（高分子化学与物理专业论文）κ卡拉胶凝胶化过程中的构象竞争问题的研究.pdf

摘要 k 卡拉胶是由d 一半乳糖一4 一硫酸盐和3 ，6 一脱水一d 一半乳糖形成的交替共聚物， 属离子多糖，是多糖家族重要的一员。其最大的特点是具有可逆凝胶化性能，即冷却到某 一温度以下( t c ) ，其无规线团构象c ( c o i l ) 转换成螺旋h ( h e l i x ) 构象并形成凝胶。本 文用光学方法系统的研究了k 卡拉胶的凝胶化和相分离过程的竞争关系。 研究表明超声和未超声k c 样品在降温过程中，随着溶剂不良程度的降低，其相对光 强变化逐渐减小。当溶剂为t 5 和t 6 时，相对光强基本不变。在降温过程中，和t o , 均 随溶剂不良程度的递减而递臧同种溶剂条件下，k c 分子量较小时，其1 1 9 c i 和t c p 也较低。 在同种溶剂条件下，随着k c 浓度的增大，t 萨l 和1 叩升高。同样在升温过程中，在同种溶 剂条件下，随着k c 浓度的增大，其凝胶化温度1 0 i 和浊点温度t 。p 升高。另外，同种溶液 在升温过程中的1 裔高于降温过程的t g c l 。但是同种溶液在升温过程中的浊点温度t c p 低于 降温过程中的浊点温度。 当k c 中k c i 浓度较小( 0 0 5 和o 1 m ) 时，升温过程光强变化较大，而降温光强变化 较小，我们认为这是由于样品配制出后在室温放置一段时间的缘故。在电解质浓度较大( 0 3 和o 4 m ) 时，降温过程相对光强发生明显的突变。在k c l 溶液中，三种浓度的k c 样品的 b 。l 均随着k c i 浓度的增加而升高，说明样品的凝胶化能力增强，同时表明k c l 的促凝胶 化作用。在不同浓度k c l 溶液中，同种浓度的k c 样品，其升温过程的1 k l 均高于降温过 程的t 刚。这与在无k c l 存在时的规律相似。k c i 浓度较大时k c 发生光强突变的温度随 溶液浓度的增大而升高。 另外，以光散射的方法和通过肉眼观察，研究了英国k c 样品的液晶行为和在不良溶 剂四氢呋喃和异丙醇中的相分离行为。通过正交场下和偏光显微镜观察，发现k c 在不同 电解质溶液中和不同浓度下均无液晶现象。但是文献报导k c 在n a i 溶液中有液晶生成， 我们认为这是由于超声样品的分子量太大造成的，其不足以生成长程有序结构。 通过肉眼观察k c 的相分离发现：英国k c 样品随着溶剂不良程度的递减，其实验现 象依次推迟。与美国k c 样品的实验现象对比发现，在同种浓度下，英国k c 样品相分离 提早于美国k c 样品。同时发现以t h f 为溶剂时，高温和低温时的相图基本相同，说明在 此溶剂中，溶剂影响占圭导因素。而在异丙醇为溶剂时，高温和低温时的相图有差别，说 明温度和溶剂组成同时影响其相分离。 关键词：x 一卡拉胶光学方法凝胶化相分离1 萄t c p 竞争 l a b s t r a c t t h e k - c a r r a g e e n a ni sn a t u r a lp o l y s a c c h a r i d ee x t r a c t e df r o ma g a r o s e i t ss t r u c t u r ei sb a s e d o nt h e a l t e m a t i n g d i s a c c h a r i d e r e p e a t i n g u n i to f1 , 3 一l i n k e d b - d g a l a c t o s e a n d 1 , 4 - l i n k e d 3 , 6 一a n h y d r o a g a l a c t o s e i t h a st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e r m o r e v e r s i b l e g e l a t i o n ，t h a t i sw h e n b e l o wt h e t e m p e r a t u r e ( t c ) ，i t s c o n f o r m a t i o nw i l l c h a n g e s f r o mar a n d o mc o i lt oah e l i xt h e nt oa g e l t h ep a p e rh a sas t u d yo nt h ec o m p e t i t i o nb e t w e e np h a s es e p a r a t i o na n dg e l a t i o nb yo p t i c a l m e t h o d t h e s t u d ys h o w s , w i t hd e c r e a s i n g r a t i oo fb a d s o l v e n t ，t h er e l a t i v el i g h ti n t e n s i t yo fs o l u t i o n w i l lb er e d u c e dg r a d u a l l yi nb o t hs o n i c a t ea n di n t a c ts a m p l ei nt h ec o u r s eo fc o o l i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h eb a ds o l v e n tr a t i oi s v e r yl o w , t h er e l a t i v el i g h ti n t e n s i t yo fs o l u t i o nk e e p ss t a b l e a p p r o x i m a t e l y d u r i n gt h ec o u r s eo fc o o l i n gt e m p e r a t u r e ，b o t ht h eg e l a t i o nt e m p e r a t u r e ( k t ) a n dt h et e m p e r a t u r et h a to c c u rc l o u d p o i n tf r c p ) o f t h es a m p l ed e c r e a s ew i t hd e c r e a s i n gr a t i oo f b a ds o l v e n t t h et g e ja n dt h et c vo fs o n i c a t er - c a r r a g e e n a na r e o w e rt h a nt h a to fi n t a c t k - c a r r a g e e n a ni nt h es a m e s o l v e n t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no f k - c a r r a g e e n a n ，b o t ht 裔 a n dt c pr a i s ei nt h es a m es o l v e n tr a t i o o nt h eo t h e rh a n d ，i nt h ec o u r s eo f h e a t i n g , b o t ht g , la n d t c pr a i s ei nt h es a m es o l v e n tr a t i ow i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fk - c a r r a g e e n a n t h e i n t h e c o u r s e o f h e a t i n g i s h i g h e r t h a n t h a t o f i n t h e c o u r s e o f c o o l i n g b u t t h e t e e i s r e v e r s e i nk c ls o l u t i o n ，w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o l y t ei ss l i 曲t l yl o w e r ( s u c ha s0 0 5 ma n d 0 1 m ) ，t h er e l a t i v el i g h ti n t e n s i t yo fs o l u t i o nd u r i n gt h ec o u r s eo fi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei s h i 曲e rt h a nt h a to fi n t h ec o u r s eo fd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e w et h i n kt h i si sb e c a u s eo ft h e s o l u t i o n sl a y i n gf o ral o n gt i m eb e f o r ee x p e r i m e n t b u tw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o l y t ei s s l i 曲t l yh i g h e r ( s u c h a s0 3 ma n do 4 m ) ，t h er e l a t i v el i g h ti n t e n s i t yo fs o l u t i o ni nt h ec o u r s eo f c o o l i n gh a sad r a s t i cc h a n g ea n dt h et e m p e r a t u r eo nt h ep o i n to fc h a n g ei n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no f _ l i ：- c a r r a g e e n a n t h e 瞄o f t h es o l u t i o ni sr i s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o no fk c l t h i ss h o w st h a tt h eg e l a t i o na b i l i t yo ft h es o l u t i o ni se n h a n c e dw i t ht h e i n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o no fk c i t h ek i nt h ec o u r s eo f h e a t i n g i sh i g h e rt h a nt h a to fi nt h e c o u r s eo f c o o l i n g t h i s i st h es a l n et os o l u t i o nw i t h o u tt h ee x i s to fk c i i na d d i t i o n ，w es t u d yt h ep h a s es e p a r a t i o ni n a n ds o l v e n to b s e r v e db yn a k e de y ea n d l l t h el i q u i dc r y s t a lb e h a v i o rb yl i g h ts c a t t e r i n ga n dp o l a r i z e dm i c r o s c o p e o b s e r v e d b yp o l a r i z e d m i c r o s c o p e ，w e f i n dt h a tn o l i q u i dc r y s t a l b e h a v i o ro c c u r s i n _ ：- c a r r a g e e n a nb ya l t e r i n g e l e c t r o l y t ea n dc o n c e n t r a t i o nd f 蜘向蛀：b u ta c c o r d i n gt or e p o r t s o n i e a t e d x - c a r r a g e e n a nh a s l i q u i dc r y s t a lb e h a v i o ri n0 1 mn a ls o l u t i o n w ec o n s i d e rt h a tb e c a u s e o ft o om u c hm o l e c u l a r w e l g h to f = - c - c a r r a g e e n a n ，t h e f o r m a t i o no fl o n go r d e r e ds t r u c t u r ei s i n t e r r u p t e db y i t s h i g i l v i s c o s i t y o n t h eo t h e rh a n d t h e r ei sa n a n g l ed e p e n d e n c e i nb o t hs o n i c a t ea n d i n t a c t z c a r r a g e e n a ns o l u t i o n w i t ht h ed e c r e a s i n go fb a ds o l v e n tr a t i o ，t h ep h a s es e p a r a t i o n i n k c a r r a g e e n a n ( e n g l i s h ) c o m et om u c h e a r l i e r i nc o m p a r i s o nw i t h k - c a r r a g e e n a n ( a m e r i c a ) ， p h a s es e p a r a t i o ni n t ：- c a r r a g e e n a n t h a tc o m ef r o me n g l a n dt a k ea p r i o r i t yi nt i m e k e yw o r d ：1 c - c a r r a g e e n a n ；o p t i c a lm e t h o d ；g e l a t i o mp h a s es e p a r a t i o nt 鲥；t c p ：c o m p e t i t i o n n l 前言 多糖是地球上最丰富的生物大分子，它可再生，无污染及具有倍受人们青睐的众多应 用领域，如食品、化妆、造纸，特别是近年来在医药、生物工程领域的应用等等，一直吸 引着众多的研究者【啦】：然而由于问题的复杂性，仍有太多的奥秘强烈地激发着科学家为 之付出。 k 卡拉胶( ：- c a r r a g c c n a n ，简称k c ) 属离子多糖，是多糖家族重要的一员。它最显著， 也是最吸引人的特点是，具有热可逆凝胶化性能，即冷却至某一温度以下f r c ) ，其无规线团 构象c ( c o i l ) 转换成螺旋h ( h e l i x ) 构象并形成凝胶；但加热后，凝胶消失，经h 又返回c 的性能。这种转换受温度、离子强度和抗衡离子的性质等因素调节、控制。其中特别是凝 胶化机理、单价金属特殊的促凝胶化作用等吸引着众多的研究者 3 , 4 1 。目前，“线团到螺 旋”，“螺旋再聚集而凝胶化”的二步凝胶化机理已成共识，然而，对赫诱导的凝胶化的详细 机理等存在众多争议，如螺旋是“单”还是“双”，就有尖锐对立的两派【3 6 1 。对促凝胶化的 k + 等单价金属离子的作用，凝胶化所经历的详细历程等也众说纷纭1 4 , 7 1 。另外，虽然从大量 文章可以看到人们对k c 研究的付出及成就，但这些工作尚“散”及缺乏深度。 因此，如何在高分子物理高度，从超分子化学观点，在前人已有研究成果基础上，再 利用高科技实验手段，探索新规律，从而在本质上更深入系统阐明在k c 热可逆凝胶化过 程中，可能所涉及的分子运动、链相互作用的基本现象，如缔合、聚集、凝胶化和相分离 及沉淀竞争等动态变化过程；对凝胶化机理中“单”、“双”对立的两派，单价金属离子的促 凝胶化作用，凝胶化详细历程等发表观点；最后总结凝胶化机理、规律、影响因素，及结 构宏观性能关系等，无疑是高分子科学研究的新前沿。另外，也是表征多糖凝胶化特性的 新方法，是提高多糖研究整体水平的重要科技工作，是学科的典型交叉。另一方面，凝胶 化规律的科学掌握，对凝胶多糖的应用意义重大，因此有广阔推广应用前景，显然有益于 促进国民经济发展，有重要的科学意义。 上述众多现象看上去虽复杂，然而本质上，只涉及大分子链在溶液中构象变化( 二级结 构) 及随之而聚集等的问题( - - 级结构) ，因此抓住构象，就可望迎刃而解，深入探知、掌握 内在规律。而激光散射技术是得到这种构象、聚集信息的最佳手段刚。特别是静、动态激 光散射技术的联合使用，通过散射光强度、频率变化以及这些变化的角度、浓度等依赖性， 先得到大分子重量、尺寸数据，再根据有关理论，可得到有关分子运动、链相互作用、构 象、机理信息。还可以监测凝胶化过程及表征其结构，研究结构与宏观性能关系。 其实，以上的复杂问题，本质上是凝胶化过程中的构象竞争问题，是当今研究的热点 问题之一。所以本论文就是用光学方法入手，从构象的高度去比较深入、系统的研究凝胶 化和相分离等的竞争关系。 2 第一章k 卡拉胶文献综述及有关理论 多糖是地球上最丰富的生物大分子，而卡拉胶是多糖家族中的重要一员，它从角叉菜 ( c h o n d r u s ) 、麒麟菜( e u c h e u m a ) 、杉藻( g i g a r t i n a ) 及沙菜( h y p e n a ) 等多种红藻中提取。早 在6 0 0 多年前就开始了卡拉胶的应用，有着渊源的历史【l o , 1 1 1 。这些物质不仅因来源丰富， 而且由于可再生，无污染及具有备受人们青睐的众多应用领域，所以，自五十年代就开始 引起人们广泛的研究兴趣，并一直吸引着众多的研究者【1 2 , 1 3 1 。 卡拉胶是一系列具有共同骨架结构物质的总称。k c 只是卡拉胶系列其中的一个品种。 因为k c 具有优良的热可逆凝胶化、抗蛋白凝结、亲水无毒和不易被消化等独特性能，成 为卡拉胶中的佼佼者而倍受关注，在食品、化工和包装等方面应用广泛。特别是近年来在 医药和生物工程领域的应用，更引起人们广泛的研究兴趣，其中对其凝胶化机理、金属离 子促凝胶化作用等的探讨最为诱人1 1 4 , 1 5 】。 1 1 卡拉胶的历史和现状 爱尔兰南部沿海居民最早把角叉菜( 一种红藻可用于提取卡拉胶) 用于食品，医药， 肥料，并注意到角叉菜提取物与牛奶的反应。自1 7 0 0 年随着爱尔兰人同时也将角叉菜传 入美国，从而使美国人认识了角叉菜，并在当地养殖和开发。 1 8 3 7 年有人报道从角叉菜提取物中分离出多糖。1 8 7 1 年纯化角叉菜的最早专利发表。 本世纪3 0 年代，美国东部沿海开始生产角叉菜提取物，但产量有限。4 0 年代由于战争对 角叉菜提取物一卡拉胶的需求，促进了工业生产，是美国和欧亚地区卡拉胶工业得到迅速 发展，并成为世界卡拉胶工业中心。 5 0 6 0 年代，学者们相继发表了很多文章，对卡拉胶的分类，结构进行了探索性研究。 但限于当时的技术条件及红藻复杂的结构，对卡拉胶的结构，分类研究尚不完善。 此后，由于科学技术的进步和现代仪器的应用，化学分析方法和仪器分析方法不断完 善，卡拉胶不断被分离提纯出新的结构。迄今，尽管卡拉胶主要成分的结构业已揭明，但 仍不断涌现出有关新结构的报道。这说明有关卡拉胶研究的前景十分广阔。主要成分的结 构尤为重要的是，随着研究的深入，在一个又一个新的层次上对卡拉胶结构的分析与认识， 还为卡拉胶开拓了广泛的应用领域。在当前，首先是为卡拉胶在食品，医药，化工等领域 的广泛应用提供了理论基础。 卡拉胶的世界年产量约为4 万吨。据1 9 9 0 年统计，其中近6 0 是欧洲生产的( 其中 3 产量最大的是丹麦和法国，其次是西班牙、葡萄牙和英国，3 3 是美国生产的，约1 0 是 亚洲地区( 其中产量较大的是日本和菲律宾，其次是台湾) 。美国、丹麦和法国这三个国 家的产量占总产量的8 5 。目前卡拉胶消费量最大的是美国。加拿大、日本和法国等国也 大量消费，这些国家的消费量占总产量的近3 4 1 剐7 l 。 我国卡拉胶工业正飞速发展，对卡拉胶研究和应用在世界上正日益受人瞩目。从1 9 4 5 年曾呈奎发表的有关卡拉胶的论文以来对卡拉胶的提取，分离，纯化，分级，分类以及卡 拉胶的结构，功能，生理学，药理学等方面进行了探索性的研究。许永安，蘸定绵等分别 对耳突麒麟菜卡拉胶和角叉菜卡拉胶的提取进行了研究，提出了优化的提取工艺条件。纪 明侯等f 17 】用”c n m r 和红外谱对三种卡拉胶原藻提取的级分进行了结构分析。史升耀， 李智恩等对卡拉胶的世代性进行了探究，证明世代是决定角叉菜卡拉胶物理性质和化学组 成的最主要因素。庸家俊等对卡拉胶级进行化学修饰改型后发现某些产品具有更好的生物 可利用性和生理增益效应。他们发明的硒化卡拉胶经动物实验证明较之当前可供应用的最 佳硒化物亚硒酸钠毒性低数百倍。这些研究对卡拉胶的食用价值和药用价值都有了新 的认识，为将卡拉胶发展成海洋药物和保健的系列产品打下了坚实的科研基础，为我国充 分利用海洋资源一卡拉胶展现了广阔的前景。 1 2k c 的结构、性能及应用 1 2 1 卡拉胶的化学结构与分类 ( 1 - - 3 ) 与( 1 4 ) 交叉联接的d 半乳糖是卡拉胶的共同结构，因取代基等的不同而 分为众多类型。表1 - 1 是卡拉胶的结构分类，根据是否含有3 ，6 内醚半乳糖以及硫酸基的 含量和在分子中连接的位置，将卡拉胶分为k 一族卡拉胶和 一族卡拉胶，其中k 族卡拉胶 包含k 一，t 一，p 一，1 1 一卡拉胶等类型，九一族包括 一、e 一和。一卡拉胶等类型，( i ) 卡 拉胶是一种新型卡拉胶。在藻体中不存在理想的重复二糖连接的卡拉胶，均为多种卡拉胶 结构的混合体1 1 8 , 1 9 。 4 国卜坠塑堂型型塑二一 表1 1 卡拉胶的结构分类 族 类型结构单元 结构式 t 一器- 4 36 黧2 鞴拇 一硫酸基和a 一( 1 4 ) k q士、人 一，一内醚一d _ 半乳糖! r 吣r ，”门 硫酸基 u 6 s o ， b 一( 1 3 ) 一n _ 半乳糖 一。一 一2 - 硫酸基和。一( 1 4 ) 一3 ，6 - 内醚一d _ 半乳糖，2 硫酸基 e b 一( 1 3 ) 一d - 半乳糖 一2 一硫酸基和口一( 1 4 ) 一d _ 半乳耱- 2 硫酸基 p “h 扣hk| 挺翁。秽苗 新型 一 b 一( 1 3 ) 一d - 半乳糖 一6 城酸基和口一( 1 4 ) 一3 6 - 内醚一d 半乳糖 5 蠛卜型苎竺堡燮 1 2 2 性质 凝固性在水中，x 一和入一卡拉胶有凝固性，能形成半固体状透明的凝胶。其凝固性能 受一些阳：离子的影响很大；完全成钠型的x 卡拉胶在纯水中不凝固。加入钙、钾、铷、铯一 和铵等阳离子，能显著提高它的凝胶强度。在一定范围内，凝胶强度随这些阳离子浓度的 、， 增加而增强。有的加入钙的作用比加入钾的作用大；反之，有的加入钾的作用比加入钙的 作用大。钙的作用比钾的作用大者称钙敏卡拉胶；钾的作用比钙的作用大者称钾敏卡拉胶。 形成的凝胶是热可逆性的，i p ；i i 热可以融化，放冷后便又凝固。此外，一些多糖对卡拉胶 的凝固性也有影响。如加入槐豆胶可以显著提高k 一卡拉胶的凝胶强度和弹性；玉米和小麦 的淀粉能中等程度的提高其凝胶强度；羧甲基纤维素则降低其凝胶强度，但增加其弹性； 土豆淀粉和木薯淀粉则没有作用i 砌。在牛奶中，k 一、 和t 卡拉胶三者都能形成凝胶。 卡拉胶的凝固性能主要与其化学组成、结构和分子大小有关。r e e s 认为，卡拉胶在形 成凝胶过程中可分成四个阶段：第一阶段，卡拉胶溶解在热水中，卡拉胶分子成混乱豹卷 曲状；第二阶段，当温度下降至某一程度时，分子向螺旋状转化，形成单螺旋体；第三阶 段，温度再下降，分子间形成双螺旋体，组成立体的阿状结构，这时开始有凝胶现象；第 四阶段，温度再下降，双螺旋体聚集形成凝胶。 六种卡拉胶中x 一卡拉胶的凝固性能最好，其次是t 卡拉胶，其他类型的在水中不能 形成凝胶。比较六种卡拉胶的分子结构可以看出，3 ，6 内醚半乳糖的多少、硫酸基的含 量和连接的位置对卡拉胶凝固性能的影响很大。1 1 一、x 和u 卡拉胶三者的1 ，4 连接单 位不是3 ，6 一内醚- 半乳糖而是在c 6 上带有硫酸基的半乳糖，它成c 1 椅式构象，这使分 子改变了方向，形成一个纽，妨碍生成双螺旋体，因而妨碍形成凝胶。 另外，1 ，3 连接单位在c 2 上如有硫酸基时，从分子模型的分析表明，这个硫酸基将 堵塞在两股螺旋之间，形成一个疙瘩，这对形成双螺旋也有妨碍。1 ，3 连接单位在c 4 上 的硫酸基和1 ，4 连接的3 ，6 - 内醚半乳糖单位在c 2 上的硫酸基都是朝外突出，不妨碍双 螺旋的形成，因而不妨碍形成凝胶，但对凝胶强度的大小、弹性和保水能力有影响。x 一 卡拉胶与钾形成的凝胶较硬，弹性较小。卡拉胶只是在1 ，4 联结单位的c 2 位置上比 k 卡拉胶多一个硫酸基，它与钾所形成的凝胶便较软，而弹性较大。 当和u 卡拉胶用碱处理时，其中在c 6 上联有硫酸基成c 1 椅式结构的半乳糖单位 转变成c 1 椅式结构的3 ，6 - 内醚半乳糖，纽被去掉，使链变直，分别转变成有凝固性能 的x 和t 卡拉胶。用x 射线衍射分析的结果表明，交替连接的c 1 和1 c 半乳吡喃糖单位 趋向采取螺旋状结构，其所有的亲水基向外，两个多糖分子就象两股棉纱拧成一条绳一样 6 氆卜旦塑塑堕坠塑堕一一 形成双螺旋体，彼此通过羟基所形成的氢键与另一股相连。 卡拉胶形成凝胶的软硬，可用凝胶强度测定器测定，即测定将凝胶压破时所承受的重 量( 克，厘米2 ) 。卡拉胶形成的凝胶，逶常不如琼胶的凝胶强度高。但透明度常比琼胶的好。 凝固点和熔点卡拉胶在水中加热融化，放冷，到一定程度便凝固成透明的半固体状 凝胶。此凝固时的温度称为“凝固点”。 凝固的凝胶加热到某一定温度便又融化，此融化的温度称为“熔点”。卡拉胶的熔点 高于凝固点，其温度度差的大小与原料种类、制造方法和所含阳离子的种类和数量有密切 关系。 溶解性在热水中，所有类型的卡拉胶都溶解。在冷水中 卡拉胶能溶解，n 和t 卡拉胶的钠盐也能溶解于冷水中。但k 一卡拉胶钾盐和钙盐在冷水中只能吸水膨胀，而不能 溶解。 在热牛奶中，k 、x 一和t 一卡拉胶都溶解。 一卡拉胶大部分能分散在冷牛奶中，并 增加其粘稠性。而x 一和- 一卡拉胶在冷牛奶中难容或不溶。其3 ，6 内醚半乳糖含量越高， 硫酸基含量越低者，越难溶于冷牛奶中。 卡拉胶难溶于有机溶剂，如甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇和丙酮等。所以常用这些溶 剂作为沉淀剂，便卡拉胶从水溶液中沉淀出来俐。 粘度粘度是卡拉胶的重要指标之一。卡拉胶的水溶液相当粘稠，其粘度随浓度的指 数而增加。卡拉胶的粘度因海藻的种类、加工方法和卡拉胶的类型的不同，差别相当大。 一般 一卡拉胶的粘度比其它类型的大。粘度多用旋转式粘度计测定，也有用落球式粘度计 测定的。测定温度须在加度以上，以防止凝固。单位以厦泊表示。商品生产的卡拉胶的 粘度约在5 - 8 0 0 厘泊之闯，般比琼胶的牯度高1 2 1 j 。 稳定性和泌水性卡拉胶在中性和碱性介质中很稳定，即使加热也不大水解。但在酸 性介质中尤其在p h 4 以下，容易发生酸水解作用。在酸性介质中加热则水解的更快，大 分子降解为小分子，结果粘度下降，失去凝固性。形成凝胶状态的卡拉胶在室温下抵抗酸 水解的性能比溶解状态的大些。可能是卡拉胶分子，在凝胶状态时，组成比较规则紧密的 三维网状结构，对塘苷键起了庇护作用，减少了糖苷键被酸水解的程度阎。 食品工业中为了减轻加有卡拉胶的酸性食品消毒加热时的水解，常采用高温短时问 消毒法。有的凝胶放置时间较长时，其表面便分泌出一些水来，这种现象称泌水性。泌水 性的大小与卡拉胶的类型、凝胶的强度和所受的压力等有关。凝胶浓度低或压力增加时， 泌水性增加。 7 l 塑丝型塑竺坐生一 生物活性学者们还发现了卡拉胶的生物活性。通过对卡拉胶在生理和病理学方面的 研究，人们相继发现了卡拉胶某些重要的医疗性能，如皮下注射卡拉胶产生结缔组织可逆 刺激生长7 能促进结缔组织生长，增加骨骼对钙的吸收。用入卡拉胶活性更大，这种反应 可能是免疫性的。凡一卡拉胶和x - 卡拉胶都产生沉淀抗体的组成物，抗体和 一和x 型对照 比同原抗原显示出高度专一性。t o m a s 曾报道卡拉胶对类风湿性关节炎有疗效。通过皮下 注射或静脉注射卡拉胶的多糖复合液后，可组织滑膜中的成粒作用，使滑膜细胞明显增生， 起到治疗作用。卡拉胶在病理研究方面还表现出能防止胃溃疡和十二指肠溃疡。用卡拉胶 制备药品治疗胃溃疡已有一段时间，只是由于酸能降解卡拉胶，以调节胃粘液中硫酸含量 恢复正常，防止溃疡的发生，且可与粘膜层上粘蛋白结合形成更具抵抗力的膜结构，对胃 肠粘膜起保护作用，正常使用不会影响食物中蛋白质的消化。通过对豚鼠和兔子的动物实 验发现，引入大量降解的卡拉胶，会在这些动物结肠中出现溃疡型结肠炎，这可作为一种 导致溃疡的模型。 另外，卡拉胶在抗病毒，抗血凝及免疫方面也具有重要的生理活性。n c u s h u 认为：卡 拉胶可使被i i s v ( i l e r p e ss i m p l e xv i r u s ) 侵染的细胞的内机制改变以阻止这种d n a 病毒。 还可影响被h i v ( h y n a bi m m u n o d e f i c i e n c yv i r u s ) 侵染的细胞的融合，抑制特殊的r e t r o v i r a l 酶( 一种逆转录酶) 。还有报道人为卡拉胶具有抑制b 型流感病毒和流行性腮腺炎病毒的 作用。卡拉胶还可作抗血凝剂，具有与肝素近似的抗凝血作用。未经降解的卡拉胶与血纤 维蛋白形成不溶的复合物，而降解的卡拉胶相肝素一样与血纤维蛋白生成可溶的复合物， 其毒性比未降解的明显的小。h a w k i n 还发现了k 和入卡拉胶抗凝血作用的不同，由于 。卡拉胶硫酸根含量高，因而其抗凝血作用强于x 卡拉胶。g u v e n 等经研究认为 卡拉胶 抗凝血活性最高。卡拉胶抗血小板聚集活性表明t 卡拉胶可轻微阻止血小扳释放a d p 引 起的血小板聚集，x 、k 一卡拉胶则无此作用。而由瑞斯托菌素引起的聚集可被所有类型 的卡拉胶阻止。t o m s o n 等人对卡拉胶对免疫系统的影响进行了分析，认为卡拉胶可削弱 对t 细胞依赖的抗原的补体活性和体液反应，抑制细胞介导的免疫，从而延长抑制体的存 活时间，可作为临床的免疫抑制剂。 这些对卡拉胶生物活性的研究，都充分显示卡拉胶在医药领域具有广阔的发展前景。 1 2 0 应用 不同的卡拉胶结构及性质差别很大。x 卡拉胶的这些性质使其在食品、日用化工、纺 织印染和医药等方面有广泛用途。 凝胶化性能的应用x 卡拉胶最显著的特点是热可逆凝胶化性能，且凝胶化温度适宣 鲤卜里鲨塑堕壁丝塑 应用。利用x 一卡拉胶的这一特性，在药物上可用作药片的粘结剂，对带碱基的药物还有 延长药效的作用。在食品工业上，可作为凝结剂用于肉类罐头、果冻和凝胶状点心。由 于x 一卡拉胶较高的熔化温度，可用于制备在室温下不会融化的果品风味甜点心；可制成 极其光滑、柔软而富有弹性的“软冻”型奶布丁i 。在生物学上，可作为固定化载体。 在非常缓和的条件下k 卡拉胶可用于制各固定化酶或微生物细胞，其酶的表观活力高两 稳定，活力回收率高。添加阳离子或氨基葡聚糖及聚乙烯亚胺能提高k 卡拉胶固定化酶 的反应稳定性l 矧。k 卡拉胶作为固定化载体已有效地用于l - 苹果酸、卜天冬氨酸、l - 丙氨酸、d r 果糖及乙醇的工业化生产陋i 。 抗蛋白凝结的性能应用牛奶中的ns - 酪蛋白和b 一酪蛋白遇钙发生凝结作用。在p h 中性时k 、卡拉胶能防止c l 。一酪蛋白和b 一酪蛋白被钙凝结。另外，x 一卡拉胶还能防止钙与 衍酪蛋白、大豆蛋白、花生蛋白、棉籽蛋白及椰子蛋白的凝结作用。所以，k 卡拉胶是 非常有效的乳化稳定剂，用于冰淇淋、可可牛奶或牛奶以防止乳浆分离1 2 6 1 。作为乳液等 的乳化剂，在制药工业中x 卡拉胶可用于鱼肝油的乳化1 2 7 1 。 形成亲水胶的特性及应用亲水胶( 特别是改性的x 卡拉胶) 对脂质过氧化有显著的 保护作用，因此可作为理想的抗氧化剂。k 卡拉胶在非水溶剂( 如丙酮) 中进行温和酸 水解可得到一种保留约3 0 硫酸盐。在水溶液中低粘度的降解产物，这种降解k 卡拉胶 能与胃液粘蛋白形成复合物，从而降低胃蛋白酶活性、胃液分泌量及酸度；在肠胃道应 用硫酸钡作放射造影时，降解k 一卡拉胶作为防絮凝保护性溶液能使硫酸钡颗粒不为含有 粘蛋白的酸性胃液所絮凝。在法国和美国借助x 卡拉胶与胃粘衬物的作用来控制溃疡【矧。 无毒而不被消化的特性及应用由于k 卡拉胶无毒，广泛用作食品添加剂1 2 9 1 。食品 中x 卡拉胶用量一般小于2 ，在此水平上不会影响消化。用量过高时会延缓胃的消化过 程而产生饱腻感，但是并不会影响随后的肠道消化，因而，x 卡拉胶有望作为“假饱性 食品”。 免疫特性及应用k 卡拉胶有较高的免疫特性。低剂量k 卡拉胶能激化巨噬细胞抑 制t - 淋巴细胞增值，高剂量时则无此抑制作用。因此，k 一卡拉胶是研究巨噬细胞诱发免 疫反应功能差异的有用工具1 3 0 1 。 此外，k 卡拉胶能结合铅及其它重金属离子：能与阳离子型染料反应而使颜色稳定； 对人的血液有抗凝血活性：可治疗血管病。这些特性均有潜在的应用前景。 9 1 3k c 的热可逆凝胶化行为 1 3 1 热可逆凝胶化及“二步”机理 k c 最显著，也是最吸引入的特点是具有热可逆凝胶化性能，即冷却至某一温度发生 “溶胶一凝胶”转变( s o l - g e lt r a n s i t i o n ) ，形成凝胶；升温发生可逆过程。换句话说，形成 的是物理凝胶。溶胶一凝胶转变是l f 笛界现象，有转变的突交点，发生这一突变的温度称凝 胶化温度，也叫凝胶化点，常记为1 e c l 。显然，与突变点对应的是体系宏观特征的突变， 在t 。l 处体系突然失去流动性，先呈几乎没有强度的果冻状，后随凝胶化程度的发展，凝 胶强度逐渐提高，最终成为固体，即所谓的凝固性。因此，从实用上讲，凝胶化过程决定 着产品性能，凡是影响凝胶化过程的因素也要影响产品性能。而从原理上看，凝胶化过程 本质是k c 的大分子链构象及聚集状态的变化。这样，研究热可逆凝胶化的理论及实际意 义就很明确了。 在k c 热可逆凝胶化的理论研究中，“二步”凝胶化机理的看法已成共识1 3 1 】。所谓 “二步”机理是指k c 热可逆凝胶化过程分两步完成：第一步“线团到螺旋”( c o i l - t o - h e i i x ) ； 第二步“聚集到凝胶化”( a g g r e g a t i o n t o g e l a t i o n ) 。也即无规线团( c o i l ) 构象的k c 大分子 链，先转变成螺旋( h e l i x ) 构象，然后由螺旋聚集再形成三维网状凝胶结构。并且加热后 具有可逆性，凝胶结构消失，经螺旋又返回无规线团构象。不过对于k c 在凝胶化过程中， 由线团到螺旋这一步中，形成的螺旋是单还是双的问题尚存在完全对立的观点1 3 2 9 3 】。 1 3 2 关于单、双螺旋机理 双螺旋机理：较早的看法是形成双螺旋。a n d e r n i 蚓等用x 射线衍射法，r e e s 拈悃旋 光色散( 0 r d ) 法研究指出，是因双螺旋而凝胶化。即当温度升高到凝胶1 妇以上时，热动 能阻碍双螺旋体的形成，大分子链以无规线团存在于溶液中( 图1 1 ) 。随着冷却，先生成三 维聚合物网状结构，其中于半乳糖的o 一2 和o 6 之间，以氢键纽成双螺旋体( 图1 - 2 ) ，生成 聚合物链的接合点( 图1 - 1 、凝胶i ) ，具初步凝胶态。继续冷却，导致这些接合点聚集( 图1 - 1 、 凝胶1 i ) ，构成双螺旋体束，形成硬的凝胶。 1 0 鼎瞳 图1 - 1k c 的双螺旋凝胶化机理圈1 - 2k c 双螺旋体结构 1 9 9 4 年，c h r i e t e rv i e b k e l 3 3 】等人成功的第一次在等温条件下，通过控制盐溶液的浓度 将凝胶化过程中的线团螺旋( c o i l - h e l i x ) 和螺旋一凝胶( h e l i x - g e l ) 步骤分离。并用多角度 激光光散射的方法对一系列k c 的片断进行了研究，发现在k c 凝胶化的过程中确实出现 了分子量增加一倍的现象，表明了双螺旋结构的存在。但这一现象并非在每一次凝胶化过 程中都被检测到。他提出不论是阴离子还是阳离子，对螺旋稳定的影响都可以用离子于螺 旋间的位置一键合( s i t e b i n d i n g ) 来解释。 根据双螺旋体二级结构与计算机分子模型联用的x 射线衍射图，可解释硫酸基对凝胶 性质的影响【3 6 1 ：在l ，3 连接的半乳糖单位( 如九卡拉胶) 的c 2 上的硫酸基作为楔人基 ( w e d g i n gg r o u p ) 能够阻止双螺旋体的形成；但在3 ，6 - 内醚半乳糖单位( 如t - 卡拉胶) 的c 2 上的硫酸基和在l ，3 连接的半乳糖单位( 如k c 和。卡拉j 鹤的c 4 上的硫酸基向外突出， 不影响双螺旋体的形成；在1 ，4 - 连接的半乳糖单位的c 6 上若有硫酸基，则在链上生成纽 结，能抑制双螺旋体的形成。a n d e r s o n 等1 3 4 l 曾证明2 0 0 个糖单位上甚至有一个纽结，就能 使凝胶强度明显下降。当1 ，4 连接的半乳糖单位c 6 上有硫酸基时，则此糖单位呈现c 1 椅型构象( 图1 - 3 ，“一卡拉胶) 。平面看此糖单位呈倒立状，在聚合物链中导入一个纽结。 在碱的存在下或在植物体内经脱纽酶的作用，此糖单位则闭环并生成3 ，6 - 内醚糖，从而 消除1 ，4 - 连接的半乳糖单位中的纽结，生成1 c 椅型( 图l - 3 ，k c ) 。由此可见硫酸基、内 醚与凝胶化有紧密联系i s 7 1 。 拉胶c 1 k 一卡拉腔1 c 图1 - 3 卡拉胶从c 1 ( u 一卡拉胶) 向1 c ( k c ) 的构象变化 单螺旋机理：但又有人提出k c 在凝胶化过程中，由线团一螺旋这一步形成的是单螺旋 3 8 1 。1 9 9 8 年k a z u g o s h iu e d a l 3 9 1 指出，分子量的测量是检测k c 是单螺旋还是双螺旋的最直 接的方法，认为当卡拉胶的二聚现象出现时，表观分子量将变为原先的二倍。s l o o t m k e r 【蚰l 等人进行k c 在n a l 溶液中的静态光散射实验中，在分子链的变化过程中并没有发现分子 量明显的变化。围绕测量t 卡拉胶在n a i 和c l 溶液中分子量的变化进行的光散射实验 得出，在低浓度下，t 一卡拉胶的有序状态在这两种溶液中都支持单螺旋的观点【4 。s w o r n l 4 2 j 等人应用尺寸排除色谱( s i z ee x c l u s i o nc h r o m a t o g r a p h y , s e c ) 得到了卡拉胶的分子量及分 子量分布。最近，c i a n c i a l 4 3 】等人用小角激光光散射( l a l i _ s ) s e c 方法测量，并未发现 卡拉胶在碘离子溶液中分子量变为原来的二倍。 1 9 9 9 年k a r i nb o n g a e r l 4 1 l 在应用了不同的检测技术，测定了大量的多糖样品后得到了一 系列不同分子量的k c 在不同的温度，抗衡离子( k + ，n a + ，t m a * ) ，阴离子( r ，c 1 ) ，离 子强度环境下的分子量，分子量分布及其形态后指出，大量事实证明了k c 从无序向基本 有序的构型转变过程中的一个共同特点是：它是一个分子间的过程。他还在文章中指出， 研究结果表明虽然不排除在固体结构中存在双螺旋，但将双螺旋作为溶液中有序结构的基 础的可能性被排除。任何的分子量增加一倍仅仅反应了简单的缔合了的有序结构，而不 是一种基础的有序生成物。很明显，k c 的二级结构的基础为单螺旋，这些单螺旋对应于 所谓的“双螺旋”分子模型中的一股，这一结论是建立在x 光纤维衍射数据基础之上删。 从热动力学角度看。也只有单螺旋结构- - f 以与聚电解质的特性相容【盯。4 7 l ，而且在水媒介中， 用微量热法得到的实验数据同样证明了分子间转变过程及相应的链段之间配对的过程 1 1 3 , 3 6 1 。 1 2 ，j 。l 两个近期的独立性非常强的报道同样给单螺旋结果带来非常有利的证据。两个b 卡拉 胶( 去电荷除硫的k c ) 的六糖链段被模拟放置于分子流体动力学溶液中( m o l c c u l c r d y n a m i c