1黃原膠及其性質(zhì) 1.1.1.1黃原膠簡(jiǎn)介

黃原膠(Xanthan)是由一種植物致病菌野油菜黃單胞桿狀細(xì)菌(心

產(chǎn)生的一種雜多糖。其相對(duì)分子質(zhì)量在2xl06?2xl〇7【4]，主鏈為由葡 萄糖以P-1-4糖苷健連接的纖維素結(jié)構(gòu)，主鏈的相間的葡萄糖的C3位由線性的甘 露糖-葡萄糖酸-甘露糖3糖單元側(cè)鏈取代[5](見(jiàn)圖1-1)。通常情況下，側(cè)鏈的內(nèi) 側(cè)和末端的甘露糖是乙?；捅峄?，這主要取決于它的產(chǎn)生菌株和發(fā)酵條 件'

黃原膠的黃原膠的骨架類似纖維素，但是帶負(fù)電荷的側(cè)鏈之間以及側(cè)鏈與聚 合物骨架之間的相互作用使黃原膠形成側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞，通過(guò)氫鍵維系 形成棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu)。一般水溶性聚合物骨架被其它化學(xué)藥品或酶攻擊、切斷后， 會(huì)喪失其增稠能力。而在黃原膠溶液中，聚合物骨架周?chē)p繞的側(cè)鏈?zhǔn)顾庥诒?攻擊，所以黃原膠對(duì)化學(xué)藥品和酶試劑的降解具有良好的抵抗性。

1.1.1.2黃原膠的理化性質(zhì)

黃原膠是一種集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定于一體、性能較為優(yōu)越的生物膠[6]。 分子側(cè)鏈末端含有丙酮酸基團(tuán)的多少，對(duì)其性能有很大影響[7]。黃原膠具有長(zhǎng)鏈 高分子的一般性能，但它比一般高分子含有更多的官能團(tuán)，在特定條件下會(huì)顯示 獨(dú)特性能。它在水溶液中呈多聚陰離子且構(gòu)象是多樣的，不同條件下表現(xiàn)出不同 的特性，具有獨(dú)特的理化性質(zhì)。

(1)水溶性和增稠性

黃原膠在水中能快速溶解，水溶性很好，在冷水中也能溶解。吉武科等[8i在 25°C下，用NDJ — 1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)Srnniif1時(shí)測(cè)得質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.2%、0J%、

0.7%、0.9% 的黃原膠黏度分別為 100 mPa-s、480 mPa-s、1300 mPa-s、5400 mPa-s 和8600 mPa.s。從測(cè)試結(jié)果看出，黏度隨濃度的遞減而不成比例地降低，且質(zhì)量 分?jǐn)?shù)0.3%是高低黏度的分界點(diǎn)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的黃原膠黏度為1〇〇 mPa‘s左右， 而許多其他膠類在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，黏度幾乎為零。由此可見(jiàn)，黃原膠具有低

濃度高黏度的特性。

(2)懸浮性和乳化性

黃原膠因?yàn)榫哂酗@著的增加體系黏度和形成弱凝膠結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)而經(jīng)常被用 于食品或其它產(chǎn)品，以提高0/W乳狀液的穩(wěn)定性。但麻建國(guó)的研究發(fā)現(xiàn)[9]，溶液 中黃原膠的添加量達(dá)到一定量后，才能得到預(yù)定的穩(wěn)定作用。在黃原膠質(zhì)量分?jǐn)?shù) 小于0.001%時(shí)，試驗(yàn)體系的穩(wěn)定性變化不大；質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01%?0.02%時(shí)樣品 底部富水層出現(xiàn)，但體系無(wú)明顯分層；質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.02%時(shí)，乳狀液很快分層。 只有當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.25%時(shí)，黃原膠才能起到提高體系穩(wěn)定性的作用。

(3)流變性

即觸變性或假塑性、剪切變稀性。黃原膠的水溶液，在受到剪切作用時(shí)，黏 度急劇下降，且剪切速度越高，黏度下降越快，如6 fmixf1時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的黃 原膠黏度為1300mPa‘s，而GOrnnin'1時(shí)黏度還不到原來(lái)的1/3，僅為400mPa-s。

當(dāng)剪切力消除時(shí)，則立即恢復(fù)原有的黏度。剪切力和黏度的關(guān)系是完全可塑的 當(dāng)黃原膠與納米微晶纖維素復(fù)配時(shí)，能在水中形成高強(qiáng)度的全天然生物膠，其觸 變性變得更強(qiáng)111]。

(4)熱穩(wěn)定性和酶穩(wěn)定性

黃原膠水溶液的黏度在l〇°C?8(TC幾乎沒(méi)有變化，即使低濃度的水溶液在很 廣的溫度范圍內(nèi)仍然顯示出穩(wěn)定的高黏度，這不同與其它的多糖溶液。黃原膠溶 液在一定的溫度范圍內(nèi)("4°C?93°C)反復(fù)加熱冷凍，其黏度幾乎不受影響[7]。通 常的微生物酶類或工業(yè)酶類，如蛋白酶、纖維素酶、果膠酶或淀粉酶對(duì)黃原膠沒(méi) 有作用[12]。

(5)酸、堿、鹽穩(wěn)定性

黃原膠溶液對(duì)酸、堿十分穩(wěn)定，在酸性和堿性條件下都可使用。在PH值2? 12黏度幾乎保持不變。雖然當(dāng)pH值等于或大于9時(shí)，黃原膠會(huì)逐漸脫去乙酰基， 在pH值小于3時(shí)丙酮酸基也會(huì)失去，但無(wú)論是去乙?；蚴潜峄鶎?duì)黃原膠溶 液的黏度影響都很小[4]，即黃原膠溶液在pH值2?12黏度較穩(wěn)定。所以對(duì)于含高 濃度酸或堿的混合物，黃原膠是一個(gè)很好的選擇。在多種鹽存在時(shí)，黃原膠具有 良好的相容性和穩(wěn)定性，它可在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l〇%KCl、10%CaCl2、5%Na2C03溶 液中長(zhǎng)期存放(25°C、90 d)，黏度幾乎保持不變。

1.1.2瓜爾膠及其性質(zhì)

1.1.2.1瓜爾膠簡(jiǎn)介

瓜爾膠(Guar gum)是從印巴次大陸的一種S■科植物瓜爾S■中提取的一種多 糖。瓜爾膠是中性多糖，相對(duì)分子質(zhì)量約20?30萬(wàn)，就分子結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1-2)來(lái) 說(shuō)它是一種非離子多糖。它以P-l，4-D-聚甘露糖為分子主鏈，側(cè)鏈則由單個(gè)的a-D- 半乳糖以P-1 -6糖苷鍵與主鍵相連接。在主鍵上平均每?jī)蓚€(gè)甘露糖單位中有一個(gè) 半乳糖單位在C-6位與之相連，甘露糖對(duì)半乳糖之比為1.8:1(約為2:1)。半乳糖的 分布是隨意無(wú)規(guī)則的，因?yàn)樵谄渲麈I的有一些區(qū)段上并沒(méi)有半乳糖，而在另一些 部分則是高取代區(qū)。尤其在離子強(qiáng)度很低的情況下，這種均勻無(wú)分支的區(qū)段被認(rèn) 為能與黃原膠形成聚合物，結(jié)果產(chǎn)生弱的黏度增效作用。

瓜爾膠最大的特點(diǎn)就是它與纖維素的結(jié)構(gòu)非常相似，這種相似性使它對(duì)纖 維素有很強(qiáng)的親和性。在應(yīng)用時(shí)，瓜爾膠比刺槐豆膠(被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn))更 容易水化；在化學(xué)組成上瓜爾膠的分支單元數(shù)是刺槐豆膠的2倍，并且瓜爾膠直 鏈上沒(méi)有非極性基團(tuán)，大部分伯羥基和仲羥基都處于外側(cè)，半乳糖支鏈并沒(méi)有遮 住活性的醇羥基，因此具有更大的氫鍵活性。

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為了賦予瓜爾膠更好的使用性能，可以采取對(duì)瓜爾膠原粉進(jìn)行化學(xué)改性的方 法，即在分子鏈上引入陽(yáng)離子基團(tuán)生產(chǎn)陽(yáng)離子瓜爾膠。陽(yáng)離子瓜爾膠在冷水中可 溶，這與陽(yáng)離于淀粉相比是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

1.1.2.2瓜爾膠的理化性質(zhì)

(1)溶解性和增稠性

在冷水中就能充分水化(一般需2 h)，能分散在熱水或冷水中形成粘稠液，1% 水溶液的黏度在4000?5000mPa.s之間，具體黏度取決于粒度、制備條件及溫度， 為天然膠中黏度最高者。分散于冷水中約2 h后呈現(xiàn)較強(qiáng)黏度，以后黏度繼續(xù)逐 漸增大，24h達(dá)到最高點(diǎn)，粘稠力為淀粉糊的5?8倍。加熱則迅速達(dá)到最高黏度， 膠溶液的黏度隨膠粉粒度直徑的減小而增加；水化速率則隨溫度的上升而加快， 如果經(jīng)85。(：制備，lOmin即可充分水化達(dá)到最大黏度，但長(zhǎng)時(shí)間高溫處理將導(dǎo)致 瓜爾膠本身降解，使黏度下降。瓜爾膠溶液pH值在8?9時(shí)可達(dá)最快水化速度，

然而大于10或小于4則水化速度很慢[13]。因此，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)等瓜爾膠充分水化后 再調(diào)節(jié)溶液的pH值。同樣，溶液中有蔗糖等其它強(qiáng)需水劑存在時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致瓜 爾膠的水化速率下降。實(shí)際應(yīng)用中，也應(yīng)等瓜爾膠充分水化后再添加蔗糖。

一般而言，0.5%以上的瓜爾膠溶液已呈非牛頓流體的假塑性流體特性瓜爾膠 的水溶液為中性，pH值變化在3.5?10范圍內(nèi)對(duì)膠溶液的性狀影響不很明顯，— 般在pH值3.5?6.0范圍內(nèi)隨pH值降低黏度也有所降低，pH值3.5以下黏度又增 大，在pH值為6?8范圍內(nèi)其溶液黏度可達(dá)到最大值，pH值在10以上則黏度迅速 降低。

瓜爾膠是一種溶脹高聚物，對(duì)它來(lái)說(shuō)水是唯一的通用溶劑，不過(guò)也能以有限 的溶解度溶解于與水混溶的溶劑中，如乙醇液中。

(2)穩(wěn)定性

此外瓜爾膠具有良好的無(wú)機(jī)鹽類兼容性能，耐受一價(jià)金屬鹽，如食鹽等的濃 度可高達(dá)60% ;但高價(jià)金屬離子的存在可使溶解度下降。在控制溶液PH值的條 件下，瓜爾膠能與交聯(lián)劑，如硼酸鹽、金屬離子等反應(yīng)，可生成稍帶彈性的粘質(zhì)， 瓜爾膠還能形成一定強(qiáng)度的水溶性薄膜。與其他多糖類物質(zhì)一樣，瓜爾膠及其衍 生物在pH值3或以下的酸性溶液中會(huì)降解，被水解的是糖苷鍵，結(jié)果黏度急速 喪失。在輕度偏堿的pH值下，鏈段還原末端P-位的切斷反應(yīng)，使鏈緩慢縮短，這 —過(guò)程比酸水解要慢。瓜爾膠加熱至很高溫度時(shí)可導(dǎo)致熱降解，瓜爾膠溶液加熱 至80?95°C并持續(xù)一定時(shí)間，就可喪失黏度。

(3)與其它膠的協(xié)同作用

瓜爾膠是直鏈大分子，鏈上的羥基可與某些親水膠體及淀粉形成氫健，瓜爾

膠與小麥淀粉共煮可達(dá)更高的黏度，瓜爾膠能與某些線型多糖，如黃原膠、瓊脂 糖和K-型卡拉膠相互作用而形成復(fù)合體，瓜爾膠與黃原膠有一定程度的協(xié)同作 用，但與卡拉膠則無(wú)協(xié)同效應(yīng)。這種相互作用比之槐豆膠則相對(duì)較弱。在低離子 強(qiáng)度下，與陰離子聚合物和陰離子表面活性劑配合后有增強(qiáng)黏度的協(xié)同作用。這 些陰離子化合物被吸附在中性聚合物上，并因此而擴(kuò)大了瓜爾膠的分子。這是在 所吸附的帶陰離子的功能基團(tuán)之間發(fā)生相互排斥的結(jié)果。如加入電解質(zhì)，導(dǎo)入相 反的離子則中和了陰離子電荷，并因而破壞了協(xié)同作用。