用DWS扩散波光谱法测定明胶溶液的凝胶化温度

用DWS扩散波光谱法测定明胶溶液的凝胶化温度—Rheolab应用

2024-06-17

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摘要

扩散波光谱（DWS）是一种现代光散射技术，主要用于探测胶体介质中粒子的运动。对粒子运动的微流变分析可以进一步提供介质的流变特性，即频率相关的储能模量和耗能模量，分别为G'（ω）和G''（ω）^[1]。DWS可以应用于各种软物质系统，包括凝胶系统^[2]。特别是，DWS能够准确地表征它们的凝胶点，当归一化强度相关函数（ICF）不再衰减为零时，就可以确定其凝胶点^[3]。明胶溶液（图1a）是生物聚合物在水中的分散体系，在温度低于凝胶化温度Tgel（图1b）时形成凝胶 ^[4,5]。此外，在凝胶化温度时，G' ~ G'' ~ωn，其中0.19 < n < 0.92^[6]。在本应用说明中，我们使用LS Instruments的DWS RheoLab来确定食品级明胶溶液的凝胶化温度。

样品制备

将2.5wt％商业明胶溶于去离子水中，温度为50°C。对这种透明混合物加入1wt％的浓度添加直径为784 nm的示踪聚苯乙烯颗粒（microParticles GmbH^®）。在如此高的颗粒浓度下，样品呈现白色（图1）。随后，将溶液引入50°C的5 mm厚玻璃试管中，装入DWS RheoLab。然后，将明胶溶液从50°C逐渐冷却至15°C，50-30℃的温度梯度为5°C，从30°C开始每步0.5°C。在每个温度下，在测量前等待30分钟，以保证平衡。冷却速率不影响明胶的凝胶点^[7,8]。使用DWS RheoLab确定样品的传输平均自由程l*；在研究的温度范围内，l*为290 μm。

结果和讨论

在高于Tgel的溶液中，透射获得的ICF衰减为零，但在刚低于Tgel的凝胶相中保持衰减为0（图2a）。然而，随着样品在凝胶相中进一步冷却，在τ值较大时ICF曲线平台的高度H被观察到增加（图2）。为了量化后者的观察结果，使用以下函数对归一化的ICF进行拟合：f(τ) = A exp(-τ/τC) + H ，其中A和τc分别是振幅和衰减特征时间。根据Schurtenberger等人^[3]的说法，凝胶点的定义是H从零开始上升。因此，Tgel = 22.5°C。

此外，随着T进一步降低至15°C，H逐渐增加，这是由于形成凝胶的强度增强粒子运动逐渐受限的结果。如图2b所示，其中H的增加与弹性模量G’（取ω=100rad.s^-1）遵循相同的趋势。在从ICF自动提取粒子均方根位移（MSD）后（图3a），DWS RheoLab软件可以通过将广义斯托克斯-爱因斯坦关系（GSER）应用于MSD曲线来精确计算G’(ω)和G’’(ω)(图3b)^[2]。在液体状态时，MSD和G’分别与τ和ω呈线性关系，表明其为纯粘性流体。在凝胶状态时，MSD和G’分别在长τ和低ω值下形成平台。这反映了介质的弹性行为。在上述Tgel下，MSD~τ0.8，G’~G’’~ωn的关系得到验证，其中n=0.8。此外，n的大小与先前类似系统获得的值一致^[4,5]。

结论

使用DWS RheoLab，我们成功地明确确定了商业食品级明胶溶液的凝胶化温度Tgel为Tgel= 22.5°C。由于DWS RheoLab有助于进行时间依赖性测量，因此可以使用它进一步研究明胶凝胶的老化。

参考文献

[1] D.A. Weitz, D.J. Pine, Diffusing-Wave Spectroscopy. In Dynamic Light Scattering; Brown, W., Ed.; Oxford University Press: New York, 1993, 652-720.
[2] T.G.Mason, D.A.Weitz, Optical Measurements of Frequency-Dependent Linear Viscoelastic Moduli of Complex Fluids, Phys. Rev. Lett., 1995, 74, 1250-1253.
[3] S. Romer, F. Scheffold, P. Schurtenberger, Sol-Gel Transition of Concentrated Colloidal Suspensions, Phys. Rev. Lett., 2000,85, 4980-4983.
[4] J. Peyrelasse, M. Lamarque, J.P. Habas, N. El Bounia, Rheology of Gelatin Solutions at the Sol-Gel Transition, Phys. Rev. E, 1996, 53, 6126-6133.
[5] T. Matsunaga, M. Shibayama, Gel Point determination of Gelatin Hydrogels by Dynamic Light Scattering and Rheological Measurements, Phys. Rev. E, 2007, 76, 030401 (R).
[6] R.G. Larson, The Structure and Rheology of Complex Fluids. Gubbins K.E., Ed.; Oxford University Press: New York, 1999, 232-260.
[7] H.B. Bohidar, S.S. Jena, Kinetics of sol-gel transition in thermoreversible gelation of gelatin, J. Chem. Phys., 1993, 98, 8970-8977.
[8] The gel point of other colloidal systems could be cooling-rate dependent.

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