天然高分子包括多糖、蛋白质等亲水胶体.由 于具有环境友好性、生体适应性、生物活性等诸多 优点，它们在食品、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2 X107万吨,市值达240亿美元.但是， 天然高分子在材料设计时受自身固有弱点的限 制：种类有限、化学结构相对单一，在物性设计中 可利用的选择较少.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-疑胶转 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，是解决该瓶颈的重要手段.这些相 行为在天然高分子混合溶液中往往可同时存在， 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.

海藻酸钠（sodium alginate)是由a~L-古罗糖 醛酸（G)和0-3-甘露糖醛酸（M)通过（1—4)连 接形成的线性嵌段共聚物，分子嵌段包括M嵌 段、G嵌段、和MG嵌段m .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等就提出海藻酸钠与二价 金属离子凝胶化的“蛋盒模型”（egg-wx model) 2.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1 2 .黄原 胶（xanthan gum)为野油菜黄单胞菌（xanthomonas campestris)产生的一种胞外多糖，它由D■葡萄糖、 D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、D-甘露糖醛酸构成了五 糖重复单元聚合体3.黄原胶水溶液表现为典型 的假塑性流体，在较宽的pH及温度范围内具有 优越的黏度稳定性，因此黄原胶作为增稠剂、悬浮 剂和稳定剂被广泛应用在食品、日用化工、医药、 纺织、印染等领域.黄原胶的高级结构是侧链和主 链间通过氢键维系形成的双螺旋结构，分子链刚 性度相当大，相关长度（persistence legnth)在高离 子强度下就可达106 nm[4 .正是由于不对称刚性 的分子结构，黄原胶在一定的临界浓度以上可形 成溶致液晶B〜7).

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

钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，制剂.传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6〜13 . Boyd等14发现当 混合海藻酸钠和黄原胶时,伴随着相分离发生体 系出现液晶现象，会引起黏弹性的显著降低，而当 稀释混合物时（比如人体服用后胃部的稀释），黏 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.

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M .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，溶液的黏度变得无限大，开始出现平衡模 量M .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,建立了以体系黏弹性 为标尺、描述凝胶临界化行为的Winter~Chambon 准则E6, 17 . Muthukumar等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M.

本文以海藻酸钠/黄原胶为研究对象,表征了 混合体系的相行为，考察了相分离、液晶转变对钙 离子诱导的凝胶化过程的影响，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.此外，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），该研究对海藻酸钠/黄原胶在新型 GORD制剂中的应用有重要指导意义.

1实验部分

1. 1原料

海藻酸钠（挪威，FMC Biopolymer),黄原胶 (美国，CP Kelco),乙二胺四乙酸（EDTA)(美国， Sigma) , CaCl2.2H2O (美国，Sigma),葡萄糖酸内 酯（GDL)(美国，Sigma),去离子水（美国， Millipore ),重水（美国， Cambridge Isotope Laboratories) ,4,4-二甲基—■■硅代戊横酸钠（DSS)

(美国，Cambridge Isotope Laboratories).

1.2样品表征

采用凝胶渗透色谱-多角度激光光散射仪

(GPC—MALLS)(美国，Wyatt Technology)测定海 藻酸钠和黄原胶的分子量及分子量分布，凝胶色 谱柱为 ShodexOHpak SB405 HQ,流动相为 0. 1 mol/L NaCl水溶液，海藻酸钠dn/dc值为0. 150 mL/g M ,黄原胶 dn/dc 值为 0. 144 mL/g 20 .测得 海藻酸钠分子量为2. 99 x 105, M„/Mn = 1.794,黄原胶分子量为 3.30 xl06,M„/Mn =

1.426.

用1H-NMR (瑞士，Bruker AV400)测定海藻酸 钠的M、G含量及嵌段度.样品经过适度的酸降 解,具体方法见参考文献21 .实验条件:溶剂为 重水，浓度为15 mg/mL, 0. 5 wt% DSS作为内标, 实验温度80 °C.测得的海藻酸钠样品的核磁图谱 见图 1,根据 GGM-5、MGM-5、GGG-5、MGG-5、 MG-UMM4位H原子所对应的峰面积122 ,可计 算出M、G单元以及不同二体、三体的摩尔分数： FG = 0.473、FM = 0.527、FGM = 0.204、FGG = 0.290、FMM =0.323、FGGG =0.267、FMGM =0.129、 FGGM=0.054•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，进_步可计算出G嵌段的平均长 度 N = (FG- FMGM) /FGGM=6.4M .

 

The relevant peaks were assigned according to the Ref. 22]

1.3海藻酸钠/黄原胶混合体系相行为的表征 配制2 wt%的海藻酸钠溶液和8 wt%的黄原 胶溶液（如无特殊说明，下文中均为质量百分浓 度），放置在滚轴混合器上过夜充分溶解,留作母 液备用•将海藻酸钠母液和黄原胶母液以_定比 例混合，保持海藻酸钠终浓度为0. 5% ,改变黄原 胶终浓度为 0. 025% , 0. 05% , 0. 075% , 0. 1% ,

0. 25% ,0. 5% , 1%, 2%, 4%, 6%.

为研究海藻酸钠/黄原胶混合体系的相分离 现象，将上述混合溶液在5000 r/min下离心60 min,目测法判断是否有宏观相分离发生.为研究 海藻酸钠/黄原胶混合体系的液晶转变，将上述混 合溶液放置在偏光显微镜（丹东市百特仪器有限 公司，BT4600)下观察并拍照.

1.4 Ca~EDTA诱导海藻酸钠/黄原胶的凝胶化

海藻酸钠/黄原胶混合体系的凝胶化采用钙 离子缓释法,值表示Ca2+与海藻酸钠中羧基的 摩尔比值

f = Ca2+]

1 ~ COO"]

具体实验方法:将2%的海藻酸钠溶液与2% 的黄原胶溶液按_定的比例混合摇匀3 h,加入_ 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%,改变黄原胶的终浓度: 0%, 0.02%, 0.2%, 0.5%, 1%. Ca-EDTA 的浓度 根据所需的f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 =4. 0,以使Ca-EDTA 完全释放钙离子M .加入Ca~EDTA和GDL后，将 样品快速搅拌均匀，静置24 h后进行动态流变测 试.

1.5流变测试

所有流变实验均在Haake RheoStress 6000型 (美国,Thermo Scientific)旋转流变仪上进行，采 用直径为60 mm的平行板夹具（型号P60 TiL), 测量间距为1 mm,温度为25 °C .

不同f值的溶液/凝胶体系的黏弹性通过小 振幅动态频率扫描和应力松弛实验表征.样品首 先经应力-应变扫描实验确定线性黏弹区范围，保 证小振幅动态频率扫描和应力松弛实验在线性黏 弹区进行.小振幅动态频率扫描测定体系的弹性 储能模量（G')和黏性损耗模量（G")随角频率《 的变化，扫描频率范围为0. 1 ~ 100 rad %4.在应 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，钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，松弛时间为20 s.

2结果与讨论

2.1海藻酸钠/黄原胶混合体系的相行为

 

0.025% 0.050% 0.075%0.1%0.25%0.5%1%2%

 

Fig. 2 Images of alginate/xanthan mixed solutions after centrifugation showing phase separation (a) and representative polarised light microscopy images showing formation of liquid crystalline structure ： (b) 0. 5% xanthanj (c) 2% xanthan

The alginate concentration was fixed at 0. 5% and the xanthan concentration was varied.

当固定海藻酸钠浓度为0.5%时，随着黄原 胶浓度的增加，混合体系出现3种不同的相行为： 相容、相分离、液晶形成.如图2 (a)所示，当黄原 胶浓度为0• 025%时，混合体系离心后无明显的 相界面，可认为此时海藻酸钠与黄原胶是相容的； 当黄原胶浓度高于0. 05%时，离心后可观察到清 楚的相界面，说明此时混合体系处于不相容区，发 生了相分离.

此外，利用偏光显微镜跟踪混合体系中取向 结构的形成,发现黄原胶浓度高于0. 5%时，出现 双折射各向异性（明场），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B〜7].液 晶的形成由刚性的黄原胶分子所引起4 2526 .图 2 (b)和2 (c)给出了特征浓度下混合体系的偏光 显微镜照片.对于0. 5%的海藻酸钠，当黄原胶浓 度为0. 5%时，偏光显微镜视野内为均匀黑场，无 明显双折射各向异性.当黄原胶浓度为2%时，在 偏光显微镜下可以观察到样品具有液晶态的双折 射各向异性现象，表现为绞股状的纹理结构.此 外,实验结果表明，随着黄原胶浓度的增大，绞股 状结构变得愈来愈粗壮（照片未给出），这与Boyd 等的观察相_致&0 .

通过上述方法,我们绘制了海藻酸钠/黄原胶 混合体系的二维相图，如图3所示.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<0. 1%或黄原胶<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等报道的近似分子量的黄原胶实验数据基 本_致[4 .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.

2. 2钙离子诱导的海藻酸钠/黄原胶混合体系的 溶胶-疑胶转变

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f值下的黏弹性变化.图4 (a)显示了 0. 5%海藻酸钠纯溶液在不同f值下 G'和G"的角频率《依赖性.图4 (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f值下G'和6"的《依赖性.可以看出,/值 车父小时，在低频区G'< G",在高频区G'> G",这是 典型黏弹性液体的特征行为27].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f达到某一个临界值，G'平行于G".随着f 值的进_步增大，G'与G"再度出现交叉，但是在

 

Fig. 3 Phase diagram of alginate/xanthan mixed solutions ： (A) compatible region,( O ) phase separation and ( O )

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

低频区G' > G",在高频区G' < G",这是橡胶状弹 性体的特性行为28 .钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，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 了黏性的贡献.高频区G' < G"的现象在Lu等的 研究中也有报道M ,可能原因包括：（1)凝胶结构 在高频区破坏，导致黏性贡献增加以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，黏性增加.

Winter和Chambon仔细研究了化学交联凝 胶在凝胶化过程中黏弹性的变化M’17，发现在临 界凝胶点时，储能模量G'和损耗模量G"与角频率 «有如下关系

G' ~ G、wn(1)

同时，损耗角的正切值tanS为 tan5 = G'(w) /G"{w) = tan (nn/2) ,(2)

n为临界指数.

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tanS在临界凝胶点失去角频率依赖性，不同 角频率下的 tanS 交汇于_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 胶如〜321 •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fgel =0.10,见图4 (a);0.5%海藻酸钠/

0. 02%黄原胶的fgel = 0. 09,见图4 (b).图4 (C)和 图4(d)为这两个代表性体系在不同角频率下 tanS随f的变化图.tan5值分别交汇于fgel =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. 

 

Fig. 4 Angular frequency w 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 w are presented in (c) and (d) , respectively.

 

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fgd值，见表1和图5.表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12427 . MLGH与本研究中所用海藻 酸钠具有相近的分子参数:Mw =6. 20 X 105、FG = 0.62.当Cx = 0时（即纯海藻酸钠），/^为0. 101, 接近于 2%MLGH 的fgd =0. 098.当 Cx =0. 02% 时 (相容区）,‘为0. 094,与纯海藻酸钠的fgd无明 显差别.当Cx >0. 02% ,y；J走然降低至0. 03附近. 该降低与相分离出现在同_浓度区间，推测可能 由相分离所引起.当Cx >0.5%,/gd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,gd显著降低.在海藻酸钠 纯溶液的凝胶化过程中，Lu等发现，@61随着海藻 酸钠浓度的升高而降低33 .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fgd升高.

 

Fig. 5 Plot of critical gel pointf⑷ as a function of xanthan concentration Cx for the gelation of alginate/xanthan mixtures at a fixed alginate concentration of 0. 5%

Table 1 Critical gel parameters for alginate/xanthan mixtures

Alginate (wt%)Xanthan (wt%)Phase behaviourfgelnwnr

0. 50. 00Compatible0. 1010.6610. 645

0. 50. 02Compatible0.0940. 6240. 601

0. 50. 20Phase separation0.0300.4710. 370

0. 50. 50Phase separation0. 0290. 4300. 290

0. 51.00Liquid crystal0. 0430.4480. 347

2% MLGH *0. 00N/A0.0980. 7200. 630

According to the Refs.24, 27]

2. 3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，钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，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),也即为图4中tanS的交 汇点以及图6中直线的斜率，可求得松弛临界指 数，分别标记为，和nr (见表1).图7比较了 nw 和^以及它们随黄原胶浓度&的变化趋势.在相 容区，即Cx =〇和〇. 02%,两种方法计算的松弛临 界指数基本_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M .在相分 离和液晶区，即Cx >〇. 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M .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 构有可能打扰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E5’27’33〜34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, 说明纯海藻酸钠不论分子参数和浓度，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 晶区得到了破坏.

 

Fig. 6 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^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63,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，，和nr 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&7].纯海藻酸钠的临界 指数，和nr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^3334 .海藻酸钠/黄原胶混合体系的临界指 数处于同一数值范围. 

 

Fig. 7 Change of relaxation critical exponent nwand 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.

2. 4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M ,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df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,df与n的关系如下：

d d ( d + 2 — 2 df), 5)

n = df +2 = 2(d + 2 - df)1 )

其中d为空间维度，在该研究中d = 3.根据 Muthukumar的理论假设，钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，分形维数df愈大，临界 凝胶的结构排列愈致密，分形维数df愈小,临界凝 胶的结构排列愈疏松.

基于，和nr，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 «,/)分别见图8(3)和8化）.图8(3)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127 .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8 (b)所示，比较合理.当〜> 0. 02% 时，即出现相分离时，分形维数dflP dfr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dflP dfr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解 释:相分离的发生将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df变大,使临界凝胶的 结构排列更加致密E5’27’33〜34 .

 

Fig. 8 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.

3结论

在不同的浓度区间，海藻酸钠与黄原胶混合 溶液可出现3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3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, 钙离子诱导的海藻酸钠和黄原胶凝胶化临界行为研究，这是由于相分离的富集作用在_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.