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瓜尔胶及其衍生物最新研究进展

发布日期:2015-03-10 14:32:12

瓜尔胶及其衍生物最新研究进展和亲水胶体

瓜尔胶及其衍生物最新研究进展瓜尔胶提取自瓜尔豆种子的内胚乳,主要成分为半乳甘露聚糖,是重要的增稠剂、乳化刑、稳定剂絮凝剂, 在食品、采油、日化、医药等领域有着广泛的应用。为深入开展瓜尔肢在相关应用领城的科学研究,对其国内外的最新 进展进行介绍,主要包括瓜尔胶的精制纯化理化性能改性工艺研究及与其它亲水胶体的复交联和最新应用情况。

瓜尔胶(Guar gum)来源于一年生草本豆科植物瓜 尔(Cyamcpsis /6加^〇?1〇/〇6<1 L.)种子的内胚乳,其主 要成分为半乳甘露聚糖。瓜尔胶在工业上广泛用作增稠剂、稳定剂、乳化剂,以前主要应用于石油开采和食 品加工中,目前已逐步拓展到精细化工、造纸、纺织以 及医药领域,如在香波、洗手液和肥皂生产中用作调理 剂,在造纸、纺织和炸药行业中用作增稠剂和絮凝剂, 通过复配或凝胶化处理,可作为药物控释载体材料。 为深入开展瓜尔胶在相关应用领域的科学研究,本文 对其理化性能、改性交联以及药物控释领域的研究和 应用情况进行综述。
瓜尔胶多糖一种天然半乳甘露聚糖,其主链由 甘露糖通过P-1,4-糖苷键连接而成,侧链半乳糖通过 ot-1,6-糖苷键连接在主链上,通常甘露糖与半乳糖摩 尔比为2:1,分子量约为20万~30万。瓜尔胶为中性高 分子多糖,其水溶液为假塑性流体,在自然状态下分子 呈缠绕的网状结构,1 %溶液黏度在5 Pa,s~6 Pa,s。
瓜尔胶在水中分散需要一个溶胀过程,粒度大小 是瓜尔胶粉溶解动力学中的关键因素。QiWanW等系 统研究了瓜尔胶粉颗粒大小对水合过程的影响,提出 线性模型、指数模型和Weibull模型三种方式来评价 瓜尔胶粉的水化过程。对于平均小于80 Jim的瓜尔胶 粉,采用对数模型能够较好描述其水合过程,但对于较 大的颗粒,因最大黏度难以确定而不再适用。
瓜尔胶的黏度对放射处理十分敏感,水溶液经 射线处理后,瓜尔胶及其衍生物最新研究进展,流变学特性也发生改变。经过10 kGy的 照射之后,表观黏度由1989mPa,s降为35mPa*s,黏 度指数也有所下降叭因此瓜尔胶长期保存时不适合 采用辅照进行处理。
纯化瓜尔胶的方法较多,目前主要是酶法和化学 法,主要包括:(1)生物酶水解;(2)采用丙酮和乙醇对 瓜尔胶交替处理,结合离心和沉淀方法进行精制;(3) 用Fehling试剂沉淀处理。Pablyana ™等采用不同的纯 化方法处理瓜尔胶,结果显示均能够降低产品中蛋白、 树胶醛糖和葡萄糖残基的含量,但不同方法所获得的 精制瓜尔胶在纯度、热稳定性、流变性等方面均存在差 异,其处理成本也差别很大,作为生物材料,应根据具 体应用选择不同的纯化方法。
瓜尔胶溶液在受热情况下会发生非催化水解,主 要产生水溶性单糖和寡糖。研究表明,水解温度在 180丈~240反应时间3 min~60 min,瓜尔胶水解
产物主要是聚合度为20的寡糖、单糖(甘露糖和半 乳糖)、5-羟甲基-2-糠醛(5-HMF),在200 ^时,水 解7 min时寡糖产量达到最大值94.4 %,此后随时间 而降低。单糖产量开始随时间增加,在60 min时达到 34.5 %,其中甘露糖为22.8 %,半乳糖为11.7 %,此 后单糖继续分解为次级产物如5-HMF,其产率在 220 t、30 min时达最大,为26.3 %丨4】。
瓜尔胶的酶法处理主要集中在三个方面,一是以 获得低聚合度的瓜尔胶或半乳甘露寡糖的酶法催化 水解,主要使用P-甘露聚糖酶,目前研究相对较多; 二是以调整分子中半乳糖和甘露糖的糖基比例为目 的进行的侧链酶法修饰,主要使用ct-半乳糖苷酶或 半乳糖醛酸酶〇 M.S.Shobha^等从黑曲霉中获得具有 多聚半乳糖醛酸酶活性的胶质酶,可以对瓜尔胶的半 乳甘露聚糖进行糖基调整和主链切割,该酶在pH 5.0, 50 时有最佳活性,对相对分子质量为240kDa,G:M 为1:1.6的瓜尔胶半乳甘露聚糖进行水解60 min后, 其相对分子质量达到70 ku,G:M为1:2.8。改性后的 瓜尔胶溶解特性得到改善,30 min在水中溶解率达到 98%。三是以提高半乳甘露聚糖纯度为目的的酶法精 制,一般采用蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶,通过温和的水 解反应,部分去除瓜尔胶中的蛋白质、淀粉等杂质。该 法能够在温和的条件下,最大程度地保留瓜尔胶多糖 的天然理化性能及内部结构,因而在食品添加剂和生 物材料制造上具有优势。
2改性及衍生物的研究
天然瓜尔胶由于不能快速溶胀和水化,溶解速度 慢,水不溶物含量高,黏度不易控制,造成应用受限。通 过改性,可以提高其理化性能。具体的方法有物理法破 壁增黏、阳离子改性、羟丙基改性、氧化改性、酯化改性、 阳非离子改性、接枝共聚、酶法改性以及交联改性等。
目前工业上应用较广泛的改性瓜尔胶是竣甲基 羟丙基瓜尔胶(CMHPG),典型的工艺流程如下:胚乳 片—■粉碎原粉改性洗潘干燥粉碎■成品。 改性反应时使用乙醇作分散剂,瓜尔胶及其衍生物最新研究进展,因而成本较高。罗 彤彤m等采用水媒法工艺,胚乳片^改性—洗涤—粉 碎—成品,药剂溶解在水中,借助水的输送作用到达胚 乳片内部完成改性反应,最后只通过一次粉碎加工就 得到成品,简化了工艺,工业生产成本显著降低。
阳离子瓜尔胶(CGG)和聚丙烯酸(PAA)为原 料,可以合成新的水凝胶膜。首先是CGG的合成,在 NaOH的接触反应下进行GG的季铵盐反应,第二步 是聚合电解质水凝胶膜的制备。结构分析表明CGG和 PAA之间有极强的静电作用,造成了二者之间均一结 构和完全可混合性%
非离子型的羟丙基瓜尔胶(HPG)在非食品行业应 用较多,具有良好的工业开发前景。其衍生方法很多, 常规工艺过程如下:加入一定量的GG,搅拌加热待其 形成均质溶液后冷却,加人NaOH溶液后连续搅拌,加 入丙烯酰胺,搅拌一定时间。待反应混合物冷却,用稀 释的乙酸压制,然后加人到乙醇中沉淀,产品经离心, 过滤,丙酮淋洗真空干燥可得。
氨基甲酰乙基瓜尔胶具有良好的水溶特性、溶液 稳定性、澄清度、黏度也相应得到改善〇 Brij Raj SharmaB 等对瓜尔胶的氨基甲酰乙基化反应进行了深入研究,考 察了 NaOH、丙烯酰胺、瓜尔胶浓度、反应时间、温度对
瓜尔胶氨基甲酰乙基化的影响。在60 TWO弋下使瓜 尔胶溶解形成均一溶液,然后冷却到30加人
NaOH, 30 min后加人丙烯酸(AA),搅拌反应一定时间。 其最佳反应条件是:瓜尔胶浓度0.061 mol,NaOH浓度 0.75 mol, AA为1.0mol,反应温度30^C,反应时间2h。
阳离子瓜尔胶为醚化的多糖化合物,因其具有较 好的生物相容性,且与其他表面活性剂等成分的兼容 性好,目前在很多日化调理剂中得到应用。JaguarC- 13-S是一种商品化的阳离子瓜尔胶,美国化妆、盥洗 和香味用品协会(CTFA)^名为聚季胺-55,该产品对皮 肤和头发有调理作用,能提高阴离子表面活性剂的黏 度、透明度和稳定性,并赋予其适宜的性能,可用作香 波的增稠剂、乳化稳定剂和织物柔软剂等。
Daniela Risica报道的瓜尔胶的酿化过程如下:瓜 尔胶溶解于异丙基醇或三丁醇-水溶液,25 t恒速搅 拌,队净化,加人NaOH,调节反应温度35尤~40 ^,加 入烧基化物(DMS或MI)反应2 h,冷却后分散于丙酮 中,过量的碱用冰醋酸中和,抽滤并用丙酮洗三次,真 空干燥获得产品气当产物取代度达到0.3时,显示出 良好的弹性。
阳离子瓜尔胶(GHPAT)也可以由瓜尔胶的游离 羟基与3-氣-2-羟丙基-三甲基氯化钱反应制备。姚 天平W等研究表明:⑴阳离子瓜尔胶合成的最佳反应 温度为30 "€-40丈,反应时间25 h,在此条件下,其氮 含量可达质量分数1.7 %;(2)阳离子瓜尔胶合成过程 中,pH值适宜控制在6.0~8.0范围,可使产物的黏度达 到 3 100 mPa.s 以上。
瓜尔胶及其衍生物可用戊二醛进行交联形成低 黏水凝胶,可作为药物控释的载体材料。交联后溶胀 性能明显降低,调节戊二醛用量可调节交联产物的溶 胀性及降解程度。如8 g/L瓜尔胶在pH 2的酸化水相 中分散后,与25 g/L的戊二醛溶液混合,经15 d反应 可得到较为理想的凝胶,其重均分子量(财《〇、数均分 子量(Mn)及粘均分子量(Mi;)分别为ZOxlO^UxlO6、 网状物的黏度是原胶溶液的40倍,其 黏度与采用海兰胶(hylan)制备出的欣维可(Synvisc) 胶体HylanG-F20的黏度较为相似,凝胶体含水达 95.6 %,戊二醛残留也低于LD%通过交联形成的多孔 结构也提高了热稳定性这些性能使得瓜尔胶水凝胶 可用于特殊流变学要求的生物材料及药物控释载体。
3复配性能
瓜尔胶属于典型的半乳甘露聚糖胶,半乳甘露聚 糖是直链非离子型大分子,瓜尔胶及其衍生物最新研究进展,链上的羟基可与某些亲水 胶体形成氢键,从而达到更高的黏度,显示出良好的协 同效果。与黄原胶卡拉胶等都可以进行复配,形成凝 胶,改善产品质量。由于其独特的溶胀和溶解性能,瓜 尔胶在复配体系黏度渐增过程中表现出比黄原胶更 有效的特性。
Montri [1蹲研究了瓜尔胶对阳离子木薯淀粉物理 和流变学性质的影响。瓜尔胶的桥梁作用,使木薯淀 粉胶状颗粒之间交联,而且分散于瓜尔胶中的淀粉能 吸收更多的水分,具有增强的溶胀力和较高的胶体浓 度。此外瓜尔胶和木薯淀粉之间的离子作用在胶凝特 性和流变学特性上发挥了重要作用。
降解瓜尔胶与降解黄原胶在一定条件下共混可 以形成新的凝胶体系,协同凝胶化使其流变性发生了 改变。将降解的黄原胶与降解的瓜尔胶分别溶于去离 子水中并置于60弋水浴,混合后恒温一定时间可得共 混凝胶。试验表明共混凝胶体系具有黏弹性和触变性, 共混比例、总胶浓度、共混时间、KC1浓度及分子量对 共混凝胶的黏度有显著影响1U1。
4应用研究
4.1生物固定化载体材料
瓜尔胶可用于固定化酪氨酸酶生物膜的制备。 Sanket TembeM等将3 %琼脂糖和1 %瓜尔胶的水溶 液各1 mL混合后,并加人适量的酪氨酸酶,然后在玻 璃板表面上成膜,干燥后可获得理想的生物膜,酪氨 酸酶被包埋在琼脂糖-瓜尔胶合成的基质中。利用该 生物膜构建出电化学生物传感器,对儿茶素的测定范 围在 6xl0"5 mol/L-SxltT1 m〇yL,可重复使用 20 次。
4.2在药物控制释放领域的应用
瓜尔胶是半乳甘露聚糖类天然高分子,它只被结 肠部位细菌降解,是靶向结肠释药载体的重要候选材 料,但其高的水溶性和膨胀性导致药物胃内释放,使应 用受到限制。通过自由基聚合,用pH敏感的髙分子材 料聚丙烯酸与瓜尔胶制成GG/PAA半互穿网络水凝 胶,借助聚丙烯酸的PH敏感性保护药物通过胃部,抵 达结肠时瓜尔胶降解,为释药提供通道。结果表明调整 GG、PAA用量以及pH可改变水凝胶的溶胀性能有 望通过调整配方,提高体系作为药物载体时靶向结肠 的稳定性。
在阳离子瓜尔胶(CGG)与丙烯酸单体(AA)通过光 催化自由基聚合反应可以合成许多新的聚合电解质 水凝胶。合成的CGG/AA凝胶对环境pH相当敏感,而 酮类药物的释放严格依赖于pH,CGG/AA的比率以及 基质材料的制备方法。亦即胄肠环境,凝胶分子大小, 尤其是pH对药物的释放机制有很大关系目前该类 型凝胶应用在某些特效药物载体材料方面效果显著。
易菊珍以羧甲基纤维素钠与阳离子瓜尔胶为 原料,制得不同配比的多糖共混膜,作为药物布洛芬的 载体,研究发现介质pH对布洛芬药物释放影响最大, 其次是共混膜的共混比例,药物含量在弱碱介质中有
一定的影响,在酸性介质中基本无影响。
瓜尔胶交联氧化后,与其它生物材料结合,可以
确保药物封装的效率和控释度。瓜尔胶通常和戊二醛
交联,包埋效率较高,可以阻止藻酸盐在pH较高的肠 道内发生的快速分解,瓜尔胶及其衍生物最新研究进展,确保包埋药物的准确控释。瓜 尔胶在和戊二醛交联后结合藻酸盐形成瓜尔胶/II酸 盐凝胶,冻干样品的溶胀速率在模拟胃肠环境下(~8.5) 最适合药物释放,凝胶中蛋白药物释放在pH 1.2时最 小约20 %,pH在7.4时达到90 %,用于蛋白类药物的 控释效果明显
4.3在渔业和环保上的应用
瓜尔胶作为黏合剂加人饲料明显增强了鱼类粪 便的颗粒稳定性和机械强度,便于粪便的及时清理,减 轻了对鱼群的危害。不同质量和剂量的瓜尔胶作为鱼 饲料黏合剂对鱼类排泄物稳定性的影响亦有不同,其 中髙等黏度的瓜尔胶效率为最,黏度和弹性模量分别
达到了 266 % 和 209 %™。
瓜尔胶是当前各种植物胶中性价比最高的一种 商品胶。尽管其开发应用历史已逾半个世纪,其优良 特性引起了世界各国业内人士的极大兴趣,从不同领 域对其进行不断深人的研究。随着环境友好产业的兴 起和绿色环保标准的实行,天然瓜尔胶的工业化开发 方兴未艾。基础研究领域主要是在水成溶液中的溶解 和降解及加工纯化技术的更新,复配性能的改善将有 利于瓜尔胶应用范围的延伸,尤其是在食品行业的使 用。改性研究在国内外的进展日新月异,经过工业化 开发的瓜尔胶其商业价值和使用价值得到了最大的 体现,尤其是最近兴起的生物制药行业有着很大的开 发潜力,需要解决的是利用智能材料控制药物提前释 放的问题,利用瓜尔胶聚合网络系统进行改性研究将 是今后发展的一个主题方向。
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