胶体化学融合化学、物理、材料、生物等诸学科，是物理化学中兼具科学意义与实际应用的重要部分。目前物理化学实验教材中有关胶体化学内容的实验，一般都是氢氧化铁胶体的制备和电泳速率的测定^[1–10]。该实验属于验证性实验，对胶体特征的表征局限于电学性质，缺少对胶体粒径、光学性质的表征探究，且在培养学生综合运用理论知识和主动解决问题的能力方面具有较大的改进空间。对胶体化学实验进行重新思考和创新设计，赋予了鼓励学生探究、分析问题的新内涵，对于高素质人才培养将发挥积极作用。

我国是豆腐的发源地，豆腐富含蛋白、味甘性凉，在国内家喻户晓，国际上也广受喜爱，是彰显中国文化的经典食品。传统的豆腐是通过黄豆豆浆中蛋白胶体的聚沉得到的，通过粉碎法制备的黄豆蛋白平均粒径小于100 nm，分散在水中形成的豆浆属于胶体，适合教学。

本文对传统物理化学实验——胶体的制备及电泳测定，进行了如下改进：

(1) 在教学内容上，研究对象从化学法凝聚合成的Fe(OH)₃胶体改进为物理法分散制备的黄豆蛋白胶体，体现创新设计以及化学与物理、生物的学科交叉；

(2) 在教学手段上，使用新型仪器对胶体的标志性特点进行表征(颗粒尺寸、光学性质、电学性质)，有利于学生运用已学理论知识，更全面地认识胶体化学，体现综合性；

(3) 在教学方式上，鼓励学生对植物蛋白这一胶体进行文献调研和具体分析，设计了温度、酸碱等对聚沉影响的探究性实验，更有利于学生创新思维和科研能力的培养；

(4) 在教育理念上，运用现代胶体化学知识，研究传统食品豆腐的制作工艺，促进学生更宽视野地理解科学、社会与生活。方便课后自行拓展应用，培养运用知识、热爱劳动的习惯。

胶体分散体系是指分散相粒子直径在1–1000 nm的多相分散系统，具有高度分散性和热力学不稳定性。粒径、光学性质、电学性质及聚沉是胶体的标志性特征。

通常的制备方法有分散法和凝聚法，分散法是将大尺度的物料分散成胶体粒子，而凝聚法是由分子(原子或离子)的分散状态凝聚为胶体尺度。原胶体实验采用化学凝聚法，利用FeCl₃溶液在沸水中水解制备得到Fe(OH)₃胶体。本文采用分散法，黄豆蛋白经物理粉碎分散于水中形成胶体。

黄豆的主要成分包括蛋白质约39%、碳水化合物和粗纤维约26%、脂类物质约17% ^[11]。物理粉碎后黄豆蛋白的粒径一般较小，但是黄豆中纤维素和碳水化合物等尺寸较大，因此在黄豆粉碎后需要进行过滤，同时滤掉的还有不溶于水的脂肪类化合物，获得的豆浆为黄豆蛋白胶体。

本实验采用Zeta电位及粒度分析仪测量胶体粒径。不同粒径的颗粒产生的散射光的θ角不同，颗粒越小，散射光的θ角越大。散射光的强度代表该粒径颗粒的数量，测量不同角度上散射光的强度，就可得到样品的粒度分布。利用Zeta电位及粒度分析仪测量粒径，不仅可以得到样品的粒径分布，更加准确清晰，同时测量得到的粒径可以直接用于后续的Zeta电位的测量。还可以通过透射电子显微镜观测胶粒尺寸，或者超显微镜根据下式测量粒径r (nm)：

$ r=\left(\frac{3 m}{4 \rm{ \mathit{ π}} \rho C}\right)^{1 / 3}$

式中，m：单位体积溶胶中分散相的总质量；C：胶粒个数；ρ：胶体的密度。

当胶体粒子尺度小于可见光波长(400–760 nm)时，通过胶体的入射光会发生明显的散射现象，在与入射光垂直的方向上，可以观察到散射光，称为丁达尔(Dindal)效应。散射光的强度可以通过瑞利(Rayleigh)公式计算，白光中蓝、紫光由于波长短而散射效应强，橙、红光由于波长长而透过效应好。瑞利公式为：

$I=\frac{24 /rm{\pi}^2 A^2 v V^2}{\lambda^4}\left(\frac{n_1^2-n_2^2}{n_1^2+2 n_2^2}\right)^2$

式中A：入射光的振幅；λ：入射光波长；ν：单位体积中粒子数；V：每个粒子体积；n₁：分散相折射率；n₂：分散介质折射率。

由于胶体本身的电离或胶粒对某些离子的选择性吸附，使胶粒的表面带有一定电荷。在外电场作用下，固-液两相可以发生相对运动；同时，外力作用下，迫使固-液两相相对运动时又可产生电势差。电场作用下胶粒向异性电极的定向移动称为电泳，发生相对移动的界面称为滑动面，滑动面与液体内部的电位差称为电动电势或ζ电势，其大小影响胶粒在电场中的移动速率。

传统实验使用电泳仪测定电泳速率进而计算ζ电势，本实验提出通过Zeta电位仪测定ζ电势，采用仪器测量溶胶移动的速度，克服人眼观察的误差，更加方便准确。测量原理如下：

在两极间接上电位差U(V)后在t(s)时间内胶体界面移动的距离为d(m)，即胶体电泳速度v(m∙s⁻¹)为：

$v=d / t $

相距为L(m)的两极间的电位梯度平均值H(V∙m⁻¹)为：

$H=U / L$

如果辅助液的电导率与胶体的电导率相差较大，则在整个电泳管内的电势降是不均匀的，这时需用下式求H^[2]:

$ H=\frac{U}{\frac{\overline{K}}{\overline{K_0}}\left(L-\mathrm{L}_{\mathrm{K}}\right)+L_{\mathrm{K}}} $

式中，L_K为胶体两界面间的距离。

从实验求得胶粒电泳速度后，可按下式求ζ(V)电位^[2]：

$\zeta=\frac{K \rm{ \mathit{ π}} \eta}{\varepsilon H} \cdot v $

式中，K：与胶粒形状有关的常数(对于球形粒子K = 5.4 × 10¹⁰ V²·s²·kg⁻¹·m⁻¹)，对于棒形粒子K = 3.6 × 10¹⁰ V²·s²·kg⁻¹·m⁻¹；η：介质的黏度(kg·m⁻¹·s⁻¹)；ε：介质的介电常数。

胶体在一定条件下、一定时间内稳定，与所带电荷的排斥作用、表面溶剂化作用以及布朗运动有关，胶体颗粒相互聚结进而沉淀的现象称为聚沉。

在胶体中加入合适电解质后可以促进聚沉，电解质聚沉能力的大小通常用聚沉值表示，聚沉值是使胶体发生聚沉时需要电解质的最小浓度值，其单位用mol∙L⁻¹表示。舒尔策-哈迪(Schulze-Hardy)规则表明，起决定性作用的是与胶粒带相反电荷的离子，反离子的价数越高，聚沉能力越强。这个规则一般来说是成立的，但也有许多反常现象。

pH也会影响胶粒的带电性质，从而影响胶体的聚沉。尤其是对于蛋白质而言，蛋白质的分子结构与环境的pH密切相关。在等电点附近时，蛋白质表面的带电量接近于0 mV，此时蛋白质分子之间的静电排斥最小，最容易聚沉。而当pH高于或者低于等电点时，蛋白质带负电或者正电，静电排斥大，会增加溶解度^[12]。温度也对胶体的稳定有一定的影响。高温下布朗运动和水化去除加剧，并且黄豆蛋白会受热变性、疏水性增强，更易在电解质作用下聚沉形成豆腐凝胶^[13]。

氯化钠、无水氯化钙、六水氯化铝、氢氧化钠、磷酸均为分析纯，以及400目滤布、布滤纸，购自国药集团化学试剂有限公司。优质黄豆产于东北，超市购买。

常见仪器烧杯、烧瓶、电热套、温度计、玻璃棒、量筒、布氏漏斗，专用仪器见表 1。

通过氙灯观察丁达尔现象，验证其光学性质。利用Zeta电位及粒度分析仪，进行粒径和ζ电势的测定。

1) 磨浆(分散法)：将30 g黄豆放入破壁机中，并且加入1000 mL水，操作仪器开始制备豆浆。一部分制成生豆浆，另一部分利用破壁机加热功能制成熟豆浆。

2) 过滤：使用布氏漏斗抽滤装置，上面再铺上400目的滤布，启动水泵开始抽滤。收集滤出的滤液，即为黄豆蛋白胶体。

打开Zeta电位及粒度分析程序，将过滤后的熟豆浆稀释10倍后加入到比色皿中，插入样品槽，进入程序后，设置溶胶粒子形状为球形(实验前教师通过电镜证实)，分散介质选择水，开始测量。

打开Zeta电位程序，将已经稀释10倍的过滤后的熟豆浆加入比色皿1/3高度处，赶走气泡，钯电极插入溶液，再将钯电极插入仪器内的插口中。将比色皿放入样品槽中，进入程序，设溶胶粒子形状为球形(实验前教师通过电镜证实)，分散介质选择水，开始测量。

将氙灯光源从装有稀释10倍的熟豆浆的烧杯一侧照射，在入射光垂直方向观察拍照。

将方木框放在活动底板上，贴靠模板，铺上粗白布，倒入聚沉后豆浆，加上框盖加压使豆腐水从布孔流出，直到豆腐水由线流变为滴流，得到豆腐。

首先对豆浆的粒度进行测量，结果(图 1)表明多数豆浆胶体颗粒尺度在20–120 nm之间，最可几粒径为51.1 nm。而胶体的粒径范围为1–1000 nm，由此验证得豆浆属于胶体。再对Zeta电位进行测定，3次实验结果(表 2)均表明黄豆蛋白胶粒Zeta电位小于−40 mV，为带负电颗粒，为后面实验奠定了基础。

用氙灯照射后(图 2)，看到明显的蓝色散射光，而且从入射光的对面看，透射的光显示橙红色，印证胶体特征以及瑞利公式中波长和散射强度的关系，纯水和粗分散体系均没有此现象。若分散相的粒子大于入射光的波长，则主要发生光的反射或折射现象，粗分散系统就属于这种情况。而原来实验中所用到的氢氧化铁胶体本身为深红色，不能显示波长对光的散射和透射的影响。

通过不同温度下加入0.05 mol∙L⁻¹ CaCl₂溶液的量，得到聚沉值(表 3)，其中25 ℃下的浓度达到0.0065 mol∙L⁻¹时仍未聚沉，说明温度对黄豆蛋白胶体的聚沉存在影响。一方面加热加剧胶粒布朗运动和水化去除，促使胶体凝聚；另一方面黄豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，其变性温度分别是70 ℃和90 ℃左右，随着温度升高变性加剧、暴露出的疏水基团增多，有利于聚沉^[14]。

探究加入0.05 mol∙L⁻¹的NaCl、CaCl₂、AlCl₃的聚沉值(表 4) (以上的实验都是在温度为80 ℃下进行的)，其中NaCl浓度达到0.0065 mol∙L⁻¹时仍未聚沉。在负离子相同的条件下可以得出，随着电解质反离子的价态升高，聚沉值减小、聚沉能力增强，这与舒尔策-哈迪(Schulze-Hardy)规则相符。通过对温度、凝固剂的探究对比，当温度从80 ℃升到100 ℃时，聚沉值并未发生明显变化，而当改变聚沉剂时，聚沉值的变化非常明显，可以看出凝固剂对胶体的聚沉影响更加显著。

原始豆浆的pH是6.65，在逐渐加酸调节pH过程中，当调节到pH为5附近的时候，出现了明显聚沉如图 3(a)，聚沉现象最明显，再加酸聚沉现象没有明显改变。当调节黄豆蛋白胶体的pH偏离5后，直接加酸直到pH为1.48时，没有出现聚沉如图 3(b)。直接加入过量的碱时，调节pH至11.39，此过程也没有出现聚沉如图 3(c)。

黄豆蛋白中的主要成分是7S蛋白和11S蛋白，11S蛋白的理论等电点是6.4，但是所用的黄豆不同其等电点也会有所不同^[15]。本实验中当pH在接近5的时候，聚沉效果最好，说明这批黄豆蛋白的等电点是5左右，而当直接调节pH为1左右的时候，聚沉效果明显减弱，说明在低于黄豆蛋白的等电点时因为静电斥力的增加导致体系更加分散，不易聚沉，同理加入过量的碱时，也因为斥力的增加不易聚沉。

将聚沉的黄豆蛋白胶体放入模具，增加压力，10分钟后，豆腐成品出现(图 4)。可改变聚沉剂的种类、用量、模具压力等得到豆腐脑、嫩豆腐、老豆腐、豆腐干等不同产品。

黄豆蛋白胶体与水通过氢键结合，通过增加压力，可以克服水与蛋白胶体之间氢键作用力，同时压力可以使蛋白胶体之间的空间结构坍塌，从而挤掉水分，形成豆腐成品。

本实验制备了黄豆蛋白胶体，考察了其粒径、光学性质、电学性质和聚沉现象，涵盖了胶体化学的大部分知识点，综合性特色鲜明。原有实验中氢氧化铁胶体为深红色，不能展示丁达尔效应中的颜色变化规律，而黄豆蛋白胶体克服了这一缺点；引入Zeta电位仪同时准确测量粒径和ζ电势，明确所制备的黄豆蛋白粒径属于胶体范围；在教材中胶体聚沉理论的基础上，拓展设计了生物基胶体聚沉过程的探究实验，增强学生的学科交叉意识和科研创新思维。本实验可在8小时之内完成，有利于本科教学推广。该实验还具有延伸性，学生可以在课后继续进行拓展思考及探究，比如选用先进仪器考察聚沉前后的界面变化、思考新型豆腐聚沉原理等，提升学生的实验兴趣和综合实践能力。