黃原膠（Xanthan gum)是一種自然多糖和重要 的生物高聚物，黃原膠分子形貌的原子力顯微鏡研究，以碳水化合物為主耍原料，經(jīng)發(fā)酵 工程生產(chǎn)的一種作用廣泛的微生物胞外多糖，簡稱 XC.該膠是目前國際上性能最優(yōu)越的生物膠，具有 獨(dú)特的理化性質(zhì)和功能，黃原膠可以溶P冷水和熱 水中，具有高黏度、高耐酸堿鹽特性、高耐熱穩(wěn)定 性、懸浮性和觸變性等，常被用作增稠劑、乳化劑、 懸浮劑和穩(wěn)定劑，具有廣闊的市場前景，廣泛應(yīng)用 于食品、石油、醫(yī)藥、化工、紡織、化妝品等20 多種行業(yè)

黃原膠分子的化學(xué)式為(C35H49029)n，其結(jié)構(gòu)是 由D-葡萄糖、D•甘乳糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙 酮酸組成的“五糖重復(fù)單元”，該聚合體的分子摩 爾比為2.8 : 3 :丨.7 : 0.5丨：0.63151,其結(jié)構(gòu)如圖1所

示.一些學(xué)者認(rèn)為黃原膠分子有時(shí)是有序的螺旋結(jié) 構(gòu)（helix),有時(shí)則為無序的無規(guī)則線團(tuán)（random coil)Moohrouse等人利用X-衍射發(fā)現(xiàn)黃原膠

分子為螺旋結(jié)構(gòu)|UMI1.其水溶液呈多聚陰離子，構(gòu) 象具有多樣性.Kirby等人用接觸模式下的原子力顯 微鏡證明了黃原膠分子能夠在正辛醇溶液中成像 [121,然后他們進(jìn)一步用輕敲模式研究了黃原膠在任 意環(huán)境下（溶液中、空氣下和真空中等）的成像1131. Capron等人用接觸模式在丙醇二酸中研究了當(dāng)加 熱溫度超過分子從有序到無序的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)114),有 序的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，同時(shí)分子量降低._

原子力顯微鏡（AFM)分辨率高、制樣簡單、 不需要導(dǎo)電，在任何環(huán)境（真空、大氣和溶液）下， 可以對樣品進(jìn)行成像.本文利用高分辨率的AFM, 對不同濃度下的黃原膠分子的微觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn) 行了考察，探討了濃度變化對黃原膠分子的微觀結(jié) 構(gòu)的影響規(guī)律.

i實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1黃原膠溶液的樣品制備

不需要進(jìn)一步處理，黃原膠溶液的樣品制備需耍下 列幾個(gè)步驟：

(1)用電子天平稱取〇.5g黃原膠粉末，將其 溶解在50mL的三次蒸餾水中，在室溫下攪拌，制 備成10g/L的黃原膠母溶液，儲存在4X；的冰箱中 方便以備使用.

(2)取10g/L的黃原膠母溶液，通過恒溫磁力 攪拌器加熱到9(TC,加熱的過程中同時(shí)進(jìn)行攪拌， 大約需要30min，隨后冷卻到室溫.

(3)將溶液放置在離心速度為150000g的離 心機(jī)，攪拌大約2h，目的是移除較大顆粒聚集物和 一些氣泡，取中間液放在48C冰箱內(nèi)保存24h.

(4)取出lmL處理液，稀釋到9mL的三次蒸 餾水中，黃原膠分子形貌的原子力顯微鏡研究，這個(gè)過程連續(xù)重復(fù)三次，最終制備出 O.lg/L、0.01g/L 和 0.001g/L 的黃原膠溶液.

1.2 AFM成像觀測

將2+的樣品溶液滴在新解離的云母表面，成 像之前在空氣中干燥3(K60min. AFM成像觀測是在 1000級的超凈工作間的室溫中進(jìn)行的，所有的測量 都是在空氣中進(jìn)行的.所測樣品為生物樣品，因此 在實(shí)驗(yàn)中選用輕敲模式下的原子力顯微鏡（TM- AFM),掃描探針為美國Vecco公司生產(chǎn)，共振頻率 大約為145KHZ,針尖尖端的直徑接近20nm,彈性 系數(shù)為5Nm'輕敲成像模式采用高頻振動(dòng)的探針 掃描樣品，探針與樣品之間的每次接觸時(shí)間極短， 減少了針尖對樣品的橫向作用力，大大減少和避免 了掃描過程中樣品的飄逸和損壞.

在實(shí)驗(yàn)中，針尖的掃描速度與掃描范圍成線性 關(guān)系，因此應(yīng)根據(jù)掃描速度來具體調(diào)整成像效果， 我們選取原子力顯微鏡的最大掃描范圍為 8000nm><8000nm,掃描速度為0.2?2 line/s.圖像的 分辨率為256x256像素，所有圖像只經(jīng)過自動(dòng)平滑 處理（Flatten Auto).采用原子力顯微鏡自帶數(shù)據(jù) 處理軟件對圖像進(jìn)行處理.

實(shí)驗(yàn)都在超凈間實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)溫度為25 •C,空氣濕度為40?50%.

2結(jié)果和討論

2.1濃度對黃原膠分子的影響 

 

圖2呈現(xiàn)了在不同濃度下的黃原膠分子的形貌 圖，形貌圖的尺寸大小為4000nmx4000nm，退火溫 度為9010,退火時(shí)間是30min.溶液的濃度分別為 (a) 0.1g/L、（b) 0.01g/L、（c) 0.001g/L，這三幅 圖反映了不同的溶液濃度對樣品在表面成像的影 響，從圖可以看出：（a)衆(zhòng)集大顆粒，（b)網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu)，（c)單個(gè)纖維，這個(gè)趨勢是和溶液的濃度相一 致的.圖2 (a)中濃度為O.lg/L,黃原膠分子聚集

萬方數(shù)據(jù)

到一塊，形成了很多無序、分散、大小和高度不一 的類似于球狀體的顆粒，分布在新解離的云母表 面，這是由于在該濃度下黃原膠分子發(fā)生了聚集， 并且形成了不同的聚集形態(tài).當(dāng)濃度減少到0.01 g/L時(shí)，如圖2 (b)黃原膠分子擴(kuò)散，形成了相互 纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).隨著濃度的進(jìn)一步降低，相互纏 繞的黃原膠分子將會被大景的水溶液分開，形成了 單個(gè)纖維，如圖2 (c)所示.

表t用AFM截面分析軟件測置不同濃度下 黃原膠分子的高度

測M卨度 A (0.01 g/L)測里島度 A(0.001g/L)

10.854.57

10.854.85

1U35.42

11.135.71

11.425.99

11.425.99

12.276.28

12.566.85

12.846.85

13.707.14

13.997.14

平均值/A12.016.07

標(biāo)準(zhǔn)偏差1,130.89

在圖2 (b)、2 (c)中，選取黃原膠分子的11 個(gè)點(diǎn)，黃原膠分子形貌的原子力顯微鏡研究，用AFM自帶的截面分析軟件分析它們的高 度.表1顯示了不同濃度下黃原膠分子的高度測量 值，當(dāng)溶液濃度為0.01 g/L時(shí)，測量的平均高度是 12.01 A,高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差是±1.13,當(dāng)溶液濃度為 0.001g/L時(shí)，測量的平均高度是6.07A,高度的標(biāo) 準(zhǔn)偏差是土0.89. Miles等人曾經(jīng)報(bào)道用STM研究 黃原膠分子的高度大約為1?1.5nm1151,正如表1 中一樣，在濃度為0.01g/L時(shí)所測量的黃原膠分子 的髙度是1.2nm,與Miles曾經(jīng)報(bào)道的結(jié)果相一致, 但是當(dāng)溶液稀釋到0.001g/L時(shí)，測量的平均高度為 0.6mm正好是濃度為0.01 g/L時(shí)我們所測ft的黃原 膠分子的高度的一半•因此，表1很好地說明了黃 原膠分子在云母表面的自由伸展為雙鏈和單鏈.

2.2網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到單個(gè)纖維形成過程的討論

對于黃原膠分子的水溶液，分子間的相互作用 還沒有完全弄清楚，但是分子間的結(jié)合主耍是通過 氫鍵和陰離子相互作用是必不可少的.如圖2 (b) 所示，黃原膠分子是由無規(guī)則的線圈相互纏繞而成 的，這種相互纏繞主耍是由氫鍵引起的，而且，氬 鍵很大程度上超過了側(cè)鏈之間負(fù)電荷的相互排斥. 因此，當(dāng)達(dá)到一定的濃度時(shí)（0.01 g/L), —個(gè)交織 的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成.除了黃原膠分子相互纏繞外，分 子間主要是通過螺旋棒狀結(jié)構(gòu)中的分+氫鍵相互 作用•當(dāng)濃度變小到0.001g/L時(shí)，單個(gè)黃原膠分子 的形貌結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn).由于濃度變小，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被解 體，黃原膠分子間的相互作用被分離，分+鏈也被 分開•正如圖2 (b)、2 (c)中用原子力顯微鏡所 萬方數(shù)據(jù)

圖3是黃原膠分子從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到單個(gè)纖維形成 過程的模型圖，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖3 (a)),如圖2 (b) 所示，我們用原子力顯微鏡測量到黃原膠分子相互 交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)一樣.當(dāng)加入大量水進(jìn)行稀釋時(shí)， 水分子將施加給相互交織纏繞的黃原膠分子一個(gè) 剪切力，這個(gè)力首先要打破無規(guī)則相互纏繞而形成 的粘滯力，這個(gè)力小于分子間的氫鍵力，因此我們 認(rèn)為首先發(fā)生圖3 (a)到3 (b)這個(gè)過程.一旦剪 切力增大，溶液假塑性（在外力作用下，其黏度因 剪切力速率的增大而減少）顯著，分子鍵相互纏繞 的粘滯力完全被打開，再加上黃原膠分子中側(cè)鏈負(fù) 電荷的相互排斥，更加劇了這個(gè)過程的發(fā)生，形成 了雙螺旋結(jié)構(gòu)，如圖3 (b).隨著水溶液的稀釋， 剪切力逐漸增大，在一定程度上會超過分子鍵氫鍵 的力，因此分子鍵的氫鍵會慢慢打開，黃原膠分子形貌的原子力顯微鏡研究，最終形成分 子單鏈纖維，如圖3 (c)所示，與我們的實(shí)驗(yàn)所觀 察結(jié)果圖2 (c)相一致.

通過觀察不同濃度下黃原膠分子的形成過程， 我們可以間接了解到黃原膠分子的整個(gè)形成過程， 不同濃度下的黃原膠分子的形貌圖像對應(yīng)著黃原 膠分子形成過程的不同階段，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好 地說明了這一點(diǎn)，這就為研究生物分子的形成過程 提供了一個(gè)非常便捷的路徑.通過配比不同濃度下 的生物樣品，在空氣中即可以用AFM直接地觀察 到生物分子的形成過程.

3結(jié)論

本文利用原子力顯微鏡研究了黃原膠分子的 形貌結(jié)構(gòu).用類似于溶膠凝膠法制備了黃原膠樣 品，通過在云母表面空氣自然干燥或者用氮?dú)獯蹈?的方法，完成了 AFM樣品的制備.采用AFM對不 同濃度下的黃原膠的分子形態(tài)以及形態(tài)變化進(jìn)行 了考察.實(shí)驗(yàn)表明，在0.1g/L的高濃度下的黃原膠 分子發(fā)生了聚集，并且形成了不同的聚集形態(tài)，很 多無序、分散、大小和高度不一的類似于球狀體的 顆粒分布.當(dāng)濃度減少到0.01g/L時(shí)黃原膠分子不 再是聚集體，而是形成了均一的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).隨著濃度的進(jìn)一步降低，達(dá)到0.001 g/L時(shí)黃原膠分子形成 了單個(gè)纖維.利用AFM截面軟件對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和單 個(gè)纖維進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了云母表面出現(xiàn)的黃原膠分 子分別為雙鏈和單鏈.在從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)到纖維結(jié)構(gòu)， 我們設(shè)想了一個(gè)黃原膠分子動(dòng)力學(xué)的模型，這對我 們以后的研究工作有很大的意義.'