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在介紹離子對高分子增稠劑的影響之前，我們先看一下離子在水中是如何存在的。

• 大多數(shù)離子在水中都是以水合離子的形式存在的。
  

這也是離子化合物能夠溶解的基礎(chǔ)，例如Fe2+能絡(luò)合6個(gè)水分子形成[Fe(H2O)6]2+，Mg2+也能絡(luò)合6個(gè)水分子形成[Mg(H2O)6]2+等，有些離子與水結(jié)合得比較牢固，而且結(jié)合的水分子有一定的數(shù)目。
例如[Cu(H2O)4]2+，[Al(H2O)6]3+等，有些離子所結(jié)合的水分子不很牢固，而且結(jié)合的水分子的數(shù)目也不十分穩(wěn)定，例如Na+和Cl-等，我們可用[Na(H2O)m]+和[Cl(H2O)n]-表示，見圖1。

圖1. 氯化鈉溶于水中，生成水合鈉離子和水合氯離子

• 水合作用可影響著不同物質(zhì)的相關(guān)功能
  

比如，在某有機(jī)酸的電離示意圖中（見圖2），我們看到氫離子的水合，可以輻射很多的水分子，像很多地方介紹依克多因能夠使水分子整齊排列，像“盾”一樣保護(hù)生物分子，理論上也是依克多因通過氫鍵可以絡(luò)合很多的水分子，使水分子有序排列（這個(gè)“盾”的理論沒有正規(guī)文獻(xiàn)說明，可能更多的是便于大眾理解）。 另外，我們中學(xué)便學(xué)過的酸在水中電離出氫離子（H+），但是氫離子是無法在水中單獨(dú)存在的，都是以水合氫離子（H3O+）的形式存在，濃硫酸的氫電離需要水，而濃硫酸的水很少（理論上電離1個(gè)氫需要1個(gè)水分子），所以濃硫酸因氫離子需要形成水合氫離子而具有極強(qiáng)的吸水作用，常常作為脫水劑。

圖2. 某有機(jī)酸電離在水中形成的水合離子結(jié)構(gòu)圖

圖3. 水合氫離子和氫氧根離子在水中形成氫鍵 還有，因離子的水合作用很強(qiáng)，含有高濃度離子的水溶液滲透壓會更高。我們生命體調(diào)控滲透壓主要也是靠鈉鉀離子的吸入排出，來實(shí)現(xiàn)快速的滲透壓平衡。（機(jī)體維持滲透壓不止靠無機(jī)離子，還有很多水溶性的溶質(zhì)包括糖、氨基酸、蛋白質(zhì)、甘油之類的）。所以鹽的水合作用對很多有機(jī)物的溶解會有影響，對增稠劑的影響就更大了。即使市面上極其耐鹽的增稠劑，耐鹽能力也是有上限的。

圖4. 聚合物增稠劑遇鹽崩塌的示意圖

• 影響增稠劑崩塌因素-鹽和電荷

很多增稠劑遇到很低濃度的鹽就迅速崩潰，還有一個(gè)很重要的原因在于電荷。
聚丙烯酸類增稠劑經(jīng)過中和，分子骨架上帶上負(fù)電，由于電荷之間的排斥力，結(jié)構(gòu)完全張開。此時(shí)，在靜電排斥作用下，增稠劑能夠穩(wěn)定存在于溶液中，如果繼續(xù)增加中性鹽離子，溶液中的離子強(qiáng)度發(fā)生變化，增稠劑的電荷會被中和，導(dǎo)致增稠劑之間的靜電斥力消失，體系迅速崩潰。（該機(jī)理與蛋白質(zhì)的鹽溶鹽析機(jī)理相似，具體可見附1）

圖4. 聚丙烯酸類樹脂在水中展開的過程
關(guān)于增稠劑因?yàn)殡姾芍泻投l(fā)生粘度降低的影響因素很多，從原理上來說，主要是帶電基團(tuán)對電荷的吸附能力強(qiáng)弱，雖然磺酸基團(tuán)相比羧酸基團(tuán)，對電荷的吸附能力弱很多，所以從下面的結(jié)構(gòu)上來說，該系列增稠劑的耐鹽性能應(yīng)該很強(qiáng)（陽離子比如NH4+，Na+，K+不影響耐鹽能力）。但我們知道路博潤的卡波除了SF-1在國內(nèi)生產(chǎn)，其他型號都是國外生產(chǎn)的，賽比克的工廠也在國外，說明增稠劑的生產(chǎn)工藝很有技術(shù)水平，不能通過給出的結(jié)構(gòu)了解其性能。
HP和CP1具有極佳的觸膚即化能力，和不耐離子的卡波類似，但不需要中和，直接使用，且可以在后期調(diào)節(jié)粘度的時(shí)候隨時(shí)加入，均質(zhì)即可立即溶解增稠。

圖5. 聚丙烯?；谆；撬徜@（HP）和丙烯酰二甲基?；撬徜@/VP共聚物（CP1）的結(jié)構(gòu)

• 清爽度指標(biāo)-觸變性
  

因鹽以及電荷分布的原因，使增稠劑迅速崩塌，上手一觸即化，為產(chǎn)品提供清爽的膚感。另外，影響清爽度的還有一個(gè)指標(biāo)：觸變性。
觸變性是某些流體表現(xiàn)出的一種性質(zhì)，當(dāng)它們靜止時(shí)具有凝膠狀的稠度，但在受到剪切應(yīng)力時(shí)變薄。
比如我們的增稠劑HP（聚丙烯酰基?；撬徜@），0.5%的濃度，在靜止時(shí)，成凝膠狀，幾乎無流動性。在測試粘度的時(shí)候，隨轉(zhuǎn)速增加，粘度急劇下降，見圖6。用在護(hù)膚品中，我們用手指涂抹的過程，剪切力增加，導(dǎo)致粘度迅速降低，就能獲得極致絲滑感，體驗(yàn)感遠(yuǎn)好于卡波。這也是歐萊雅（包括赫蓮娜、蘭蔻、科顏氏、理膚泉等全系列品牌）當(dāng)時(shí)選用了聚丙烯酰基二甲基?；撬徜@作為增稠劑，在美麗修行上這個(gè)原料，使用品牌主要是歐萊雅系的，目前國內(nèi)珀萊雅、相宜本草等國內(nèi)品牌也在使用該原料。
同時(shí)該特性在生產(chǎn)中也是非常有利的，雖然料體粘度很高，但是在攪拌和均質(zhì)的過程中，由于剪切變稀的特性，傳質(zhì)和傳熱都不受影響，料體的均一性得到保證。

圖6. 0.5%的HP水溶液在不同轉(zhuǎn)速下的粘度

附知識小科普：

蛋白質(zhì)-水合作用-溶解度的關(guān)系

蛋白質(zhì)有一個(gè)鹽溶、鹽析的現(xiàn)象。低濃度的中性鹽可以增加蛋白質(zhì)的溶解度，但是當(dāng)鹽的濃度高了之后，反倒析出。所以一般用鹽析來分離蛋白，并且將pH調(diào)節(jié)至蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)時(shí)，效果更好。
在了解該問題之前，我們要明白水是如何溶解物質(zhì)的。水是一種極性溶劑，它通常能溶解帶電或極性的化合物，包括大多數(shù)生物大分子，對于非極性物質(zhì)溶解就很難，比如疏水的脂質(zhì)。
水通過水化和穩(wěn)定Na+和Cl?離子來溶解鹽類，削弱它們之間的靜電相互作用，從而抵消它們在晶格中結(jié)合的趨勢（如下圖）。水也很容易溶解帶電的生物大分子，包括帶有功能團(tuán)的化合物，如電離的羧酸（—COO?），質(zhì)子化的胺（—NH3+），以及磷酸酯或酸酐。水用溶質(zhì)-水的氫鍵取代了連接這些生物大分子的溶質(zhì)-溶質(zhì)的氫鍵，從而屏蔽了溶質(zhì)分子之間的靜電相互作用。《在抗氧化（二）——機(jī)理》附1中，詳細(xì)解釋了溶解性的一些問題。

圖7. 水溶解NaCl的過程 在蛋白質(zhì)水溶液中，少量的中性鹽電離出正負(fù)離子，阻斷了蛋白質(zhì)正負(fù)電荷之間的相吸，增加了蛋白質(zhì)分子表面的電荷，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)分子與水分子的作用，使蛋白質(zhì)在水溶液中的溶解度增大。同時(shí)稀鹽溶液因鹽離子與蛋白質(zhì)部分結(jié)合，還具有保護(hù)蛋白質(zhì)不易變性的優(yōu)點(diǎn)。所以我們在使用某些大分子活性膠原時(shí)，需要往體系中加入適量濃度的鹽來增溶（非活性膠原一般不具備三螺旋結(jié)構(gòu)，在水中很容易展開，親水基暴露在外，很容易溶解透明）。
當(dāng)鹽的濃度比較高時(shí)，此時(shí)由于鹽離子與水的親和力要大于蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)周圍的水化層減弱甚至消失。同時(shí)中性鹽的大量加入，導(dǎo)致離子強(qiáng)度發(fā)生改變，會使蛋白質(zhì)表面電荷被中和，更加導(dǎo)致蛋白質(zhì)溶解度降低，使蛋白質(zhì)分子之間聚集而沉淀。在實(shí)際分離蛋白質(zhì)的過程中，通常調(diào)節(jié)pH至等電點(diǎn)，此時(shí)蛋白質(zhì)不帶電，溶解度最低，再加入過量的鹽奪去蛋白質(zhì)的水化層，蛋白質(zhì)更容易析出。
除了鹽，還有很多成分可以用來保護(hù)蛋白質(zhì)的穩(wěn)定，比如大名鼎鼎的依克多因（見《甘油葡糖苷一——水和滲透壓》），甘油葡糖苷、甘油、甜菜堿、海藻糖等等。圖8、圖9以依克多因?yàn)槔?，解釋了相容性溶質(zhì)保護(hù)細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)的過程。筆者曾在實(shí)驗(yàn)室用含有甘油葡糖苷、甜菜堿、裂裥菌素的溶液溶解sis活性膠原，不加鹽，也可以得到穩(wěn)定不析出的溶液（清透，無肉眼可見顆粒）。

圖8 . 依克多因?qū)τ诹字瑔畏肿訉拥谋Ｗo(hù)。（膜表面相容溶質(zhì)的排斥模型的示意圖，導(dǎo)致脂質(zhì)膨脹并因此呈流態(tài)化。膜表面的有組織的水分子簇在溶質(zhì)周圍形成，從而增加了膜表面的水活性。）

圖9.相容溶質(zhì)的穩(wěn)定機(jī)制?；趦?yōu)先排除模型（相容性溶質(zhì)在低水活度環(huán)境中起作用，關(guān)于其作用機(jī)理并不明確，目前主要由一些科學(xué)家（Arakawa和 Timasheff，1985年；Timasheff，2002 年）提出的優(yōu)先排除模型，來解釋通過相容溶質(zhì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)的通用機(jī)制），蛋白質(zhì)(A)的天然構(gòu)象受到相容性溶質(zhì)分子(B)的保護(hù)。通過從蛋白質(zhì)的直接水合殼中排出相容性溶質(zhì)，最大限度地減少必須排除溶質(zhì)的體積，從而產(chǎn)生緊湊的折疊蛋白質(zhì)。小球體代表水分子，骨架代表相容性溶質(zhì)（依克多因）。
注：關(guān)于相容性溶質(zhì)的機(jī)理，由于筆者水平有限，解釋不清，具體請看文后的參考文獻(xiàn)[4][5][6]

參考文獻(xiàn)

[1]剪不斷理還亂的鋅與氯化鐵溶液http://m.hxzxs.cn/view-17086-1.html?mType=Group

[2]膠體的性質(zhì)https://baijiahao.baidu.com/s?id=1686039469358192784&wfr=spider&for=pc

[3]微信公眾號 變復(fù)性，溶液中的弱相互作用-3 水和帶電溶質(zhì)的靜電作用

百度文庫 鹽析鹽溶透析機(jī)理

[4] José M. Pastor a, B M S, B M A, et al. Ectoines incell stress protection: Uses and biotechnological production[J]. BiotechnologyAdvances, 2010, 28(6):782-801.

[5] Harishchandra R K, Wulff S, Lentzen G, et al. Theeffect of compatible solute ectoines on the structural organization of lipidmonolayer and bilayer membranes[J]. Biophysical Chemistry, 2010,150(1-3):37-46.

[6] 微信公眾號弗圖醫(yī)學(xué)極端環(huán)境下滲透壓改變以及相容性溶質(zhì)和對環(huán)境壓力下耐受性的調(diào)節(jié)

復(fù)制