CC BY
271ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2002, том 44, № 7, с. 1201-1211
==============^=====^===^====^========= ГЕЛИ
УДК 541.64:532.135:536.7
ГОМОГЕННЫЕ АЛЬГИНАТНЫЕ ГЕЛИ: ФАЗОВОЕ ПОВЕДЕНИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА1
© 2002 г. Ю. А. Щипунов*, Е. Л. Конева**, И. В. Постнова**
* Институт химии Российской академии наук. Дальневосточное отделение 690022 Владивосток, пр. 100 лет Владивостоку, 159
**Дальневосточный государственный университет 690600 Владивосток, ул. Суханова, 8
Поступила в редакцию 15.05.2001 г.
Принята в печать 28.02.2002 г.
Альгинатные гели приготовлены по методу "внутреннего желирования" в реакционной системе, составленной из альгината натрия, £)-глюконо-5-лактона и дисперсии карбоната кальция в воде. В результате гидролиза лактона происходит медленное подкисление водного раствора, приводящее к разложению неорганической соли и равномерному выделению катионов кальция во всем объеме. Гель образуется в результате реакций комплесообразования между Са2+ и карбоксильными группами молекул альгината. Проведено систематическое исследование условий, кинетики формирования и свойств гелей. Установлена роль каждого из компонентов реакционной системы и взаимосвязи между ними. Построена диаграмма псевдофазового состояния в координатах карбонат кальция - О-глюконо-5-лактон, характеризующая фазовое поведение от концентраций реагентов в системе. При ее построении учитывались синерезис, различия в оптических и механических свойствах гелевых систем. Для характеристики последних использована реология в различных режимах. Установлены основные зависимости оптических и механических свойств альгинатных гелей, а также синерезиса от соотношения концентраций альгината натрия, карбоната кальция и £>-глюконо-5-лактона в исходном водном растворе.
ВВЕДЕНИЕ
Альгинаты, линейные анионные полисахариды морских бурых водорослей, широко применяются в качестве гелеобразователей в пищевой промышленности, фармацевтике, косметике и биотехнологии [1-7]. Гель формируется при добавлении в водный раствор альгината натрия многозарядных неорганических катионов (Са2+, Ва2+, А13+ и т.д.) [4, 8, 9], которые выступают в качестве сшивающих агентов, взаимодействуя с карбоксильными группами молекул полисахарида. Для этих целей обычно используют соли кальция, действие которых в дальнейшем и рассматривается.
Гелеобразование в растворах альгинатов обусловлено реакцией комплексообразования. Аль-
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке фонда US CRGF (код проекта 8470 REC-003) и Министерства образования РФ.
E-mail: [email protected] (Щипунов Юрий Анатольевич).
гинат представляет собой сополимер (З-О-манну-роновой и а-^-гулуроновой кислот, соединенных 1,4-связями [3, 4, 9-11]. Мономеры либо организованы в блоки, либо чередуются друг с другом в цепи, что составляет основу разнообразия природных полисахаридов, выполняющих структурную функцию в морских бурых водорослях. Блоки, образованные (З-О-маннуронатом и а-£-гулу-ронатом, имеют соответственно ленточную и складчатую конформацию (рис. 1) [8, 12, 13], что определяет существенные различия в комплексо-образовании с неорганическими ионами. В частности, гулуронатные блоки, в отличие от манну-ронатных, проявляют высокое сродство к Са2+, который взаимодействует с карбоксильными группами двух соседних цепей. Благодаря складчатой конформации а-£-гулуроната катионы кальция, как показано на рис. 1, располагаются внутри полостей, а формируемая полисахаридом и катионами структура обычно представляется в виде модели "ячеек для яиц" [14]. Поскольку Са2+ вызывает ассоциацию гулуронатных блоков из
Модель "ячеек для яиц"
Рис. 1. Схематическое изображение процессов, приводящих к сшивке молекул альгината по гулуронат-ным блокам катионами кальция, и модели "ячеек для яиц". Г - остаток а-1-гулуроновой кислоты, М - остаток р-О-маннуроновой кислоты.
разных цепей, что фактически представляет собой сшивку молекул, добавление неорганической соли приводит к формированию трехмерной сшитой сетчатой структуры из полисахаридных молекул, обусловливающей переход раствора в ге-леобразное состояние. Процесс имеет кооперативную природу [9-11, 13, 15, 16]. Формирование и свойства гелей определяются соотношением маннуронатных и гулуронатных блоков, длиной и количеством гулуронатных блоков.
Связывание катионов кальция молекулами альгината протекает с высокой скоростью. Время релаксации самой медленной стадии составляет секунды [17]. Поэтому при добавлении растворимой соли кальция непосредственно в раствор альгината натрия формируется гетерогенный гель, выпадающий в осадок. Это находит широкое применение, например, в процессах микро-капсулирования для формирования оболочки капсул [3,4,6,7,18]. Для получения объемных гелей прибегают к специальным методам. Их можно разделить на два основных типа [4, 5, 9]. В од-
ном случае неорганические катионы поступают из внешнего резервуара, в другом они выделяются непосредственно в желируемом растворе. В первом случае используются диализ и электродиализ. Катионы Са2+ из внешней камеры диффундируют через диализные мембраны [2-6] или переносятся под действием протекающего электрического тока через ионообменные мембраны с контролируемой скоростью [19], что позволяет получить гель, заполняющий весь объем камеры. Однако гелевые структуры получаются неоднородными, с неравномерным распределением кальция и полисахарида.
Методы, основанные на выделении Са2+ непосредственно в желируемом растворе, имеют различные разновидности, но во всех случаях обеспечивается медленное поступление катионов. В технологических процессах обычно используют малорастворимые соли кальция (например, сульфат или кислый ортофосфат), которые диссоциируют по мере связывания Са2+ с молекула-
ми альгината, но даже в их случае при рН <5.5 приходится замедлять процесс добавлением пас-сиваторов (пирофосфата, полифосфатов или цитрата натрия) [2-6].
Перевод малорастворимых солей кальция в кислых средах в растворимые положен в основу метода, в котором медленное подкисление водного раствора достигается в результате гидролиза О-глюконо-б-лактона (ГЛ). Выделяющаяся глю-коновая кислота вызывает постепенное понижение рН, что обеспечивает замедленное выделение катионов кальция в раствор. Метод получил
где -СОО" обозначает карбоксильные группы в молекулах альгината.
Формирование альгинатных гелей по методу in situ исследовано во многих работах [21-27] и описано в ряде обзоров [1, 4-7, 9]. Отмечены основные особенности протекающих процессов, установлена роль всех компонентов системы и дана характеристика гелям. Тем не менее, остается еще большое количество вопросов, которые исследователями не рассматривались. Более того, отсутствуют четкие представления о взаимосвязи между компонентами в системе, диаграмма фазового состояния, не установлены основные закономерности процесса. Практически нет сведений о механических свойствах формирующихся гелей, их зависимости от концентраций и соотношения компонентов в реакционной смеси.
Цель настоящей работы - установление основных закономерностей формирования альгинатных гелей по методу in situ и зависимостей их свойств от компонентов (альгината натрия, ГЛ и карбоната кальция) в растворе. Для ее достижения проведено подробное изучение условий геле-образования, выяснена функциональная роль каждого из реагентов и установлены взаимосвязи между ними в многокомпонентной системе, представленные в виде диаграммы псевдофазового состояния. Большое внимание уделено механическим свойствам гелей, которые охарактеризованы с помощью реологии в различных режимах. Рассмотрена их зависимость от каждого из компонентов реакционной смеси, что позволило составить обобщенную картину взаимосвязей между ними.
название внутреннего желирования или in situ, поскольку процесс проводится непосредственно в растворе, в котором находится альгинат натрия. В качестве малорастворимых солей обычно используются кислый ортофосфат или фосфат кальция [1, 20-22], карбонат кальция [9, 23-25], а также комплекс кальция с этилендиаминтетраук-сусной кислотой [4,9, 26, 27]. В случае карбоната кальция разложение соли и формирование комплекса можно представить следующими уравнениями (см. также рис. 1):
(1)
МАТЕРИАЛЫ.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Альгинат натрия, выделенный из ламинарии японской (Laminaria japónica), предоставлен A.B. Подкорытовой (Тихоокеанский научно-ис-следовательский рыбохозяйственный центр, Владивосток). ММ полисахарида составляла 35 х 103. Карбонат кальция имел квалификацию ч. д. а. D-люконо-З-лактон приобретен в фирме "Merck".
Растворы альгината натрия готовили растворением навески сухого вещества в дистиллированной воде (pH 5.6-5.8). Для приготовления гелей использовали мелкодисперсную фракцию карбоната кальция, полученную последовательным просеиванием через набор сит. Размер частиц, как определено с помощью оптической микроскопии, находился в диапазоне 0.11-0.19 мм.
Гели получали по следующей методике. Навеску СаС03 помещали в пробирку с 6 мл раствора альгината натрия при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке. Через несколько минут добавляли навеску ГЛ. Полученную смесь продолжали перемешивать в течение 5 мин, а затем для завершения процесса оставляли при комнатной температуре не менее чем на 3 суток.
Механические свойства альгинатных гелей исследовали с помощью реометра Rotovisco RT-20 (фирма "Haake", Германия). Измерения проводили при контролируемом сдвиговом усилии в режимах осцилляций и постоянного напряжения сдвига. В первом случае определяли реологические параметры при разных частотах, которые варьировали в диапазоне 0.001-40 Гц. Во втором случае изучали ползучесть гелей при постоянном напряжении сдвига. Измерительный модуль имел геометрию конус-
СаС03 -Е* Са2+ + НС03" ^ С02 Т
U- + 2-СОО" — Са(-СОО)2 (комплекс),
г х Ю-3, с
Рис. 2. Изменение рН (У) и модуля комплексной вязкости (2) во времени после добавления 0.085 моль/л ГЛ в раствор, содержащий 1% аль-гината натрия. Измерения |Т)*| проведены на частоте 1 Гц с раствором, содержащим также 0.1 моль/л карбоната кальция.
Время, с
Рис. 3. Изменение С (1) и С (2) во времени после добавления 0.085 моль/л ГЛ в раствор, содержащий 1% альгината натрия и 0.1 моль/л карбоната кальция. Измерения |г|*| проведены на частоте 1 Гц.
пластина. Параметры конуса: угол 1°, диаметр 60 мм. Температуру, равную 25 ± 0.05°С, поддерживали во время измерений с помощью термостата К-20 (фирма "Нааке", Германия).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Кинетика процессов
Гель получается в результате серии последовательных процессов (уравнение (1), рис. 1), в начале которых находится гидролиз ГЛ [24,25]. Его кинетика выявляется из изменения рН среды во
времени. В качестве иллюстрации служит рис. 2, на котором кривая 1 представляет результаты с 1%-ным раствором альгината натрия после растворения 0.085 моль/л ГЛ. Как видно, подкисле-ние среды наблюдается в первые 15 мин. рН уменьшается с 5.3 до 4.9. Начальное значение рН несколько занижено по сравнению с рН исходного раствора (5.6), поскольку измерения начаты не с момента добавления навески ГЛ, а после ее растворения и тщательного перемешивания раствора в течение 1 мин. Подкисление раствора практически завершается, как следует из рис. 2 (кривая 1), через 15 мин, что, видимо, связано с гидролитическим разложением большей части ГЛ в системе.
Кривая 2 на рис. 2 показывает, как изменяется комплексная вязкость г|* смеси после введения ГЛ в раствор, содержащий альгинат натрия и карбонат кальция. Измерения проведены через равные промежутки времени в режиме малоамплитудных осцилляций на частоте 1 Гц. Сразу после начала измерений наблюдается резкий рост г|*, но со временем он замедляется, и кривая выходит на плато.
Если изменение рН (рис. 2, кривая 1) характеризует кинетику на начальной стадии процессов гелеобразования (уравнение (1), рис. 1), то изменение комплексной вязкости (рис. 2, кривая 2) -на завершающей. Из сопоставления кривых на рис. 2 видно, что изменения в обоих случаях происходят практически в сопоставимых временных интервалах. Основной рост Г|* также имеет место в первые 15 мин. Затем кривая выходит на плато. Отмеченное соответствие позволяет говорить о лимитировании процессов гелеобразования на стадии гидролиза ГЛ. Если бы последующее высвобождение катионов кальция, их связывание с карбоксильными группами гулуронатных блоков молекул альгината и сшивка последних протекали с недостаточно высокой скоростью, кривая 2 получилась бы более пологой и имела бы иной вид. Этот вывод согласуется с кинетическими исследованиями [17], в которых время релаксации для самой медленной стадии связывания катионов кальция молекулами альгината получилось равным нескольким секундам.
Возрастание комплексной вязкости (рис. 2, кривая 2) обусловлено в первую очередь формированием гелевой структуры. Это подтверждается характером изменения динамических модулей со временем. Они приведены на рис. 3. В первые моменты времени модуль потерь С по величине больше модуля накопления С. Такое соотношение объясняется тем, что исходный раствор является ньютоновской жидкостью. Через 1.5-2 мин
после начала измерений наблюдается пересечение кривых, после чего С по величине превосходит С. Это свидетельствует о переходе системы в новое структурное состояние, реологические особенности которого, как будет показано ниже, позволяют отнести его к числу мягких материалов [28].
Необходимо отметить, что в рассматриваемом временном интервале (рис. 2) стационарное состояние в системе еще не достигнуто. Со временем наблюдается дальнейшее изменение реологических параметров. Оно может продолжаться до 3-5 суток, что определяется соотношением компонентов в системе. Это указывает на то, что со временем происходит медленная перестройка гелевой структуры. Обычно она сопровождалась явлением синерезиса.
В настоящей работе кинетика медленных процессов не изучена, а охарактеризованы только конечные состояния. С этой целью определены относительные количества выделившегося раствора. Его удаляли декантацией, а затем взвешивали. Полученные результаты рассмотрены ниже.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕЛЕЙ
Раствор альгината натрия в отсутствие или с диспергированным СаС03, но до введения ГЛ, представляет собой ньютоновскую жидкость. Его комплексная вязкость т]* в частотном диапазоне, доступном для измерений, не зависит от частоты, а модуль потерь С по величине всегда больше модуля накопления С. Формирование геля приводит к изменению реологического поведения систем, которые можно подразделить на два основных типа. Их характерные особенности выявляются из рассмотрения рис. 4, где представлены результаты, полученные со смесями, содержащими одинаковое количество альгината натрия (1 мае. %) и ГЛ (0.085 моль/л), но разные -СаС03 (0.02 и 0.12 моль/л соответственно на рис. 4а и 46).
Частотные зависимости реологических параметров, показанные на рис. 4а, характеризуют поведение системы, удовлетворяющее модели Максвелла [29]. В низкочастотной области модуль накопления возрастает пропорционально квадрату частоты, модель потерь - линейно, а модуль комплексной вязкости мало зависит от /. С ее ростом кривые, относящиеся к С и О', сближаются, а затем пересекаются. Частота, при которой это происходит, равна обратной величине максимального времени релаксации системы т. За точкой пересечения кривых модуль накопления возрастает в незначительной степени, модуль потерь уменьшается, проходя затем через мини-
Рис. 4. Зависимости |л*| СО, С (2) и С (3) от/ для смесей, содержащих 1% альгината натрия, 0.085 моль/л ГЛ и (а) 0.024 моль/л или 0.12 моль/л карбоната кальция (б).
мум, а модуль комплексной вязкости уменьшается пропорционально частоте осцилляций. Возрастание С в высокочастотной области указывает на отклонение от модели Максвелла. Оно вызвано переходом к новому "раузовскому" релаксационному режиму [29, 30].
Характер частотных зависимостей реологических параметров на рис. 4а позволяет сделать вывод о структуре формируемого геля. Модель Максвелла справедлива для полуразбавленных или концентрированных растворов полимеров, молекулы которых либо не сшиты, либо сшиты в незначительной степени. Считается [29, 30], что они формируют трехмерную сетку, узлы которой образованы главным образом зацеплениями или физическими связями между молекулами. Узлы, как и сеточная структура, являются временными. Согласно существующим представлениям [30. 31], молекула движется вдоль своего контура в воображаемой трубчатой полости, возникающей вследствие топологических ограничений соседних цепей. Хотя альгинатный гель сформирован устойчивыми сшивками молекул полисахарида катионами кальция, их число в рассматриваемом случае (рис. 4а) должно быть существенно меньше по сравнению с числом физических связей. Поэтому структуру геля, содержащего 1% альгината натрия, 0.085 моль/л ГЛ и 0.02 моль/л СаС03, следует отнести к числу слабо сшитых с низкой плотностью сетки.
t х Ю-3, с
Рис. 5. Деформация уобразца геля во времени г после наложения сдвигового напряжения а0 = 2 Па (стадия крипа) н после снятия о0 (стадия восстановления). Определение вязкости г\0 и модуля плато С0 показано с помощью поясняющих построений. Гель приготовлен в растворе, содержащем 1.0% альгината натрия, 0.085 моль/л ГЛ и 0.016 моль/л карбоната кальция.
При увеличении содержания ГЛ и СаС03 формируется гель, для которого зависимости динамических модулей и комплексной вязкости от частоты имеют иной вид и уже не описываются с помощью модели Максвелла. В качестве примера на рис. 46 приведены результаты измерений для смеси, составленной из 1% альгината натрия, 0.085 моль/л ГЛ и 0.12 моль/л СаС03. Видно, что комплексная вязкость линейно убывает с увеличением частоты осцилляций во всем диапазоне. Модули накопления и потерь монотонно возрастают, но их повышение незначительно. При этом С превосходит по величине С во всем диапазоне частот. По характеру частотных зависимостей реологических параметров рассматриваемый образец следует отнести к твердым телам, но по величине динамические модули и комплексная вязкость на несколько порядков меньше С, С и г|* для обычных твердых тел. Поэтому такие материалы выделяют в группу "мягких" [28]. Гели в большинстве случаев входят в их число. Отмеченное изменение характера частотных зависимостей реологических параметров при переходе от рис. 4а к рис. 46 рассматривается в качестве свидетельства золь-гель-перехода в системе [28,32].
Переход гелей альгината в разряд мягких материалов обусловлен повышением степени сшивки. Это вызвано увеличением количества катионов кальция. Рост плотности образующейся сетки снижает количество свободных молекул полисахарида и уменьшает длину участков цепей между сшивками. Результатом является ограничение их по-
движности и перемещений по отношению друг к другу. По характеру частотных зависимостей реологических параметров рассматриваемый аль-гинатный гель (рис. 46) аналогичен сшитым эластомерам. Их структуру представляют в виде устойчивой трехмерной сетки с жестко связанными молекулами в узлах [28-30]. В альгинатных гелях в качестве таких узлов выступают комплексы а-L-гулуроната с кальцием (рис. 1).
Для мягких материалов (рис. 46) обычно возникают трудности с определением статической вязкости и модуля плато. Эти характеристики необходимы для количественного сопоставления реологических характеристик гелей. Значения Г|0 и G0 можно найти из измерений ползучести образца при наложении постоянного сдвигового напряжения с0 [29, 33, 34]. Иллюстрацией служит рис. 5, на котором представлена зависимость деформации у геля, составленного из 1% альгината натрия, 0.085 моль/л ГЛ и 0.016 моль/л СаСОэ, во времени t после наложения с0 = 25 Па. На графике показана также стадия восстановления, которая имеет место после снятия нагрузки. Штриховые линии показывают, каким образом рассчитываются статическая вязкость и модуль плато. Метод основан на том, что упругая деформация проявляется незамедлительно вслед за наложением сдвигового напряжения. Поэтому резкий начальный рост у связывают с G0. Со временем достигается стационарное состояние, при котором деформация возрастает линейно с t. Измерения ползучести были использованы для нахождения т|о и G0 для всех образцов, которые имели частотные зависимости реологических параметров, подобные представленным на рис. 46.
Роль компонентов в гелеобразовании
Роль альгината натрия выявляется из рассмотрения рис. 6. На рис. 6а дана зависимость количества выделившейся воды в результате синерезиса от концентрации полисахарида. Содержание карбоната кальция (0.08 моль/л) и ГЛ (0.085 моль/л) в рассматриваемых системах оставалось постоянным. Синерезис, как видно из рисунка, наиболее выражен при низких концентрациях (0.2-0.5%) альгината натрия. Гель со временем уменьшался до объема, который составлял менее половины объема исходного раствора. Кроме того, гели получались непрозрачными.
Количество выделившейся воды (рис. 6а) монотонно уменьшается с ростом концентрации полисахарида в смесях, при 0.8—1.0% альгината натрия выделение воды из гелевой структуры достигает практически постоянного уровня. Полностью сине-
сальгинат> % ^'альгинат' %
Рис. 6. Влияние содержания альгината натрия в геле, приготовленном в растворе с 0.085 моль/л ГЛ и 0.08 моль/л карбоната кальция, на количество воды, выделившейся при синерезисе (а), а также на статическую вязкость (7) и модуль плато (2) (б).
сСаС03> МОЛЬ/Л сСаС03> МОЛЬ/Л
Рис. 7. Влияние содержания карбоната кальция в геле с 1% альгината натрия и 0.085 моль/л ГЛ на количество воды, выделившейся при синерезисе (а), а также на статическую вязкость (/) и модуль плато (2) (б), а - штриховые линии показывают границы областей гелей с разными оптическими свойствами; б - прямые проведены по методу наименьших квадратов.
резне в рассматриваемом концентрационном диапазоне не прекращается.
Объемные гели не удается получить при небольших концентрациях альгината натрия (<0.5%) (рис. 6а). После смешения всех компонентов происходит резкое уменьшение объема геле-вой фазы, которая больше напоминает осадок. Аналогичные результаты получены в работе [24]. Авторы отмечают, что синерезис достигает экстремальных значений (в ряде случаев до 90%) при содержании полисахарида 0.5%. Согласно нашим данным (рис. 6а), объемный гель образуется при концентрации альгината натрия в растворе, превышающей 0.6%.
Реологические свойства геля зависят от концентрации альгината натрия более сложным образом. На рис. 66 представлены зависимости статической вязкости и модуля плато от концентрации полисахарида. На начальном участке наблюдается резкое снижение Г10 и О0, но затем кривые проходят через минимум, который отвечает 0.5-0.6% альги-
ната натрия. Такой характер реологических зависимостей может объясняться двумя основными причинами. Спад кривых на начальном участке вызван, по всей видимости, уменьшением синере-зиса (рис. 6а). Поскольку при этом происходит увеличение объема геля, плотность сетчатой структуры уменьшается, что приводит к уменьшению Г|0 и О0. В то же время рост количества полисахарида в системе вызывает противоположный эффект. Заметно он начинает проявляться при больших концентрациях, и, как следствие, появляется минимум на кривых (рис. 66).
На рис. 7а представлена зависимость количества выделившейся воды от содержания карбоната кальция в смеси. Концентрации альгината натрия (1%) и ГЛ (0.085 моль/л) остаются постоянными. Штриховыми линиями на рисунке показаны границы областей различных гелей.
При небольшом содержании СаС03 (до 0.02 моль/л включительно) синерезис отсутствует, формируются оптически прозрачные гели. При
сн2о>' 60-
20
(а)
У
0.05
rio х Ю-6, Па с 3
0.15 сгл, моль/л
G0 х 10"3, Па 2
0.05
0.15 сгл, моль/л
Рис. 8. Влияние концентрации ГЛ в исходном растворе, содержащем 1% альгината натрия и 0.08 моль/л карбоната кальция, на количество воды, выделившейся при синерезисе (а), а также статическую вязкость (1) и модуль плато (2) (б).
больших концентрациях начинается расслоение. Гели остаются все еще оптически прозрачными, но с ростом количества СаСОэ появляется опа-лесценция. Когда вводится больше 0.05 моль/л карбоната кальция, гели получаются полупрозрачными или молочно-белыми. Количество выделившейся воды приближается к 40%.
Значения статической вязкости (прямая 7) и модуля плато (прямая 2) для гелей, полученных при разных количествах введенного карбоната кальция, показаны на рис. 76. Как видно, Г(0 и G0 возрастают пропорционально концентрации СаСОэ. Методом наименьших квадратов были определены показатели степеней концентрационных зависимостей. Для г|0 он равен 1.30 ± 0.24, для G0 - 1.59 ± ±0.16.
Роль третьего компонента (ГЛ) в гелеобразо-вании выявляется из рассмотрения результатов, представленных на рис. 8. Рисунок 8а характеризует явление синерезиса. Количество выделившейся воды возрастает пропорционально количеству добавленного ГЛ. При экстраполяции прямая практически попадает в начало координат. Другими словами, синерезис для данных концентраций альгината натрия (1%) и карбоната кальция (0.08 моль/л) исключается только при полном отсутствии ГЛ в системе.
Свойства гелей также зависят от содержания ГЛ. В диапазоне концентраций 0.028-0.07 моль/л образуются оптически прозрачные, мягкие гели. Количество выделившейся воды не превышает 20%. В диапазоне 0.07-0.17 моль/л гели получаются мутными или полностью непрозрачными (молочно-белыми). Объем гелевой фазы может сокращаться на 40-60% в сравнении с исходным водным раствором. Наблюдаемая зависимость синерезиса от содержания ГЛ в системе объясняется величиной
сдвига рН в результате гидролиза вещества, что в свою очередь определяет степень разложения карбоната кальция и концентрацию выделившихся катионов, обусловливающих сшивку молекул полисахарида и увеличение плотности сетки.
Реологические параметры гелей в зависимости от количества добавленного ГЛ даны на рис. 86. Статическая вязкость (кривая 1) значительно возрастает на начальном участке (до 0.085 моль/л ГЛ). С повышением содержания ГЛ рост вязкости вначале замедляется, а затем кривая выходит на плато. Модуль плато (кривая 2) в этой же области продолжает увеличиваться практически линейно. Известно [29], что величина <Э0 определяется плотностью сетки. Поскольку с ростом концентрации ГЛ, как было показано выше (рис. 8а), выделяется больше сшивающих катионов кальция и происходит уплотнение гелевой фазы в результате возрастания синерезиса, это объясняет причину постоянного роста модуля плато во всем исследованном диапазоне концентраций.
Представленные результаты показывают, что роль ГЛ в гелеобразовании является принципиальной. Гидролиз соединения находится в начале серии последующих процессов, завершающихся формированием геля (рис. 1). Большая часть ГЛ гидролизуется за первые 15-20 мин. Именно гидролиз определяет кинетику гелеобразования, поскольку увеличение вязкости раствора (рис. 2, кривая 2) практически следует за смещением рН (рис. 2, кривая /). Другими словами, разложение карбоната кальция, высвобождение катионов Са2+ и сшивка гулуронатных блоков молекул альгината проходят с более высокой скоростью.
Пороговую концентрацию вещества экспериментально найти достаточно трудно. Можно воспользоваться экстраполяцией. В частности, из рис. 86 получаем, что для формирования геля не-
обходимо добавить ~0.035 моль/л ГЛ. Дальнейшее увеличение его содержания приводит к росту синерезиса (рис. 8а), статической вязкости (рис. 86, кривая 1) и модуля плато (рис. 86, кривая 2). Эффект объясняется количеством разложившегося карбоната кальция и выделившихся катионов Са2+.
Диаграмма псевдофазового состояния
Совокупность полученных экспериментальных данных позволила в деталях охарактеризовать фазовое поведение в системе альгинат на-трия-СаС03-ГЛ и построить диаграмму псевдофазового состояния, поскольку она дается в координатах концентрация СаСОэ - концентрация ГЛ. Последний не является гелеобразующим веществом, но его роль оказывается значительной, так как ГЛ определяет степень высвобождения катионов кальция. Диаграмма представлена на рис. 9. Она дается для смесей, в которых содержание аль-гината натрия равно 1.0%. В такой концентрации он достаточно часто используется в практике.
На диаграмме имеются три области. Область I включает оптически прозрачные гели, формирование которых не сопровождается явлением синерезиса. Они начинают образовываться при концентрации ГЛ, равной ~0.035 моль/л. Вправо область распространяется до 0.2 моль/л ГЛ, поскольку более концентрированные системы не изучались. Снизу и сверху область ограничена горизонтальными линиями, показывающими концентрации карбоната кальция. Нижняя граница определена приблизительно из-за значительных трудностей. Она дана штриховой линией. Верхняя граница области проходит при концентрации СаСОэ, равной 0.02 моль/л.
Отсутствие синерезиса в области I объясняется дефицитом СаС03, который определяет содержание сшивающих агентов (катионов кальция). В связи с этим молекулы полисахарида оказываются слабо сшитыми, что подтверждается результатами реологических измерений. Поведение альгинатных гелей в области I в большинстве случаев описывается в рамках модели Максвелла (рис. 4). Такие гелевые системы являются вязко-упругими. Их свойства зависят от времени механического воздействия [29,30].
Область П расположена над областью I. Сверху она ограничена концентрацией СаСОэ - 0.04 моль/л, а слева - концентрацией ГЛ, равной 0.055 моль/л. Гели в этой области продолжают оставаться прозрачными, но появляется опалесцен-ция, которая усиливается с ростом содержания как СаСОэ, так и ГЛ. Они также отличаются от
сСаСОз> моль/л
I
0.101- \ >
I I
\ »
IV \
0.05
Ш
п
\,
I
0.1
0.2 0.3
Срд, моль/л
Рис. 9. Диаграмма псевдофазового состояния, построенная в координатах концентрация карбоната кальция-концентрация ГЛ. Концентрация альгината натрия 1%. Штриховыми линиями даны границы, положение которых установлено приблизительно. Показаны следующие области: I - оптически прозрачный гель, синерезис отсутствует; П - опалесценция, синерезис; Ш - оптически непрозрачный гель, синерезис; IV - гель не формируется.
предыдущих систем проявлением синерезиса. Кроме того, реологическое поведение уже не описывается в рамках модели Максвелла. В измеряемом частотном диапазоне модуль накопления по величине превышает модуль потерь, а комплексная вязкость меняется линейно с/(рис. 46). Такое поведение присуще мягким материалам, которые занимают положение между вязкоупру-гими системами и твердыми телами [28].
Отмеченное изменение свойств альгинатных гелей при переходе из области I в область II связано с ростом количества катионов кальция. Они способствуют увеличению плотности образующейся сетки, что обусловливает формирование более жесткой структуры, имеющей высокие значения вязкости и модуля плато (рис. 76). Уплотнение структуры приводит также к явлению синерезиса (рис. 7а).
Область III занимает оставшуюся часть диаграммы псевдофазового состояния. Она ограничена слева границей (наклоненная вертикальная штриховая линия), которая определена приблизительно. Это - область преимущественно оптически непрозрачных гелей. Полупрозрачные смеси формируются вблизи границы с областью П. Мутность гелей возрастает с увеличением концентрации СаС03 и ГЛ. Для них также характерен значительный синерезис. Уменьшение объема первоначально сформированного геля со временем может составить 50-70%.
Механизм уменьшения гелевой фазы со временем (через 2-3 дня после получения) окончательно
не установлен. Считается [8, 10, 11, 13, 35, 36], что имеется несколько стадий. На начальной стадии формирования геля сшивка катионами кальция приводит к ассоциации двух гулуронатных блоков молекул полисахарида. В присутствии избыточных количеств Са2+ со временем происходят дальнейшие перестройки сетчатой структуры, заключающиеся в латеральной ассоциации сшитых димерных блоков. Цепи альгината натрия оказываются более плотно упакованными. Рост плотности сетки сопровождается выдавливанием воды за пределы сеточной структуры. Гель получается достаточно жесткий, характеризующийся высокими значениями статической вязкости и модуля плато (рис. 76).
Оптимальные условия для образования геля определяются соотношением концентраций кальция и гулуронатных блоков [4, 8-11, 13]. Синерезис отсутствует, когда мольное отношение не превышает 0.5 [37]. Введение избыточных количеств кальциевой соли приводит к росту плотности образующейся сетки. В исследованных системах выделение воды не происходило при концентрациях карбоната кальция до 0.02 моль/л (рис. 7а, рис. 9). Мольное соотношение между СаС03 и альгинатом натрия при этом составляет порядка 70. Молекула полисахарида состоит из ~ 180 остатков гулуроновой и маннуроновой кислот. Из сопоставления следует, что исследованный образец альгината натрия может содержать значительное количество гулуронатных блоков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. McDowell R.H. И Chem. Ind. 1975. P. 391.
2. Толстогузов В. Б. Искусственные продукты питания. М.: Наука, 1978.
3. Cottrell I.W., Kovacs P. Handbook of Water-soluble Gums and Resins / Ed. by Davidson R.L. New York: McGraw-Hill Book Company, 1980. P. 2-1.
4. Sime WJ. Food Gels // Ed. by Harris P. London: Elsevier, 1990. P. 53.
5. Imeson A. Gums and Stabilisers for the Food Industry. 5 / Ed. by Phillips G. O., Williams P.A., Wedlock DJ. Oxford: IRL Press, 1990. P. 553.
6. СиницинА.П., Райнина Б.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. М.: МГУ, 1994.
7. Draget К. /., Skjak-Braek G., Smidsrod О. // Int. J. Biol. Macromol. 1997. V. 21. P. 47.
8. Morris V. J. II Functional Properties of Food Macromol-ecules / Ed. by Mitchell J.R., Ledward D.A. London: Elsevier, 1986. P. 121.
9. Мое S.T., Draget K.I., Skjak-Braek G., Smidsrod O. Food Polysaccharides and their Applications / Ed. by Stephen A.M. New York: Marcel Dekker, 1995. P. 245.
10. Clare K. // Industrial Gums: Polysaccharides and their Derivatives / Ed. by Whistler R.L., BeMiller J.N. San Diego: Acad. Press, 1993. P. 105.
11. Day D.F. Ц Biopolymers from Renewable Resources / Ed. by Kaplan D.L. Berlin: Springer, 1998. P. 119.
12. Rees D.A., Morris E.R., Thorn D„ Madden J. К. I I The Polysaccharides / Ed. by Aspinall G.O. New York: Acad. Press, 1982. P. 195.
13. Morris E.R., Norton I.T. I I Stud. Phys. Theor. Chem. 1983. V. 26. P. 549.
14. Grant G.T., Morris E.R., Rees DA., Smith P. J. C., Thorn D. IIFEBS Lett. 1973. V. 32. P. 195.
15. Re id D.S. // Ions in Macromolecular and Biological Systems / Ed. by Everett D.H., Vincent B. Bristol: Scien-technica, 1978. P. 82.
16. Stokke B.T., Smidsrod O., Bruheim P., Skjak-Braek G. // Macromolecules. 1991. V. 24. P. 4637.
17. Bergstrom E., Goodall D.M., Norton I.T. // Gums and Stabilisers for the Food Industry. 5 / Ed. by Phillips G.O., Williams P.A., Wedlock D.J. Oxford: IRL Press, 1990. P. 501.
18. SmidsrodO., Skjak-BraekG. //Trends Biotechnol. 1990. V. 8. P. 71.
19. Щипунов ЮЛ., Постнова И.В., Гребень В.Р. // Журн. физ. химии. 2000. Т. 74. № 12. С. 1295.
20. Percival Е., McDowell R.H. Chemistry and Enzymology of Marine Algal Polysaccharides. London: Acad. Press, 1967.
21. Mitchell J.R„ BlanshardJM.V. //J. Texture Stud. 1976. V. 7. P. 219.
22. Barf od N.M. // Gums and Stabilisers for the Food Industry. 4 / Ed. by Phillips G. O., Williams P. A., Wedlock D. J. Oxford.: IRL Press, 1988. P. 285.
23. Draget К J., Ostgaard K., Smidsrod O. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1989. V. 31. P. 79.
24. Draget K.I., Ostgaard K., Smidsrod 0. // Carbohyd. Polym. 1991. V. 14. P. 159.
25. Draget K.I., Simensen M.K., Onsoyen E., Smidsrod O. // Hydrobiologia. 1993. V. 260/261. P. 563.
26. Lapasin R., Paoletti S., Zanetti F. I I Prog. Trends Rheol. 1988. V. 11. P. 422.
27. Smidsrod О., Мое S.T., Draget К., Skjak-Braek G. Gums and Stabilisers for the Food Industry. 6 / Ed. by Phillips G.O., Williams P.A., Wedlock D.J. Oxford: IRL Press, 1992. P. 463.
28. Larson R.G. The Structure and Rheology of Complex Fluids. New York: Oxford Univ. Press, 1999.
29. Ferry J.D. Viscoelastic Properties of Polymers. New York: Wiley, 1980.
30. Doi M., Edwards S.F. The Theory of Polymer Dynamics. Oxford: Oxford Univ. Press, 1986.
31 .De Gennes P.G. Scaling Concepts in Polymer Physics. Ithaca; New York: Cornell Univ. Press, 1979.
32. Winter H.H., Chambon F. // J. Rheol. 1986. V. 30. P. 367.
33. Schramm G.A Practical Approach to Rheology and Rhe-ometry. Karlsruhe: Haake, 1994.
34. Wissbrun K.F. // Rheological Measurements / Ed. by Collyer A. A., Clegg D. W. London: Chapman and Hall, 1998. P. 392.
35. Stokke B.T., Draget KJ., Yuguchi Y., Urakawa H., Kaji-wara K. /I Macromol. Symp. 1997. V. 120. P. 91.
36. Stokke B.T., Draget KJ., Yuguchi Y., Urakawa H., Kaji-wara K. Chemical and Physical Networks Formation and Control of Properties / Ed. by Te Nijenhuis K., Mijs W.J. New York: Wiley, 1998. P. 119.
37. Smidsrod O. // Faraday Disc. Chem. Soc. 1976. V. 57. P. 263.
Homogeneous Alginate Gels: Phase Behavior and Rheological Properties
Yu. A. Shchipunov*, E. L. Koneva**, and I. V. Postnova**
institute of Chemistry, Far East Division, Russian Academy of Sciences, pr. Stoletiya Vladivostoka 159, Vladivostok, 690022 Russia
**Far East State University, ul. Sukhanova 8, Vladivostok, 690600 Russia
Abstract—Alginate gels were prepared by the internal gelation method in a reaction system composed of sodium alginate, D-glucono-8-lactone, and an aqueous dispersion of calcium carbonate. The hydrolysis of lactone caused a slow acidification of an aqueous solution leading to the decomposition of the inorganic salt used and to the uniform release of calcium cations into the whole volume. Gels were produced via complex formation between Ca2+ and carboxyl groups of alginate. The conditions and kinetics of gel formation and the properties of gels were comprehensively studied. The role of each component of the reaction system and the interrelationship between them were examined. The pseudophase diagram characterizing the phase behavior as a function of the concentration of reagents was constructed in the calcium carbonate-D-glycono-5-lactone coordinates taking into account syneresis and differences in the optical and mechanical properties of gel systems. The latter were estimated by rheological measurements carried out under various regimes. The effects of the ratio between the concentrations of sodium alginate, calcium carbonate, and D-glycono-8-lactone on the optical and mechanical properties of alginate gels, as well as on their syneresis, were ascertained.
