明膠的溶膠-凝膠相變化與微乳液-有機凝膠相變化; Sol-Gel Transition and Microemulsion-Organogel Transition of Gelatin

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Title:	明膠的溶膠-凝膠相變化與微乳液-有機凝膠相變化;Sol-Gel Transition and Microemulsion-Organogel Transition of Gelatin
Authors:	梁崇正;Chung-Chen Liang
Contributors:	化學工程與材料工程研究所
Keywords:	明膠;凝膠;gelatin;gel
Date:	2002-06-08
Issue Date:	2009-09-21 12:20:16 (UTC+8)
Publisher:	國立中央大學圖書館
Abstract:	中文摘要明膠(gelatin)是由胺基酸所聚合而成的直鏈狀生物性高分子。常溫下明膠高分子在水溶液中會形成三股螺旋結構(triple-helix)，稱為膠原蛋白(collagen)，是皮膚組織的主要成份。通常，熬煮動物骨骼或皮膚，則後者失去活性而形成明膠。明膠常用於生醫材料、食物、製藥、及攝影工業上，具有廣泛的實用價值。雖然對於明膠的研究已有約三百二十年的歷史，但由於其特殊的螺旋結構及其呈現的溶-凝膠相變化特性(sol-gel transition)，科學界對它的瞭解仍相當有限。本論文主要是從瞭解明膠在溶膠與凝膠狀態下的物理性質著手，探討添加物質如鹽等對其溶-凝膠相變化的影響。為分析明膠高分子之間的作用，我們考慮明膠高分子在兩種水環境下的行為：一般水溶液與油包水微乳液中的微水液滴。動態光散射（DLS）可以提供非破壞性的方式直接觀察明膠sol-gel過程中微觀結構的變化。明膠濃度和溫度對sol-gel過程的影響可透過相關函數(correlation function)的分析而得到。過去研究指出，相關函數可分為三個特徵時間區，分別為fast mode、intermediate power-law mode 以及stretched exponential mode，但每個區域所代表的物理意義仍不明確。我們從實驗結果可得到各區間的特徵值，與文獻報導吻合。明膠濃度越高、溫度越低則所需的成膠時間越短。若溫度高於其臨界成膠溫度時sol-gel transition則不會發生。我們的DLS實驗顯示，添加鹽會明顯減緩sol-gel transition的速率。這結果表示鹽離子可能會阻礙明膠分子之間氫鍵的生成，減少連結點(junction point)數量，同時也使得凝膠的結構較鬆散。第二部分以gelatin模擬生物組織的膠原蛋白纖維(collagen)，透過與交聯劑genipin反應時會產生藍色色素的特性，利用光度計分析其反應速率、反應點和反應機制，探討化學交聯過程之動力學研究及結構特性。依據所佔比例及反應生成色素的速率證實主要的反應基為arginine。實驗發現化學交聯反應非常複雜，無法單以光度計法來探討。在微乳液加入足夠量的明膠時，系統會轉變成有機凝膠(organogel)。因明膠分子交聯時溶液黏度會隨之上升；而微乳液中水滴若形成通路時，電導度則會大幅提高，產生percolation的現象。故我們以黏度儀與電導度實驗，分別探討明膠分子在微水環境下的特性變化。實驗發現低溫時系統黏度會急劇上升，但沒有percolation產生，高溫時則相反。此結果說明系統會隨著溫度的不同而造成結構上的改變。我們推測低溫時水滴中的明膠分子應會有某部分伸出至油相中，形成連接點；高溫時明膠分子則分散於微水滴所形成的通道中，並不交聯。我們以30% AOT-Decane微乳液的系統在一固定成分組成下成功製成了透明的organogel。加入NaCl後，低溫時卻無黏度急劇上升，此表示系統中添加鹽類確實會阻礙明膠分子間交聯點的產生。第二維里係數代表的物理意義為兩個分子間的交互作用。為了釐清溶膠狀態下明膠分子間的作用，我們透過量測其滲透壓變化以計算出系統的第二維里係數。實驗結果發現，明膠溶液的滲透壓與理想值 (Van’t Hoff equation)呈正偏差，加入鹽類離子後溶液的滲透壓明顯降低，表示明膠分子間的斥力會因添加鹽類離子而減少但不會消失。
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