海藻酸钠凝胶特性的研究

海藻酸钠凝胶特性的研究

海藻酸钠（naalg，ags）是从棕榈树或马尾藻中提取的糖皮质激素。它是由1、4-d-i-d-o1和a-l-古罗糖酸组成的线聚合物。这是海藻酸钠衍生物的一部分，因此也被称为海藻酸钠钠、沿海酸钠和海藻酸钠。作为方程（c6h7o6na），相对分子量约为320020000，结构单元的理论值为198.11。褐藻酸钠能与除镁汞以外的二价金属离子发生快速的离子交换反应,生成褐藻酸盐凝胶,其中以与氯化钙形成的凝胶薄膜强度为最大。形成的凝胶性能因M/G值、褐藻酸钠的浓度、结合的钙量、凝胶化的条件的不同而有显著的差异。用一种综合性能较好,即持水能力强、凝胶强度好、有弹性、韧性的凝胶,再配以别的物质构成复合涂膜剂来涂膜畜产品、水产品等,可以大大提高其品质及货架期。本实验研究了不同浓度的海藻酸钠与不同浓度的氯化钙,在不同温度下形成凝胶的特性,并对这三个影响因素选择三个水平进行正交实验,通过测定凝胶强度、持水性及弹性,讨论其对凝胶特性的影响因素及最佳的凝胶条件。1材料和方法1.1试剂与仪器海藻酸钠食用级,天津市凯通化学试剂有限公司;氯化钙分析纯,天津市德恩化学试剂有限公司;丙三醇分析纯,天津市凯通化学试剂有限公司。QTS-25质构仪美国BROOKFIELD;恒温水浴锅余姚市东方电工仪器厂;电热恒温干燥箱上海跃进医疗器械厂。1.2实验方法1.2.1溶液的配制将海藻酸钠用蒸馏水配制成1.0%、1.5%、2%、2.5%、3.0%五种浓度的溶液,并置于60℃恒温水浴中,使其完全溶解。将无水氯化钙用蒸馏水配制成1%、3%、5%、8%四种浓度的溶液,另配甘油含量分别为1%、2%、3%的海藻酸钠溶液。1.2.2海藻酸钠溶液的制备将各浓度的氯化钙溶液分别倒入不同浓度的海藻酸钠溶液中,让其在不同条件下凝胶成形。然后用清水漂洗凝胶体,以洗去凝胶体表面富余的氯化钙,备用。1.2.3凝胶拉伸和弹性对于制备好的凝胶,先观察其颜色和透明度;再用手缓慢拉伸至断开,根据手感判断凝胶的拉伸强度。同时用力压凝胶,观察凝胶压缩后回复的高度,判断凝胶的弹性。然后将凝胶放入冰箱中冻结24h,取出观察凝胶冻结后的状态,再置于空气中自然解冻,观察凝胶解冻后的状态变化。1.2.4tpa的测定用质构仪测定其凝胶强度。测定方法:将待测样品置于测定平台上,使用TA41柱形探头,直径6mm,35mm长。设定测定条件:选TPA测定类型,触发值为5g,下压速度30mm/min,两次循环,每次间隔3s。以恒定的速度和压力对样品进行压迫,与其相连的控制器内特定的内置测定程序,将传感器感应的探头压迫凝胶块,整个过程中数据的变化输送至显示器上,在显示的测定结果的统计表中,可直接读出凝胶强度及弹性。1.2.5凝胶持水性测定持水性也是衡量凝胶好坏的一个标准。持水率高,持水能力强的凝胶最适合做食品涂膜。根据凝胶体冻结前后的质量变化来计算持水性。将制备好的凝胶放置在冰箱中冷冻24h,然后自然解冻,计算脱水率(X):X=(W1-W2)/W1×100%式中,W1:冻结前的凝胶重(g);W2:解冻后的凝胶重(g)。2结果与讨论2.1海藻酸钠添加量对感官评定的影响在相同温度下,分别用1%、1.5%、2%、2.5%、3%五种浓度的海藻酸钠与浓度恒定为3%的氯化钙进行胶化反应,胶化时间为5min,其凝胶的感官评定结果如表1。除了对凝胶体感官评价外,我们还利用质构仪测定了凝胶强度及弹性,结果如图1。从表1中我们可以看出,随着海藻酸钠浓度的增大,其凝胶的外观特性逐渐变好,1%的海藻酸钠,凝胶体薄且韧性差,拉伸易断,弹性也差,冻结后冰晶大,解冻后凝胶体分层,表面褶皱且无弹性;而浓度为3%的海藻酸钠却能维持很好的外观特征,冻结前凝胶体厚,弹性好,冻结后表面冰晶小,且解冻后仍有较好的弹韧性,凝胶不分层。脱水率随着海藻酸钠浓度增大也逐渐减小,1%的海藻酸钠易脱水,脱水率高达78.28%,而3%的海藻酸钠脱水率降到33.36%。从图1可知,凝胶强度和弹性随着海藻酸钠浓度的增大而增大,当海藻酸钠浓度低时,其凝胶强度和弹性也小,海藻酸钠浓度增大到3%时,其凝胶强度可达到479g,弹性也相应的增加到1.70mm。这与凝胶的感官评定结论一致。由此可见,随着海藻酸钠浓度的增大,其持水能力、弹韧性及凝胶强度都逐渐增强。主要是当钙离子浓度一定,海藻酸钠浓度低时,海藻酸钠与钙离子交换不完全,形成的凝胶体弱,强度小;浓度增大,有充足的海藻酸钠与钙离子发生离子交换,形成的海藻酸钙空间网络结构致密,且海藻酸钠大分子彼此间的相互作用加强,持水能力增强,凝胶强度增大,弹韧性也较好。此结论与曾庆祝在海藻酸钠涂膜剂的特性研究一文中的报道一致。2.2海藻酸钠浓度在相同温度下,分别用1%、3%、5%、8%四种浓度的氯化钙与浓度恒定为2%的海藻酸钠进行胶化反应,胶化时间为5min,其凝胶的感官评定结果如表2所示,凝胶弹性及强度变化情况如图2。从表2、图2中可以看出,海藻酸钠浓度一定时,随着氯化钙浓度增大,凝胶体的外观特性渐好,凝胶强度和弹性也随着增强,但凝胶经冻结和解冻后的脱水率却增加,即持水能力下降。由于脱水率增大,其解冻后的外观特征也较差,甚至出现了分层现象。氯化钙浓度为1%时,解冻后的凝胶体太脆硬度不够易破裂;随着氯化钙浓度的增大,凝胶体厚度、强度及弹韧性逐渐增大,但脱水率也增大。氯化钙浓度为8.0%时,脱水率高达70.92%。所以说钙钠达到一定比率才能形成好的凝胶体,当钙的比率增大时,其持水能力下降,但钙的比率也不能太小,否则形成的凝胶强度不够。此结论与曾庆祝在海藻酸钠涂膜剂的特性研究一文中的报道一致。所以一般选择氯化钙浓度为3%～5%之间。2.3凝胶强度及弹性用一定浓度的海藻酸钠与一定浓度的氯化钙,在20、40、60、80℃四种温度下分别进行胶化反应,胶化时间为5min,制得不同的凝胶体,其凝胶的感官评定结果如表3所示,凝胶强度及弹性见表4。从表3、表4可知,温度对凝胶特性有影响,在60℃时的凝特性最好,温度降低和升高,凝胶特性都变差。60℃时,凝胶体强度大,弹性好,外观特征也较好,且有较低的脱水率。原因可能是随着温度的递增,海藻酸钠分子间链段缠绕能得到一定的舒展,有利于与钙离子结合成网状结构,凝胶特性好,但随着温度继续升高,其海藻酸钠分子中的G、M段容易分开,就不易和钙离子形成网络结构,所以凝胶性能变差。这一实验现象与参考文献结论一致,故可以在60℃下让其胶化。2.4甘油用量对海藻酸钙凝胶特性的影响在浓度为2%的海藻酸钠中分别加入1%、2%、3%的甘油,然后再和一定浓度的氯化钙在一定温度下进行胶化反应,胶化时间为5min,制得不同的凝胶体,其凝胶的感官评定结果如表5所示,凝胶强度和弹性见表6。从表5、表6可知,添加甘油可以增大其韧性,提高持水性能。随着甘油用量的增大,其脱水率逐渐减小,脆性降低,韧性逐渐增大,但凝胶强度和弹性却降低了。这是因为甘油小分子降低了海藻酸钙大分子之间的作用力,使其凝胶强度和弹性降低,但韧性增大,又因为甘油具有保湿性能,故其持水能力增大。所以,在凝胶体中可以适当加入甘油提高其性能。2.5正交优化实验条件为进一步考察海藻酸钠凝胶特性的影响因素,对影响凝胶特性的主要因素:海藻酸钠浓度、氯化钙浓度、温度进行三因素三水平的正交实验,因素水平见表7。因为实验是三因素三水平故选择L9(34)正交表。由正交实验结果及极差分析可知:对于凝胶强度来说,极差最大的是A,其次是B,故主要因素是A和B,C是次要因素,最优水平组合是A3B3C1;对持水性来说,因素的主次顺序为A>B>C,最优组合是A3B1C3;对弹性来说,极差最大的是A,其次是B,最后是C,最优组合是A3B3C3。综合分析结果,A对于三个实验指标都是主要因素,且A3最好。C是次要因素,其水平对实验结果的影响最小,可根据实验的方便性操作任选。对于因素B,在凝胶强度和弹性实验指标中,都是B越大越好,而对于持水性,则是B越大持水性越差。考虑到凝胶既要有一定的凝胶强度,又要有一定的持水性,综合评分后我们选择B2作为三个指标的最优水平。故较优方案为A3B2C2,这个组合未包含在正交表中已做过的9个实验中,我们在A3B2C2条件下做两次实验,结果见表8。从表8中可以看到,在此条件下得到的凝胶强度、弹性、持水性都较好,故此