体系的相行为表征;
(3 )海藻酸钠/黄原胶混合体系溶液的流变学研究;
(4)海藻酸钠/黄原胶混合体系在钙离子诱导下的凝胶动力学及临界凝胶行为
研究。
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第2章海藻酸钠和黄原胶的精细分子结构表征
2.1引言
海藻酸钠是由P-D-甘露糖醛酸(M嵌段)与a-L-古洛糖醛酸(G嵌段)通过 (1—4)糖苷键连接的直链型无规则嵌段共聚物。由于海藻酸钠中的G嵌段可以 与二价阳离子(如Ca2+离子)螯合形成凝胶,故M嵌段与G嵌段的含量对海藻酸 钠的凝胶性能有着直接影响。
黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成的“五 糖重复单元”的结构聚合体。天然黄原胶相对分子质量很高,一般大于106。黄原 胶分子的一级结构包括由1,3-1,4键连接的D-葡萄糖基主链及含三个糖单位的侧 链,侧链则由两个D-甘露糖和一个D-葡萄糖醛酸的交替连接而成。黄原胶的二级 结构是由侧链绕主链骨架反向缠绕,通过氢键、静电力等作用所形成的五重折叠 的棒状螺旋结构,其三级结构是棒状螺旋间靠非共价键结合形成的螺旋复合体。
本章利用凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪(GPC-MALLS)测定海藻酸钠 与黄原胶的分子量及分子量分布,利用核磁共振波谱仪(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)测定海藻酸钠的甘露糖醛酸(M)、古洛糖醛酸(G)含量及嵌 段度,从而得到海藻酸钠、黄原胶的精确分子信息。
2.2实验材料与仪器设备
2.2.1材料与试剂
海藻酸钠挪威 FMC Biopolymer 企业
黄原胶美国CP Kelco企业
叠氮化钠分析纯天津市河东区红岩试剂厂
氯化钠分析纯国药集团化学试剂有限企业
氢氧化钠分析纯国药集团化学试剂有限企业
盐酸分析纯开封东大化工有限企业试剂厂
乙酸乙酯分析纯国药集团化学试剂有限企业
重水(D2O)美国 Cambridge Isotope Laboratories 企业
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4,4-二甲基-4-娃代戊磺酸钠(DSS)美国 Cambridge Isotope Laboratories 企业
2.2.2仪器与设备
凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪 AV400型核磁共振波谱仪(NMR) ORION 4 STAR pH 计 FD-1C-50冷冻干燥机 EL204型电子天平 GZX-9140MBE数显鼓风干燥箱 SRT-202滚轴混合器 XH-B型旋涡混合器 Direct Q3型超纯水机
美国 Wyatt Technology 企业 5瑞士 Brucker企业
梅特勒-托利多仪器(上海)有限企业 北京博医康实验仪器有限企业 瑞士 Mettler-Toledo仪器(上海)有限企业 上海博迅实业有限企业医疗设备厂 江苏海门市其林贝尔仪器制造有限企业 江苏康健医疗用品有限企业 美国 Merck Millipore 企业
2.3实验方法
2.3.1海藻酸钠与黄原胶的分子量及分子量分布测定 2.3.1.1样品制备
GPC流动相配制:称取一定量的NaCl溶于去离子水(加入0.005% NaN3以防 微生物生长)中,配制成浓度为0.1 M的NaCl水溶液。将配制好的NaCl溶液经 过0.22 pm微孔滤膜反复抽滤三次,留作流动相备用。
海藻酸钠样品配制:称取一定量的海藻酸钠粉末(需扣除含水量)溶于配制好 的流动相中,使得海藻酸钠溶液终浓度为0.2 mg/mL,放置滚轴混合器上摇匀过夜, 以使样品充分溶解。
黄原胶样品配制:称取一定量的黄原胶粉末(需扣除含水量)溶于配制好的流 动相中,使黄原胶溶液终浓度为0.01 mg/mL,放置滚轴混合器上摇匀过夜,以使 样品充分溶解。
2.3.1.2样品表征
GPC-MALLS 分析系统由 Waters 515 HPLC 型泵、Shodex OHpak SB-G 型保护 柱、Shodex OHpak SB-805型分离柱和检测器组成。检测器由SPD-10Avp型紫外
检测器(检测波长280 nm)、DAWNHELEOS型多角度激光光散射仪(砷化镓光 源,激光波长658 nm)和Optilab rEX型示差折光检测器(激光波长658 nm)组
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成。流动相为含有0.005% NaN3的经过0.22 pm微孔滤膜过滤的0.1 MNaCl溶液, 流速为0.5 mL/min。待测样品均用流动相稀释到所需浓度,海藻酸钠溶液的浓度 为0.2 mg/mL,黄原胶溶液浓度为1 mg/mL。所有待测样品用0.45 pm的尼龙滤膜 过滤,进样量为200 pL。海藻酸钠和黄原胶的dn/dc值分别为0.150 mL/g和0.144 mL/g[77,78],数据分析App为ASTRA 5.3.4.14,分析方法为Berry,实验温度为25 °C。
2.3.2海藻酸钠的分子结构及嵌段度测定
2.3.2.1样品制备
样品需经过适度的酸降解,具体方法如下[79]:
称取一定量的海藻酸钠样品溶于去离子水中,使其终浓度为0.5%—将溶液pH 调至3—沸水浴30分钟一冷水浴使其迅速至室温一pH调至7—冷冻干燥48小时。
称取一定量冷冻干燥后的海藻酸钠样品溶于重水(D2O)中,使溶液终浓度为 15 mg/mL,溶液中添加浓度为0.5%的DSS作为内标物。
2.3.2.2样品表征
海藻酸钠的甘露糖醛酸(M)、古洛糖醛酸(G)含量以及嵌段度通过核磁共 振波谱仪来测定,使用iH-NMR测定海藻酸钠样品的M、G含量及嵌段度,测试 条件为400 MHz,测试温度80 C。
2.4实验结果与分析
2.4.1海藻酸钠与黄原胶的分子量及分子量分布
表2-1.海藻酸钠与黄原胶的分子量信息 Table 2-1. Determination of sodium alginate and xanthan molecular weight and its distribution by GPC-MALLS technique.
样品名称MwMnMw MnR
海藻酸钠2.96X1051.65X1051 .79462.8
黄原胶3.30X1062.31X1061.42678.4
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利用凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪(GPC-MALLS)于25 C条件下测定 海藻酸钠与黄原胶的分子量及分子量分布。海藻酸钠的重均分子量^为2.96x105, 数均分子量Mn为1.65X105,均方旋转半径均为62.8;黄原胶的重均分子量^为 3.30X106,数均分子量从为2.31X106,均方旋转半径均为78.4。具体结果列于表 2-1。
2.4.2海藻酸钠的分子结构及嵌段度
通过核磁共振波谱仪在400 MHz、温度80 °C下扫描所得海藻酸钠样品的核磁 图谱见图2-1,其中,GM、GG和MM为海藻酸钠中不同的二体,GGG、MGM 和GGM为海藻酸钠中不同的三体。由参考文献[80]可知,图中化学位移为4.75的 峰对应GGM-5,峰4.73对应MGM-5,峰4.69对应MG-1,峰4.66对应MM-1, 峰 4.46 对应 GGG-5,峰 4.44 对应 MGG-5。
根据 GGM-5、MGM-5、GGG-5、MGG-5、MG-1、MM-1 位 H 原子所对应的 峰面积[79?80],由下列公式计算出M、G单元以及不同二体、三体的摩尔分数,详 细结果见表2-2:
 
 
 
 
 
15
 
(2-8)
表2-2.海藻酸钠分子嵌段度信息
Table 2-2. Physicochemical properties of sodium alginate samples.
名称摩尔分数名称摩尔分数
FG0.473FMM0.323
FM0.527FGGG0.267
FGM0.204FMGM0.129
FGG0.290FGGM0.054
根据上述序列结构信息,进一步可计算出G嵌段的平均长度[30]
N= (F〇-FMGM) /FGGM=6.4
由于海藻酸钠的凝胶性能主要取决于古洛糖醛酸(G)的含量,钙离子在与G 嵌段通过蛋盒模型络合形成离子凝胶时,G嵌段的平均长度决定了海藻酸钠离子 凝胶的强度[30],G含量相同,N越大,凝胶强度越高。
 
图2-1.海藻酸钠样品的1H-NMR图谱,相关峰的确定参考文献[79,80] Figure 2-1. !H-NMR spectra of sodium alginate sample. The relevant peaks were
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assigned according to the reference [79,80].
2.5本章小结
(1)利用凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪(GPC-MALLS)于25 °C条件下测 定海藻酸钠与黄原胶的分子量及分子量分布。测得海藻酸钠的重均分子量Mw为 2.96X105,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,数均分子量Mn为1.65X105,均方旋转半径均为62.8;黄原胶的重均分 子量Mw为3.3〇x1〇6,数均分子量Mn为2.31X106,均方旋转半径^为78.4。
(2)利用核磁共振波谱仪对适度酸降解后的海藻酸钠样品进行高温氢谱扫描,可 测得海藻酸钠的M、G含量及嵌段度。从核磁图谱可读出,根据GGM-5、MGM-5、 GGG-5、MGG-5、MG-1、MM-1位H原子在核磁图谱中所对应的峰位及峰面积, 计算出了 M、G单元以及不同二体、三体的摩尔分数:FG=〇.473、FM=〇.527、FGM =0.204、FGG=〇.290、FMM =〇.323、FGGG=〇.267、FMGM =〇.129、FGGM =〇.〇54。其中, GM、GG和MM为不同的二体,GGG、MGM和GGM为不同的三体。根据上述 序列结构信息,可知本文所使用的海藻酸钠样品M/G比率为53/47,进一步可计算 出G嵌段的平均长度NG= (FG - FMGM) /FGGM=6.4。
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第3章海藻酸钠/黄原胶混合体系相行为的表征
3.1引言
天然高分子混合溶液具有复杂多样的相行为,如分子构象转变、相分离、液 晶转变等,这些相行为在天然高分子混合溶液中往往可同时存在。
相分离在天然高分子混合溶液中是一种常见相行为,天然高分子的相分离可 分为隔离性相分离(segregative phase separation)和结合型相分离(associative phase separation),隔离性相分离常见于互相排斥的高分子间,结合型相分离发生于互相 吸引的高分子间。两种高分子之间表现出排斥作用时,在低浓度状态下体系较为 稳定,呈现出相容状态;溶液浓度较高时则会发生隔离型相分离,两种高分子分 别富集于相分离后的上下两相。产生这种热力学不兼容性的主要原因是分子之间 的排阻体积效应,与生物高分子的分子尺寸和分子构象有关,影响相分离的主要 因素有:溶液浓度、离子强度、以及生物大分子结构等。
长沙平凡仪器仪表有限企业 丹东市百特仪器有限企业 江苏海门市其林贝尔仪器制造有限企业 佳能(中国)有限企业
挪威 FMC Biopolymer 企业 美国CP Kelco企业
国药集团化学试剂有限企业
3.2.1材料与试剂
海藻酸钠(Sodium Alginate)
黄原胶(Xanthan Gum )
叠氮化钠(NaN3)分析纯
3.2.2仪器与设备
TGL-20M台式高速冷冻离心机 BT-1600偏光显微镜 SRT-202滚轴混合器
60D型数码相机
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3.2实验材料与仪器设备
3.3实验方法
3.3.1海藻酸钠/黄原胶混合体系的配制
母液配制:称取一定量的海藻酸钠样品溶于去离子水(加入终浓度为0.005% 的NaN3以防止微生物生长)中,使其终浓度为2% (如没有特殊说明,本文中所 用浓度皆为质量百分数),放置于滚轴混合器上摇匀过夜,使其充分溶解,留作母 液待用。
称取一定量的黄原胶样品溶于去离子水中,使其终浓度为8%,放置于滚轴混 合器上摇匀过夜,使其充分溶解,留作母液待用。
混合体系配制:将配制好的海藻酸钠母液和黄原胶母液以一定比例混合后, 放置滚轴混合器上使其混合均匀,具体配制比例如下:(其中CA表示海藻酸钠终 浓度,CX表示黄原胶终浓度):
A组:保持海藻酸钠浓度CA =0.125%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,2.5%。
B组:保持海藻酸钠浓度为CA=0.25%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
C组:保持海藻酸钠终浓度为CA =0.5%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
D组:保持海藻酸钠浓度为CA=0.75%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
E组:保持海藻酸钠浓度为CA=1%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
F组:保持海藻酸钠浓度为CA=1.5%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
G组:保持海藻酸钠浓度为CA =2%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
3.3.2海藻酸钠/黄原胶混合体系相行为的表征方法
目测法:将A?G组样品在5000 r/min条件下离心2小时,静置30分钟,目测
法观察有无宏观相分离现象。
偏光显微镜法:偏光显微镜实验是在光学显微镜光源处加载偏振片进行的,
19
用盖玻片将A?G组待测溶液分别压成薄层置于放大倍数为100的偏光显微镜下进 行实验观察并拍照。
3.4实验结果与分析
3.4.1海藻酸钠/黄原胶混合体系的相分离行为
 
图3-1.海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同黄原胶浓度下的相分离行为 Figure 3-1. Images of alginate/xanthan mixed solutions after centrifugation showing
phase separation.
样品在离心2小时并静置30分钟后,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,可观察到不同比例的海藻酸钠/黄原胶混合 体系中出现了不同程度的分层现象,从图3-1中可看到,当黄原胶浓度大于0.05% 时样品清晰分为上下两层,由于海藻酸钠和黄原胶之间无化学相互作用,因此可 认为这两种多糖的混合体系发生了相分离。以C组样品(CA=0.5%)为例,当黄原 胶浓度为0.025%时,样品未出现分层现象,此时海藻酸钠与黄原胶是相容的;当 黄原胶浓度大于0.05%时,样品可观察到清晰的相边界,说明在此浓度下海藻酸钠 与黄原胶出现了相分离,且下相体积随着黄原胶浓度的增加而不断增大。分别取 离心后样品的上下相并置于偏光显微镜下观察,可观察到上相部分在视野中为黑 场,而下相部分则出现了液晶态各向异性典型的双折射现象,说明海藻酸钠/黄原 胶混合体系的相分离为隔离型相分离,且上相为海藻酸钠富集相,下相为黄原胶 富集相。
其余六组样品因体系中海藻酸钠/黄原胶的比率不同,亦出现了不同程度的相 分离现象(图片在此未给出)。相分离现象的发生随着混合体系浓度的增长而不断 提前,具体情况在相图3-3中给出。
3.4.2海藻酸钠/黄原胶混合体系的液晶行为
光学显微镜通常被用来观察天然高分子混合体系的微观相行为,黄原胶的刚
20
性棒状双螺旋结构使其水溶液在一定浓度下呈现溶致液晶状态,使用偏光显微镜 可观察到液晶态特殊的双折射现象。图3-2显示了黄原胶溶液、海藻酸钠溶液以及 海藻酸钠/黄原胶混合体系分别在偏光显微镜下的照片。以C组样品(CA=0.5%) 为例,当黄原胶浓度为0.25%时,图3-2 (d)中可看到偏光显微镜视野内为均匀的 黑场,无明显双折射各向异性;当黄原胶浓度为0.5%时,图3-2 (e)可观察到视 野开始变亮,说明此时液晶结构处于生成的临界状态,说明在该浓度以上,海藻 酸钠/黄原胶混合体系形成了溶致液晶[81~83]。液晶的形成由刚性的黄原胶分子所引 起[84~86];当黄原胶浓度为1%时,在视场中可以观察到样品具有明显的双折射各向 异性现象,这是液晶态的典型光学特征,其表现为绞股状的纹理结构,如图3-2 (f) 所示。随着黄原胶的浓度不断升高,绞股状结构变得愈来愈粗壮,见图3-2 (g)、 (h)、(0、(j),这与Boyd等人的观察相一致[87]。
图3-2 (a)、(b)、(c)则分别显示了溶液中只有单一组分存在时偏光显微镜 下的观察结果,分别为:0.5%黄原胶、1%黄原胶、0.5%海藻酸钠溶液,可看到视 野内均显示为黑场,无双折射各向异性,说明当海藻酸钠或者低浓度的黄原胶单 独存在时,并无液晶结构生成。而当0.5%海藻酸钠与1%黄原胶混合时,溶液出现 了明显的双折射现象,说明海藻酸钠的存在使得黄原胶发生了富集作用,使其实 际浓度升高,从而加速了液晶态的形成。
 图3-2.海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同黄原胶浓度下的偏光显微镜照片:(a)
0.5%纯黄原胶;(b) 1%纯黄原胶;(c) 0.5%纯海藻酸钠;(d) 0.5%海藻酸钠:0.25% 黄原胶;(e) 0.5%海藻酸钠:0.5%黄原胶(f) 0.5%海藻酸钠:1%黄原胶;(g) 0.5% 海藻酸钠:2%黄原胶;(h) 0.5%海藻酸钠:4%黄原胶(i) 0.5%海藻酸钠:6%黄原
胶(j) 0.5%海藻酸钠:8%黄原胶
Figure 3-2. Polarised light microscopy images showing formation of liquid crystalline structure: (a) 0.5% xanthan (without alginate); (b) 1% xanthan (without alginate); (c) 0% xanthan; (d) 0.25% xanthan; (e) 0.5% xanthan; (f) 1% xanthan; (g) 2% xanthan; (h) 4% xanthan; (i) 6% xanthan; (j) 8% xanthan. The alginate concentration was fixed at 0.5% and the xanthan concentration was varied.
22
3.4.3海藻酸钠/黄原胶混合体系相图的建立
相图的建立有助于理解多糖混合体系中两种多糖相互作用的机理以及相转变 的发生情况,通过上述目测法和偏光显微镜法,绘制出海藻酸钠/黄原胶混合体系 的二维相图,如图3-3所示。随着海藻酸钠与黄原胶混合比率的变化,相图可以分 为三个区域:相容区(Compatible region)、相分离区(Phase separated region)和 液晶区(Liquid crystalline region )。
当海藻酸钠浓度为0.125%,黄原胶浓度为0.025%?3%时,混合体系在离心后 未出现分层现象,可认为海藻酸钠和黄原胶在此浓度范围是相容的,当黄原胶浓 度增大到3%以上,混合体系在偏光显微镜下观察到了双折射现象,说明此时液晶 态已开始显现。当海藻酸钠浓度为0.25%,黄原胶浓度为0.025%?0.3%时,混合溶 液在离心后未出现分层现象,此浓度区域内的混合体系处在相容区;黄原胶浓度 为0.3%?1%时,混合体系在离心后出现明显分层,说明此浓度下的混合溶液发生 了相分离;黄原胶浓度为1%?8%时,在偏光显微镜可以观察到混合体系出现了液 晶态特有的双折射现象。海藻酸钠浓度为0.5%,黄原胶浓度为0.025%、0.05%时, 混合体系在离心后未出现分层;黄原胶浓度为0.05%?0.5%时,混合体系在离心后 出现了相分离现象;黄原胶浓度为0.5%?8%时,图3-2显示了在偏光显微镜下观察 混合体系出现液晶态的双光折射现象,但黄原胶浓度为0.5%时,处于相分离到液 晶态转变的临界状态。海藻酸钠浓度为0.75%、1%、1.5%时,黄原胶浓度为 0.025%?0.04%时,混合体系为相容状态;黄原胶浓度为0.04%?0.25%,混合体系在 离心后出现相分离现象;黄原胶浓度为0.25%?8%时,混合溶液在偏光显微镜下可 观察到液晶现象。由于当海藻酸钠浓度为0.5%时,黄原胶不同浓度范围相容区、 相分离区和液晶区域都有典型的表现,因此在下述实验中皆选取此系列。
两者只在非常低的浓度区间相容(图中实线以下区域),而只有当海藻酸钠浓 度低于0.1%或黄原胶浓度低于0.025%时,两者才可在任何比率下相容。当超出该 浓度区间,相分离即可发生,随着黄原胶浓度的进一步提高,在相分离的基础上 出现了液晶区。液晶发生所需的临界黄原胶浓度(图中点线所示)随着海藻酸钠 浓度的升高而降低。对于纯黄原胶溶液,偏光显微镜观测到的临界液晶浓度为2% (图中断线所示),与Lee等人报道的近似分子量的黄原胶实验数据基本一致[84]。 可以看出,纯黄原胶的临界液晶浓度明显高于海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界液 晶浓度。这可归结于相分离的发生,导致黄原胶富集相中其有效浓度的升高,从 而促进了液晶在较低黄原胶浓度下即可形成。
23
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0.00.51.01.52.0
Alginate (wt%)
图3-3.海藻酸钠/黄原胶混合体系的相图:(▲)相容区;(•)相分离区;(♦) 液晶区,实线和点线代表相边界,短划线表示纯黄原胶形成液晶态的临界浓度 Figure 3-3. Phase diagram of alginate/xanthan mixed solutions: (▲) compatible region; (•) Phase separation; (♦) Liquid crystalline region. The solid and dotted lines represent the phase boundaries. The dashed line marks the threshold concentration of xanthan required to form liquid crystals in the absence of alginate.
3.5本章小结
(1)海藻酸钠/黄原胶混合体系在离心后可发生不同程度的相分离现象,相分离的 程度依赖于混合体系中两种多糖的浓度,且两者的相分离为隔离性相分离,离心 后溶液上相为海藻酸钠富集相,下相为黄原胶富集相。
(2)通过偏光显微镜法可观察到海藻酸钠/黄原胶混合体系在一定浓度下可出现液 晶结构特有的双折射各向异性现象,且海藻酸钠的存在使得黄原胶发生了富集作 用,使其实际浓度升高,从而加速了体系液晶结构的形成。
(3)通过目测法和偏光显微镜法,绘制出海藻酸钠/黄原胶混合体系的二维相图。 随着海藻酸钠与黄原胶混合比率的变化,相图可以分为三个区域,相容区、相分 离区和液晶区,此两种多糖只在非常低的浓度区间相容,而只有当海藻酸钠浓度 低于0.1°%或黄原胶浓度低于0.025%时,两者才可在任何比率下相容。当超出该浓 度区间,相分离即可发生,随着黄原胶浓度的进一步提高,在相分离的基础上出 现了液晶区。液晶发生所需的临界黄原胶浓度随着海藻酸钠浓度的升高而降低。
24
第4章海藻酸钠/黄原胶混合体系溶液的流变学研究
4.1引言
天然高分子混合体系溶液的性质往往与各个纯组分的性质有较大差别,因 此,天然高分子多糖混合体系的性质和应用引起了研究者的极大兴趣并被广泛 研究。例如,海藻酸钠与黄原胶混合体系被视为一种新型的治疗胃食管反流病 (Gastro oesophageal reflux disease,GORD)的制剂[88?89];本章通过流变学手
段对海藻酸钠/黄原胶混合体系的溶液粘弹性进行分析,研究海藻酸钠与黄原胶 之间的相行为对混合体系溶液流变学性能的影响。
4.2实验材料与仪器设备
4.2.1材料与试剂
挪威 FMC Biopolymer 企业 美国CP Kelco企业
海藻酸钠(Sodium Alginate) 黄原胶(Xanthan Gum )
4.2.2仪器与设备
Haake RheoStress6000 旋转流变仪 SRT-202滚轴混合器 DELTA320 型 pH 计 EL204型电子天平 Direct Q3型超纯水机 XH-B型旋涡混合器
美国 Thermo Fisher Scientific 企业
江苏海门市其林贝尔仪器制造有限企业 瑞士梅特勒-托利多企业 瑞士 Mettler-Toledo仪器(上海)有限企业 美国 Merck Millipore 企业
江苏康健医疗用品有限企业
4.3实验方法
4.3.1样品制备
母液配制:称取一定量的海藻酸钠样品溶于去离子水(加入终浓度为0.005°%
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的NaN3以防止微生物生长)中,使其终浓度为2%,放置于滚轴混合器上摇匀过 夜,使样品充分溶解,留作母液待用。
称取一定量的黄原胶样品溶于去离子水中使其终浓度为8%,放置于滚轴混合 器上摇匀过夜,使样品充分溶解,留作母液待用。
混合体系配制:将海藻酸钠母液和黄原胶母液以一定比例混合后,放置于滚 轴混合器上直至溶液混合均匀。具体配制比例如下:
A组:保持海藻酸钠浓度CA=0.125%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,2.5%。
B组:保持海藻酸钠浓度为CA=0.25%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
C组:保持海藻酸钠终浓度为CA=0.5%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
D组:保持海藻酸钠浓度为CA=0.75%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
E组:保持海藻酸钠浓度为CA=1%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
F组:保持海藻酸钠浓度为CA=1.5%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
G组:保持海藻酸钠浓度为CA=2%,改变黄原胶终浓度:0.025%,0.05%, 0.075%,0.1%,0.25%,0.5%,1%,2%,4%,6%,8%。
4.3.2流变学实验
所有流变实验均在 HaakeRheoStress 6000 (美国,Thermo Fisher Scientific)旋
转流变仪上进行,采用直径为60 mm的平行板钛合金转子(型号:P60TiL),测 量间距均设定为1mm,实验温度由循环水浴温度控制系统保持在25 °C。不同比 率海藻酸钠/黄原胶混合体系的溶液粘弹性通过稳态剪切和小振幅动态频率扫描实 验来测定。样品首先经应力-应变扫描实验确定线性粘弹区范围,以保证小振幅动 态频率扫描实验在线性粘弹区进行。
线性粘弹区扫描:频率设定为1Hz,应变设定为0.1%?1000%。
稳态剪切扫描:剪切速率设定为0.01S-1?500 S-1,设定对数模式采集数据点。 小振幅动态频率扫描:测定体系的弹性储能模量(GO和粘性损耗模量(G〃) 随角频率ro的变化,扫描频率范围为0.1?100 rad*s-1,设定对数模式采集数据点。
26 
4.4实验结果与分析
4.4.1稳态剪切流变行为
图4-1.不同浓度黄原胶的稳态剪切粘度对剪切速率的依赖关系 Figure 4-1. Continuous shear viscosity profiles of xanthan at different
concentration.
图4-1显示了黄原胶在不同浓度下其剪切粘度对剪切速率的依赖关系。从图中 可看出黄原胶具有天然高分子典型低浓度高粘度的特性,此外,如图所示,随着 剪切速率的不断增大,黄原胶的粘度不断降低,表现出剪切变稀行为即假塑性行 为。例如:如图4-1所示,0.5%的黄原胶水溶液在剪切速率为0.01 s-1时其粘度为 99.7 Pa,而当剪切速率达到500 s-1时其粘度则降低至0.026 Pa。
随着浓度的不断增加,黄原胶溶液剪切粘度随剪切速率变化的程度亦增加。
其剪切稀化的程度由于浓度增加而随之加剧,从而表现出更强的假塑流体特性[90]。
图4-2显示了当海藻酸钠浓度保持在0.5%时,海藻酸钠/黄原胶混合体系在不 同黄原胶浓度下其稳态剪切粘度对剪切速率的依赖关系。从图中可以观察到混合 体系溶液的稳态剪切粘度随着黄原胶浓度的升高而增大,当混合体系中只有海藻 酸钠单独组分存在时,溶液在0.1?10 rad/s的剪切速率下表现为牛顿流体,其稳态 剪切粘度未受到剪切速率的影响,保持在0.03 Pa左右;当黄原胶浓度为0%?0.1% 时,混合体系的稳态剪切粘度随着黄原胶浓度的升高而增大,但混合体系的稳态
27
剪切粘度并未受到剪切速率的较大影响,其稳态剪切的趋势与海藻酸钠溶液类似, 在0.1?10 rad/s的剪切速率下仍表现为牛顿流体,且剪切粘度相对于0.5%的纯海藻 酸钠溶液来说未出现较大变化;当黄原胶浓度大于0.25%时,混合体系开始表现出 明显的剪切变稀行为,其稳态剪切曲线的趋势则更类似于黄原胶溶液,混合体系 的稳态剪切粘度相对于0.5%海藻酸钠溶液来说大大升高,且体系稳态剪切粘度随 着黄原胶浓度的增大而逐渐增大。
 
图4-2.海藻酸钠/黄原胶混合体系的稳态剪切粘度对剪切速率的依赖关系,其
中海藻酸钠浓度固定为0.5%
Figure 4-2. Steady shear viscosity profiles of alginate/xanthan mixtures containing 0.5% alginate and varying concentrations of xanthan.
图4-3显示了黄原胶在剪切速率为0.01s-1、0.1s-1、1s-1、10 s-1、100 s-1时其
稳态剪切粘度对浓度的依赖关系。由图中可看出,当黄原胶浓度小于1.5%时,溶 液的稳态剪切粘度随着黄原胶浓度的升高急剧增长;黄原胶浓度为2%时,溶液的 稳态剪切粘度随着黄原胶浓度的增大反之降低,此时溶液中的黄原胶分子已由各 向同性与各向异性共存的中间态转变为各向异性,说明液晶结构已经完全形成; 当黄原胶浓度高于2%时,随着溶液浓度不断升高,其稳态剪切粘度又出现小幅增 长,此时随着溶液内黄原胶分子的不断增加,分子之间的排斥作用增强,从而导 致粘度的小幅增长。随着剪切速率的逐渐增大,溶液粘度的最大值随之不断降低。
28 
 
 
 
 
图 4-3.黄原胶在剪切速率为(■) 0.01 s-S (▼) 0.1 s-S (▲) 1 s-1; (♦) 10 s-1;
(•) 100 s-1时浓度与稳态剪切粘度的依赖关系 Figure 4-3. The steady shear viscosity of xanthan with different concentration at (■) 0.01 s-1; (▼) 0.1 s-1; (▲) 1 s-1; (♦) 10 s-1; (•) 100 s-1 shear rate.
图4-4显示了海藻酸钠浓度保持在0.5%时的混合体系在不同剪切速率时稳态 剪切粘度对黄原胶浓度的依赖关系。与黄原胶溶液类似,当混合体系中黄原胶浓 度小于1.5°%时,其稳态剪切粘度急剧增大;当黄原胶浓度为2°%时,混合体系的稳 态剪切粘度出现下降趋势;当黄原胶浓度大于2%时,体系的稳态剪切粘度继续恢 复增长趋势。
29
 
图4-4.海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同剪切速率下黄原胶浓度与稳态剪切 粘度的依赖关系,其中(■) 0.01s-1; (▼) 0.1s-1; (▲) 1s-1; (♦) 10s-1; (•)
100 s-1表示不同剪切速率
Figure 4-4. The steady shear viscosity of mixtures containing 0.5% alginate and various concentrations of xanthan at(■) 0.01s-1;(▼) 0.1s-1;(▲) 1s-1;(♦) 10s-1;(•)
100 s-1 shear rate.
4.4.2动态流变行为
在进行小振幅动态频率扫描实验之前,对每个样品分别进行动态应力-应变扫 描,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,测定待测溶液的线性粘弹区,从而读取合适的应力值。图4-5显示了在线性粘 弹区内,海藻酸钠浓度固定为0.5%,黄原胶浓度不同时,混合体系的弹性储存模 量G'与粘性损耗模量G〃与角频率ro的依赖关系。从图中可看出,混合体系的弹性 储存模量G'与粘性损耗模量G〃随着角频率的升高而不断增大,另外,混合体系的 弹性储能模量和粘性损耗模量随着黄原胶浓度的增大而上升,是因为当混合体系 浓度增大时,溶液中链段密度升高,缠结点增多,使得溶液模量上升。
由第三章中海藻酸钠/黄原胶混合体系的二维相图(图3-3)可读出,当海藻酸 钠浓度固定在0.5%时,混合体系在黄原胶浓度为0.05%处可发生相分离现象;液 晶结构初步形成时,黄原胶浓度大约在0.5%附近。从图4-5中可看到,当黄原胶 浓度小于0.025°%时(此时海藻酸钠与黄原胶在相图中处于相容区),混合体系的弹 性储存模量G'值小于粘性损耗模量G〃值,且G'的增长速率远远大于G〃,混合体
30
系的动态频率扫描曲线表现出典型的液体粘弹性特征;当黄原胶浓度处于 0.05%?0.5%时(此时海藻酸钠与黄原胶在相图中处于相分离区),混合体系的弹性 储存模量G'值仍小于粘性损耗模量G〃值,但是G'的增长速率与G〃基本相同;当 黄原胶浓度大于0.5°%时(此时海藻酸钠与黄原胶在相图中处于液晶区),混合体系 的弹性储能模量G'值大于粘性损耗模量G〃值,说明混合体系中黄原胶浓度高于 0.5%的临界浓度时,棒状刚性的黄原胶分子排列致密有序,导致液晶结构形成, 此时体系的动态扫描曲线表现出典型的凝胶特征。
 
图4-5.海藻酸钠/黄原胶混合体系在25 °C的弹性储存模量G'与粘性损耗模量
G〃对角频率ra的依赖关系,其中海藻酸钠浓度固定为0.5%
Figure 4-5. The angular frequency dependence of stroge (G') and loss (G") moduli for mixtures containing 0.5% alginate and various concentrations of xanthan at 25 oC.
图4-6说明了纯黄原胶溶液和海藻酸钠/黄原胶混合体系的弹性储能模量与粘 性损耗模量对角频率ra的依赖关系,两者的动态模量皆随着角频率的增大而增大。 图4-6 (a)显示了黄原胶浓度固定为0.05%,海藻酸钠浓度分别为0%和0.5%体系 的弹性模量与粘性模量随角频率的变化趋势。从图中可看出,混合体系的弹性储 能模量和粘性损耗模量皆大于纯黄原胶溶液的动态模量,这是因为海藻酸钠的存 在使得混合体系具有浓度上的优势。0.05%的纯黄原胶溶液在低频区域内其G'值小 于G〃,当角频率高于36 rad/s时G'值大于G〃;而混合体系由于海藻酸钠的存在, 其G'值始终小于G",从相图(图3-3)可知,混合体系在此浓度时处于相分离发 生的临界浓度。图4-6 (b)显示了黄原胶浓度固定为0.5%,海藻酸钠浓度分别为 0%和0.5%体系的弹性模量与粘性模量随角频率的变化趋势。可以看出,此浓度下 的纯黄原胶溶液的储能模量和损耗模量明显大于混合体系。 0.5%的纯黄原胶溶液 的储能模量G'值始终大于损耗模量G〃值,溶液表现出明显的弹性特征;而混合体
31
系的储能模量G'值始终小于损耗模量G〃,这是由于此浓度下混合体系中液晶态刚 刚生成,且由于海藻酸钠的线性柔软分子特性,使得体系中粘性损耗模量为主导。
 
图4-6.黄原胶溶液与海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同黄原胶浓度下的动态模 量对角频率ro的依赖关系:a. (•) 0.05%黄原胶,(■) 0.5%海藻酸钠:0.05%黄 原胶混合体系;b. (•) 0.5%黄原胶,(■) 0.5%海藻酸钠:0.5%黄原胶混合体 系;c. (•) 1%黄原胶,(■) 0.5%海藻酸钠:1%黄原胶混合体系;d. (•) 2% 黄原胶,(■) 0.5%海藻酸钠:2%黄原胶混合体系.
Figure 4-6. The elastic modulus of pure xanthan and mixtures containing 0.5% sodium alginate and varying amounts of xanthan gum.
图4-6 (c)显示了黄原胶浓度固定为1%,海藻酸钠浓度分别为0%和0.5%体 系的弹性模量与粘性模量随角频率的变化趋势。两者的储能模量G'值皆大于损耗 模量G〃,由于黄原胶浓度的增大,混合体系中黄原胶取代了海藻酸钠成为连续相, 海藻酸钠成为分散相,因此混合体系在此浓度下表现出明显的弹性特征。图4-6(d) 显示了黄原胶浓度固定为2%,海藻酸钠浓度分别为0%和0.5%体系的弹性模量与 粘性模量随角频率的变化趋势。由于海藻酸钠的富集作用,此时混合体系中已经
32
形成了致密的液晶结构,而纯黄原胶溶液在浓度为2%时,液晶态的形成才刚刚开 始。
图4-7显示了不同黄原胶浓度下,海藻酸钠浓度保持为0.5%的混合体系在角频 率为10 rad/s时弹性储能模量G'与损耗角tan5 (其中tan5=G〃(ra)/G'(ra))的变化趋
势。当黄原胶浓度为0%?0.025%时,储能模量G'出现急剧上升趋势,损耗角tan5 相应的呈现急剧下降趋势,此时混合体系处于相容状态;当黄原胶浓度为 0.025°%?0.5°%时,混合体系中海藻酸钠与黄原胶发生了相分离,储能模量G'的上升 趋势逐渐趋于平缓,且储能模量G'与损耗角tan5在Cx=0.5%处出现交叉点;当黄 原胶浓度大于0.5%时,混合体系中黄原胶逐渐形成了溶致液晶态,其储能模量G' 与损耗角tan5值逐渐趋于平缓,在相图3-3中亦可得到对应。
 
图4-7.海藻酸钠/黄原胶混合体系在角频率为10rad/s时,动态储能模量与损耗 角对黄原胶浓度的依赖关系,其中(•)表示动态储能模量G',(■)表示损耗角
tanS
Figure 4-7. The viscoelastic profile of mixtures of 0.5% alginate with varying concentration of xanthan at angular frequency of 10 rad/s.
图4-8分别显示了纯黄原胶溶液和海藻酸钠/黄原胶混合溶液在不同角频率时 动态复合粘度n*对黄原胶浓度的依赖关系,为了便于比较,大家只选取了具有代 表性的三个角频率值。图4-8 (a)显示了纯黄原胶溶液在角频率为1 rad/s、10 rad/s、 100 rad/s时动态复合粘度随溶液浓度的变化趋势,图4-8 (b)显示了当海藻酸钠 浓度保持在0.5%时混合体系在角频率为1 rad/s、10 rad/s、100 rad/s时动态复合粘
33
10'2
101
oo
(sed)v
 
0123401234
Xanthan Concentration (w/w % )Xanthan Concentration (w/w % )
图4-8.海藻酸钠/黄原胶混合体系在角频率为(■) 1 rad/s (▲) 10 rad/s (•) 100 rad/s时动态复合粘度对黄原胶浓度的依赖关系 Figure 4-8. The dynamic complex viscosity of mixtures containing 0.5% alginate and various concentrations of xanthan at (■) 1 rad/s; (▲) 10 rad/s; (•) 100 rad/s
frequency.
度随体系中黄原胶浓度的变化趋势。
如图所示,无论是纯黄原胶溶液还是海藻酸钠/黄原胶混合溶液,其动态复合 粘度n*都随着角频率的增大而降低,角频率为1 rad/s时的复合粘度值最大,角频 率为100 rad/s时的复合粘度值最小。此外,纯黄原胶溶液的动态复合粘度变化趋 势与海藻酸钠/黄原胶混合体系大体相同,但是由于海藻酸钠的添加又使两者有着 较为明显的区别。动态复合粘度的变化可分为三个阶段:(1)在溶液浓度较低时, 动态复合粘度都出现了一个急速增长的趋势,在纯海藻酸钠溶液中,这个浓度范 围为1%以下,而海藻酸钠/黄原胶混合体系中黄原胶的此浓度范围则为0.5%以下;
(2)—定黄原胶浓度时动态复合粘度会出现一个峰值,图4-8 (a)中,出现峰值 时纯黄原胶浓度为1.5%,图4-8 (b)中,出现峰值时混合体系中黄原胶浓度为1%;
(3)在峰值出现以后动态复合粘度显示出先降低后升高的趋势,复合粘度值出现 了一个峰谷值,在图4-8 (a)中,出现峰谷值时纯黄原胶浓度为2%,图4-8 (b) 中,出现峰谷时混合体系中黄原胶浓度则为1.5%。
在动态复合粘度变化的第一阶段中,图4-8 (a)显示纯黄原胶溶液浓度为
34
0.01%?1%,其分子状态呈现出各向同性[91];图4-8 (b)显示混合体系中黄原胶浓 度为0.01%?0.5%,从相图(图3-3)中可知此时混合体系处于相分离区,且海藻 酸钠因其浓度优势以及柔软的线性分子结构为连续相,黄原胶为分散相。在复合 粘度变化的第二阶段中,图4-8 (a)显示纯黄原胶溶液浓度为1%?1.5%,其分子 状态为各向同性与各向异性同时存在的中间态[91],说明液晶结构已经开始生长;
图4-8 (b)显示混合体系中黄原胶浓度为0.5%?1%,从相图与偏光显微镜照片中 得知,当黄原胶浓度为0.5%时,混合体系处于液晶结构生成的临界状态。在动态 复合粘度变化的第三阶段,图4-8 (a)显示纯黄原胶溶液浓度大于2%,此时黄原 胶已经出现明显的溶致液晶现象,其分子状态呈现典型的各向异性,从偏光显微 镜中也可看出液晶态的各向异性所引起的双折射现象;图4-8 (b)显示混合体系 中黄原胶溶液浓度大于1.5%,从相图中读出此时混合体系处在液晶区,偏光显微 镜照片亦显示此时混合体系中出现了明显的液晶态典型双折射现象。通过图4-8(a) 与4-8 (b)的比较可知,海藻酸钠的添加使黄原胶在混合体系中的实际浓度升高, 加速了液晶现象的出现。
4.4.3海藻酸钠/黄原胶混合体系稳态剪切粘度与复合粘度的比较
为了更好地验证黄原胶浓度对混合体系相转变的影响,图4-9显示了海藻酸钠 保持在0.5%时混合体系的稳态剪切粘度与动态复合粘度值的比较,考察两者是否 符合Cox-Merz经验关系式。其中稳态剪切粘度通过稳态剪切试验获得,动态复合 粘度通过小振幅动态频率扫描实验获得。当黄原胶浓度为0%、0.01%、0.025%时, 剪切粘度n值与动态复合粘度n*值基本一致,此时稳态剪切粘度与动态复合粘度 的关系符合Cox-Merz经验关系式,说明此时混合体系内部尚未形成有序结构;当 黄原胶浓度为0.05%时,动态复合粘度n*值大于剪切粘度n值,这是由于黄原胶 浓度为0.05%时,混合溶液出现了相分离现象;当黄原胶浓度为0.1%、0.25%、0.5% 时,在低剪切速率/角频率下,动态复合粘度n*值大于剪切粘度n值,在高剪切速 率/角频率下,动态复合粘度n*值小于剪切粘度n值,Cox-Merz关系式的偏离说 明了混合体系中有新的结构生成;当黄原胶浓度增大到1%时,动态复合粘度n* 值大于剪切粘度n值,可能是由于混合体系中形成了较为致密的液晶结构,样品 在稳态剪切试验中因黄原胶排列整齐的棒状刚性分子之间发生滑移,导致了剪切 粘度远远低于振荡模式下的复合粘度。
35 
102
10° :
10 ‘
9. 0.5% Alginate+Xanthan:b. Solid (■)-/?*
 C^0.1%104-• • • • Open {n)-q
-
-
;
;
*^102 :a-2
a~2■****“……C=0.5%
C -0.025% 二i
]a-1 C-0.01%”。3 Ct-0.25°/〇
:a=0 0t-0%
F 1 1 1 1 1 11II 1JC =0.1%
10° 10’ 102 Y, to ( s , rad/s )
10°
10’ 102 Y,to f s' , rad/s)
图4-9.海藻酸钠/黄原胶混合体系的稳态剪切粘度n (空心点)与复合粘度n* (实心点)比较,数据分别被平移了 10Q以避免重合,a值在图中已标示出。
Figure 4-9. Comparison of the complex viscosity n* (solid symbol) and the shear viscosity n (open symbol) as functions of frequency © and shear rate y for the mixture of 0.5% alginate in the presence of xanthan with different concentrations. Cx represent xanthan concentration in the mixture. The data have been vertically shifted by 10a with
a to avoid overlapping.
4.5本章小结
本章主要采用流变学手段,利用稳态剪切实验及小振幅动态频率扫描实验,研 究了海藻酸钠浓度保持在0.5%时的混合体系及纯黄原胶溶液的流变特性,很好的 说明了海藻酸钠/黄原胶的相行为对混合体系流变性质的影响。
(1)海藻酸钠/黄原胶混合体系溶液的稳态剪切粘度,随着黄原胶浓度的升高而增 大,且表现出剪切变稀行为。
(2)通过小振幅动态频率扫描实验可知,在线性粘弹区内,海藻酸钠浓度固定在 0.5%,黄原胶浓度不同时的混合体系的弹性储存模量G'值与粘性损耗模量G〃值随 着角频率的升高而不断增大。此外,混合体系的弹性储能模量和粘性损耗模量随 着黄原胶浓度的增大而上升,这是因为当混合体系浓度增大时,溶液中链段密度 升高,缠结点增多,使得溶液模量上升。
(3)为了更好地验证黄原胶浓度对混合体系相转变的影响,将混合体系的稳态剪
36 
切粘度与动态复合粘度进行比较,当黄原胶浓度为〇%、0.01%、0.025%时,剪切 粘度n值与动态复合粘度n*值基本一致,此时稳态剪切粘度与动态复合粘度的关 系符合Cox-Merz经验关系式;当黄原胶浓度为0.1%、0.25%、0.5%时,在低剪切
速率/角频率下,复合粘度n*值大于剪切粘度n值,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,在高剪切速率/角频率下,动态 复合粘度n*值小于剪切粘度n值,Cox-Merz关系式的偏离说明了混合体系中有新 的结构生成;当黄原胶浓度增大到1%时,动态复合粘度n*值大于剪切粘度n值, 可能是由于混合体系中形成了较为致密的液晶结构的缘故。
37
第5章钙离子诱导下海藻酸钠/黄原胶混合体系 的凝胶动力学及临界凝胶行为研究
5.1引言
凝胶是高分子三维网络与溶剂构成的多元体系,凝胶化(gelation)是指体系 从分子分散状态向形成贯穿整个体系的无限大三维网络转变的过程[70]。凝胶化转 变的实质是体系中出现分子量无限大的三维高分子网络,导致产生无限长的松弛 时间,溶液的粘度变得无限大,开始出现平衡模量[70]。目前,描述凝胶化转变的 理论包括Flory和Stockmayer建立的支化理论、de Gennes和Stauffer提出的逾渗 模型等。Winter和Chambon以共价键交联化学凝胶为研究对象,建立了以体系粘 弹性为标尺、描述凝胶临界化行为的Winter-Chambon准则[71~72]。Muthukumar等 人提出了有关临界凝胶结构的分形维数概念,建立了不同条件下松弛临界指数与 分形维数之间的定量关系[73]。
海藻酸钠/黄原胶混合体系近年来引起了人们的极大兴趣,主要是因为该混合 体系可用于开发新型的响应性的胃食管反流疾病制剂。这正是利用了混合体系多 种相行为(如相分离、液晶)耦合所引起的粘弹性变化来实现对胃食管反流的控 制。鉴于胃液环境中会出现钙离子或氢离子诱导的凝胶化,研究海藻酸钠/黄原胶 混合体系多种相行为耦合(如相容、相分离、液晶、凝胶化)及其对凝胶化过程 和凝胶化临界行为的影响,对引导胃食管反流疾病制剂的开发和应用具有重要的 引导意义。
本章利用海藻酸钠/黄原胶混合体系,考察了相分离、液晶转变对钙离子诱导 的凝胶动力学以及凝胶化过程的影响,特别是对凝胶化临界行为的影响,研究结 果有助于完善复杂相行为耦合下的物理凝胶化理论。
5.2实验材料与仪器设备
5.2.1材料与试剂
挪威 FMC Biopolymer 企业 美国CP Kelco企业
海藻酸钠(Sodium Alginate)
黄原胶(Xanthan Gum )
38
乙二胺四乙酸(EDTA)分析纯
美国 Sigma-Aldrich 企业 美国 Sigma-Aldrich 企业 美国 Sigma-Aldrich 企业
二水合氯化钙(CaCb*2H2〇)分析纯
葡萄糖酸内酯(GDL)分析纯
5 2.2仪器与设备
SRT-202滚轴混合器 DELTA320 型 pH 计 EL204型电子天平 Direct Q3型超纯水机
XH-B型旋涡混合器
Haake RheoStress6000 旋转流变仪
美国 Thermo Fisher Scientific 企业
江苏海门市其林贝尔仪器制造有限企业 瑞士梅特勒-托利多企业 瑞士 Mettler-Toledo仪器(上海)有限企业
美国 Merck Millipore 企业
江苏康健医疗用品有限企业
5.3实验方法
5.3.1钙离子缓释凝胶的制备
由于溶液中游离钙离子能与海藻酸钠中的G嵌段(古洛糖醛酸)发生螯合作 用而形成凝胶,因此使用CaCl2等可溶性钙源可使混合体系迅速凝胶,但这种凝胶 往往由于凝胶速度过快而造成凝胶不均一。为了使混合体系凝胶达到均一,且更 好的监测混合体系凝胶动力学及临界凝胶行为,本文采用了 Ca-EDTA作为钙源, 利用葡萄糖酸内酯(GDL)降低溶液的pH值,使Ca-EDTA中的Ca2+逐步缓释[92]。 随着溶液pH值的降低,Ca-EDTA对于钙离子的螯合能力也在不断下降。文献中 已有报道,当溶液pH值为7时,溶液中没有游离钙离子,所有钙离子被EDTA完 全螯合;当溶液pH值为4时,EDTA中的钙离子被完全释放,从而达到缓释目的
[92]
5.3.1.1 Ca-EDTA缓释钙离子标准曲线的绘制
称取一定量的EDTA及CaCl2 • 2H2O溶于去离子水中,用NaOH将溶液pH 调至7,定容,使得Ca-EDTA终浓度为7.5 mM,留待备用。
本文中定义R为GDL与Ca-EDTA摩尔浓度的比值,即R=[GDL]/[Ca-EDTA], 称取不同量的GDL分别加入配制好的7.5 mM Ca-EDTA溶液中搅拌均匀,以使其 充分反应,静置6小时,分别测定溶液的pH值。
图5-1显示了不同剂量GDL对初始pH为7,浓度为7.5 mM的Ca-EDTA溶
39
液pH值的影响。将不同R值所对应pH值的数据点进行拟合,得到校准曲线:
Y = 5.227 - 1.135x + 0.459x2 -0.1x3 + 0.008x4
 
图5-1.浓度为7.5 mM的Ca-EDTA溶液中GDL剂量对pH值的校准曲线 Figure 5-1. Final pH of Ca-EDTA solution as a function R (GDL/Ca-EDTA).
从拟合曲线中可计算出,欲使7.5 mM Ca-EDTA溶液在6小时后pH值达到4.0, R值应为[GDL]/[Ca-EDTA]=2.533,从而可计算出此时GDL应添加的剂量为19 mM。在凝胶动力学实验中,向初始pH为7.0、浓度为7.5 mM的Ca-EDTA溶液
中加入19 mM GDL粉末,6小时后可使溶液pH值降低到4,使得钙离子完全释 放,从而达到缓释目的。
5.3.1.2样品制备
母液配制:称取一定量的海藻酸钠粉末溶于去离子水中,使其终浓度为2°%, 放置于滚轴混合器上摇匀,使其充分溶解,留作母液待用。
称取一定量的黄原胶粉末溶于去离子水中,使其终浓度为2%,放置于滚轴混 合器上摇匀,使其充分溶解,留作母液待用。
保持海藻酸钠终浓度为CA=0.5°%,改变黄原胶终浓度:0.01°%,0.02%,0.03%, 0.04%,0.05%,0.075%,0.1%,0.2%,0.25%,0.3%,0.4%,0.5%,0.75%,1%。 将混合溶液放置于滚轴混合器上过夜摇匀,使其充分混合,留待备用。
40
5.3.2临界凝胶行为实验钙离子缓释凝胶的制备
利用钙离子诱导海藻酸钠/黄原胶混合体系水溶液的凝胶化,用/表示钙离子 与海藻酸钠中羧基的摩尔浓度比
f [COff-]
Ca-EDTA的浓度根据所需的/值来决定,固定[Ca-EDTA]/[GDL]=0.395。标定 实验表明[Ca-EDTA]/[GDL]=0.395可保证体系最终pH为4.0,以使Ca-EDTA完全
释放钙离子。
将海藻酸钠母液与黄原胶母液按一定的比例混合摇匀3小时,加入一定浓度 的Ca-EDTA溶液和GDL粉末,保持海藻酸钠的终浓度为0.5%,黄原胶的终浓度 为:0%,0.02%,0.2%,0.5%,1%。加入Ca-EDTA溶液和GDL粉末后,将样品
快速搅拌均匀,静置24小时后进行动态流变测试。
5 3.3流变学实验
本章流变实验均在Haake RheoStress6000旋转流变仪上进行,采用直径为60
mm平板钛合金转子(型号:P60TiL),测量间距为1mm。为防止凝胶形成后转 子表面打滑影响测量结果,本章所有实验均对转子表面做了防滑处理。实验温度 由循环水浴温度控制器控制在25 °C。
5 3.3.1凝胶动力学
将配制好的混合溶液中加入等体积的Ca-EDTA溶液,充分摇匀后加入GDL粉 末并开始计时,磁力搅拌1分钟后迅速加样至流变仪夹具上并开始监测。
通过小振幅动态时间扫描来监测海藻酸钠/黄原胶混合体系的钙离子凝胶过 程,实验频率设定为1Hz,应力设定为0.5 Pa,扫描时间6小时,设定采集数据点 720个(每30秒采点一次)。
5 3.3.2临界凝胶行为
不同/值的海藻酸钠/黄原胶溶液/凝胶体系的粘弹性通过小振幅动态频率扫描 和应力松弛实验测定。样品配制后静置24小时,通过应力-应变扫描实验确定线性 粘弹区范围,保证小振幅动态频率扫描和应力松她实验在线性粘弹区进行。
小振幅动态频率扫描测定体系的弹性储能模量(GO和粘性损耗模量(G〃)
随角频率ro的变化,扫描频率范围为0.1?100 rad/s,应力设定值从线性粘弹区内读
41
取。
应力松弛实验中,施加固定的剪切应变,测量松弛模量G (t)随时间t的变 化,松弛时间设定为20 s。
5.4实验结果与分析
5.4.1钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混合体系凝胶动力学
图5-2显示了小振幅动态时间扫描实验中,钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混 合体系在不同浓度黄原胶时的弹性储存模量G'与粘性损耗模量G 〃对时间的依赖关 系。从图中可以看出随着时间的增长,溶液中的pH值在GDL的酸化下不断降低, 使得Ca-EDTA中的钙离子逐步释放完全,混合体系的弹性储存模量G'与粘性损耗 模量G〃呈现上升趋势并逐步达到平衡。
从图5-2 (a) 5-2 (b)和5-2 (c)中可看出,当混合体系中黄原胶浓度为0%、 0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.075%、0.1%、0.2%时,反应初 始阶段弹性储能模量G'和粘性损耗模量G〃都处在较低水平,且G'<G〃;相应的, 由于体系pH值不断降低,混合体系中的游离钙离子不断增加,使得凝胶网状结构 迅速生成,弹性储能模量G'和粘性损耗模量G〃出现了急剧增长;由于海藻酸钠中 G嵌段(古洛糖醛酸)与钙离子的螯合作用,使得混合体系凝胶强度不断增大, 弹性储能模量G'的增速要远远大于粘性损耗模量G〃的增速。在经历急剧增长过程 后,混合体系中的钙离子逐渐释放完全,凝胶网络结构的生长不断完善,弹性储 能模量G'与粘性损耗模量G〃增长趋于稳定并逐渐达到平衡。在图5-2 (d)中,当 黄原胶浓度为0.25%、0.3%、0.4%、0.5%、0.75%、1%时,由于混合体系中黄原 胶浓度较高,弹性储能模量G'的初始值大于粘性损耗模量G〃,由于钙离子与海藻 酸钠的螯合作用,使得混合体系凝胶强度不断增强,因此弹性储能模量G'的增速 要远远大于粘性损耗模量G〃。
一般来说,通常会将弹性储能模量G'与粘性损耗模量G 〃的交点 (tan5=G〃/G'=1)定义为凝胶点[30],但是在本文中由于混合体系中黄原胶浓度大于 0.25%时,体系的初始弹性储能模量G'大于粘性损耗模量G〃且没有交叉点,因此 本文中不使用此法来定义凝胶点。为了准确定义凝胶点的发生时间,大家将弹性 储能模量G,曲线取微分值dG7dt,定义dG7dt最大负值处为凝胶点[93]。对于混合 体系来说,弹性储能模量G'的变化可划分为三个区域,当反应时间t<3000s时, G'出现一个短暂的平台区,此时G'<G〃;当反应时间3000s彡t彡15000s时,弹性
42
储能模量G'迅速变大,这可能是因为三维凝胶网络结构的不断生成,凝胶点的发 生时间就在这一区域中,黄原胶浓度的不断升高使得凝胶点出现的时间逐渐提前。 当反应时间t>15000s时,整个凝胶过程已趋于平衡状态,弹性储能模量G'与粘性 损耗模量值G〃趋于稳定,在混合体系中随着黄原胶浓度的增大,弹性储能模量G' 的最终平衡值也呈现出增大的趋势。
在有限空间内,混合体系中的黄原胶浓度升高可以增大多糖功能基团相互作 用的机会,当混合体系浓度增大时,同时引起分子间的物理交联和化学交联作用。 物理交联对于多糖浓度的依赖性主要是因为一些二级作用力,如氢键、分子链缠 结等,这些二级作用力又强化了由物理交联形成的分子间结构。
 
图5-2.钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混合体系在25 °C条件下凝胶模量对时间的
依赖关系,海藻酸钠浓度保持在0.5%,GDL用量为19 mM Figure 5-2. Time dependence of G( and G" during Ca2+-induced gelation of alginate/xanthan mixtures. Concentration of sodium alginate and glucono-5-lactone were fixed at 0.5% and 19 mM, respectively.
图5-3显示了海藻酸钠浓度固定为0.5%,黄原胶浓度不同的混合体系,通
43
过小振幅动态时间扫描所测得的最终弹性储能模量G'与粘性损耗模量值G〃值。 由图中可看出,随着黄原胶浓度在混合体系中的不断增加,弹性储能模量G'在 一段平台区后出现迅速增长的趋势,粘性损耗模量G〃则随着黄原胶浓度增长而呈 现出稳定的缓慢增长趋势。当黄原胶浓度处在0%?0.5%时,弹性储能模量基本 维持在50 Pa左右,当黄原胶浓度大于0.5%时,弹性储能模量出现大幅增长,
G'值最大达到122 Pa,而粘性损耗模量则由最初始的1.43 Pa增长到15.9 Pa,说明 了混合体系在凝胶形成后,体系主要表现出弹性特征,且从相图3-3中可以看出, 当黄原胶浓度为0.5%时,混合体系中出现了液晶现象,可知液晶结构的形成对弹 性储能模量G'有较大影响,而粘性损耗模量G〃则只受黄原胶浓度的影响,液晶结 构的形成对其影响不大。
 
图5-3.海藻酸钠/黄原胶混合体系钙离子凝胶在25 °C下扫描6小时的储能模量 (■)与损耗模量值(•),混合体系中海藻酸钠浓度保持在0.5%,黄原胶浓 度逐渐增加,GDL加入量为19 mM.
Figure 5-3. Time dependence of G' and G〃 as a function of xanthan concentration for alginate/xanthan mixed gel formed after incubration at 25oC for 6 h. Concentration of sodium alginate and glucono-delta-lactone were fixed at 0.5% and 19 mM,
respectively.
图5-4显示了黄原胶浓度的变化对混合体系凝胶结构形成所需时间的影响。 当黄原胶浓度为0%?0.05%时,混合体系的凝胶形成时长迅速下降,此时从相 图3-3中可读出,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,海藻酸钠与此浓度的黄原胶处于相容区;当黄原胶浓度为 0.05%?0.3%时,凝胶点出现了一个平台区,此时海藻酸钠与黄原胶已经发生相
44
分离;而黄原胶浓度为0.3%?0.5%时,海藻酸钠与黄原胶已经初步形成液晶结 构,混合体系凝胶形成所需时间迅速减小;当黄原胶浓度为0.5%?1%时,凝胶 点时间迅速上升,这可能是因为液晶结构生长更加致密的缘故。
 
图5-4.海藻酸钠/黄原胶混合体系钙离子凝胶形成时间与黄原胶浓度的依赖关
Figure 5-4. Gelation time of 0.5% alginate/xanthan mixtures. Vertical dashed lines indicate the phase boundary of miscible, phase separation and liquid crystal
formation.
5.4.2钙离子诱导下海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界凝胶行为
5.4.2.1钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混合体系的溶胶-凝胶转变
通过小振幅动态流变实验跟踪了海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同/值下的粘 弹性变化。图5-5 (a)显示了 0.5%海藻酸钠纯溶液在不同/值下G'和G〃的角频率 ro依赖性。图5-5 (b)示例了一个典型混合体系(0.5%海藻酸钠/0.02%黄原胶) 在不同/值下G'和G〃的ra依赖性。可以看出,/值较小时,在低频区G'<G〃,在 高频区G'>G〃,这是典型粘弹性液体的特征行为[94]。此时,虽然海藻酸钠与钙离 子发生络合、交联作用,分子尺寸增大,但钙离子添加量较少,三维凝胶结构尚 未形成。当/达到某一个临界值,G'平行于G〃。随着/值的进一步增大,G'与G〃 再度出现交叉,但是在低频区G'>G〃,在高频区G'<G〃,这是橡胶状弹性体的特性 行为[95]。此时,钙离子的添加量足以交联海藻酸钠分子,形成贯穿整个体系的无 限大三维网络结构,动态模量中弹性的贡献已经超过了粘性的贡献。高频区G'<G〃
45
的现象在Lu等人的研究中也有报道[94],可能原因包括:(1)凝胶结构在高频区破 坏,导致粘性贡献增加;(2)局部分子链段或凝胶次级结构在高频区发生松弛, 导致能量损耗,粘性增加。
 
图5-5.海藻酸钠/黄原胶混合溶液在不同/值下粘弹性变化:(a) 0.5%海藻酸 钠的动态模量值;(b) 0.5%海藻酸钠/0.02%黄原胶的动态模量值;(c) 0.5%海藻 酸钠在不同f值下的tan5变化;(d) 0.5°%海藻酸钠/0.02°%黄原胶不同f值下的tan5
变化
Figure 5-5. Angular frequency © dependence of storage modulus G,(solid symbol) and loss modulus G"(open symbol) for 0.5% alginate (a) and 0.5% alginate/0.02% xanthan (b) with different f values. The data have been vertically shifted by a factor of 10a to avoid overlapping. The corresponding plots of tanS against f at different angular frequencies © are presented in (c) and (d), respectively.
46
Winter和Chambon仔细研究了化学交联凝胶在凝胶化过程中粘弹性的变化 [71~72],发现在临界凝胶点时,储能模量G'和损耗模量G〃与角频率ro有如下关系
G'~G"^rnn(1)
同时,损耗角的正切值tan5为
tan5=G’(ro)/G"(ro)=tan(nn/2),n 为临界指数。(2)
方程(1)和(2)说明在临界凝胶点G'和G"具有相同的角频率依赖性,在双 对数图上互相平行,同时tan5在临界凝胶点失去角频率依赖性,不同角频率下的 tan5交汇于一点。虽然Winter-Chambon准则是基于化学凝胶建立起来的半经验公 式,但大量研究表明它同样可适用于物理凝胶[96]。根据Winter-Chambon准则中G' 和G"的平行关系,可判断0.5°%的海藻酸钠的临界凝胶点在/gd =0.10,见图5-5 (a); 0.5%海藻酸钠/0.02°%黄原胶的/gd=0.09,见图5-5 (b)。图5-5 (c)和图5-5 (d) 为这两个代表性体系在不同角频率下tan5随/的变化图。tan5值分别交汇于/gel =0.101和0.094,与前述方法确定的临界凝胶点一致,说明Winter-Chambon准则 适用于钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶凝胶化过程。
 
图5-6.海藻酸钠/黄原胶混合溶液的临界凝胶点/gel随黄原胶浓度的变化趋势 Figure 5-6. Plot of critical gel point /gel as a function of xanthan concentration Cx for the gelation of alginate/xanthan mixtures at a fixed alginate concentration of 0.5%.
以此类推,可求得海藻酸钠浓度为0.5%,不同黄原胶添加量Cx下的/gel值, 见表2和图5-6。表5-1也给出了一组文献报道的纯海藻酸钠MLGH的临界凝胶参 数[94,97]。MLGH与本研究中所用海藻酸钠具有相近的分子参数:Mw=6.20X105、
47
FG =0.62。当 Cx=0 (即纯海藻酸钠),/gel 为 0.101,接近于 2% MLGH 的/ge尸0.098。 当Cx=0.02%(相容区),/gd为0.094,与纯海藻酸钠的/gd无明显差别。当Cx>0.02%, /gel陡然降低至0.03附近。该降低与相分离出现在同一浓度区间,推测可能由相分 离所引起。当Cx>0.5%,/gel转为上升趋势,这与液晶的形成同步。对于海藻酸钠/ 黄原胶混合溶液,伴随着相分离的发生,出现不同的微相区域。由于相分离的富 集作用,导致海藻酸钠富集相的有效浓度显著提高,因此更容易形成贯穿整个体 系的三维凝胶网络结构,导致临界凝胶点所需的钙离子浓度减少,/gel显著降低。 在海藻酸钠纯溶液的凝胶化过程中,Lu等人发现/gel随着海藻酸钠浓度的升高而降 低[98]。当液晶形成时,混合体系中出现明显的绞股状纹理结构(如图3-2所示), 该液晶结构可能会影响凝胶过程中海藻酸钠三维网络结构的形成,因此临界凝胶 点所需的钙离子浓度增加,导致/gel升高。
Table 5-1.海藻酸钠/黄原胶混合体系临界凝胶参数
海藻酸钠浓度黄原胶浓度相行为/gelnwn
0.50.00相容0.1010.6610.645
0.50.02相容0.0940.6240.601
0.50.20相分离0.0300.4710.370
0.50.50相分离0.0290.4300.290
0.51.00液晶形成0.0430.4480.347
2% MLGH *0.00N/A0.0980.7200.630
*文献数据[94’97]
注:表中所使用浓度均为质量百分数
5 4.2.2钙离子诱导的海藻酸钠与黄原胶混合体系的凝胶化临界行为
Winter和Chambon准则的建立是基于下述普适的凝胶化临界状态松弛模量G (t):
G (t) =St -n(3)
其中S是凝胶刚性,n为临界指数。如图6所示,在临界凝胶点附近,不同的海藻 酸钠/黄原胶混合溶液G (t)与t在双对数坐标中具有近似线性关系,说明这些临 界凝胶符合普适的松弛模量方程。通过方程(2)和方程(3),即图5-5中tan5的 交汇点以及图5-7中直线的斜率,可求得松弛临界指数,分别标记为,和《r (见 表5-1)。图5-8比较了,和^以及它们随黄原胶浓度Cx的变化趋势。在相容区,
48
(ed)so
 
即Cx=0和0.02%,两种方法计算的松弛临界指数基本一致,说明相容区海藻酸钠/ 黄原胶混合体系的临界凝胶结构具有自相似性[97]。在相分离和液晶区,即 Cx>0.02%,,与nr明显有较大差别,且nw>nr,说明临界凝胶不具备自相似的分 形结构[97]。这可能是在相分离和液晶区,由于相分离微相结构和液晶相结构的出 现,使整个临界凝胶体系失去了自相似结构。另一方面,这些异相结构有可能阻 碍凝胶化过程的随机交联,扰乱了自相似凝胶分形结构的生长。Lu等人[40,94,97~98] 研究了不同分子量、不同M/G含量以及不同浓度海藻酸钠的凝胶化临界行为,发 现,与nr基本相等,说明不论分子参数和浓度,纯海藻酸钠临界凝胶普遍具有自 相似结构。当引入黄原胶时,这种结构自相似性在相容区得到了保留,而在相分 离和液晶区被破坏。
图5-7.海藻酸钠/黄原胶混合体系在临界凝胶点附件的松弛模量G (t)与时间t的 关系,体系中海藻酸钠浓度保持在0.5%,黄原胶浓度为0%、0.02%、0.2%、0.5%、
1%.
Figure 5-7. Time dependence of relaxation modulus G(t) for different alginate/xanthan mixtures in the proximity of critical gel points. The alginate concentration was fixed at 0.5% and the xanthan concentration was varied.
随着黄原胶浓度Cx的升高,,和W先急剧降低后略微升高,分别对应于相分 离和液晶的出现,暗示临界凝胶结构的空间排列随不同相行为的出现,发生明显 改变[98],这可在分形维数的讨论中得到更直观的体现。此外,对于所有体系,n
49
和W都低于逾渗模型预测的0.71,表明凝胶结构的生长不具有完全随机的特性[94]。 纯海藻酸钠的临界指数《w和W会随分子量、M/G含量和海藻酸钠浓度的不同而改 变,但总体上在0.80-0.30之间变化[40,94,97?98]。海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界指 数处于同一数值范围。
 
图5-8.海藻酸钠/黄原胶混合体系的松弛临界指数,(■)和W (▲)随黄原胶浓
度变化的趋势
Figure 5-8. Change of relaxation critical exponent nw (■)and nr (▲) as a function of xanthan concentration Cx for alginate/xanthan mixtures at critical gel points. The alginate concentration was fixed at 0.5% and xanthan concentration was varied.
5 4.2.3海藻酸钠/黄原胶混合体系临界凝胶的分形维数
Muthukumar研究了多分散体系的凝胶化过程[99],指出当流体力学相互作用被 完全屏蔽而排斥体积作用占主导地位时,分形维数岭与松弛临界指数n的关系如 下:
 
当流体力学相互作用和排斥体积作用都被完全屏蔽时,岭与n的关系如下:
50
„=丄㈤
df^z 2(rf + 2-rfp
 
 
其中d为空间维度,在该研究中士3。根据Muthukumar的理论假设,分形维 数岭愈大,临界凝胶的结构排列愈致密,分形维数岭愈小,临界凝胶的结构排列 愈疏松。
图5-9.黄原胶浓度对海藻酸钠/黄原胶混合体系临界凝胶分形维数的影响:(a) 排斥作用占主导;(b)排斥作用被屏蔽 Figure 5-9. Effect of xanthan concentration on the fractal dimension df of the critical gels of alginate/xanthan mixtures: (a) according to equation 4 where excluded volume effect is dominant; (b) according to equation 5 where excluded volume effect is completely screened. The alginate concentration was fixed at 0.5% and xanthan
concentration was varied .
基于,和W,利用方程(4)和(5)计算的海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界 凝胶分形维数(4W,4r)分别见图5-9 (a)和5-9 (b)。图5-9 (a)中大部分的 分形维数远远大于3,超过实际空间维度,说明利用方程(4)计算分形维数不合 理。这可能是由于随着黄原胶浓度的增加,体系的排斥体积作用被明显减弱,分 子接近于无扰状态[94]。当假定排斥体积作用被完全屏蔽,计算所得的分形维数低 于3,如图5-9 (b)所示,比较合理。当Cx>0.02°%时,即出现相分离时,分形维 数岭w和岭■■都显著增大,说明临界凝胶的结构排列更加致密。当Cx>0.5%时,即 液晶形成时,分形维数和呤■■略有降低趋势,说明临界凝胶的结构排列趋于疏 松。这同样可从相分离和液晶引起的微相结构变化来说明:相分离的发生使海藻   酸钠富集于海藻酸钠富集相,等同于海藻酸钠有效浓度的升高,从而使临界凝胶 点时的凝胶结构更加致密;在液晶区,由于黄原胶液晶结构的形成,特别是粗壮 的绞股状纹理结构的存在,阻碍了凝胶结构的多维度生长,使临界凝胶结构变得 相对疏松。对于纯海藻酸钠,分子量或浓度的增加会导致岭变大,使临界凝胶的 结构排列更加致密[40’94’97?98]。
5.5本章小结
(1)钙离子诱导下的海藻酸钠/黄原胶混合体系,随着时间的增长,溶液中的pH 值在GDL的酸化下不断降低,使得Ca-EDTA中的钙离子逐步释放完全,混合体 系的弹性储存模量G'与粘性损耗模量G〃呈现上升趋势并逐步达到平衡。随着黄原 胶浓度的增加,混合体系的凝胶模量亦随之不断增大,因混合体系凝胶后主要表 现为弹性,故弹性储能模量G'的增幅要远大于粘性损耗模量G〃。海藻酸钠与黄原 胶的相分离及液晶行为对混合体系的凝胶形成时间均有显著的影响。
(2)当钙离子诱导的海藻酸钠凝胶化与不同相行为耦合时,表现出不同的临界行 为。在相容区,海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界凝胶具有结构自相似性,而在相 分离和液晶区则失去结构自相似性。相分离的出现引起临界凝胶点急剧降低(即 所需钙离子显著减少),临界凝胶在结构排列上变得致密,这是由于相分离的富集 作用在一定程度上增大了海藻酸钠的有效浓度。与之相对应,液晶的形成引起临 界凝胶点升高(即所需钙离子增多),临界凝胶在结构排列上趋于疏松,这是绞股 状液晶结构影响所致。  
第6章结论与展望
6.1结论
本论文主要以海藻酸钠/黄原胶混合体系为研究对象,通过目测法和偏光显微 镜法测定两者在不同混合比率下的相行为,绘制出两者的二维相图。通过流变学 手段,利用旋转流变仪研究了相分离、液晶等相行为对混合体系溶液粘弹性、钙 离子诱导的混合体系凝胶动力学以及临界凝胶行为等方面的影响。本研究得出以 下几点结论:
(1)通过凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪(GPC-MALLS)于25 °C条件下测 定海藻酸钠与黄原胶的分子量及分子量分布经测定,海藻酸钠的分子量Mw为 2.96405,黄原胶的分子量1为3.30406。利用核磁共振波谱仪氢谱扫描测得海 藻酸钠的M/G比率为53/47,且根据海藻酸钠的序列结构信息,计算出G嵌段的 平均长度N=6.4。
(2)通过目测法和偏光显微镜法,绘制出海藻酸钠/黄原胶混合体系的二维相图。 随着海藻酸钠与黄原胶混合比率的变化,相图可以分为三个区域,相容区、相分 离区和液晶区,此两种多糖只在非常低的浓度区间相容,而只有当海藻酸钠浓度 低于0.1%或黄原胶浓度低于0.025%时,两者才可在任何比率下相容。当超出该浓 度区间,相分离即可发生,随着黄原胶浓度的进一步提高,在相分离的基础上出 现了液晶区。液晶发生所需的临界黄原胶浓度随着海藻酸钠浓度的升高而降低。
(3 )海藻酸钠/黄原胶混合体系溶液的稳态剪切粘度随着黄原胶浓度的升高而增 大,且表现出剪切变稀行为。通过小振幅动态频率扫描实验可知,在线性粘弹区 内,海藻酸钠浓度固定在0.5%而黄原胶浓度不同的混合体系的弹性储存模量G'值 与粘性损耗模量G〃值随着角频率的升高而不断增大,另外,混合体系的弹性储能 模量和粘性损耗模量随着黄原胶浓度的增大而上升,这是因为当混合体系浓度增 大时,溶液中链段密度升高,缠结点增多,使得溶液模量上升。为了更好地验证 黄原胶浓度对混合体系相转变的影响,将混合体系的稳态剪切粘度与动态复合粘 度值进行比较,当黄原胶浓度为0%、0.01%、0.025%时,剪切粘度n值与动态复 合粘度n*值基本一致,此时稳态剪切粘度与动态复合粘度的关系符合Cox-Merz 经验关系式;当黄原胶浓度为0.1%、0.25%、0.5%时,在低剪切速率/角频率下, 复合粘度n*值大于剪切粘度n值,在高剪切速率/角频率下,动态复合粘度n*值小
53
于剪切粘度n值,Cox-Merz关系式的偏离说明了混合体系中有新的结构生成;当 黄原胶浓度增大到1%时,动态复合粘度n*值大于剪切粘度n值,这可能是由于混 合体系中形成了较为致密的液晶结构的缘故。
(4)钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混合体系在不同浓度黄原胶时,海藻酸钠和黄原胶混合体系的相行为及凝胶化研究,随着时间的增 长,溶液中的pH值在GDL的酸化下不断降低,使得Ca-EDTA中的钙离子逐步释 放完全,混合体系的弹性储存模量G'与粘性损耗模量G〃呈现上升趋势并逐步达到 平衡。随着黄原胶浓度的增加,混合体系的凝胶模量亦随之不断增大,因混合体 系凝胶后主要表现为弹性,故弹性储能模量G'的增幅要远大于粘性损耗模量G〃。 海藻酸钠与黄原胶的相分离及液晶行为对混合体系的凝胶形成时间均有显著的影 响。
(5)在不同的浓度区间,海藻酸钠与黄原胶混合溶液可出现三种相行为:相容、 相分离及液晶。当钙离子诱导的海藻酸钠凝胶化与三种相行为耦合时,表现出不 同的临界行为。在相容区,海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界凝胶具有结构自相似 性,而在相分离和液晶区则失去结构自相似性。相分离的出现引起临界凝胶点急 剧降低(即所需钙离子显著减少),临界凝胶在结构排列上变得致密,这是由于相 分离的富集作用在一定程度上增大了海藻酸钠的有效浓度。与之相对应,液晶的 形成引起临界凝胶点升高(即所需钙离子增多),临界凝胶在结构排列上趋于疏松, 这是绞股状液晶结构影响所致。
6.2创新点
研究了海藻酸钠/黄原胶混合体系的相行为如相分离、液晶行为等对混合体系 溶液粘弹性、凝胶性能的影响。
6.3展望
海藻酸钠的分子量与M/G比率对其溶液性质和凝胶性能有着至关重要的影 响。由于本人能力及时间有限,本课题的研究尚有许多不完善之处,以下方面有 待于进一步深入研究:
(1)本文中只选取了一种海藻酸钠样品(分子量为Mw =2.96^105,M/G比率为 53/47),但是海藻酸钠样品的分子量及M/G比率受产地、提取工艺等影响非常大, 因此,不同分子量,不同M/G比率的海藻酸钠样品对于混合体系的影响还有待研 究,以寻求实际应用中的普适性规律。
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(2)不同二价阳离子对海藻酸钠/黄原胶混合体系的凝胶动力学及临界凝胶行为的影响。
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