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(jiǎn)稱(chēng) XC.該膠是目前國(guó)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(chǎng)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(wú)序的無(wú)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(guò)分子從有序到無(wú)序的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)114),有 序的結(jié)構(gòu)會(huì)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(jiǎn)單、 不需要導(dǎo)電，在任何環(huán)境（真空、大氣和溶液）下， 可以對(duì)樣品進(jìn)行成像.本文利用高分辨率的AFM, 對(duì)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(duì)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(chēng)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(chǔ)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(guò)恒溫磁力 攪拌器加熱到9(TC,加熱的過(guò)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(guò)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(cè)

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(cè)是在 1000級(jí)的超凈工作間的室溫中進(jìn)行的，所有的測(cè)量 都是在空氣中進(jìn)行的.所測(cè)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(guó)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(duì)樣品的橫向作用力，大大減少和避免 了掃描過(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)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(wàn)方數(shù)據(jù)

到一塊，形成了很多無(wú)序、分散、大小和高度不一 的類(lèi)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(huì)被大景的水溶液分開(kāi)，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(cè)置不同濃度下 黃原膠分子的高度

測(cè)M卨度 A (0.01 g/L)測(cè)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(cè)量 值，當(dāng)溶液濃度為0.01 g/L時(shí)，測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)ft的黃原 膠分子的高度的一半•因此，表1很好地說(shuō)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(guò)程的討論

對(duì)于黃原膠分子的水溶液，分子間的相互作用 還沒(méi)有完全弄清楚，但是分子間的結(jié)合主耍是通過(guò) 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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)•正如圖2 (b)、2 (c)中用原子力顯微鏡所 萬(wàn)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(guò)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(cè)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(wú)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(guò)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(kāi)，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(guò)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?zhuān)?剪切力逐漸增大，在一定程度上會(huì)超過(guò)分子鍵氫鍵 的力，因此分子鍵的氫鍵會(huì)慢慢打開(kāi)，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(guò)觀察不同濃度下黃原膠分子的形成過(guò)程， 我們可以間接了解到黃原膠分子的整個(gè)形成過(guò)程， 不同濃度下的黃原膠分子的形貌圖像對(duì)應(yīng)著黃原 膠分子形成過(guò)程的不同階段，上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好 地說(shuō)明了這一點(diǎn)，這就為研究生物分子的形成過(guò)程 提供了一個(gè)非常便捷的路徑.通過(guò)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(guò)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(lèi)似于溶膠凝膠法制備了黃原膠樣 品，通過(guò)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(duì)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(wú)序、分散、大小和高度不一的類(lèi)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(duì)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?cè)O(shè)想了一個(gè)黃原膠分子動(dòng)力學(xué)的模型，這對(duì)我 們以后的研究工作有很大的意義.'