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高酰基结冷胶溶胶—凝胶转变及其凝胶特性研究1

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DissertationSubmittedtoZhejiangGongshangUniversityforMaster’SDegreeofEngineeringStudyonsol-geltransitionandgellingpropertiesofhighaclygellanAuthor:YuanyanMajor:FoodScienceandEngineeringSupervisor:Prof.ChenQingDec.2013CollegeofFoodScienceandBiotechnology,ZhejiangGongshangUniversityHangzhou,310012,PR.China高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变及其凝胶特性研究摘要lIIIIIIIIll[1111IIIIIIIlY2531708结冷胶因其有着澄清透明度高、复配性好、用量小,稳定性高、香气释放能力强,耐酸、耐酶等优点而广泛应用于食品工业中。结冷胶的凝胶过程直接影响到产品的品质与性能,因此了解其溶胶.凝胶转变行为及其凝胶特性对于指导生产工艺过程具有重要意义。本文以高酰基结冷胶为研究对象,利用动态剪切流变方法分析研究体系相行为的演化过程,找出适宜表征高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的流变学表征方法,探究结冷胶浓度、离子种类和离子强度与其溶胶.凝胶转变温度之问的关联。同时研究了高酰基/低酰基复合凝胶的凝胶特性。采用4种不同流变学方法对高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变进行了表征:储能模量(G’)与损耗模量(G”)的交点法、G邪复数粘度(卵丰)的突变法、G倔服法以及损耗因子(砌刀6)与频率(∞)无关法。研究发现,G和G”交点法、G嘟刀术突变法确定的溶胶.凝胶转变温度依赖于测试频率,并不能表征体系真实的溶胶一凝胶转变温度。G倔服法只能粗略表征体系溶胶.凝胶转变。tan8与∞无关性则是更适合表征高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变温度的流变学方法。高酰基结冷胶体系溶胶一凝胶转变温度随着结冷胶浓度的增大而升高。松弛临界指数(力)随着浓度的升高而减小,分形维数(拆)则随着浓度的升高而增大。离子浓度对高酰基结冷胶凝胶温度影响显著,体系的溶胶.凝胶转变温度均随着离子浓度的增大而升高。要达到相同的效果,加入一价离子的量约为二价离子的5~7倍。Ca2+矛NM92+对体系溶胶.凝胶转变基本无影响,而K+和Na+则对体系溶胶.凝胶转变基本无影响。不论加入何种离子,体系的刀均随着离子浓度的增大而减小,而珥则随着离子浓度的增加而增大。在所研究的离子浓度范围内,门在0.41~0.46变化,而盔则在2.05~2.10之间变化。根据体系凝胶温度变化方式,发展了一种用于表征体系溶胶.凝胶转变温度(咒。1.。)和离子浓度(Xi)关系的数学模型,臣Ul/毛岫=AIntxil+8。以高酰基/低酰基复合凝胶为研究对象,研究了离子种类、离了浓度、复配比例对复合凝胶凝胶特性、保水性及彳i透明度的影响。结果表明,复配比例对复合凝胶凝胶特性影响显著,硬度随着高酰基/低酰基结冷胶复配比例的增大而减小,凝聚性及保水性则逐渐增大,而咀嚼性则随着高酰基结冷胶的增加出现先增大后减小的趋势。复合凝胶的硬度、咀嚼性、不透明度均随着离子浓度的增加呈现先增大后减小的变化趋势,保水性则随着离子浓度的增加先减小后增大,而凝聚性和弹性基本不受离子浓度的影响。相比于一价阳离子,二价阳离子形成的凝胶更强,二价阳离子和一价阳离子之间没有协同作用。关键词:高酰基结冷胶;溶胶一凝胶转变;流变学;凝胶特性浙江工商大学硕士学位论文STUDYONSOL—GELTRANSITIONANDGELLINGPROPERTIESOFHIGHACLyGELLANABSTRACTGelshaveattractedmuchattentioninvariousfieldsbecauseoftheirpossibleuniqueapplications,andinvestigationsrelateddevelopedinrecenttogelshavebeenyears.Gellanangelisallextracellularmicrobialindustrypolysaccharide,whichisimportantingredientsinfoodtobecauseoftheirlowdosage,andresistantacidandheat.Becausethegelafionprocessaffectstheproduct‘Squalitydirectly,itisimportanttoexplorethesol-geltransitionofgellangel.InthispapeLthesol。geltransitionandgelationbehaviorofhiIghaclygellanwerestudiedusingdynamicshearrheologicalanalysisandtextureprofileanalysis.Sol—geltransitionofhighacylgellangelswerestudiedbyusingfourdifferentrheologicalmethods:thelossmodulus(G”),theabruptcrossoverofstoragemodulus(G,)andviscosity(印木),tan5.ThechangesinG’andcomplexyieldbehavioroftheG:功independenceofthelossresultsshowedthatthemeasurementofcrossoverangle7ofGandG”,abrupt堑坚三亘盔堂堡主堂笪堡塞changesinG’and呷枣werestronglydependentontheangularfrequencynot(co),andthemethodofyieldbehaviorofGcould7providethefurthertoinfonnationaboutcriticalgel.Themostappropriatemethodthesol-geltransitionofhighaclygellanwasdetermineofgothemethodindependenceoftang.Inaddition,Theincreasedwithincreasingsol-geltransitiontemperaturerelaxationgellanconcentration(Cg).Theqbutcriticalexponent甩decreasedwithincreasingdfslightlyincreasedindicatinghigheratheffactaldimensiondenserstructureinthecriticalgelwithCginfluenceofThewerecations(K+,Na+,Ca2+,M92+)onsol—gels01.geltransitionrelaxationinvestigated.Thetransitiontemperature毛e1.0)andcriticalexponent刀weredeterminedusingthemethodof国independenceof幼硒。毛eI,mofhighacylgellansolutionsincreasedwithincreasingoncationconcentration,whilethecationtypehavelittleinfluencethes01-geltransitiontemperature.Toachievethesamesol-geltransitiontemperature,theamountofmonovalentionwas5-7timesoftheamountofdivalention.Inaddition,TherelaxationcriticalfrOln0.46toexponent∞)decreased0.41withincreasingionconcentrationwhilethefractalincreasedfrom2.05todimension(鳓slightly2.10indicatingadenserstructureinthecriticalgelwithhigherionconcemration.Amodelwasdevelopedtodescribetherelationshipbetweentheionconcentrationandsol-geltransitiontemperatm'eofhighaclygellan:1/Tg吐。=AIn[Xi]+B.浙江工商大学硕士学位论文Influencesofhighacly/lowaclygellanweightratio(HA/LAweightratio)andcations(K+,Na+,Ca抖,M92+)onthegellingpropertiesofhighacylandlowacylmixedgellangelswereinvestigatedbyusingTextureProfileAnalysis(TPA).ResultsonrevealedthatHA/LAweightratiohadgreateffectgellingpropertiesofmixedgellangels.ThecohesivenessandwaterholdingcapacityofthemixedgellangelsincreasedwithincreasingHA/LAratio.whilehardnessdecreasedastheHA/LAratioincreased.Meanwhile,chewinessandthenofthemixedgellangelsincreasedfirstdecreasedwithincreasingHA/LAratio.Ingeneral.hardnessandchewinessofmixedgelsincreasedwithincreasingcationconcentrationsuntilcationconcentrationreachedincreasesincationresultedinacriticallevel,afterwhichfurtherareductionofhardnessandchewinessHowever,thewaterholdingcapacitydecreasedfirstandthenincreasedwithincreasingcationconcentration.CohesivenesslesssensitivemixedtoandspringinesswerecationconcentrationsAtoptimumcationconcentration,strongergellangelswithdivalentcations(Ca2+,M92+)werewasnothanthatwithmonovalentcations(K+,Na一).ThereandmonovalentcationssynergeticeffectbetweendivalentcationsKEYWORDS:highpropertiesaclygellan;sol—geltransition;rheology;gelling浙江工商大学硕士学位论文目录第l章引言……………………………………………………………………………………11.1结冷胶及其研究现状…………………………………………………………………..11l1.1结冷胶结构及组成……………………………………………………………l1.2结冷胶凝胶行为研究……………………………………………………………21.1.3结冷胶凝胶过程中的溶胶.凝胶转变………………………………………..41.2主要技术方法介绍…………………………………………………………………….51.2.1流变学研究…………………………………………………………………51.2.2表征溶胶一凝胶转变的流变学方法…………………………………………….91,2.2.1零剪切粘度r/o和平衡模量G。…………………………………………91.2.22储能模量G与损耗模量G”交点法………………………………..91.2.2.3G’突变法………………………………………………………………91.224动态模量的屈服…………………………………………………………..91.2.2.5损耗因子f讲76与频率无关法………………………………………lO1.2.3质构特性研究…………………………………………………………111.3本课题的研究内容和意义……………………………………………………………一12第2章高酰基结冷胶体系溶胶.凝胶转变的流变学表征……………………………….142。1引言…………………………………………………………………………………….1422材料与仪器……………………………………………………………………………142.2.1实验材料………………………………………………………………………142.2.2实验仪器…………………………………………………………………,143实验方法…………………………………………………………………………….152.3.1结冷胶溶液的配制……………………………………………………………152.3.2流变特性研究…………………………………………………………一1522.4结果与讨论…………~……………………………………………………………152.4.1溶胶一凝胶转变的流变学表征………………………………………………….152.4.1.12.4.1.22.4.1G’,G”交点法……………………………………………………………………….15G’,刀+突变法……………………………………………一163动态模量的屈服…………………………………………………………182.4.1.4损耗因子tanf与频率09无关法……………………………………..2l2.4.2浓度与溶胶一凝胶转变温度的关系…………………………………………262.4.3松弛临界指数、分形维数与浓度的关系………………………………………262.5小结…………………………………………………………………………………28第3章离子对高酰基结冷胶溶胶,凝胶转变的影响………………………………………29331引言…………………………………………………………………………………292材料与仪器……………………………………………………………………………..293.2.1实验材料…………………………………………………………………….293.2.2实验仪器……………………………………………………………………….29浙江工商大学硕士学位论文3。3实验方法…………………………………………………………………………一3.3.1结冷胶溶液的配制………………………………………………………….30…….30…….30…….303.3.2流变特性研究……………………………………………………………3.4结果与讨论………………………………………………………………………3.4.1钙离子对溶胶.凝胶转变温度的影响……………………………………3.4.2镁离子对溶胶.凝胶转变温度的影响……………………………………..3.4.3钾离子对溶胶.凝胶转变温度的影响…………………………………3.4.4钠离子对溶胶-凝胶转变温度的影响……………………………………3.4,5高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度与离子浓度的关系……………….3.4.6离子浓度与临界松弛指数的关系……………………………………3.5小结………………………………………………………………………..…….30…….33……35…….37,,..,..40……41……42第4章高酰基/f氐酰基结冷胶复合凝胶凝胶特性研究…………………………………4_2材料与仪器…………………………………………………………………….4.2.1实验材料………………………………………………………………….4.2.2实验仪器…………………………………………………………….4.3实验方法………………………………………………………………4.3.1高酰基和低酰基结冷胶复合凝胶的制备………………………………..4.3.2凝胶特性测试……………………………………………………………4.3.3保水性(WHC)测定…………………………………………………..4.3.4扫描电子显微镜(SEM)观察…………………………………………一4.3,5不透明度(OI)测定……………………………………………………4.4结果与讨论…………………………………………………………………….44.1.......434.1引言……………………………………………………………………………………43…….43......43…….43.......44……..44……44……..44.....45……..45........45......45.......47........47......49........50……..5l……一53…….,56…….57TPA测试参数对复合凝胶凝胶特性的影响……………………………4.4.2.1硬度………………………………………………………………442.2凝聚性……………………………………………………………4.4.2.3弹1生………………………………………………………………………………….4.4.2.4咀嚼性……………………………………………………………..4.4.2高酰基,低酰基结冷胶复配凝胶的凝胶特性…………………………4.4443复合凝胶的保水・陛………………………………………………………4复合凝胶的不透明度…………………………………………………4.4.5离子的协同作用对复合凝胶凝胶特性的影响…………………………..4.5小结..………………………………………….…………………………………..……………….……..59……一60……..60第5章结论……………………………………………………………………………5.1结论……………………………………………………………………………………………………5.2创新点…………………………………………………..6161625.3建议…………………………………………………………参考文献…………………………………………………………附录攻读学位期间论文发表情况………………………………..致谢……………………………………………………………独创性声明686970浙江工商大学硕士学位论文第1章引言1.1结冷胶及其研究现状1.1.1结冷胶结构及组成『cH\1l亍~oja5尸0;小J。晷叫一oo心/HOHoo(b)图1.1结冷胶分子结构图;(a)高酰基结冷胶;(b)低酰基结冷胶。Figure1-1Thechemicalstructureofgellangel(a)highacylgellangel;(b)lowacylgellangel结冷胶是一种从水百合中分离所得的少动鞘脂单胞菌所产生的胞外多糖,相对分子量约为5×104。结冷胶分子主链上重复单元由四种糖单元组成:1,3.B.D.葡萄糖,1,4一B—D一葡萄糖醛酸,1,4-13.D.葡萄糖,1,4.a-L-鼠李糖【1】。结冷胶根据酰基含量的多少主要分为高酰基结冷胶和低酰基结冷胶两种类型。高酰基结冷胶通常是经微生物直接合成的,富含酰基,其结构如图1一l(a)所示。对于高酰基结冷胶来说,这种酰基分为甘油酰基与乙酰基两种,甘油酰基位于第1个葡萄糖基的C3位置上,乙酰基则位于同一葡萄糖基的C6位置上12】。将高酰基结冷胶在pHZl0的条件下加热处理,将分子结构中的酰基去除,则得到低酰基结冷胶,其结构如图1-1(b)所示。因此,高酰基结冷胶和低酰基结冷胶呈现不同的凝胶特性,浙江工商大学硕士学位论文高酰基结冷胶形成的凝胶柔软而富有弹性,而低酰基结冷胶形成的凝胶则凝胶强度大、易脆裂【3J。结冷胶安全无毒,生产周期短,且跟其它植物和动物多糖相比,不受气候和地理环境条件的,产量及质量都很稳定。此外,结冷胶还有很多优良的特性,比如在使用时用量少、与其他食品胶体具有很好的复配性、稳定性好、耐酸耐酶等。因此,结冷胶成为一种新型微生物代谢胶广泛应用于食品工业中,并且开始逐渐替代卡拉胶以及黄原胶。美国FDA于1992年批准结冷胶能添加到食品的生产中,同时我国也于4年后允许其作为食品添加剂应用到食品中【4】。美国USDA在2011年批准结冷胶可以作为食品添加剂应用于有机食品和饮料中,这也会使得结冷胶的使用范围和使用量进一步增加。1.1.2结冷胶凝胶行为研究高分子性能与结构的相关性一直是研究的苇点,不仅高分子材料的结构会影响其性能,高分子在制备过程中形态或者结构的变化也是影响的要素之一。高分子材料在加工过程中通常都会经历液体向固体的转变,该过程也称为凝胶过程。根据高分子体系内部不同的相互作用可以将凝胶分为两种类型:体系通过化学键形成空间网络结构的称为化学凝胶,体系通过不同的结构形成的一种相互作用,如通过静电力、疏水作用形成的网络结构等的称为物理凝胶。凝胶作为一种临界现象几乎m现在所有的加工过程中,所以凝胶过程对于指导加工生产具有非常重要的作用。近年来,凝胶材料引起了越来越多的重视,成为国内外科研工作者的研究热点。结冷胶因其优越的流变性质和功能特性,其凝胶行为引起了众多研究者的兴趣。Huang掣卅研究了低浓度高酰基结冷胶溶液(o.0044~0.1000%w/v)的流变行为,发现在结冷胶浓度大于0.0125%,钙离子浓度为0或者1mM时,该体系具有假塑性流体特征,而温度对该体系粘度的影响可以用阿伦尼乌斯公式来描述。孟岳成【6】研究了低质量分数高酰基结冷胶的溶胶特性,发现该体系黏度会随着高酰基结冷胶浓度的增大而增大,表现为假塑性流体特征。宗迪‘71等人研究了低酰基结冷胶溶胶(0.01%~0.04%)的流变特性,研究表明,陔结冷胶体系以弹性为主,具有触变性、剪切变稀及屈服应力,其溶胶流变学模型类似cross模型。张俊‘81研究TpH、结冷胶浓度、钙离子浓度、温度对低酰基结冷胶溶液(O.01%~浙江工商大学硕士学位论文0.04%)的影响,研究发现该体系呈现假塑性流体的特征,:pn为4~lO的范围内,溶液粘度几乎不受影响;结冷胶溶液粘度根据温度、结冷胶浓度、钙离子浓度的不同呈现相应变化。Tang[9"-111考察了结冷胶浓度、离子对低酰基结冷胶凝胶特性的影响。结果表明,结冷胶浓度及离子浓度均对其凝胶特性有显著影响。随着结冷胶浓度的增大,断裂应变及断裂应力也随之增大;随着外加离子浓度的增大,结冷胶的凝胶强度则先增大后减小。Maotl2】发现出会显著影响结冷胶凝胶特性,结果表明,当pH=3.5时,结冷胶凝胶的凝胶强度都较小,凝胶强度不会随着结冷胶浓度、离子浓度的改变而改变:而pH=5.0时,结冷胶的凝胶强度则与结冷胶浓度及离子浓度相关,表现为凝胶强度会随着结冷胶浓度的增大而增大,随着C矿浓度的升高呈现先增大后减小的趋势。Evageliou[131研究了糖对低酰基结冷胶凝胶特性的影响,研究表明,葡萄糖会降低结冷胶体系的硬度,也不会促进结冷胶内部网络结构的交联;蔗糖与果糖都能促进结冷胶凝胶,但蔗糖比果糖效果更佳:葡萄糖、蔗糖、果糖对体系弹性均没有影响,在改善凝胶特性上也无出协同作用。通过复配,可以将两种单体胶的优势瓦补,发展m功能特性更为优异的食品胶。虽然人们对胶凝性多糖复配的相互作用机制了解的还不深入,大多依赖以往的经验,复配胶体的使用仍然有着良好的应用前景。结冷胶与很多食品胶体都有着很好的复配性,比如卡拉胶、黄原胶、魔芋胶等,使得其用途更为广泛。Lau等[141用TPA模式研究了结冷胶/明胶比例和钙离子浓度对结冷胶/明胶混合胶的质构特性的影响。研究表明,混合胶的硬度随着结冷胶比例的减小而减小。硬度随着钙离子浓度的增加而增加,直到钙离子浓度达到一个临界水平。钙离子浓度的增加引起脆性的增加和凝聚力,弹性的下降。孟岳成1151研究了结冷胶浓度、钙离子浓度对结冷胶.卡拉胶一魔芋胶复配胶体系的凝胶温度和凝胶速率的影响,发现卡拉胶/魔芋胶的比例为3:1时,体系起始凝胶速率最大。Martfnez[161研究了黄原胶/结冷胶复合体系的流变行为,并且与单独的结冷胶、黄原胶进行了比较。NitLa【171通过流变、DSC等方法研究了木葡聚糖/结冷胶复合体系的凝胶行为,研究表明将木葡聚糖、结冷胶混合会发生协同交互作用促进体系凝胶。在所研究的复配体系中,高酰基/低酰基结冷胶复合体系以其优越的凝胶特性更是成为了研究的热点。Mao[181研究了高酰基“氐酰基结冷胶复合凝胶的凝胶特性,结果表明浙江工商大学硕士学位论文高酰基/低酰基结冷胶复配比例、复合凝胶总浓度、钙离子浓度均能影响复合凝胶的凝胶特性。Huang[191考察了钙离子对高酰基/低酰基结冷胶复合凝胶质构特性的影响,发现复合凝胶的凝胶强度随着钙离子浓度的增加先增大后减小。1.1.3结冷胶凝胶过程中的溶胶.凝胶转变目前,关于结冷胶凝胶特性的研究进行的较为广泛。研究者发现,在结冷胶凝胶过程中也会经历溶胶一凝胶转变,该过程会直接影响到产品的品质与性能,如流变行为和结构稳定性。但是控制与测量凝胶点一直是个难点,得到的产品重复性欠佳。因此,凝胶过程中溶胶.凝胶转变研究引起了国内外广大研究者的兴趣。Nflfiezl201利用流变学与差示扫描量热法方法研究了卡拉胶浓度、钾离子浓度对卡拉胶溶胶一凝胶转变的影响。Gekko【21】研究了流体静力学压力对不同浓度明胶溶胶一凝胶转变的影响。I-lsu[221研究了明胶浓度、pH、离子浓度对明胶溶胶一凝胶转变的影响。Dai等‘23’241研究了离子种类、离子浓度、结冷胶浓度对低酰基结冷胶溶胶一凝胶转变的影响,发现溶胶一凝胶转交温度随着结冷胶浓度和离子浓度的升高而升高,而松弛临界指数则随着结冷胶浓度和离子浓度的升高而减小。Tang陋261研究了离子(cE+、M92上、Na+、K+)对低酰基结冷胶溶胶一凝胶转变温度的影响,发现凝胶温度随着离子浓度的升高而升高。二价离子(Ca2+、M92+)比一价离子(Na_、K+)影响更为显著。Miyoshi[271研究了离子种类对低酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变的影响,研究表明,一价离子对其的影响排序为Cs+>K+>Na+>Li+。Ma01281研究了pH对低酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度的影响,发现pH=5的结冷胶溶胶.凝胶转变温度要低于pH=3.5的结冷胶。目前,关于结冷胶体系溶胶.凝胶转变研究主要集中在低酰基结冷胶体系,而对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的研究则鲜有报道。相较于低酰基结冷胶,高酰基结冷胶具有更好的保水性,形成的凝胶更为柔软,其在食品工业中的应用也越来越广泛。无论是从食品工业自身发展的需要还是从研究的系统性和科学性出发,对于高酰基结冷胶凝胶过程中溶胶一凝胶转变的研究都是非常必要和迫切的。目前测量凝胶点的方法主要有:核磁共振‘291、红外光谱㈣、差示扫描量热法‘31、321和流变学方法{3引。其中,动态流变学测试成为了测试溶胶.凝胶转变的有效手段,是所有测试方法中最敏感的方法。首先,动态流变学测试时,对样品施加的是~个小应变,不会影响或者破坏体系的结构。其次,其呈现的线性粘弹响浙江工商大学硕士学位论文应可以很灵敏的反应体系形态结构的变化,可以在很宽的频率与温度范围内获得有关体系结构变化方面的重要信息。近年来,用动态流变学来探索凝胶体系的溶胶.凝胶转变成为研究的热点与重点,探索溶胶.凝胶转变点与动态流变行为之间的关系更是引起国内外极大的关注。12主要技术方法介绍1.2.1流变学研究流变学是一门描述在外力作用下物体形变的科学,研究的是流动、变形与应力间的关系。食品流变学则是--I']探讨在食品制作和流通中,其原材料发生形变和流动的科学,即探索食品在受N;'I-界作用力和挤压等形变影响时所发生的结构差异及变化。食品流变学通过对食品原料流变特性的研究,从而对食品在生产与加工中内部的形态结构的变化有深入的了解,能为食品设计、加工、质量控制等提供有意义的依据。通常,流变学方法最常用的有两种:一种是静态方法,主要是钻研连续形变下应力、粘度等参数与剪切速率的关系。但是由于这种测试是在连续的大应变下进行,因此易影响甚至破坏体系的结构,对于准确获取体系结构的信息有很大影响。第二种则是动态方法,也称为振动剪切流动方法。动态方法相对于静态方法有很大的优点,因为动态方法通常是在小应变下进行,不会影响或者破坏体系结构,同时对大分子结构的改变具有敏感响应。根据流变学理论,材料的力学性质可以分为两种,一种是弹性,一种是粘性。弹性固体的形状及尺寸都是确定的,在外力作用下其形状与尺寸都会发生变化,而外力去除后便能恢复原来的尺寸和形状。粘性液体的尺寸和形态则是彳i确定的,通过外力影响会形成彳i可逆的流动。而高分子材料既不能定义为简单的弹性固体,也不是粘性液体,它介于弹性固体与粘性液体之间,兼具弹性特征与粘性特性,属于粘弹性物质。众所周知,对于理想的弹性固体而言,其应力及应变服从虎克定律盯。=Gy,氓为应力,y为应变,G为剪切模量,即应力和应变呈线性关系,说明物体受力时立即产生应变,应变的大小与时间无关,只和应力大小成正比【341。理想的粘浙江工商大学硕士学位论文性液体服从牛顿粘性定律,O"s=,7华,,7为粘度,即物体受力之后产生的形变除“f了与应力有关,还受时间影响。高分子材料属于典型的粘弹性物质,它符合粘弹性理论,而粘弹性理论的基础是线性粘弹理论。线性粘弹性是指在应变速率与应变都很小的情况下,应力与应变两者之间的联系,这种联系与时间有关,一般我们近似的通过一个常微分方程来表示,即:矾)-----O"I+气=酬咖蹿掣其中,盯为剪切应力,y为剪切应变,由∥肋为应变速率,G为剪切模量,卵为粘度,该方程通常被称为线性粘弹体的本构方程【341。而实际上高分子材料属于非线性粘弹体,应变及应力不仅受时间影响,还与应力应变的方式有关,情况非常复杂。通过交变应力o-=吼sincot的影响,在外界作用力改变时,高分子链段会在活动过程中因其体系内摩擦力的影响而无法及时跟上应力的改变,使得应变落后_j二应力,产生一个相位差6,应变为占=矗sin(ot一万),也可以写为:占=sosincotcos6一socoscotsin8(1—2)显然,高分子产生的应变分为两部分,一部分与应力同步,另一部分则与应力相位差为rd2。当然,在实际研究中也可以通过控制高分子的应变,来研究高分子的应力变化情况,当应变£=晶sincot时,应力变化会比应变领先相位角6,此时,应力为仃=吼sin(cot+万),可以表示为盯=盯osinotcos6+o-0coscotsin8(1-3)浙江工商大学硕士学位论文由式(1-3)可以看出,应力由两部分组成,一部分与应变同相位,o-0sincotcos,是弹性形变的主动力;另一部分与应变相位差为90。,O"ocoscotsind,对应的形变是粘性形变,主要于克服摩擦阻力上【351。假设G-:鱼cosJ%(1—4・1)G”:o'osin艿‰(1—4—2)如果将G邪G”表示成复数形式,则有G水=G’+iG(1—5)其中,G・为复数模量,G7表示的是材料形变时储存能量的大小,称为储能模量或者实数模量:G”表示的是了材料形状发生改变时消耗能量的大小,称为损耗模量或者虚数模量。复数模量的模量IG}I也称为动态模量,可以按照下式进行计算:(1—6)通常,G’要显著大于G”,因此G’能够作为材料的动态模量。另外定义:G”.tanD=——G’(1-7)其中,每称为力学损耗角,tang反映了力学损耗角的大小。通常,由于动态测试是在小应变下进行,因此材料体系可看做线性粘弹体。根据线性粘弹性理论,存频率彩斗O的末端区域,动态粘弹函数之间有如下关系:浙江工商大学硕士学位论文G’(国)l。珈=国2eH(r弦2dlnr--Je…%oG”(∞)b=。eH(f弦2dlnf=r/00。2(1-8—1)(1—8—2)其中,日俐为松弛时间谱,r为松弛时间,以。为稳态柔量,伽为零剪切粘度,G’为动态储能模量,G”为动态损耗模量,∞为频率【”1。由方程(1-8-1)、(1-8-2)还可以得到:logG=2logG”+logdO(1—9)可见,logG’~logG”呈线性关系,且斜率为2。方程(1—8—1)和(1—8.2)经数学代换、变形可得:logG’=2logco+log(J。r/2)(1-10-1)(1—10—2)logG”=logco+logr/0上式表明,在双对数坐标下,logG’~logo呈线性关系,其斜率为2;’同样,logG”~logo也呈线性关系,其斜率为l。现有的研究表明,非均相体系的存在会使得均相体系的流变行为更复杂,主要表现为在频率末端区,即D寸0区域,呈现特殊的粘弹响应,偏离线性粘弹理论,特别是“第二平台”现象136~391。“第二平台”现象是由于材料内部形成了骨架、网络等有序结构,从而表现出的储能模量在频率末端区对频率的依赖性减弱的现象。浙江工商大学颂L学位论文1.2.2表征溶胶一凝胶转变的流变学方法1.2.2.1零剪切粘度劭和平衡模量倪零剪切粘度,7D和平衡模量G。是表征凝胶点时最常见的流交学参数。研究发现,在凝胶点处,町。一。。并且瓯=O【40 ̄蚓。但是,这种方法在实际测量中存在很多困难与缺陷。例如,测量零剪切粘度时一般用瞬态模式,但是材料由于在凝胶点时松弛时间变长而很难在短时间内达到稳态,因此在凝胶点附近测量剪切粘度很困难。即使珂D一∞,也不一定就是凝胶引起,可能是体系出现的相分离导致的。同时,剪切容易破坏材料内部结构,影响测试的准确性。另外,因为在凝胶点附近GP值很小,超过了仪器的测量范围,所以G的测量也变得极为困难。由于该方法存在上述缺点,因此在实际操作中使用较少。1.2.2.2储能模量G,与损耗模量G”交点法Tung等143】认为储能模量与损耗模量的交点对应着凝胶点(G,:G’,),换句话说,即损耗角古为45。(1ana=1)时对应着体系凝胶点。这种方法测量较为简单,已经用于表征多种凝胶体系的凝胶点。1.2.2.3G突变法Tang掣25'26’441认为也可以利用G’突变时对应的温度来表征凝胶温度:G,∽:箜!x—Atempe—rature:尘生、7AtemperatureAlimeAtime即在G’增加最快处做一条切线并延长这条切线至温度轴得到的交点即为凝胶温度。G突变法比G’,G7咬点法用途更为广泛,适用于多种复杂体系。但是,在实际测量时,仪器噪音会干扰测试,测试凝胶点时Gt的响应必须大于噪音水平,否则凝胶点的确定将产生误差。1.2.2.4动态模量的屈服Boutahar等[4546】发现当聚丙烯及高密度氯乙烯等温结晶度超过一定的值之后,体系会发生屈服现象,而屈服现象则可以对应体系凝胶的形成。屈服现象可能是由于体系内部形成了长程有序结构引起的,因为对于液体而言,在频率末端区是不会存在屈服应力的。因此,屈服现象可以反映体系的溶胶一凝胶转变,而浙江工商大学硕士学何论义物理凝胶的形成则可以用屈服模量的出现来表征。1.2.2.5损耗因子tan6与频率无关法凝胶的松弛时问谱可以用以下公式来表示:哪,=高圹在(o_÷0的终端区域,松弛模量可以表示为:r1—12)G(O=St一”(1-13)式中mJ为gamma函数,S为凝胶强度,/7为松弛指数【35】。在凝胶点处的凝胶称为临界凝胶,其剪切应力可以表示为MO"21(f)=一s£(f一,’)一7(t∥)dr(1—14)假设动态试验中所施加的剪切应变为一个正弦函数,剪切应变的振幅为yo,角频率为(o:27rf,则剪切廊变),∥可以表示为135】7(t)=Zosin(cot)(1—15)将方程(1.15)带入方程(1.14)中可求得剪切应力为仃2lO)=G’(∞)‰sin(wt)+G”(∞)yocos(tot)(1-16)在凝胶点处,储能模量与损耗模量可表示为10浙江工商大学硕士学位论文《(∞):j垫婪:st(1一托)c。s(一万/2)tan(n7/"/21“7’、7(1—17)因此,凝胶点处损耗因子与频率无关tan乞专…等…脚(1-18)损耗因子tan6与频率∞无关性判据是目前运用最广泛的【48 ̄501。不同频率下胁力6曲线的交点所对应的点为凝胶点。该判据最大的优点在于动态测试是在小应变下进行,不会影响体系结构,同时还可以得到有关体系临界点时的结构信息,如松弛指数”。1.2.3质构特・眭研究食品的质构特性是食品物性学研究中一项重要的内容,目前质构特性的测定运用最多的方法是TPA(TextureProfileAnalysis)。TPA质构测试是对固体或者半固体样品进行两次压缩,用力学方法模拟人口腔的咀嚼运动,测试结果通过微机界面输出质构测试曲线,因此又被称为两次咀嚼测试‘”I。图1—2给出的是典型的Ⅱ,A测试曲线,可以根据力一时间关系曲线,计算出硬度、弹性等反应食品质构特性的参数。硬度(hardness):样品在第一次压缩过程中发生破裂出现的峰值:脆性(fracturability):样品在第一次压缩过程中可能会出现两个峰值,则第一个峰值定义为脆性,第二个峰值表示硬度;若第一次压缩曲线中只有一个峰值,则无脆性值,定义为硬度:弹性(springiness):表示样品经过第一次压缩以后能够再恢复的程度,数值上用t2]t1表示;凝聚性(cohesiveness):反映样品的内部键的强度,表示样品经过外力作用变形后对第二次压缩的抵抗能力,数值.1:用(面积2/面积1)表示;粘着性(adhesiveness):表示探头由于测试样品的黏着作用所消耗的功,数值上用第一次压缩曲线达到零点到第二次压缩曲线开始之间曲线的负面积(面积31表示;胶性(gumminess):表示将胶态食品破碎到可以咀嚼状态时所需的能量,反映样品的黏性特征,数值上用凝聚性与硬度的乘积表示。咀嚼性浙江工商大学硕士学位论文(chewiness):表示将食品咀嚼到可吞咽时所消耗能量的多少,数值上为胶性与弹性的乘积。回复性(resilience):表示样品在第一次压缩过程中回弹的能力,数值上用(面积4/面积5)来表示。如今,TPA已在多种食品体系中应用,并得到了有意义的结果。值得注意的是,TPA测试的质构参数受多种因素影响,例如测试速度、测试形变、压缩次数、压缩探头的形状尺寸等。因此,研究者需要根据研究目的以及样品特性来确定测试条件。另外,在分析TPA测试结果时,并不需要需要按部就班的分析每一项质构参数,而是选取有意义的几项参数以作分析。1r1-30.下压1。.上行。.下压。.上行。2520f\/\Z15魏嚣黏葑性:面积3一宁k少rl、-,curve癸腰2畏1050一a酬{l弹性=^,f,J1耥;交譬器簦觳耋叫葛j2\~2_o.他:、.02S如。}u如I/7-10图1.2典型的TPA测试曲线Figurel一2Typicaloftextureprofileanalysistest1.3本课题的研究内容和意义凝胶体系在加工过程中通常都会经历溶胶向凝胶转变的过程。溶胶.凝胶转变机制决定了凝胶体系的凝胶性质,如流变特性和结构稳定性,控制体系的溶胶.凝胶转变对于生产加工具有重要作用。工艺人员可以根据产品的实际需要选择体系的溶胶状态或者凝胶状态,也可以根据需要选择推迟或者提前凝胶过程,但是凝胶点的测量和控制都非常困难,近些年如何控制凝胶体系中溶胶.凝胶转变的研究引起了越来越多的重视,成为国内外的研究重点。但是目前关于凝胶一溶浙江工商大学硕士学位论文胶的转变研究主要集中在低酰基结冷胶体系,对于高酰基结冷胶体系则鲜有报道。相较于低酰基结冷胶,高酰基结冷胶具有更好的保水性与稳定性,柔软的凝胶特性可以提供独特的口感质地,还可以与其他食品胶体复配以获得更为优良的功能特性,在食品工业中的应用也越来越广泛。有鉴于此,本研究选取高酰基结冷胶为研究对象,利用流变学方法分析体系凝胶过程中相行为的演变过程,确定表征高酰基结冷胶体系溶胶.凝胶转变的流变学表征方法,探明结冷胶浓度、离子种类、离子强度对高酰基结冷胶体系溶胶.凝胶转变温度的影响,建立体系流变行为与相结构的相关性。同时,研究了高酰基/低酰基复合凝胶的凝胶行为,考察离子种类、离子浓度、复配比例对复合凝胶凝胶特性的影响,考察复合凝胶凝胶过程巾微观结构的变化,建立复合凝胶力学性能与微观结构之间的相关性。本项目的研究成果可为结冷胶在食品工业及其它领域中的虑用提供理论支持,还可以为我国食品生产加工与质量控制提供有意的借鉴。浙江工商大学硕士学位论文第2章2.1引言高酰基结冷胶体系溶胶.凝胶转变的流变学表征结冷胶是目前广泛应用于食品工业中的一种新型微生物多糖,主要分为两种,即高酰基结冷胶和低酰基结冷胶,高酰基结冷胶与低酰基结冷胶具有不同的流变与功能特性。由于结冷胶应用于食品时大多涉及其凝胶特性,因此结冷胶的凝胶特性研究成为了研究的热点与重点。结冷胶在凝胶形成中会经历溶胶.凝胶转变,迄今,国内外研究者利用多种手段表征了结冷胶溶胶一凝胶转变,圆二色谱【521,核磁共振‘531、电子自旋共捌541、差示扫描量热法DSCE551和流变学方法‘561等。其中,动态流变学测试成为了测试溶胶.凝胶转变的有效手段,是所有测试方法中最敏感的方法。首先,动态流变学测试时,对样品施加的是一个小应变,不会影响或者破坏体系的结构。其次,其呈现的线性粘弹响应可以很灵敏的反应体系形态结构的变化。迄今为止,人们对结冷胶溶胶.凝胶转变的研究主要集中在低酰基结冷胶方面,对于高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变则鲜有报道,有鉴于此,本文以高酰基结冷胶为研究对象,运用流变学方法考察结冷胶浓度对高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变的影响,发展出一种适合表征高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的流变学方法,以期为高酰基结冷胶在食品工业中的应用提供理论依据。2.2材料与仪器2.2.1实验材料高酰基结冷胶(LTl00.P)食品级美国Kelco公司2.2.2实验仪器JZ78。l磁力搅拌器电子天平数显恒温水浴锅(HH.4)AR—G2流变仪杭州通用电子仪表厂北京赛多利斯仪器系统有限公司国华电器有限公司美国TA公司浙江工商大学硕士学位论文2.3实验方法2.3.1结冷胶溶液的配制将适量结冷胶粉末分散到去离子水中,室温下溶胀24h,于90oC下进行磁力搅拌,直至结冷胶粉末完全溶解成澄清透明的溶液,并用90。C的去离子水补偿由于蒸发而损失的质量。高酰基结冷胶溶液的浓度分别为:0.15g/loomL,0.70g/100mL,0.50rjloomL,1.oog/100mL,1.50g/100mL。2.3.2流变特性研究流变测试采用AR.G2旋转流变仪。平行板模式,所用平行板的直径为60133133,问距o.5lTlnl。在所有测试之前先进行应变扫描以确定线性粘弹区。动态温度扫描的温度范围为95~25。C,降温速度为loC/rain,应变为1.0~5.0%(以确保在线性粘弹区之内),频率为10rad/s。在选定温度下进行动态频率扫描,频率范围为0l~100rad/s,应变为1.0~5.0%(以确保在线性粘弹区之内)。测试前将暴露在空气中的试样表面涂一层甲基硅油,以防止测试过程中水份挥发。2.4结果与讨论2.4.1溶胶.凝胶转变的流变学表征2.4.1.1G7,G”交点法溶胶.凝胶转变是食品生产中最常见的现象之一。根据TungL431的研究,我们首先用G7,G”交点来确定结冷胶溶胶.凝胶转变温度疋。l,c。图2-1给出了不同浓度的高酰基结冷胶温度与G’,G”关系。显然,高温时,G7,G”均为恒定值并且G”总是大于G’,表明在此温度范围内,结冷胶呈现粘弹性液体的特性。低温时,体系由丁.网络结构的形成导致G’超过G”,结冷胶呈现粘弹性固体的特性。在降温过程中,G’,G”都随着温度的降低而增大,然而G7增加的幅度要大于G”,说明结冷胶溶液在冷却过程中弹性占主导。G’,G”随着温度的变化可以表征结冷胶在凝胶过程中类液特性向类固特性的转变。表2-1给出了用G7,G”交点法确定的不同浓度的结冷胶溶胶一凝胶转变温度疋。Lc,可以看出,高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度随着结冷胶浓度的增大而升高,这是因为结冷胶浓度增大导致大分子彼此之间更为接近,进而促进其凝胶过程,这和Emmanuelf571的研究结果类似。浙江工商大学硕士学位论文山o口y●^oTemperature(oc)图2-1不同浓度的高酰基结冷胶温度与G’(实心点),G”(空心点)关系Figure2-lTemperaturedependenceofsloragemodulusG’(sohdsymb01)andlossmodulusG”(opensymb01)forgellangelsolutionswithindicatedconcentrationCg.Thedatashiftedbyawereverticallyfactorof108withgivenavaluetOavoidoverlapping.2.4.1.2G’,*突变法图2-2给出了在降温过程中,不同浓度下高酰基结冷胶G’随温度的变化曲线。显然,在测试初期(温度较高),G’很小,基本为0,表明体系是以粘性为主的:当温度降低到某个临界温度时,体系G’开始迅速增加,说明体系弹性增加,体系内部凝胶网络结构的形成导致体系结构产生变化;G’增加速率随着温度的降低而逐渐减慢。同时,结冷胶浓度对体系粘弹行为影响显著,体系G’随着结冷胶浓度的升高而增大,结冷胶浓度越大,G’越大,表明体系的弹性也越高,可以利用体系G7的变化来表征体系的溶胶.凝胶转变。结冷胶凝胶的过程分为两步,首先是结冷胶不规则线团转变为有序的双螺旋结构,随后双螺旋结构再聚集形成连续的三维网络结构。Tang等人认为可以利用G’突变时对应的温度来表征凝胶温度:Gf(f)=丽AG'×警=彘(2-1)浙江工商大学硕士学位论文即在G增加最快处做一条切线并延长这条切线至温度轴得到的交点即为凝胶温度(瓦。1.G,),利用这种方法确定的溶胶.凝胶转变温度见表2.1。Temperature(。C)图2-2不同浓度的高酰基结冷胶温度与G’关系asFigure2-2Changesinstoragemodulusoffivehighaclygellansolutionsreducedatl。C/minduring由namictestingtemperatureswere我们在研究中还发现,在降温过程中,体系的粘度(卵+)也会出现类似的变化规律(如图2.3所示)。即随着温度的降低,卵+也会逐渐升高,且结冷胶浓度越大,这种变化越明显。虽然溶液的粘度和凝胶结构之间的关系还没有明确的结论,但是从形态学角度出发,体系内出现长程有序结构时,会使得体系粘度发生改变。因此,我们认为体系粘度的突变也可用来表征体系的溶胶.凝胶转变。利用该方法确定的溶胶.凝胶转变温度见表2—1,不难发现,利用卵+的变化确定出的凝胶温度(疋乩。・)要高于用G‘的变化所确定出的凝胶温度(z;。LG,),且随着结冷胶浓度的增加,体系的凝胶温度也显著提高。浙江工商大学硕士学位论文12010080,一、∞矗*、√口f60402002030405060708090100Temperature(。C)图2-3不同浓度的高酰基结冷胶温度与,7+关系Figure2-3ClmngesincomplexviscosityoffivehighaclygellansohilionsreducedatIoC/minduringdynamictestingaStemperatureswere2.4.1.3动态模量的屈服国内外众多的研究者在对iPP,HDPE的等温结晶的研究中发现[4L4制,当体系的结晶度超过一定的值之后,会发生屈服现象。屈服现象可能是由于体系内部形成了长程有序结构引起的,因为对于液体而言,在频率末端区是不会存在屈服应力的。因此,屈服现象可以反映体系的溶胶一凝胶转变,而物理凝胶的形成则可以用屈服模量的出现来表征。类似的,在高酰基结冷胶凝胶过程中,体系中形成长程有序结构时,体系也会出现屈服现象,根据Boutahar的研究结果,我们采用了由Utrackit581改进的Casson模型来表征体系溶胶.凝胶转变:U¨2=彬2+aU01坨(2-2)其中,U表示流变函数(G’、G”等),∽表示屈服值,既是纯液态基体的U值,口是斜率系数。浙江工商大学硕士学位论文G’(o严(pa”)G‘(0)1。(pa”2)G‘(oy。∞”2)图24不同温度下的高酰基结冷胶储能模量的屈服:(a)O.15g/lOOml;(b)0.50g/lOOml;(c)0.70g/lOOml;(d)1.00g/lOOml;(e)l50g/lOOmlFigure2-4DeterminationofyieldvaluesofG’forhighaclygellansohidonswithindicatedconcentrationebyusingthemodifiedCassonmodel:(a)o.15g/100ml;(b)o.50eJ]OOm];(c)O.70∥!OOml;(d)1.00∥lOOml;(e)1.50g/lOOml.Differentsymbolpmsemdiffemmtemperatures.19浙江工商人学fvfi-t:学位论文F山:oG’’(0)12(Pal2)图2-5不同温度卜的高酰基结冷胶损耗模量的屈服:(a)0.15∥lOOm];(b)0.50g/100ml;(C)0.70∥1OOml;(d)1.00∥lOOml;(e)1.50∥】OOmlFigure2—5DeterminationofyieldvaluesofG”forhighaclygellansolutionswithindicatedconcentrationQbyusingthemodifiedCassonmodel:(a)o.15∥100ml;(b)0.50∥100ml;(C)0.70∥100ml;(d)1.00g/100ml;(e)1.50g/100m1.Differentsymbolpresentdifferenttemperatures.浙江工商大学帧士学位论文图2—4,2—5给出了凝胶过程中不同温度下高酰基结冷胶体系Gd佗(Z∞)与G刖2(O,∞),G"VZ(T,co)与Q.1/2(0,∞)的关系曲线。可见,不同温度下的数据均可以用直线进行拟合,将这些直线外推到频率末端区,即得到其屈服模量的值。如果假定流变仪的测量误差为5%,认为在低频区域,屈服模量在5%偏差以内的值是无效的,可忽略,屈服模量出现有效值时的温度则对应着体系溶胶.凝胶转变温度。山于由储能模量与损耗模量的屈服所确定的溶胶.凝胶转变温度结果类似,此处只列举由储能模量的屈服所确定的溶胶.凝胶转变温度碌f,(见表2—1)。根据图2—4,2.5,我们认为该方法町以粗略估算模量的屈服值。2.4.1.4损耗因子tanO与频率C.O无关法图2.6给出了在不同的温度下,高酰基结冷胶体系G.、G”与频率CO的关系曲线。由图可见,在高温下,∥均大于G7,表现出类液体的特性,随着温度的降低,G7和Gf+增加,但G+的增加幅度大于G”,出现了G’大于G”,且随着温度的进一步降低,G7,G”在低频区开始出现“第二平台”现象,“第二平台”特征的出现表明材料内部形成了诸如团聚、骨架、网络等有序结构的形成,对于高酰基结冷胶体系而言,对应着体系内部凝胶的形成。对于浓度为0.15,0.50,O。70,1.00和1.50g/100ml的高酰基结冷胶溶液,其溶胶一凝胶转变分别发生为63~64。C,72-74oC,74~76oC,78~80。C和80~82oC。Winter等‘59“01研究发现,在物理凝胶点处,动态储能模量G・和损耗模量G”依赖于频率的同一因子变化6。(09)oCGc(∞)。C∞”(2-3)因此,在物理凝胶点处储能模量与损耗模量与频率无关:tan艿:垡c竺:删盯2(2—4)浙江工商大学硕士学位论文言邑2』oo爸b一≯【,o∞(rad,s1言邑o合o≯o0≯ooooo图2-6不同温度下的高酰基结冷胶G’(实心点),G”(空心点)与频率关系:(a)0.15g/lOOmk(b)0.50∥lOOml;(C)0.70∥100mk(d)100∥100rid;(e)1.50g/lOOmlFigure2-6VarialionofG’(solidsymb01)andG”(opensymb01)withangularfrequency∞fordifferenthighacylgellanconcentrationsatindicatedtemperature.(a)0.15∥lOOml;(b)0.50∥lOOml;(C)O.70g/100ml;(d)1.00#lOOn'd;(e)1.50g/100m1.Theadatawereverticallyshiftedbyfactorof108withgivenavaluetoavoidoverlapping浙江工商大学硕士学位论文Temperature(。C)T“Pcrat'】re(oC)I'∞州m(oc)Temperature(oc)Temperature(oc)图2-7不同频率下的高酰基结冷胶损耗因子随温度变化曲线:(a)o15g/lOOml;(b)050g/100ml;(C)o.70∥100ml;(d)1.OOg/100ml;(e)1.50g/lOOmlFigure2-7向"6VerSUSthetemperatureofvariousconcentration:(a)015∥100ml;(b)O.50g/100ml;(C)O.70g/100ml;(d)1.00g/100ml;(e)1.50g/lOOmlDifferentsymbolsdepictdifferentfrequencies+Thegellingtemperature%cL∞isestimatedfromthecrossoveI"ofthefrequencydata.浙江工商大学硕士学位论文图2—7给出了损耗因子缸一6随温度的变化关系曲线。不同频率下tan5线相交的交点对应的温度即为体系的溶胶-凝胶转变温度z;。L。。由此说明,肋,6与频率无关性判据是适合高酰基结冷胶体系的。∞Dqd7日口日口v日口q口a口日口日vo△口日q口△△△△4△△△△△o000目H00ooO口o口麓篇∽。。“md,sl∞∞CCCCK孙;。硝鸺℃t℃吧屯日口q口q口日v8口o口日9话砷舯让C日V目d口q口qF§口日口可△日△口寸日vq口△△△△△△△△△△△△△△△△△6o0Ocooo。o0oooⅡo口ooD0口。。oO0o口口oou口oo口ooDc口曲删slDoA78℃80。C8l℃口技‘c寻寻日弓△寻3△寻△0vC△△△△△a口△7△0日日8日日日日8目a日口△0口图2-8损耗因子与频率的关系曲线:(a)0,15∥lOOml;(b)o.50g/100ml;(C)O.70g/lOOml;(d)1.00∥100ml;(e)150∥IOOmlFigure2-8tangversusfrequencyofvarious0.70concentration:(a)o,15∥100ml;(b)0.50∥100ml;(c)g/lOOml;(d)1.00g/100ml;(e)1.50g/lOOml.Differentsymbolsdepictdifferenttemperature.24浙江工商大学硕士学位论文图2.8给出了损耗因子tan6随频率∞的变化关系曲线。由图可知,当温度低于溶胶一凝胶转变温度毛。・,。时,胁朋6随着∞的增加而增大,呈现出典型的粘弹性固体的性质;当温度高于溶胶-凝胶转变温度疋。L。时,tan6随着∞的增加而减小,呈现出典型的粘弹性液体的性质。表2-1不同浓度的高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度及松弛临界指数Tablc2-lSol-geltransitiontempcraturesandcriticalexponentofhighacylgellansolutions对比上述五种方法确定的溶胶.凝胶转变温度,不难发现,由G7与G”交点法及G’,玎+突变法确定的凝胶温度的值远小于由频率无关性和屈服模量所确定的凝胶温度。由图2—6可见,G’、G”强烈依赖于频率∞的变化,在不同频率下,G’、G”差别显著。根据粘弹性理论,频率越高,对应的作用时问越短,因此测出的模量值也会越高,由此可见,利用G’、G”交点法和G。、叼+突变法确定出来的溶胶一凝胶转变温度会随着测试频率的不同而不同,从理论上,凝胶点的测试应与频率无关。此外,Winter等【”】研究发现,只有当体系松弛临界指数”=1/2时,G7与G”交点对应的温度才能表征体系真实的溶胶一凝胶转变温度。当体系"<1/2时,G’与G”交点出现在凝胶点以前;当体系胛>1/2时,G’与G”交点出现在凝胶点以后。虽然储能模量的屈服所确定的溶胶.凝胶转变温度与损耗因子与频率无关法所确定的基本一致,但是这种方法不能提供其他关于临界点凝胶的有关信息,例如,松弛临界指数聆。而损耗因子与频率无关法所确定的溶胶.凝胶转变温度与频率无关,由此可以代表体系真正的溶胶.凝胶转变温度。根据损耗因子的数值,可以计算松弛临界指数玎,从而揭示体系在溶胶一凝胶转变临界点时的内部结构信息。所以我们认为,损耗因子与频率无关性判据更适合表征高酰基结冷胶体系溶胶一凝胶的转变。浙江J=商大学硕士学位论文2.4.2浓度与溶胶一凝胶转变温度的关系图2.9给出了浓度对溶胶.凝胶转变温度的影响。由图可知,溶胶.凝胶转变温度随着结冷胶浓度的增大而升高,这也说明了浓度升高导致大分子之间交联增加,从而形成更强更致密的凝胶网络结构。根据图2—9中曲线的变化规律,我们提出了用来描述高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度与浓度的数学模型fR2=0.9922):气吐。=17.57109C+77.79(2-5)其中,疋。】.。为用损耗因子与频率无关法确定的凝胶温度,C为结冷胶浓度。logC(g/100m1)图2.9高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度与其浓度关系Figure2-9.Concentrationdependenceofsol—geltmasitionlemperatureofhighacylgellansolution2.4.3松弛临界指数、分形维数与浓度的关系对于物理凝胶而言,松弛临界指数玎不是一个定值,并且根据凝胶的不同在0-1之间变化。研究发现,多糖体系松弛临界指数在不同的条件下差别很大,卡拉胶在不加钾离子的条件下,玎在0.18~0.21问变化,而在添加钾离子的条件下则浙江工商大学硕士学位论文在0.17~0.24之问变化‘611。Dai等人‘24J发现低酰基结冷胶在加入钾离子的条件下,松弛指数在0,57~0.72之间变化,而在加入钙离子的条件下则在0.37-0.63之间变化。凝胶体系的松弛指数越小,则说明其凝胶网络结构越致密。根据表2—1可知,高酰基结冷胶的松弛临界指数随着浓度的升高从052减小至0.42,说明形成的凝胶网络结构越来越致密。Muthukumar1621发现,当屏蔽流体动力学相互作用以及排除体积效应时,松弛指数"与分形维数卉存在这样的关系:门===———一df+2dd(d+2—2d,)2(d+2一df、)(2—6)讲是凝胶网络结构的分形维数,d是空问维数,一般认为是3.因此,可以根据松弛临界指数计算出分形维数矾(赤3)。松弛临界指数越小,分形维数越大,则表明凝胶网络结构更致密。在相同温度下,浓度高的凝胶体系含有更多的螺旋结构,导致聚合更为密集,网络结构则更为致密。图2.10描述了分形维数与高酰基结冷胶浓度的关系,在我们所研究的体系中,其分形维数磁值分别为1.98、2.04、2.05、2.07、2.09,随着结冷胶浓度的增加出现小幅度的升高,说明结冷胶浓度的升高对分形维数的影响不明显。Hossain等【61】研究发现浓度为5.0,6.0丰[J7.0wt%的卡拉胶体系的分形维数分别为2.31,2.32和2.34,和我们的研究结果类似。浙江工商大学硕士学位论文C(g/lOOml)图2—10高酰基结冷胶分形维数与其浓度关系Figure2-10Concentrationdependenceoffraclaldimensionofhighacylgellansolution2.5小结本章采用4种不同的流变学方法对高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变进行了表征,分别是储能模量(G’)与损耗模量(G”)的交点法、GI和复数粘度(玎+)的突变法、G’屈服法以及损耗因子(tan6)与频率(∞)无关法。研究发现,G'并tlG”交点法、G’和卵’突变法确定的溶胶.凝胶转变温度强烈依赖于频率,并不能表征体系真实的溶胶.凝胶转变温度。GI屈服法YFDtan5与CO无关性所确定的溶胶.凝胶转变温度基本一致,但很难提供临界点凝胶结构的具体信息,因此我们认为tan8与∞无关性是更适合表征高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度的流变学方法。此外,我们还研究了浓度对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的影响。发现,溶胶.凝胶转变温度随着结冷胶浓度的升高而升高。松弛临界指数(刀)随着浓度的升高而减小,分形维数(卉)则随着浓度的升高而增大。这表明,随着结冷胶浓度的升高,其凝胶网络结构也变得更为致密。浙江工商大学硕士学位论文第3章离子对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的影响3.1引言结冷胶在凝胶过程中通常都会经历溶胶向凝胶转变的过程,溶胶.凝胶转变会影响到产品的品质与性能,如结构稳定性以及流变特性,因此研究结冷胶的溶胶.凝胶转变十分必要。现有研究表明,低酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变会受多种因素的影响,如基体浓度、pH值、离子种类及离子浓度等。其中,离子的影响非常显著,加入不同的离子种类或者离子浓度能使结冷胶在很宽的范围内呈现不同的溶胶凝胶特性。目前,关于高酰基结冷胶的相关研究非常匮乏,有鉴于此,本章以高酰基结冷胶为研究对象,考察离子种类、离子浓度对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的影响,建立离子浓度与溶胶.凝胶转变温度的关系,以期为高酰基结冷胶在食品工业及其它相关领域的应用提供理论依据。3.2材料与仪器3.2.1实验材料高酰基结冷胶(U’100.P)KClNaClCaCl2食品级分析纯分析纯分析纯分析纯美国Kelco公司四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂MgCl23.2.2实验仪器JZ78.1磁力搅拌器电子天平数显恒温水浴锅(HH.4)AR.G2流变仪杭州通用电子仪表厂北京赛多利斯仪器系统有限公司国华电器有限公司美国TA公司浙汀T商大学硕j‘学位论文3.3实验方法3.3.1结冷胶溶液的配制将适量结冷胶粉末分散到去离子水中,室温下溶胀24h,于90。C下进行磁力搅拌,直至结冷胶粉末完全溶解成澄清透明的溶液,趁热加入一定量的Caclz、MgCl2、KCl、NaCI溶液,并用90oC的去离子水补偿由于蒸发而损失的质量。本章研究中所用的高酰基结冷胶溶液的浓度为:o,50g/loo为2~10mM,K+、Na+浓度为10~40mM。mL。ca2上、M孑+浓度3.3t2流变特性研究流变测试采用AR—G2旋转流变仪。平行板模式,所用平行板的直径为60mm,间距1ITIITI。在所有测试之前先进行应变扫描以确定线性粘弹区。在选定温度下进行动态频率扫描,频率范围为0.1~100rad/s,应变为10~5.0%(以确保在线性粘弹区之内)。测试前将暴露在空气中的试样表面涂一层甲基硅油,以防止测试过程中水份挥发。3.4结果与讨论3.4.1钙离子对溶胶一凝胶转变温度的影响图3.1给出了含有不同钙离子浓度的高酰基结冷胶体系在不同温度下的频率扫描曲线。由图可见,在高温下,G”均大于G’,表现出类液体的特性,随着温度的降低,G’和G”增加,但G’的增加幅度大于G”,出现j,G7大于G”。此外,可见随着温度的降低,G’,G”在低频区开始出现“第二平台”现象,“第二甲台”特征的出现表明材料内部形成了有序结构,例如骨架、网络等的形成。对于高酰基结冷胶体系而言,对应着体系内部凝胶的形成。对,钙离子浓度为2mM,4mM,6mM,10mM的高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度分别在在76~78。C,78~80oC,80~82。c,82~84。C之间。由此可以粗略地看出相同浓度的结冷胶的溶胶.凝胶转变温度会随着钙离子浓度的增大而升高。爸.。f苣I。,oi90∞fm【Vs)邑.。』o×堂0oo∞(rad/s)图3-l不同温度、钙离子浓度下的高酰基结冷胶G’(实心点),G”(空心点)与频率关系:(a)c(Ca斗)=2mlvl,Co)c(Ca2+)=4mNl,(c)c(Ca2+)=6mlvl,(d)c(Ca2+)=10mlVl.Figure3-lVariationofG7(solidsymb01)andG”(opensymb01)withangularfrequency60fordifferentCa2+concentrationsatindicatedtemperature.(a)c(Ca2+)=2mM,(b)c(Ca2+)=4mlvl,(c)c(Ca”)26mM,(d)c(Ca”)=10mM.Thedataawereverticallyshiftedbyafactorof108withgivenvaluetoavoidoverlapping.Winter发现在物理凝胶点时,储能模量与损耗模量依赖于频率的同一因子(松弛指数)变化,因此,在物理凝胶点处储能模量与损耗模量与频率无关G:(国)∞G:(国)∞D”(3-1)tan瓯=爱…等…删3l(3—2)浙江工商大学硕士学位论文因此,我们可以利用损耗因子与频率无关法计算凝胶点以及松弛指数。图3-2给出了损耗凶子rand随温度变化的关系曲线。可见,在一定频率范围内tan5曲线相交于一点,该点所对应的温度即为体系的溶胶-凝胶转变温度,弓抽(见表3—1)。结果表明,高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度确实随着钙离子浓度的增大而升高。这是因为钙离子能屏蔽结冷胶链羧基间的静电排斥作用,促进结冷胶链交联,随着钙离子浓度的增大,这种作用则越明显,表现为溶胶-凝胶转变温度的升高。图3-2不同频率下的高酰基结冷胶损耗因子随温度变化曲线:(a)c(Ca2+)=2mM。(b)c(Ca2+)=4mM,(c)c(Ca2+)=6mM,(d)c(Ca2+)=10mMFigure3.2tan5versusthetemperatureofvariousCa2+concentration:(a)c(Ca2+)--2mM,(b)c(Ca2+)=4mM,(c)c(Ca2+)=6rnM,(d)c(Ca2+)=10mM.Differentsymbolsdepictdifferentfrequencies.Thegellingtemperature%eL∞isestimatedfromthecrossoverofthefrequencydata.32浙江工商大学硕士学位论文3.4.2镁离子对溶胶.凝胶转变温度的影响图3.3不同温度、镁离子浓度下的高酰基结冷胶G’(实心点),G”(空心点)与频率关系:(曲c(Mg斗)=2mM,Co)c(M92+)=4mM,(c)c(M92+)=6mM,(d)c(Mg斗)=lOm/vlFigure3-3VariationofG’(solidsymb01)andG”(opensymb01)withangularfrequency∞fordifferentMg”concentrationsatindicatedtemperature.(a)c(Mg”)=2mM,(b)c(Mg”)=4mM,(c)c0V[g”)=6mM,(d)c0Vlg’)=10mMThedatagivenawereverticallyshiftedbyafactorof108withvaluetoavoidoverlapping.图3.3给出了含有不同镁离子浓度的高酰基结冷胶体系在不同温度下的频率扫描曲线,G7和G”随温度的变化与加入钙离子的高酰基结冷胶类似。图3.4给出了损耗因子tan6随温度变化的关系曲线。同样,我们用损耗因子与频率无关法计算体系的溶胶。凝胶转变温度(见表3.1)。显然,镁离子浓度的增大引起结冷胶溶胶.凝胶转变温度的升高。另外,加入相同浓度的镁离子或者钙离子对结冷胶溶胶.凝胶转变温度的影响并没有显著差异,这跟其他学者研究的结果一致。Hung浙江工商人学硕士学位论文[631研究了钙离子、镁离子对1%的高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度的影响,发现钙离子与镁离子对凝胶温度影响差异不显著,这是因为高酰基结冷胶对离子的不敏感性所导致的。值得注意的是,Tangt冽研究了钙离子、镁离子对不同浓度低酰基结冷胶溶胶一凝胶转变温度的影响,也发现加入钙离子的结冷胶的溶胶.凝胶转变温度与加入相同浓度镁离子的溶胶.凝胶转变温度几乎相同。图3-4不同频率下的高酰基结冷胶损耗因子随温度变化曲线:(a)c(M92+)=2mNl,Oo)c(M92+)-4mM,(c)c(M92+)=6mM,(d)c(M92+)=10mMFigure3-4tan6versusthetemperatureofvariousMd*concentration:(a)c(M92+)=2mM,(b)c(M92+)=4hum.(c)c(M92+)=6Inll、41,(d)c(M92+)=10mM,Differentsymbolsdepictdifferentfrequencies.Thegellingtemperature毛eL∞isestimatedfromthecrossoverofthefrequencydata浙江工商大学硕士学位论文3.4.3钾离子对溶胶.凝胶转变温度的影响图3-5不同温度、钾离子浓度下的高酰基结冷胶G’(实心点),G”(空心点)与频率关系:(a)c0<+)=10mM,(b)c(K+)=20mM,(c)c(K?)=30mM,(d)c(K3=40mMFigure3・5VariationofG7(solidsymb01)andG”(opensymb01)withangularfrequency∞fordifferentK1concentrationsatindicatedtemperature.(a)c(K+)=10mM,(b)c0C)=20m/Vl,(c)cⅨ+)=30IN,(d)cⅨ+)=40mlVl.Thedatawereverticallyshiftedbyafactorof108withgivenavaluetoavoidoverlapping.本研究中所选的一价离子浓度为10--40mM。图3-5给出了不同钾离子浓度的结冷胶在不同温度下的频率扫描曲线。当温度较高时,结冷胶体系G”大于G’,这是典型的类液特征,G”、G,均依赖于频率;当温度较低时,G7大于G”,且随着温度的降低,这种差异越来越明显,并且在频率末端区G’平台开始出现,表明结冷胶体系经历了类液向类固的转变。结果表明,浓度为O.5∥100ml,钾离子浓度为10mM,20mM,30mM,40mM的高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温浙江工商大学硕士学位论文度分别在76~78。C,78—80。C,80~82。C,80-82。C之间。说明,在我们研究的离子浓度范围内,体系的溶胶.凝胶转变温度会随着钾离子浓度的增大而升高。图3.6不同频率下的高酰基结冷胶损耗因子随温度变化曲线:(a)c心)=10c(K+)=20mM,(c)c(K+)=30mM,(d)c(K+)=40mMmM,Co)Figure3-6tan3versust11etemperatureofvafiousK_concentration:(a)c(K+)210mM,(b)c0C)=20raM,(c)c(K+)=30mM,(d)c(I(j)=40mM.Differentsymbolsdepmtdifferentfrequencies+Thegellingtemperature珞L∞isestimatedfromthecrossoverofthefrequencydata.图3-6给出了损耗因子tan6随温度变化的关系曲线,我们采取损耗因子与频率无关法计算了加入钾离子的高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度(见表3.1)。结果表明,高酰基结冷胶的溶胶凝胶转变温度确实随着钾离子浓度的增大而升高。这与二价离子促进结冷胶交联的机理相同,钾离子能屏蔽结冷胶链羧基间的静电排斥作用,促进结冷胶链交联,且这种作用会随着钾离子浓度的增大而越发明显,表现为溶胶凝胶转变温度的升高。浙江工商大学硕士学位论文3.4.4钠离子对溶胶一凝胶转变温度的影响图3.7给出了不同钠离子浓度的结冷胶在不同温度下的频率扫描曲线。由图可知,钠离子对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的影响与钾离子类似,浓度为0.5g/lOOml,钠离子浓度为10mM,20mM,30mM,40mM的高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度也分别在在76~78。C,78~80。C,80~82。C,80-82。C之间,结冷胶的溶胶.凝胶转变温度会随着钠离子浓度的增大而升高。图3—7不同温度、钠离子浓度下的高酰基结冷胶G’(实心点),G”(空心点)与频率关系:(a)c(Na+)=10mM,(b)c(Na-)=20mM,(C)c(Na+)=30mlVl,(d)c(Na+)-40mMFigure3.7VariationofG’(solidsymb01)andG”(opensymbollwithangularfrequency∞fordifferentNrconcentratiorIsatindicatedtemperature,(a)coqa+)=10mM,(b)c(Na+)=20mM,(c)ac(Na+)=30mM,(d)c(Na+)=40mlvl.Thedatawereverticallyshiftedbyafactorof108withgivenvaluetoavoidoverlapping.浙汀=工商大学硕士学位论文图3-8不同频率下的高酰基结冷胶损耗因子随温度变化曲线:(a)cfNa+)=lOm/v1,(b)c(Na+)=20mM,(c)coqa+)=30mlVl,(d)c(Na+)=40mMFigure3—8tan6velsusthetemperatureofvariousNa+concentration:(a)c(Na+)=lOmM,(b)c(Na+)=20mM,(c)c(Na+)=30mM,(d)c(Na+)=40mM.Differentsymbolsdepictdifferentfrequencies.Thcgellingtemperature7赢∞isestimatedfromthecrossoverofthefrequencydata.图3-8给出了损耗因子tan6随温度变化的关系曲线,确定的溶胶一凝胶转变温度见表3—1所示。加入钾离子的结冷胶溶胶.凝胶转变温度与加入钠离子的结冷胶溶胶一凝胶转变温度几乎相等。这与Hung[631,Emmanuel【571等人的研究结果一致。但是,一价离子对高酰基结冷胶溶胶.凝胶温度的影响与对低酰基的不同。对于低酰基结冷胶来说,加入相同浓度的钾离子与钠离子,加入钾离子的结冷胶的溶胶一凝胶转变温度要比加入钠离子的高2-6oc[261。而对于高酰基结冷胶来说,加入相同浓度的钾离子或者钠离子达到的溶胶.凝胶转变温度并无显著差别。这是因为,与低酰基结冷胶相比,高酞基结冷胶的甘油酰基屏蔽了分子侧链上的羧基基团,影响了其对离子的敏感度。浙江工商大学硕士学位论文在所研究的钠离子、钾离子浓度范围内,结冷胶溶胶.凝胶转变温度范围与添加二价离子的结冷胶类似,但是所需一价阳离子浓度高于二价阳离子。这要归因于二价阳离子与一价阳离子的凝胶作用机制不同。二价阳离子与结冷胶双螺旋之间建立了直接的羧基.阳离子.羧基连接,而一价阳离子与结冷胶双螺旋之间仅建立间接的羧基一阳离子一水分子一阳离子.羧基连接。相比一价阳离子,二价阳离子这种直接的连结方式更能促进结冷胶凝胶。对于低酰基结冷胶来说,要达到相同的溶胶.凝胶转变温度,所需加入的一价离子用量是二价离子的9-14倍【261。而对于高酰基结冷胶,我们发现要达到相同的溶胶.凝胶转变温度,所需加入的一价离子用量约为二价离子的5~7倍。表3.1不同离子浓度的高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度及临界松弛指数Table3-1Sol-geltransitiontemperaturesandcrilicalexponentofhighacylgellansolutions浙江工商大学硕士学位论文3.4.5高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度与离子浓度的关系在研究体系溶胶.凝胶转变时,确定溶胶一凝胶转变温度与离子浓度的关系有着重要作用:1)可以根据初始体系浓度与离子浓度来预测溶胶.凝胶转变温度;2)在特定温度、浓度下找出体系最终状态;3)与其他研究进行比较;4)为实际应用提供理论依据,根据实际需求选择合适的体系浓度与离子浓度。图3-9给出了离子浓度与高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变温度的关系,我们发现溶胶.凝胶转变温度与离子浓度之间具有良好的相关性,可以用以下模型进行拟合:1/I吐。=AIn[Xi]+B其中,痢是离子浓度,A,B是常数,对含有不同离子体系的拟合结果见表3-2所示。In([divalent],raM)图3.9高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度与离子浓度关系Figure3-9Ionconcentrationdependenceofsol-geltransitiontemperatureofhighacylgeHansolution浙江工商大学硕士学位、沦文表3-2高酰基结冷胶溶胶一凝胶温度与离子浓度之间的楣关性Table3-2Relationshipbetweensol-geltransitiontemperaturesandionconcentralionofhighaclygellansolutioncontainingdifferentiontype3.4.6离子浓度与临界松弛指数的关系由表3.1看出,不论加入何种离子,随着离子浓度的升高,溶胶一凝胶转变温度升高,而松弛临界指数则减小,且在0.41~0.46之间变化。Dai等人四1发现低酰基结冷胶在加入钾离子的条件下,松弛临界指数在O.57~0.72之问变化,而在加入钙离子的条件下则在0.37~0.63之间变化。松弛临界指数对于结冷胶体系不具有普适性,松弛临界指数不是一个定值。结冷胶的凝胶过程分为两步:首先结冷胶溶液由不规则的线团转变为双螺旋结构,然后舣螺旋结构再聚集形成交联。因此,这种凝胶化过程依赖于结冷胶链的螺旋长度,以及固有的的结冷胶双螺旋结构的空间分布。这种依赖将破坏交联发生的随机性,导致这种溶胶一凝胶转变没有普适的临界松弛指数。为了揭示结冷胶在临界状态时的结构,我们将分析其临界松弛指数和分形维数。Muthukumar发现,当只考虑排除体积效应而屏蔽流体动力学相互作用时,dn=——d,+2(3.4)如果将排除体积效应及流体动力学相互作用都屏蔽,则得到月==・—一=—————2dd(d+2—2d,)d,+22(a+2一‘)(3—5)浙江工商大学硕士学位论文其中,盯是松弛指数,d,是屏蔽排除体积效应时的分形维数,d是空间维数,一般为3。刀越小,巩越大,则表明凝胶网络结构更致密。根据方程(3.5),可以利用门,计算出盔。发现,不论加入何种离子,高酰基结冷胶的卉都随着离子浓度的增大而增大,表明离子能促进结冷胶分子链之间的交联,加入离了使得结冷胶的网络结构更为致密。在所研究的离子浓度范围内,加入4种离子的结冷胶的卉值没有显著差异,西在2.05~2.10之间变化。这与Dai等人[241研究低酰基结冷胶得到的结果不同,Dai等人发现加入-价离了的结冷胶的分形维数值大于加入+价离子的结冷胶。造成这样的差别主要是因为高酰基结冷胶与低酰基结冷胶对离子的敏感性不同,低酰基受离子的影响更显著。3.5小结本章采用了损耗因子与频率无关的流变学方法研究了四种离子(Ca2+、M92一、Na_、K+)对高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度的影响。结果表明,在所研究的浓度范围内,不论添加何种离子,高酰基结冷胶的溶胶.凝胶转变温度均随着离子浓度的增大而升高。要达到相同的溶胶一凝胶转变温度,加入一价离子的量约为二价离子的5~7倍。而对于二价离子和一价离子而言,离子种类对体系溶胶一凝胶转变的影响几乎无区别。高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变温度与离子浓度的关系可以用模型拟合:1/巧吐。=4ln[彤】+B。另外,不论加入何种离子,高酰基结冷胶的松弛临界指数tl均随着离子浓度的增大而减小,而分形维数卉则随着离子浓度的增大而增大,表明离子能促进结冷胶分子链之间的交联,加入离子使得结冷胶的网络结构更为致密。在所研究的离子浓度范围内,加入4种离子的结冷胶的胛值、d疽没有显著差异,聍在0.41~0.46范围内变化,而盔则在2.05~2,10之间变化。42浙江丁商大学硕上学位论文第4章高酰基/f氐酰基结冷胶复合凝胶凝胶特性研究4.1引言结冷胶是从水百合中分离所得的少动鞘脂单胞菌所产生的胞外多糖。结冷胶具有很多优良的特性,比如在使用时用量少、与其他食品胶体具有很好的复配性、稳定性好、耐酸耐酶等。因此,结冷胶成为一种新型微生物代谢胶广泛应用于食品工业中,并且开始逐渐替代卡拉胶以及黄原胶。结冷胶根据酰基含量的多少主要分为高酰基结冷胶和低酰基结冷胶两种类型。高酰基结冷胶和低酰基结冷胶旱现不同的凝胶特性,高酰基结冷胶形成的凝胶柔软而富有弹性,而低酰基结冷胶形成的凝胶则凝胶强度大、易脆裂,将高酰基和低酰基结冷胶制备的复合凝胶后则会得到适中的质构特性。研究结冷胶的凝胶特性,对于指导其成产加工具有重要意义。目前,关于结冷胶凝胶特性及其流变行为的研究已取得了一定的成果。但国内对于高酰基结冷胶的研究仍十分匮乏,于晓博等‘641研究prt、结冷胶浓度、离子浓度等对高酰基结冷胶凝胶特性的影响。因此,我们研究了高酰基和低酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度对高酰基/低酰基复合凝胶凝胶特性的影响,以期为结冷胶在食品工业中的应用提供理论指导。4.2材料与仪器4.2.1实验材料低酰基结冷胶Kelcogel高酰基结冷胶LTl00.PCaCl2食品级美国Kelco公司美国Kelco公司食品级分析纯分析纯分析纯分析纯四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂四川成都科龙化工试剂厂MgCl2NaClKCl4.2.2实验仪器TAXT物性分析仪电子天平英国SMS公司北京赛多利斯仪器系统有限公司43浙江工商大学硕士学位论文D.37520osterode台式高速冷冻离心机美国Thermo公司杭州通用电子仪表厂日本KonicaMinoltaSensingJZ78.1磁力搅拌器CR.400色差计lnc.公司4.3实验方法4.3.1高酰基和低酰基结冷胶复合凝胶的制备在室温下将适量结冷胶粉末分散到去离子水中,溶胀24h,于90。C下进行磁力搅拌,直至结冷胶粉末完全溶解并形成透明、澄清的溶液,并用90。C去离子水补偿由于蒸发而损欠的质量,趁热加入一定量的CaCl2、MgCl2、KCI、NaCl溶液,分装在qb30mm×20mm的模具中,迅速置于冰盐水中冷却凝胶后,在4oC冰箱中放置24h后进行质构特性测试。所制备的结冷胶的总质量浓度为lg/100mL,高酰基结冷胶与低酰基结冷胶的质量比分别为100/0,75/25,50/50,25/75,0/100,Ca21、M92‘浓度为10~50mlVl,K+、Na+浓度为100~500mM。4.3.2凝胶特性测试凝胶特性测试采用质构分析仪(型号TA.XT2i,英国SMS公司)。选用的夹具为P/05S,测试模式为TPA(TextureProfileAnalysis)。考察测试形变对复合凝胶凝胶特性影响的实验中,测试速度:1mm/s,测试形变:20%,30%,40%,50%,60%。考察测试速度对复合凝胶凝胶特性影响的实验中,测试形变:30%,测试速度:0.1mm/s、0.5mm/s、1mlil/s、5mm/s幂Ell0mmfs。考察不同离子种类、离子浓度浓度对复合凝胶凝胶特性影响的实验中,预压速度为1.0mm/s,测试速度为1.0mm/s,回复速度为1.0mm/s,变形量为30%,两次压缩之间的停留时间为5S,触发力为5g。每组测试均做5次平行测定,实验结果为平均值。4.3.3保水性(WHC)测定称量50mL空离心管的质量为W。,在离心管中加入按照4.3.1方法配制的一定量的结冷胶溶液,待其凝胶后称量质量w1,于4。C、16除上层水,称量重量w2,根据公式(4—1)计算保水性:000g卜离,C,q0min,去浙江工商人学硕_lj学位论文WHC:一W2i-WO×100%蟛一%(4—1)每组测试均做5次平行测定,实验结果为平均值。4.3.4扫描电子显微镜(SEM)观察将凝胶切成10mm×2mm×2mm的试样。用pH7.2的0.1M2.5wt%戊二醛PBS缓冲溶液固定24h,其中过12h更换一次固定液。用0.1MpH7.2的PBS缓冲溶液冲洗试样3次,每次15min。用1%锇酸固定2h后,再用0.1MpH7.2的PBS缓冲溶液冲洗试样3次,每次15min。用30%,50%,70%,80%,90%,95%乙醇脱水,每次脱水1次,每次20min,用100%乙醇脱水2次,每次20脱水好的试样用超临界二氧化碳干燥,干燥好的试样喷金进行SEM测试。min。4.3.5不透明度(OI)测定将复合凝胶切成2ITIITI的薄片,用色差计测定复合凝胶的明亮度L士。L奉=100表示白色,Lt=0表示黑色。先将凝胶样品放在黑色背景上测得L4,记为Lb,再将凝胶样品放在白色背景上测得L术,记为L。,则不透明度为:叫:生×100%£w(4・2)4.4结果与讨论4.4.1TPA测试参数对复合凝胶凝胶特性的影晌TPA测试结果与测试参数紧密相关,在本研究中我们主要研究了测试速度和测试形变的影响。图4.1给出了测试速度对钙离子浓度为30mM,高酰基“氐酰基复配比例为75/25,50/50,25/75的复合凝胶凝胶特性的影响。可见,测试速度对TPA测试结果影响显著,总体来说,在测试速度小于lmlTIfS时,硬度、凝聚性、弹性、咀嚼性都随着下压速度的增大而增大。当测试速度大于1mm/s时,硬度、凝聚性、弹性、咀嚼性则达摹本到恒定不变。结果表明,在较d,N试速度下,复合凝45浙汀T商大学硕{|学位论文胶容易受影响。因此,在后续的研究中我们将测试速度定为1mrn/s。图4—1测试速度对复合凝胶凝胶特性的影响:(a).硬度,(b).凝聚性,(c).弹性,(d).咀嚼性Figure4-1Theinfluenceofcrossheadspeedonthetexturepropertiesofmixedgels.(a).hardness,(b)cohesiveness,(c).springiness,(d)chewiness图4—2给出了测试形变对钙离子浓度为30mM,高酰基/低酰基复配比例为75/25,50/50,25/75的复合凝胶凝胶特性的影响。可见,测试形变对TPA测试结果影响显著。在任何复配比例下,复合凝胶的硬度随着测试形变的增大而增大。而当测试形变达到40%时,复合凝胶的硬度则基本达到恒定。与此相反,复合凝胶的凝聚眭、弹性则随着测试形变的增大而减小。存任何复配比例下,复合凝胶的咀嚼性则随着测试形变的增大呈现先增大后减小的趋势,在测试形变达到30%时有最大值。综合考虑,选择测试形变为30%。浙江工商大学硕士学位论文图4.2测试形变对复合凝胶凝胶特性的影响:(a).硬度,(b).凝聚性,(c).弹性,(d),咀嚼性Figure4-2Theinfluenceofdeformafionorlthelcx'lurepropertiesofmixedgels.(a).hardncss,Co)cohesiveness,(c).springiness,(d)chewmess4.4.2高酰基/1氐酰基结冷胶复配凝胶的凝胶特性4.4.2.1硬度硬度与凝胶在压缩状态下的凝胶强度有关,硬度越大表明凝胶的凝胶强度越大。图4—3给出了高酰基“氐酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度与复合凝胶硬度的关系。显然,高酰基/f氐酰基结冷胶的复配比例对复合凝胶的硬度有很大的影响。在任何离子种类及离子浓度F,高酰基/低酰基结冷胶复合凝胶的硬度都随着高酰基结冷胶含量的增加而减小。这是由于高酰基结冷胶的甘油酰基阻碍了其双螺旋链间的接近聚合,在宏观上表现弱凝胶性质。而在每一个复配比例下,复合凝胶的硬度都随着离子浓度的升高先增大后降低,但是对于不同的高酰基/低酰基结冷胶复配比例,最大硬度所对应的离子浓度是不同的。由图4.3可47浙江工商大学硕士学位论文见,对于复合凝胶而言,在每一个复配比例下,离子浓度都有一个最佳值,当其含量低于该值时,硬度会随着离子含量的增加而提高,反之,当离子浓度超过临界值后,硬度则会随着离子含量的增加而下降,这和Mao等人fl8】用压缩方式对高酰基和低酰基结冷胶复合凝胶的研究结果一致。阳离子能结合结冷胶分子侧链上的羧基,屏蔽静电排斥作用,促进结冷胶双螺旋结构的聚集。因此随着离子浓度的增加,凝胶强度也随之提高。当离子浓度达到最佳值时,正好将所有羧基基团结合起来,形成的网络最致密,表现出凝胶强度最大。但是离子浓度过大时,离子间相互竞争,产生排斥作用会导致凝胶强度下掣9’65|。另外,随着低酰基结冷胶含量的增加,这种现象则变得更为明显。冈4-3离子浓度及高酰基,f氏酰基复配比例对硬度的影响:(a).ca—Co).M92_,(c).Na+,(d).K+Figurc4-3Thehardnessofmixedgelscontainingdivalentormonovalentcationswith1gJ‘100mltotalpolymeratfivedifferentHA/LAweightratio.(a).Ca2+inducedgels,(b)M92+inducedgels,(c).Na+inducedgels,(dⅨ+inducedgels48浙;__I=工商大学硕士学位论文阳离子种类对复合凝胶的硬度也有一定影响。总的来说,在最佳离子浓度时,加入二价阳离子的复合凝胶的硬度大于加入一价阳离子的复合凝胶。这可能是由于二价阳离子与结冷胶双螺旋之间建立了直接的羧基.阳离子.羧基连接,而一价阳离子与结冷胶双螺旋之间仅建立问接的羧基一阳离子一水分子.阳离子.羧基连接惭“7I。二价阳离子与结冷胶的连结方式更能减少羧基基团间的静电排斥作用,因此加入二价阳离子的复合凝胶表现为更坚硬的凝胶特性。另外,对于二价阳离子来说,加入钙离子的复合凝胶的硬度比加入镁离子的复合凝胶大。同样,对于一价阳离子来说,加入钾离子的复合凝胶硬度比加入钠离子的复合凝胶大。4.4.2.2凝聚性图4-4离子浓度及高酰基“氐酰基复配比例对凝聚性影响:(a)Ca2+(b).M92+,(c).Na4(d).K+Figure4-4TheCohesivenessofinLxedgelscontainingdivalentormonovalentcalionswith1eClOOnlltotalpolymeratfivedifferentHA/LAweightratio(a).Ca计inducedgels,(10)M92+inducedgels,(c).NriIlducedgels,(d)K+inducedgels49浙江工商大学硕士学位论文凝聚性表示了凝胶经过第一次压缩变形后所表现出来的对第二次压缩的相对抵抗能力,它反映了破坏凝胶内部结构的难易程度。图4—4给出了高酰基/低酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度与复合凝胶凝聚性的关系。复合凝胶的凝聚性随着高酰基结冷胶含量的增加而增大,当高酰基“氐酰基结冷胶的复配比例为0/100时,复合凝胶的凝聚性最小。这要归凶于,随着低酰基结冷胶含量的增加,形成的复合凝胶则更倾向于形成脆性凝胶,所表现出来的保持凝胶完整性的能力下降。而当高酰基“氏酰基结冷胶的复配比例为100/0时,复合凝胶的凝聚性最大。这是因为高酰基结冷胶葡萄糖残基的甘油酸,特别是甘油酸上的3个氧原子能通过形成氢键或者与离子结合来稳定其双螺旋结构,从而使得高酰基结冷胶的内部结构更为稳定。同时,高酰基结冷胶比低酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变温度高得多,也说明了这一点[681。另外,离子种类对复合凝胶的凝聚性有一定影响。加入钙离子的复合凝胶的凝聚性比加入镁离子的复合凝胶大,同时,加入钾离子的复合凝胶的凝聚性要大于加入钠离子的,这与对硬度的影响类似。但是,离子浓度对复合凝胶的凝聚性则几乎没有影响。不管加入何种离子,在任何高酰基/低酰基复配比例下,复合凝胶的凝聚性都几乎保持恒定。4.4.2.3弹性弹性反映了凝胶经过初始压缩内部结构的破坏程度。如果凝胶在TPA测试中的第一次压缩时破裂成数量少但体积大的碎块,则弹性值大。反之,如果凝胶在第一次压缩时破裂成数量很多的小碎块,则弹性值就小【6引。如低甲氧基果胶,卡拉胶,琼脂这种低弹性凝胶,在咀嚼时比结实而富有弹性的明胶凝胶更易破裂。图4—5给出了高酰基/f氐酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度对复合凝胶弹性的影响。在所研究的离子浓度范围内,离子浓度对复合凝胶的弹性影响不大,弹性随着离子的加入呈现小幅度波动。这与Mao等人的研究结果一致t181。Mao等人发现,在钙离子浓度在2~14mM时,对复合凝胶的断裂应变影响显著,而当钙离子浓度超过20mM时,断裂应变则几乎恒定不变。总体来说,复合凝胶的弹性受离子种类的影响与硬度及凝聚性类似,即在任何复配比例下,加入钙离子的复合凝胶的弹性比加入镁离子的复合凝胶大,同时,加入钾离子的复合凝胶的弹性比加入钠离子的复合凝胶的弹性大。而复合凝胶的弹性随着高酰基结冷胶的增加而增加。浙江工商大学硕士学位论文瑞。暑∞a‘l图4-5离子浓度及高酰基/低酰基复配比例对弹性的影响:(a).Ca24,(b).Mg孙,(c)-Na+,(d),K_orFigure4-5Thespringinessofmixedgelscontainingdivalentmonovalentcationswith1∥lOO珊totalpolymeratfivedifferentHA/LAweightratio.(a)Ca2+inducedgels,(b)M92+inducedgels,(c)Na-inducedgels,(d)K+inducedgels4.4.2.4咀嚼性咀嚼性是模拟将食品咀嚼成适合吞咽状态所需能量的度量∽I,咀嚼性越大说明咀嚼需要的能量越大。图4-6给出了咀嚼性与高酰基“氐酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度的关系。显然,不论加入何种离子,复合凝胶的咀嚼性随着离子浓度的升高先增大后降低。总的来说,在最佳离子浓度时,加入二价阳离子的复合凝胶的咀嚼性大于加入一价阳离子的复合凝胶。在任何复配复配比例、离子浓度下,加入钙离子的复合凝胶的咀嚼性比加入镁离子的复合凝胶大,加入钾离子的复合凝胶的咀嚼性比加入钠离子的复合凝胶大。浙江工商大学硕士学位论文图4-6离子浓度及高酰基丌氐酰基复配比例对咀嚼性影响:(a).cF,(b).M92+,(c).Na+,(d).K+Figure4-6Thechewinessofmixedgelscontainingdivalenttotalormonovalentcationswith1∥100mlpolymeratfivedifferentHA/LAweightratio.(a).Ca2+inducedgels,(b)M92+inducedgels,(c)Na‘inducedgels,(d)K+inducedgels在研究的离子浓度内,复合凝胶的咀嚼性随着高酰基/低酰基结冷胶的复配比例的增大先增大后减小。当高酰基纠氐酰基结冷胶的复配比例为100/0,O/100时,咀嚼性均较低。这是由于高酰基结冷胶形成柔软而富有弹性的凝胶,更容易咀嚼,而低酰基结冷胶凝聚性低,结构易被破坏,咀嚼时所需要的能量则较小。高酰基/低酰基结冷胶的复配比例50150时,咀嚼性最大,此时的复合凝胶质构最结实紧密,咀嚼时需要更多能量。Morrisl681采用DSC研究发现,高酰基/f氐酰基结冷胶复合凝胶存在两种分离的相转变,且相转变发生在各自组分的特征相转变温度。Morris认为复合凝胶的双螺旋结构并不涉及两种结冷胶链,换句话说,即高酰基结冷胶与低酰基结冷胶形成分离的相互贯穿的网络结构.互穿聚合物网络52浙江工商大学硕士学位论文口N。IPN有两种类型,一种是全互穿聚合物网络,即所有聚合物都交联形成网络结构;另一种是半互穿聚合物网络,只有一种聚合物交联形成网络结构,全互穿聚合物网络比半互穿聚合物网络更结实0711。因此,高酰基“氐酰基结冷胶复配比例为50/50的复合凝胶很有可链是形成了全互穿聚合物网络,从而宏观表现为咀嚼性最强。而当高酰基/低酰基结冷胶复配比例为25/75时,复合凝胶中的低酰基结冷胶形成连续的网络基质,而小部分的高酰基结冷胶则分散在这种基质中。相反地,当高酰基/低酰基结冷胶复配比例为75/25时,复合凝胶中的高酰基结冷胶形成连续的网络基质,而小部分的低酰基结冷胶则分散在这种基质中。此两种复配比例下复合凝胶都只形成了半互穿网络结构,从而咀嚼性也相对较小。4.4.3复合凝胶的保水・陛凝胶保水性是胶体在贮存或者受外力时能保持水分的能力。多糖类胶体很容易出现脱水的现象,会降低凝胶的品质,所以凝胶保水性的研究非常重要。图4—7给出了高酰基结冷胶/低酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度与复合凝胶保水性的关系。高酰基/低酰基复配比例对保水性有显著影响。结果表明,复合凝胶的保水性随着高酰基结冷胶含量的增加而增大。高酰基结冷胶的保水性优于低酰基结冷胶,可能是由于高酰基结冷胶的双螺旋结构含有更多的氢键。另一方面,高酰基结冷胶的凝聚性高于低酰基结冷胶,在受到外力时,高酰基结冷胶保持内部结构完整性的能力更强,因此能保留更多的水分。高酰基结冷胶凝胶保水性几乎不受离子浓度及离子种类的影响,在所研究的离子浓度范围内,高酰基结冷胶保水性均在98%以上。离子种类、离子浓度对低酰基结冷胶凝胶的保水性影响显著。二价阳离子与一价阳离子对低酰基结冷胶凝胶保水性的影响不同。在所研究的离子浓度范围内,加入二价阳离子(Ca2’、M92+)的低酰基结冷胶凝胶保水性随着离子浓度的升高而大幅度减小,保水性从95%降至70%;而加入一价阳离子(K+、Na+)的低酰基结冷胶凝胶保水性则随着离子浓度的升高先减小后增大,保水性始终在85%以上。Mao[72】也发现l%的低酰基结冷胶随着钙离子浓度的升高而减小,直到钙离子浓度达到60mM。对于高酰基/低酰基复配比例为75/25、50/50、25/75的复合凝胶来说,随着离子浓度的升高,保水性先减小后增大。加入镁离子的复合凝胶的保水性大于加入钙离浙江工商大学硕士学位论文子的复合凝胶的保水性,而加入钠离子的复合凝胶的保水性则大于加入钾离子的复合凝胶的保水性。图4—7离子浓度及高酰基“氐酰基复配比例对复合凝胶保水性的影响:(a)Ca2+,Co)M92+,(c),Na+,(d).K+Figure4-7TheWHCofmixedgelscontainingdivalenttotalpolymeratormonovalentcationswith1gnOOnai胁edifferentHA/LAweightratio.(a).Ca2+inducedgels,Co)M92+inducedgels,(c).Na+inducedgels,(d)K+inducedgels图4—8给出了不同复配比例的高酰基/低酰基结冷胶复合凝胶的微观结构。南图可见,结冷胶凝胶时均会形成网状结构,其中低酰基结冷胶会形成海绵状的多孔结构,高酰基结冷胶的网状结构则十分致密,而复合凝胶则介于两者之间,这也解释了低酰基结冷胶的保水性远远小于高酰基结冷胶的原因。浙江工商大学硕士学位论文(a)(b)(c)图4-81g/100mL结冷胶SEM电镜图片(a)H~LA=100/O(b)HA/LA=0/100(c)HA/LA225/75Figure4.8SEMmorphologyof1e,noomLgellanatthepresenceof30mMCa2+(a)HA/LA=100/0(b)HA/LA=0/100(c)HA/LA=25/7555浙江工商大学硕士学1节论文4.4.4复合凝胶的不透明度孚≥0享丑’石包。。图4.9离子浓度及高酰基/1氐酰基复配比例对复合凝胶不透明度的影响:(a).Ca斗,Co).M92+,(c).Na-,(d).K+Figure4-9T11eopacityofmixedgelscontainingdwalemormonovalcntcationswith1g/lOOmltotalpolymeratfivedifferemHA/LAweightratio(a).Ca2+inducedgels,(b)M92+inducedgels,(c).Na+mducedgels,(d)K+inducedgels图4-9给出了高酰基结冷胶/f氐酰基结冷胶的复配比例、离子种类、离子浓度与复合凝胶不透明度的关系。通常,纯的低酰基结冷胶形成透明的凝胶,而高酰基结冷胶则形成乳白色的凝胶。因此,复合凝胶的不透明度应该随着高酰基/低酰基结冷胶比例的升高而增大。但是,由图可知,当体系只有低酰基结冷胶和离子存在时,形成的凝胶也有较高的不透明度,这是由于离子存在使得体系内部形成了较强的网络结构造成的。增加离子浓度可以促进结冷胶双螺旋结构的聚合,并且随着离子浓度的升高,聚合的尺寸和数量都会增加,导致体系浊度的升浙江工商大学硕士学位论文高【14J。当复配比例固定时,复合凝胶的不透明度均随着离子浓度的升高而出现先增大后减小的趋势。总体来说,在最佳离子浓度时,加入二价离子的复合凝胶比加入一价离子的复合凝胶不透明度稍大。对于二价离子而言,加入钙离子的复合凝胶不透明度大于加入镁离子的复合凝胶;对丁.一价离子而言,加入钾离子的复合凝胶不透明度大于加入钠离子的复合凝胶。4.4.5离子的协同作用对复合凝胶凝胶特’性的影响_价阳离子与一价阳离子都能促进结冷胶凝胶,虽然它们促进结冷胶凝胶的凝胶机理不同,但它们都是通过与结冷胶羧基结合来促进结冷胶凝胶。当二者共存时,一方面口J‘能由于离了间相互竞争从而阻碍双螺旋结构的形成,表现为凝胶强度减弱,另一方面也可能产生协同作用从而使凝胶强度增大。因此,我们考察了二者的协同作用,图4—10给出了二价离子(M92+、Ca2+)和一价离子(Na+)的协同作用对复配比例为50/50,总浓度1∥100ml的高酰基/f氐酰基复合凝胶硬度的影响。由图可知,硬度随着离子浓度的增大呈现马鞍形的变化规律。这是由于,当一价离子浓度较低时,结冷胶上的羧基与一价离子的有限结合不能形成足够量的氢键连接,同时又减弱了二价离子与羧基间的桥联,因而随着一价离子的加入,硬度下降;而当一价离子浓度增大到一定程度时,体系中反过来就主要以一价离子为主体,此时随着一价离子的加入,硬度又出现上升的趋势。但由于二价离子的存在,离子问相互相竞争阻碍双螺旋结构的形成,因此二价阳离子与一价阳离子在促进结冷胶复合凝胶上无协同作用。浙江工商大学硕士学位论文冬6器詈毫甜4Z2OO100200300柏0500sodiumionconcentration/(mM)冬兽口每士苎sodiumionconcentration/(mM)图4.10二价离子与一价离子共同作用对硬度的影响Figure4-10TheeffectofNa+concentrationsonthelmrdnessoflg/lOOmltotalpolymerwithHA/LAweightratioof50/50containingdifferentcationsa1M92+=10mM;b)Ca2。=10mlvl58浙江工商大学硕士学位论文4.5,J、结利用质构仪质地多面分析方法(TPA)研究了离子种类、离子浓度和高酰基/低酰基结冷胶复配比例对复合凝胶凝胶特性的影响。高酰基/低酰基结冷胶复配比例对复合凝胶凝胶特性及保水性影响显著。随着高酰基/低酰基结冷胶复配比例的增大,复合凝胶的硬度减小,凝聚性及保水性增大,而咀嚼性则出现了先增大后减小的趋势。另一方面,离子种类与离子浓度对复合凝胶的凝胶特性及保水性也有很大影响。总体来说,复合凝胶的硬度和咀嚼性均随着离子浓度的升高先增大后减小,保水性则随着离子浓度的升高先减小后增大,而凝聚性和弹性基本不受离予浓度的影响。在最佳离子浓度时,加入二价阳离子的复合凝胶的硬度、咀嚼性大于加入一价阳离子的复合凝胶。另外,对于二价阳离子来说,加入钙离子的复合凝胶的硬度、凝聚性、弹性、咀嚼性均比加入镁离子的复合凝胶大。同样,对于一价阳离子来说,加入钾离子的复合凝胶的硬度、凝聚性、弹性、咀嚼性比加入钠离子的复合凝胶大。保水性则相反,加入镁离子的复合凝胶的保水性大于加入钙离子的复合凝胶的保水性,而加入钠离子的复合凝胶的保水性则大于加入钾离子的复合凝胶的保水性。而二价阳离子与一价阳离子没有协同作用。浙江工商大学硕士学位论文第5章结论5.1结论本研究选取高酰基结冷胶为研究对象,考察结冷胶浓度、离子种类及离子强度对其溶胶.凝胶转变的影响。利用动态剪切流变方法分析研究体系相行为的演化过程,建立动态流变特性与相行为的关联,找出适宜表征高酰基结冷胶溶胶凝胶转变的流变学表征疗法。同时以高酰基/低酰基结冷胶复合凝胶为研究对象,研究离子强度、离子种类、复配比例对复合凝胶凝胶特性的影响,考察复合凝胶凝胶过程中微观结构的演变,建立复合凝胶力学性能与微观结构之间的相关性。1)采用4种流变学方法对高酰基结冷胶的溶胶一凝胶转变进行了表征,分别为:储能模量(G’)与损耗模量(G”)的交点法、Gf和复数粘度(卵+)的突变法、GI屈服法以及损耗因子(tan6))与频率(∞)无关法。对比四种测试方法发现,G’和G”交点法、G’和卵’突变法确定的溶胶.凝胶转变温度强烈依赖于频率,并不能表征体系真实的溶胶一凝胶转变温度。Gf屈服法只能粗略估计体系的溶胶.凝胶转变。tan8与∞无关性是更适合表征高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变温度的流变学方法。2)高酰基结冷胶体系溶胶.凝胶转变温度随着结冷胶浓度的升高而升高。松弛临界指数(”)随着浓度的升高而减小,分形维数(dO则随着浓度的升高而增大。这表明,随着结冷胶浓度的升高,其凝胶网络结构也变得更为致密。3)离子浓度对高酰基结冷胶凝胶温度影响显著,体系的溶胶.凝胶转变温度均随着离子浓度的增大而升高。要达到相同的效果,加入一价离子的量约为二价离子的5~7倍。当离子所带电荷数相同时,离子种类对体系的溶胶.凝胶转变基本无影响。不论加入何种离子,体系的,l均随着离子浓度的增大而减小,而卉则随着离子浓度的增加而增大。在所研究的离子浓度范围内,月在0.41~0.46变化,而讲则在2.05~2.102_间变化。根据体系凝胶温度变化方式,发展了一种用于表征体系溶胶一凝胶温度和离子浓度关系的数学模型。4)高酰基/低酰基结冷胶复配比例对复合凝胶凝胶特性及保水性影响显著。随着高酰基/低酰基结冷胶复配比例的增大,复合凝胶的硬度减小,凝聚性及保水性增大,而咀嚼性则出现了先增大后减小的趋势。离子对复合凝胶凝胶特性影响显著,复合凝胶的硬度、咀嚼性、不透明度均随着离子浓度的增加呈现先增大浙江工商大学硕士学位论文后减小的变化趋势,保水性则随着离子浓度的增加先减小后增大,而凝聚性和弹性基本不受离子浓度的影响。二价阳离子诱导形成的凝胶强于一价阳离子诱导形成的凝胶。二价阳离子与一价阳离子之间没有协同作用。5.2创新点采用流变学的方法研究了高酰基结冷胶体系的溶胶.凝胶转变,对比四种不同测试方式的优缺点,确定了高酰基结冷溶胶.凝胶转变表征的最适流变学方法,并研究了结冷胶浓度、离子种类和离子浓度对高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变的影响,表征了在临界凝胶点处凝胶体系的结构特点。5.3建议1)对高酰基结冷胶溶胶.凝胶转变的考察还不够全面,可以进一步研究pH对高酰基结冷胶溶胶一凝胶转变的影响。2)对高酰基“氐酰基结冷胶复合凝胶的凝胶特性的研究还可以继续深入,如可研究放置温度、放置时间、pH等因素对其凝胶特性的影响,以期为实际应用提供理论依据。61参考文献[1】孟岳成,邱蓉.高酰基结冷胶(}{A)特性的研究进展【J】.中国食品添加剂,2008,(5):45-49.12]苏杰,杨月珍,胡立新.结冷胶的特性及其在食品工业中的应用【J】农产品加工学刊,2008,(11):60-62.13]FuchigamiM.,TemotoA.TextureandHydrocolloids,2003.17:895-899structureofhighpressureofgellangumgel[J1.Food[41卓训兰.新型微生物多糖一结冷胶【J】粮食与油脂,2001(9):34.35151HuangY,TaklmrP.S.,TangJ.,ela1.Flowbchaviorsofhighacylgellanaqueoussolutionsasaffectedbytemperature,andcalciumandgellanconcentrations[J].InternationalJournalofFoodEngineering,2008,4(5):1-17[6]孟岳成,卢晶,江一菲,等.高酰基结冷胶的溶胶和凝胶特性研究及结构初步分析【J】食品科学,2010,3l(13):65-68171宗迪,钟芳,麻建国低质量分数结冷胶的流变性质【J】无锡轻工大学学报,22(5):19.24.【8]张俊,王军,陈碧兰,等.结冷胶水溶液的流变特性及其影响因素研究【J】食品工业科技,2002,23(11):28.29.【9】TangJ.,LelievreJ.,TungMA.,ela1.Polymerandionconcentrationeffectsongellangelstrengthandstrain[J]JournalofFoodScience,1994,59(1):216-220[10】TangJ.,TungM.A.,ZengYMec"hanicalpropertiesofgcllangelsi11relationtodivalentcationslJ].JournalofFoodScience,1995,60(4):748・752[111TangJ.,TungM.A,ZengYCompressionstrengthanddeformationofgellangelsformedwithmono—anddivalentcations[J1.CarbohydratePolymers,1996,29(1):11-16【121MaoR.,TangJ.,SwansonB.GEffectofPHbuffersonmechanicalpropertiesofgellangels[j].JournalofTexqureStudies,1999,30(2):151-166[131EvageliouV,GerolemouA.,ZikasA.,ela1.Effectofsaltsandsugarsontheclarityofgellangels[J].InternationalJournalofFoodScienceandTechnology,2011,46(5):1001.1006[14】LanM.H,TangJ.,PaulsonA.T-Tex加reprofileandturbidibofgcllan/gelatinmixedgels【J】FoodResearchInternational,2000,33:665-67162浙江工商大学硕士学位论文【15]需岳成,洪伦波.结冷胶的复配胶体系的流变行为研究[J】.食品工业科技,2009,30(4):128-130【16】ManInezP.L.E,L6pezA.E,TecantebA.Steadyandoscillatory.shearbehavioroffluidgelsformedbybinarymixturesofxanthanandgellan[J].FoodHydrocolloids,2004,18:471-481【17】NiUaY,KimB.S,NishinariK.Synergisticgelformationofxyloghican/gellanmixturesstudiedby1654-1660.asrheology,DSC,andcirculardichroism[J].Biomacromolecules,2003,4(6)[18】MaoR+,TangJ—SwansonB+GTexturepropertiesofhighandlowacylmixedgellangels[J]CarbohydratePolymers,2000,4l(4):331-338【19】HungY.,TangJ.,SwansonofhighandlowacylBGeta1.EffectofcalciumconcentrationOUtexturalpropertiesmixedgenangels[J].CarbohydratePolymers.2003,54(4):517—522【20】Nt)fiezS.M.C.,TccanteA.Rheologicalandcalorimetricstudyofthesol-geltransitionofk--carmgeenanlJ].CarbohydratePolymers,2007,69:763-773[21】GekkoK.,FukamizuM.EffectofpressureOilthesol—geltmnsifionofgelatin[J].InternationalJournalofBiologicalMacromolccules,1991,13(5):285-300【22】HsuS,JamiesonA.M.ViscoelasticbehaviourPolymer,1993,34(12):2602-2608atthethermalsol—geltransitionofgelatin[J】【23】DaiL.,LiuX.X.,Liu,Y.L.,eta1.Concentrationdependenceofcriticalexponentsforgelationingellangumaqueoussolutionsuponcooling[J1.EuropeanPolymerJournal,2008,44(12)4012-4019.【24】DaiL.,LiuX.X.,TongZ.Criticalbehavioratsol—geltransitioningellangumaqueoussolutionswithKCIandCaCl2ofdifferentconcentrations[J].CarbohydratePolymers,20108l(2):207—212.【25】TangJ.,TungM.A.,ZengY.Gellingtemperatureofgellanions[J].JournalofFoodScience,1997,62(2):276-280solutionscontainingcalcium【26】TangJ.,TungM.A.,ZcngY.Gellingpropertiesofgellansolutionscomaimngmonovalentanddivalentcations[J].JournalofFoodScience,1997,62(4):688-693【27】MiyoshiE.,NishinariK.Rheologicalandthermalpropertiesnearthesol-geltransitionofgellan68-82.gumaqueoussolutions[J].ProgressmColloidandPolymersScience,1999,114浙江工商大学硕士学位论文[28】MaoR.,TangJ.,SwansonB.GGellingtemperaturesofgellansolutionsbuffersJJl.JoumalofFoodScience,1999,64(4):648—652[29】BartonJ.M.,BuistG.J.,HamenonI.,etasaffectedbycitratea1.Hightemperature1HNMRstudiesofepoxycureAneglectedtechnique[J].PolymerBuHefin1994,33,:215-219[30】'惦allesE.M.,MacoskoC.WStructureandviscosityofpoly(dimethylsiloxanes)withrandombranches[J1.Macmmolecules,1979,12:521—526[31】MijovicJ.,KimJ.,SlabyJ.CurekmeficsofepoxyformulationsofthetYpeusedi11advancedcompositeslJ]JournalofAppliedPolymerScience,1984,29:1449-1462【32】MuzumdarS.V,LeeL.J.Predicationofgel-timeinthePheomenologicalmodeling3I:1647.1656.VScureofunstaturatedpolyesterresinsstatisticalanalysis[J]PolymerEngineeringandScience,1991[33】Macosko239.245CWRheologicalchangesduringcrosslinking[J]Brit.Polym.J,,1985,17[341李懋鸣.结冷胶流变行为研究【D】.杭州:浙江工商大学,2013【35】陈青.聚合物等温结晶时间尺度的流变学研究IDI.杭州:浙江大学,2006【361TakahashiM.,LiL.,MasudaTNonlinearviscoelasticityofABSpolymersinmoltedstatelJ】JournalofRheology,1989,33:709【37】ZhengQ.,ZuoM.Investigationofstructureandpropertiesforpolymersystemsbasedondynamicrheologicalappmaches[jJ】.ChineseJournalofPolymerScience,2005,23:341-354【38】ChenQ.,FanY.R.,ZhengQ.Anovelapproachintorheologicalcharacterizationforthegelationpolymercrystallization[J]ChineseJournalofPolymerScience,2005,23:423—434【39】CaoY.X.,ZhengQ.,DuM.Relationshipsbetweenthcrmo-oxidationanddynamicrheologicalbehaviorofEPDMIJ].ActaPolymericaSimca,2005,3:408—412【40】WinterH.H.,CtmmbonEAnalasisoflinearviscoelasticityofacrosslinkingpolymeratthegelpoint[J]JournalofRheology,1986,30:367・382【41】AdamM.,DelsantiM.,DurandD.Mechanicalmeasurementsinthereactionbathduringthepolycondensationreaction,nearthegelationthresholdlJ].Macromolecules,1985,18(11)2285—2290【42】Axelos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母多年的养育之恩。他们勤劳、正直、善良、豁达,教会了我很多做人的道理。他们的叮嘱、关爱和支持,是我最宝贵的精神财富。在此,向父母表达深深的谢意。最后,向两年半以来一直关心我、帮助我的老师、家人和朋友表示最诚挚的谢意!独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得浙江工商大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名:———年日期:弘r:}年尼月Ⅶ关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文的规定:浙江工商大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文,并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。签名:—二茎兰卜导师签名:辑日期:Vf、年I调印日浙江工商大学硕士学位论文论叉.!.▲Jf曲的封少一rjL:.夕氐7l高酰基结冷胶溶胶—凝胶转变及其凝胶特性研究

作者:

学位授予单位:

袁妍

浙江工商大学

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