pH对结冷胶形成和性能的影响

原文作者：Carolina Siqueira Franco Picone, Rosiane Lopes Cunha

单位：坎皮纳斯州立大学食品工程学院食品工程系 文献出处：copy; 2010 Elsevier Ltd.

摘要：在加热-冷却循环中，设定升温速率为1℃min^-1，并采用振荡剪切法和微量热法，研究了pH值（3.5、5.3和7.0）对脱酰结冷胶凝胶形成的影响。此外，通过单轴压缩的质构分析和扫描电子显微观察，分别评估了不同pH值下形成凝胶的力学性能和结构。pH值的增加导致线圈螺旋转变的温度升高和焓值降低。这是因为pH值升高，结冷胶分子之间的静电斥力变大，导致形成的联结区减少。因此，中性pH下形成的凝胶比酸性凝胶更加脆弱和易变形。所有样品在20-90℃之间均表现出热可逆的流变行为，都具有相同的流变特性。

关键词：结冷胶； 酸化； 流变学； 溶胶-凝胶转变；

1. 导言

结冷胶是鞘单胞菌产生的线性阴离子杂多糖，由于它即使在低浓度下也能形成透明凝胶，因此，自1980年被发现以来，一直备受关注。此外，传统的胶凝剂如琼脂糖和卡拉胶在低pH值下表现出较低的胶凝能力，而结冷胶则可以形成强度大的凝胶。

结冷胶是多糖，与其他多糖一样，结冷胶分子随着温度的降低发生无规线团到有序双螺旋的转变，这导致凝胶的形成可能与离子强度和溶液的pH值有关。众所周知，凝胶过程包括两个步骤。首先，随着温度的降低，结冷胶分子由无规线团转变为有序双螺旋构型，然后这些螺旋聚集形成联结区，最终形成体系凝胶。在低离子强度和中性pH值下，结冷胶上带负电荷羧基之间的静电斥力阻碍了螺旋的聚集。加入盐或减小pH值降低了螺旋之间的分子间斥力，增强了结区的形成，从而提高了凝胶强度。盐离子在凝胶形成中的作用已经得到了广泛研究。在盐离子存在下，凝胶的凝胶温度和熔融温度升高，同时结区的数量增加。这使得凝胶更耐热，并导致凝胶的弹性模量和刚性增加。然而关于pH对凝胶性能的影响鲜有报道。本工作的目的是利用流变学和量热学技术研究 pH对结冷胶溶胶-凝胶转变的影响，以评估pH对凝胶力学和结构性能的影响。

2. 材料和方法

2.1 材料

脱酰化结冷胶（3.42%含水量）由Kelco Biopolymers赞助。通过感应耦合等离子体（ICP）发射光谱法测定的结冷胶中的离子含量为（%，w / w）：K ＝4.13，Na ＝0.43和Ca ² ＝0.18。1.5 %的结冷胶溶液中羧基的化学计量当量为（%）：K ＝38.36，Na ＝6.52和Ca ² ＝3.74。 乳酸购自Merck。

2.2 凝胶溶液的制备

将结冷胶粉在80℃去离子水中搅拌30分钟，制得1.5%（w/w）结冷胶溶液。溶液原本的pH值为5.3plusmn;0.2，分别加入0.02M NaOH和0.2 M乳酸，将pH分别调整为7.0plusmn;0.2和3.5plusmn;0.2，所添加的Na 含量远低于原料的离子含量。由于结冷胶的浓度相同，所有样品的K 含量保持不变。原料中的钾浓度可能导致了部分网状结构的形成，但并没有进一步影响样品在流变学和DSC热行为上的差异。

对于热性能和流变性能的分析，选用80℃制备的凝胶溶液进行测定。对于力学性能和微观结构的分析，首先将凝胶溶液倒入先前用硅油润滑圆柱形塑料管（内径21mmtimes;21mm），然后在冰槽中冷却至10℃。然后将凝胶恒温（10℃）放置24小时，以确保凝胶完全形成，最后进行测定。

2.3 振荡流变学

选用旋转流变仪进行流变行为测定，测试夹具为锥板（锥角为1.59°，圆锥直径为60毫米）。样品进行60℃热处理后立即转移到流变仪板上，然后使用玻尔帖装置快速加热到90℃。为了避免测试过程水分蒸发，将锥板表面涂一层硅油。测量前先静置5分钟，然后将样品以100s^minus;1的速度进行剪切，持续2分钟。由于样品在这种温度下是完全液态的，因此在样品中没有观察到边缘不稳定性或结构损伤的情况。控制1 ℃ min^minus;1，0.1 Hz，0.5 Pa条件，将样品在20-90℃之间扫描三次（冷却-加热-冷却）。利用Savitzky amp; Golay 滤波器对数据进行推导，最大限度地提高复合粘度与温度曲线的斜率变化。流变转变温度由log()的（绝对）斜率中的最大值确定。tandelta;(Grsquo;/Grsquo;rsquo;)表示储能模量(Grsquo;)和损耗模量(Grsquo;rsquo;)对流变学变化的影响。Grsquo;和Grsquo;rsquo;之间的交叉点即为凝胶点。

2.4 热行为

使用VP-DSC量热仪测量微量样品的热行为，量热仪配备有两个容量为0.542ml样品池，用来盛放样品溶液和参比溶液。在测试之前，将样品预热到60℃，随后开始加热到90℃。升温速率为1℃min^-1，在5-90℃之间进行四个重复的冷却-加热循环。在相同的条件下，将两个样品池内充满水，记录参考温度图。转变温度（T峰）为最高峰对应的温度，而焓值根据峰值和基线包围的区域面积计算来确定。

2.5 压缩试验

在型号为TA-XT的质构分析仪中进行单轴压缩测量来确定凝胶在不同pH值下的机械性能，该分析仪配备直径为40 mm的圆柱形丙烯酸板，并用硅油润滑，以最大程度地减少样品和探针之间的摩擦。使用速度为1 mm / s的十字头，设定温度为10℃，将凝胶压缩至其原始高度的80%。

根据公式（1）和（2）由力-变形数据计算弯曲应力（sigma;_H）和应变（ε_H）。公式（1）和（2）分别是：

（1）

（2）

其中F(t)是时间t处的力，A₀和H₀分别是初始样品面积和高度，H(t)是时间t处的高度。

从应力-应变曲线最大点得到断裂应力（sigma;_r）和应变（ε_r），而杨氏模量是该曲线的初始线性区域的斜率。（高达变形量的1 %）

2.6 扫描电子显微镜

凝胶块（约10 mmtimes;2 mmtimes;2 mm）固定在0.1 M pH=7.2的2.5wt %戊二醛缓冲液中。在0.1 M缓冲液中冲洗后，样品在液氮中压裂，然后再用缓冲液冲洗。断裂样品在1%四氧化锇缓冲液中固定过夜，然后在不同浓度的乙醇（30、50、70、90、100%、v/v）中脱水。为了避免结构损坏，样品在二氧化碳临界点干燥，然后安装在铝柱上喷金。使用电子扫描显微镜（JEOL JSM5800LV）观察，在1000倍的放大倍率下记录了3张典型结构图像，加速电压为10 kV。

2.7统计学分析

利用方差分析，对每个样本的结果进行评估，重复分析三次。使用STATISTICA 5.5软件确定不同样品之间的显著差异（plt; 0.05）。

3. 结果

3.1 热扫描流变学

图1显示了样品在加热-冷却循环中的流变行为。图中大部分的点是在样品的线性粘弹性区域内获得的（没有结构损伤），但高温（低粘度和非凝胶形成）的点除外。由于测量采用应力控制模式，样品的粘度和弹性值发生了很大的变化，部分测试肯定会超出线性粘弹性范围。但这并没有破坏样品的结构，因为在这种情况下，冷却温度和Grsquo;的Grsquo;rsquo;交叉期间的转变温度应该低于DSC确定的温度，而这种情形并没有出现。

在冷却过程中观察到复数粘度增加（图1），这也表明tandelta;值减小。随着pH升高，复数粘度的转变温度升高（表1），但在两个冷却循环中凝胶点温度（表2）不随pH而变化。这个结果与Miyoshi等人得到结果的一致。

由于pH（图1）和滞后效应，在加热时会观察到不同的复数粘度分布。迟滞现象是指上升曲线（溶胶到凝胶转变）和下降曲线（凝胶到溶胶转变）之间的差异。所有的曲线都呈现出四个斜率变化，其中一些很明显，有些则不太容易识别（图1和表1）。在pH 3.5时，温度升高导致复数粘度从20℃时的3000 Pas降低到80℃附近的0.01 Pas。在该pH值下，第一个转变发生在低于30℃的温度下，最后一个转变发生在70℃下（温度变化约40℃）（表1和图1）。将溶液的pH值提高到5.3，前两个转变发生的温度高于在pH 3.5的转变温度，而最后两个转变温度则在低于pH 3.5的转变温度下观察到。在pH 7.0时观察到相同的趋势（表1和图1）。

Miyoshi 等人曾研究过热扫描分析中流变学特性测定的斜率变化，他们分析了凝胶浓度对固定pH制备的凝胶溶液流变性质的影响。但只观察到两种不同的斜率变化，这种变化是由溶胶-凝胶转变引起的。

总的来说，tandelta;值在33℃下开始下降，pH值越高，下降越明显。这种下降与Grsquo;rsquo;的降低有关。由于Grsquo;急剧下降，60℃之后tandelta;急剧增加（图1B，D和F）。冷却扫描和加热扫描之间的滞后量（图1）随着pH值的升高而减小，这表明形成了一个较轻的交联网络，聚合螺旋的数量较少。之前的研究发现，滞后效应的增强与结冷胶分子酰基含量的降低和阳离子的存在有关，后者增强了分子间的联系。在本实验中，使用的结冷胶完全脱酰化，因此迟滞现象的变化与pH值降低和阳离子的促进作用有关。在阳离子加成的影响下，pH的降低提高了溶液中正离子的浓度，屏蔽了螺旋间的静电斥力，有利于通过氢键的方式形成线圈-螺旋结合，从而提高了样品的热稳定性或滞后性。

3.2 DSC

图2显示了不同pH值下样品的DSC热分析图。连续冷热循环后，峰值仍保持不变。所有pH值的冷却曲线都显示出一个单独的放热峰，而加热曲线上观察到多达四个吸热峰。这些结果与Moritaka等人（1995）及Tanaka和Nishinari（2007）的结果一致。第一个吸热峰与在冷却时观察到的放热峰出现在同一温度范围内，但吸收峰明显较小，并随着pH值的增加而变大（图2）。在33℃-50℃左右出现了一个重叠的吸热峰，随着pH值的降低吸热峰变得更宽，导致在pH值为3.5时不可能确定所有的峰值温度和焓值。加热升温可检测到两个以上的峰值，并且随着pH值的增加，这些峰值对应的温度降低。当pH值从5.3增加到7.0时，第二个吸热峰对应的温度也降低，而第一个吸热峰则相反。从表3可以看出，当pH值从3.5变化到7.0时，第一个峰值温度增加了大约3℃，从表4可以看出，当pH值从3.5变化到7.0时，焓值增加了很多。同样，放热冷却的温度峰值也随着pH值的上升而增加，但没有观察到显著的焓变（表4）。对于所有样品，吸热焓值的总和略低于在冷却时观察到的单个放热峰的焓值（表4），特别是在pH值最低的时候，这表明第二个峰可能与第一个峰发生了部分重叠，导致确立每个峰的整合基线变得困难。在较低的pH值下，第一个峰变宽，焓降低。此外，在pH值为3.5时观察到的小峰阻碍了基线的建立，这可能掩盖了与热转变相关的总焓的一部分。

再冷却和再加热不影响峰的温度和焓（表3和4），这表现了结冷胶凝胶的热可逆性。

总之，峰值温度与流变试验中观察到的温度跳跃有很好的一致性（表1和表3），尽管这两种测量的热历史不同。

图1 冷却-加热循环（20-90℃）中1.5%的结冷胶的复合粘度(A) pH 3.5, (B) pH 5.3 , (C) pH 7.0. （...）冷却时的转变温度;（...）加热时的转变温度.I.第一次冷却系统，II.加热系统，, III.第二次冷却系统

表1 在连续的冷却-加热循环中，pH 3.5、5.3和7.0处的1.5%（w/w）结冷胶的复合粘度转变温度变化

表2 连续-冷热循环中，pH3.5、5.3和7.0处1.5%(w/w)凝胶溶液的Grsquo;和Grsquo;rsquo;交叉时的温度

表3 在连续冷却-加热循环期间，pH3.5、5.3和7.0处1.5 %(w/w)凝胶溶液的热学图的峰值温度

表4 在连续的冷却-加热循环期间，pH3.5、5.3和7.0处的1.5 %(w/w)凝胶溶液的焓值

图2 1.5 %凝胶溶液在(A)pH 3.5、(B)pH 7.0处的DSC-温度图，加热速率为1℃/min

3.3 压缩测试

单轴压缩结果显示，凝胶硬度和弹性随着pH值的降低而增加（图3、4 A和C），这与Yamamoto和Cunha（2007）的结果一致。随着pH的增加，曲线变宽（图3），凝胶在pH为3.5时的断裂应力是其他pH值时的两倍多（图3和图4）。然而，断裂处的变形或变形能力则表现出相反的趋势（图3和4B）。在pH为3.5和5.3时凝胶断裂的应变相同，但均低于pH 7.0时的应变。在破裂点之后，曲线出现了试样的压扁现象。在该区域，凝胶在pH值为3.5时出现了一些小的断裂，并随着pH值的增加而减小。

图3 在pH 3.5、5.3和7.0处，1.5%（w/w）凝胶的典型应变-应力曲线

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