高海燕，董玉明，杜佳瓊，寧崢雯，陳雯清

江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122

膠體化學(xué)融合化學(xué)、物理、材料、生物等諸學(xué)科，是物理化學(xué)中兼具科學(xué)意義與實(shí)際應(yīng)用的重要部分。目前物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中有關(guān)膠體化學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，一般都是氫氧化鐵膠體的制備和電泳速率的測(cè)定[1–10]。該實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)膠體特征的表征局限于電學(xué)性質(zhì)，缺少對(duì)膠體粒徑、光學(xué)性質(zhì)的表征探究，且在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和主動(dòng)解決問(wèn)題的能力方面具有較大的改進(jìn)空間。對(duì)膠體化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新思考和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，賦予了鼓勵(lì)學(xué)生探究、分析問(wèn)題的新內(nèi)涵，對(duì)于高素質(zhì)人才培養(yǎng)將發(fā)揮積極作用。

我國(guó)是豆腐的發(fā)源地，豆腐富含蛋白、味甘性涼，在國(guó)內(nèi)家喻戶曉，國(guó)際上也廣受喜愛(ài)，是彰顯中國(guó)文化的經(jīng)典食品。傳統(tǒng)的豆腐是通過(guò)黃豆豆?jié){中蛋白膠體的聚沉得到的，通過(guò)粉碎法制備的黃豆蛋白平均粒徑小于100 nm，分散在水中形成的豆?jié){屬于膠體，適合教學(xué)。

本文對(duì)傳統(tǒng)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)——膠體的制備及電泳測(cè)定，進(jìn)行了如下改進(jìn)：

(1) 在教學(xué)內(nèi)容上，研究對(duì)象從化學(xué)法凝聚合成的Fe(OH)3膠體改進(jìn)為物理法分散制備的黃豆蛋白膠體，體現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及化學(xué)與物理、生物的學(xué)科交叉；

(2) 在教學(xué)手段上，使用新型儀器對(duì)膠體的標(biāo)志性特點(diǎn)進(jìn)行表征(顆粒尺寸、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì))，有利于學(xué)生運(yùn)用已學(xué)理論知識(shí)，更全面地認(rèn)識(shí)膠體化學(xué)，體現(xiàn)綜合性；

(3) 在教學(xué)方式上，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)植物蛋白這一膠體進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研和具體分析，設(shè)計(jì)了溫度、酸堿等對(duì)聚沉影響的探究性實(shí)驗(yàn)，更有利于學(xué)生創(chuàng)新思維和科研能力的培養(yǎng)；

(4) 在教育理念上，運(yùn)用現(xiàn)代膠體化學(xué)知識(shí)，研究傳統(tǒng)食品豆腐的制作工藝，促進(jìn)學(xué)生更寬視野地理解科學(xué)、社會(huì)與生活。方便課后自行拓展應(yīng)用，培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)、熱愛(ài)勞動(dòng)的習(xí)慣。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

膠體分散體系是指分散相粒子直徑在1–1000 nm的多相分散系統(tǒng)，具有高度分散性和熱力學(xué)不穩(wěn)定性。粒徑、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)及聚沉是膠體的標(biāo)志性特征。

1.1.1 膠體粒子的制備方法

通常的制備方法有分散法和凝聚法，分散法是將大尺度的物料分散成膠體粒子，而凝聚法是由分子(原子或離子)的分散狀態(tài)凝聚為膠體尺度。原膠體實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)凝聚法，利用FeCl3溶液在沸水中水解制備得到Fe(OH)3膠體。本文采用分散法，黃豆蛋白經(jīng)物理粉碎分散于水中形成膠體。

黃豆的主要成分包括蛋白質(zhì)約39%、碳水化合物和粗纖維約26%、脂類物質(zhì)約17%[11]。物理粉碎后黃豆蛋白的粒徑一般較小，但是黃豆中纖維素和碳水化合物等尺寸較大，因此在黃豆粉碎后需要進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)濾掉的還有不溶于水的脂肪類化合物，獲得的豆?jié){為黃豆蛋白膠體。

1.1.2 膠體的粒徑

本實(shí)驗(yàn)采用Zeta電位及粒度分析儀測(cè)量膠體粒徑。不同粒徑的顆粒產(chǎn)生的散射光的θ角不同，顆粒越小，散射光的θ角越大。散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量，測(cè)量不同角度上散射光的強(qiáng)度，就可得到樣品的粒度分布。利用Zeta電位及粒度分析儀測(cè)量粒徑，不僅可以得到樣品的粒徑分布，更加準(zhǔn)確清晰，同時(shí)測(cè)量得到的粒徑可以直接用于后續(xù)的Zeta電位的測(cè)量。還可以通過(guò)透射電子顯微鏡觀測(cè)膠粒尺寸，或者超顯微鏡根據(jù)下式測(cè)量粒徑r (nm)：

式中，m：?jiǎn)挝惑w積溶膠中分散相的總質(zhì)量；C：膠粒個(gè)數(shù)；ρ：膠體的密度。

1.1.3 膠體的光學(xué)性質(zhì)

當(dāng)膠體粒子尺度小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)(400–760 nm)時(shí)，通過(guò)膠體的入射光會(huì)發(fā)生明顯的散射現(xiàn)象，在與入射光垂直的方向上，可以觀察到散射光，稱為丁達(dá)爾(Dindal)效應(yīng)。散射光的強(qiáng)度可以通過(guò)瑞利(Rayleigh)公式計(jì)算，白光中藍(lán)、紫光由于波長(zhǎng)短而散射效應(yīng)強(qiáng)，橙、紅光由于波長(zhǎng)長(zhǎng)而透過(guò)效應(yīng)好。瑞利公式為：

式中A：入射光的振幅；λ：入射光波長(zhǎng)；ν：?jiǎn)挝惑w積中粒子數(shù)；V：每個(gè)粒子體積；n1：分散相折射率；n2：分散介質(zhì)折射率。

1.1.4 膠體的電學(xué)性質(zhì)

由于膠體本身的電離或膠粒對(duì)某些離子的選擇性吸附，使膠粒的表面帶有一定電荷。在外電場(chǎng)作用下，固-液兩相可以發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，外力作用下，迫使固-液兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)又可產(chǎn)生電勢(shì)差。電場(chǎng)作用下膠粒向異性電極的定向移動(dòng)稱為電泳，發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的界面稱為滑動(dòng)面，滑動(dòng)面與液體內(nèi)部的電位差稱為電動(dòng)電勢(shì)或ζ電勢(shì)，其大小影響膠粒在電場(chǎng)中的移動(dòng)速率。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用電泳儀測(cè)定電泳速率進(jìn)而計(jì)算ζ電勢(shì)，本實(shí)驗(yàn)提出通過(guò)Zeta電位儀測(cè)定ζ電勢(shì)，采用儀器測(cè)量溶膠移動(dòng)的速度，克服人眼觀察的誤差，更加方便準(zhǔn)確。測(cè)量原理如下：

在兩極間接上電位差U(V)后在t(s)時(shí)間內(nèi)膠體界面移動(dòng)的距離為d(m)，即膠體電泳速度v(m?s?1)為：

相距為L(zhǎng)(m)的兩極間的電位梯度平均值H(V?m?1)為：

如果輔助液的電導(dǎo)率與膠體的電導(dǎo)率相差較大，則在整個(gè)電泳管內(nèi)的電勢(shì)降是不均勻的，這時(shí)需用下式求H[2]:

式中，LK為膠體兩界面間的距離。

從實(shí)驗(yàn)求得膠粒電泳速度后，可按下式求ζ(V)電位[2]：

式中，K：與膠粒形狀有關(guān)的常數(shù)(對(duì)于球形粒子K = 5.4 × 1010V2?s2?kg?1?m?1)，對(duì)于棒形粒子K = 3.6 ×1010V2?s2?kg?1?m?1；η：介質(zhì)的黏度(kg?m?1?s?1)；ε：介質(zhì)的介電常數(shù)。

1.1.5 膠體的穩(wěn)定與聚沉

膠體在一定條件下、一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，與所帶電荷的排斥作用、表面溶劑化作用以及布朗運(yùn)動(dòng)有關(guān)，膠體顆粒相互聚結(jié)進(jìn)而沉淀的現(xiàn)象稱為聚沉。

在膠體中加入合適電解質(zhì)后可以促進(jìn)聚沉，電解質(zhì)聚沉能力的大小通常用聚沉值表示，聚沉值是使膠體發(fā)生聚沉?xí)r需要電解質(zhì)的最小濃度值，其單位用mol?L?1表示。舒爾策-哈迪(Schulze-Hardy)規(guī)則表明，起決定性作用的是與膠粒帶相反電荷的離子，反離子的價(jià)數(shù)越高，聚沉能力越強(qiáng)。這個(gè)規(guī)則一般來(lái)說(shuō)是成立的，但也有許多反?，F(xiàn)象。

pH也會(huì)影響膠粒的帶電性質(zhì)，從而影響膠體的聚沉。尤其是對(duì)于蛋白質(zhì)而言，蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與環(huán)境的pH密切相關(guān)。在等電點(diǎn)附近時(shí)，蛋白質(zhì)表面的帶電量接近于0 mV，此時(shí)蛋白質(zhì)分子之間的靜電排斥最小，最容易聚沉。而當(dāng)pH高于或者低于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶負(fù)電或者正電，靜電排斥大，會(huì)增加溶解度[12]。溫度也對(duì)膠體的穩(wěn)定有一定的影響。高溫下布朗運(yùn)動(dòng)和水化去除加劇，并且黃豆蛋白會(huì)受熱變性、疏水性增強(qiáng)，更易在電解質(zhì)作用下聚沉形成豆腐凝膠[13]。

1.2 試劑或材料

氯化鈉、無(wú)水氯化鈣、六水氯化鋁、氫氧化鈉、磷酸均為分析純，以及400目濾布、布濾紙，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。優(yōu)質(zhì)黃豆產(chǎn)于東北，超市購(gòu)買。

1.3 儀器和表征方法

1.3.1 儀器

常見(jiàn)儀器燒杯、燒瓶、電熱套、溫度計(jì)、玻璃棒、量筒、布氏漏斗，專用儀器見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的專用儀器及其信息

1.3.2 表征方法

通過(guò)氙燈觀察丁達(dá)爾現(xiàn)象，驗(yàn)證其光學(xué)性質(zhì)。利用Zeta電位及粒度分析儀，進(jìn)行粒徑和ζ電勢(shì)的測(cè)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 黃豆蛋白膠體制備

1) 磨漿(分散法)：將30 g黃豆放入破壁機(jī)中，并且加入1000 mL水，操作儀器開(kāi)始制備豆?jié){。一部分制成生豆?jié){，另一部分利用破壁機(jī)加熱功能制成熟豆?jié){。

2) 過(guò)濾：使用布氏漏斗抽濾裝置，上面再鋪上400目的濾布，啟動(dòng)水泵開(kāi)始抽濾。收集濾出的濾液，即為黃豆蛋白膠體。

1.4.2 電學(xué)性質(zhì)及粒徑表征

打開(kāi)Zeta電位及粒度分析程序，將過(guò)濾后的熟豆?jié){稀釋10倍后加入到比色皿中，插入樣品槽，進(jìn)入程序后，設(shè)置溶膠粒子形狀為球形(實(shí)驗(yàn)前教師通過(guò)電鏡證實(shí))，分散介質(zhì)選擇水，開(kāi)始測(cè)量。

打開(kāi)Zeta電位程序，將已經(jīng)稀釋10倍的過(guò)濾后的熟豆?jié){加入比色皿1/3高度處，趕走氣泡，鈀電極插入溶液，再將鈀電極插入儀器內(nèi)的插口中。將比色皿放入樣品槽中，進(jìn)入程序，設(shè)溶膠粒子形狀為球形(實(shí)驗(yàn)前教師通過(guò)電鏡證實(shí))，分散介質(zhì)選擇水，開(kāi)始測(cè)量。

1.4.3 光學(xué)性質(zhì)表征

將氙燈光源從裝有稀釋10倍的熟豆?jié){的燒杯一側(cè)照射，在入射光垂直方向觀察拍照。

1.4.4 豆腐成品的制備

將方木框放在活動(dòng)底板上，貼靠模板，鋪上粗白布，倒入聚沉后豆?jié){，加上框蓋加壓使豆腐水從布孔流出，直到豆腐水由線流變?yōu)榈瘟?，得到豆腐?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)性質(zhì)及粒度表征

首先對(duì)豆?jié){的粒度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果(圖1)表明多數(shù)豆?jié){膠體顆粒尺度在20–120 nm之間，最可幾粒徑為51.1 nm。而膠體的粒徑范圍為1–1000 nm，由此驗(yàn)證得豆?jié){屬于膠體。再對(duì)Zeta電位進(jìn)行測(cè)定，3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)均表明黃豆蛋白膠粒Zeta電位小于?40 mV，為帶負(fù)電顆粒，為后面實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

表2 黃豆蛋白膠體的ζ電勢(shì)

圖1 黃豆蛋白膠體的粒徑分布圖

2.2 光學(xué)性質(zhì)表征

用氙燈照射后(圖2)，看到明顯的藍(lán)色散射光，而且從入射光的對(duì)面看，透射的光顯示橙紅色，印證膠體特征以及瑞利公式中波長(zhǎng)和散射強(qiáng)度的關(guān)系，純水和粗分散體系均沒(méi)有此現(xiàn)象。若分散相的粒子大于入射光的波長(zhǎng)，則主要發(fā)生光的反射或折射現(xiàn)象，粗分散系統(tǒng)就屬于這種情況。而原來(lái)實(shí)驗(yàn)中所用到的氫氧化鐵膠體本身為深紅色，不能顯示波長(zhǎng)對(duì)光的散射和透射的影響。

圖2 (a)、(b) 黃豆蛋白膠體的丁達(dá)爾效應(yīng)圖；(c) 粗分散體系的光學(xué)性質(zhì)表征；(d) 水的光學(xué)性質(zhì)表征

2.3 溫度對(duì)聚沉的影響探究

通過(guò)不同溫度下加入0.05 mol?L?1CaCl2溶液的量，得到聚沉值(表3)，其中25 °C下的濃度達(dá)到0.0065 mol?L?1時(shí)仍未聚沉，說(shuō)明溫度對(duì)黃豆蛋白膠體的聚沉存在影響。一方面加熱加劇膠粒布朗運(yùn)動(dòng)和水化去除，促使膠體凝聚；另一方面黃豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，其變性溫度分別是70 °C和90 °C左右，隨著溫度升高變性加劇、暴露出的疏水基團(tuán)增多，有利于聚沉[14]。

表3 不同溫度下的CaCl2聚沉值

2.4 凝聚劑對(duì)聚沉的影響探究

探究加入0.05 mol?L?1的NaCl、CaCl2、AlCl3的聚沉值(表4) (以上的實(shí)驗(yàn)都是在溫度為80 °C下進(jìn)行的)，其中NaCl濃度達(dá)到0.0065 mol?L?1時(shí)仍未聚沉。在負(fù)離子相同的條件下可以得出，隨著電解質(zhì)反離子的價(jià)態(tài)升高，聚沉值減小、聚沉能力增強(qiáng)，這與舒爾策-哈迪(Schulze-Hardy)規(guī)則相符。通過(guò)對(duì)溫度、凝固劑的探究對(duì)比，當(dāng)溫度從80 °C升到100 °C時(shí)，聚沉值并未發(fā)生明顯變化，而當(dāng)改變聚沉劑時(shí)，聚沉值的變化非常明顯，可以看出凝固劑對(duì)膠體的聚沉影響更加顯著。

表4 不同凝聚劑聚沉值

2.5 pH對(duì)聚沉的影響探究

原始豆?jié){的pH是6.65，在逐漸加酸調(diào)節(jié)pH過(guò)程中，當(dāng)調(diào)節(jié)到pH為5附近的時(shí)候，出現(xiàn)了明顯聚沉如圖3(a)，聚沉現(xiàn)象最明顯，再加酸聚沉現(xiàn)象沒(méi)有明顯改變。當(dāng)調(diào)節(jié)黃豆蛋白膠體的pH偏離5后，直接加酸直到pH為1.48時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)聚沉如圖3(b)。直接加入過(guò)量的堿時(shí)，調(diào)節(jié)pH至11.39，此過(guò)程也沒(méi)有出現(xiàn)聚沉如圖3(c)。

圖3 (a) pH = 4.61的聚沉現(xiàn)象；(b) pH = 1.48的聚沉現(xiàn)象；(c) pH = 11.39的聚沉現(xiàn)象

黃豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，11S蛋白的理論等電點(diǎn)是6.4，但是所用的黃豆不同其等電點(diǎn)也會(huì)有所不同[15]。本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)pH在接近5的時(shí)候，聚沉效果最好，說(shuō)明這批黃豆蛋白的等電點(diǎn)是5左右，而當(dāng)直接調(diào)節(jié)pH為1左右的時(shí)候，聚沉效果明顯減弱，說(shuō)明在低于黃豆蛋白的等電點(diǎn)時(shí)因?yàn)殪o電斥力的增加導(dǎo)致體系更加分散，不易聚沉，同理加入過(guò)量的堿時(shí)，也因?yàn)槌饬Φ脑黾硬灰拙鄢痢?/p>

2.6 豆腐的制備

將聚沉的黃豆蛋白膠體放入模具，增加壓力，10分鐘后，豆腐成品出現(xiàn)(圖4)。可改變聚沉劑的種類、用量、模具壓力等得到豆腐腦、嫩豆腐、老豆腐、豆腐干等不同產(chǎn)品。

圖4 豆腐成品

黃豆蛋白膠體與水通過(guò)氫鍵結(jié)合，通過(guò)增加壓力，可以克服水與蛋白膠體之間氫鍵作用力，同時(shí)壓力可以使蛋白膠體之間的空間結(jié)構(gòu)坍塌，從而擠掉水分，形成豆腐成品。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)制備了黃豆蛋白膠體，考察了其粒徑、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)和聚沉現(xiàn)象，涵蓋了膠體化學(xué)的大部分知識(shí)點(diǎn)，綜合性特色鮮明。原有實(shí)驗(yàn)中氫氧化鐵膠體為深紅色，不能展示丁達(dá)爾效應(yīng)中的顏色變化規(guī)律，而黃豆蛋白膠體克服了這一缺點(diǎn)；引入Zeta電位儀同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量粒徑和ζ電勢(shì)，明確所制備的黃豆蛋白粒徑屬于膠體范圍；在教材中膠體聚沉理論的基礎(chǔ)上，拓展設(shè)計(jì)了生物基膠體聚沉過(guò)程的探究實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)科交叉意識(shí)和科研創(chuàng)新思維。本實(shí)驗(yàn)可在8小時(shí)之內(nèi)完成，有利于本科教學(xué)推廣。該實(shí)驗(yàn)還具有延伸性，學(xué)生可以在課后繼續(xù)進(jìn)行拓展思考及探究，比如選用先進(jìn)儀器考察聚沉前后的界面變化、思考新型豆腐聚沉原理等，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和綜合實(shí)踐能力。