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阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究

发布日期:2015-04-12 17:36:14
黄原胶
  天然高分子具有合成高分子聚合物无法比拟的 优良性能.但天然高分子单独使用时,因其性能单一 而使其应用受到一定的限制.将不同多糖进行共 混,经分子间的相互作用,可呈现出一种特有的协同 效应,在相同的条件下,可能获得比单一多糖更大的粘度或凝胶强度[1 ’2 ].这种协同效应在食品、化妆 品、造纸及医药等工业中得到了广泛的应用.
  
  瓜尔胶(guar gum),又称瓜胶、瓜尔豆胶,是一 种天然半乳甘露聚糖.它以!-( 1)4)键连接的聚#- 吡喃甘露糖为主链,#-吡喃半乳糖支链以"-(1) 6)键连接在主链上.其中甘露糖与半乳糖的摩尔比 约为2: 1.黄原胶(Xanthan gum)是黄杆菌产生的 一种阴离子多糖,由#-葡萄糖、#-甘露糖、#-葡萄糖 醛酸、丙酮酸和乙酸组成的重复单元经!-(1)4)键 聚合成的双螺旋聚合体.
  
  瓜尔胶在一般情况下不能生成凝胶,与其它多 糖共混时,也只能得到增稠溶胶.赵谋明等[3]研宄 了黄原胶与瓜尔胶之间的协同效应;陈运中[4],刘 良忠等[5]研究了魔芋精粉与瓜尔胶之间的协同效 应,结果均证实了这一点.而通过改性的阳离子瓜尔 胶3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CG-40 )与有关多糖 共混,则可得到凝胶.有关这方面的研究尚未见报 道.本文通过CG-40与黄原胶共混制备了凝胶,并 研宄了共混比例、共混温度、盐离子浓度、恒温时间 以及pH值等对凝胶化的影响,并从红外谱图上分 析了这两种多糖共混凝胶化的作用机理.
  
  1材料与方法1.1材料与仪器CG-40购自上海高维化学上海快3开奖结果;黄原胶购 自武汉食品原料公司;氯化钠,盐酸,氢氧化钠均为 化学纯,21 (体积分数)冰乙酸溶液(实验室自 配).
  
  NDJ-1型旋转粘度计(上海天平仪器厂)扭力 天平(上海第二天平仪器厂)JB50-D型增力电动 搅拌器(上海标本模型厂)FIFR-8201PC型傅立叶 红外光谱仪(Shimadin,日本).
  
  1.2 实验方法称取一定量的CG-40溶于冰乙酸溶液,黄原胶 溶于蒸馏水,然后均加入一定量的NaCl,置于一定 温度水浴中共混并恒温30 min得共混溶胶,将其放 入冰箱(5J )中24 h可得共混凝胶.
  
  按文献[6 ]的方法进行凝胶强度(测试温度为 25J )和凝胶熔化温度的测定.
  
  使用NDJ-1型旋转粘度计,3#转子,在6 r/min 转速下测定溶胶的粘度.
  
  2结果与讨论2.1共混比例对凝胶化的影响取多糖总浓度为4* (质量分数),盐离子浓度 为 1.0 mol • L _1,共混比例 r = m( CG-40 ) 6 "(黄原 胶)分别为 10: 90,20: 80,30: 70,40: 60,50: 50,60: 40,70: 30,80: 20 在 80> 制得共混凝胶, 测得凝胶强度(#)与共混比例的关系如图1所示. 从图1可知,当r = 20: 80时,凝胶强度最大;随着r 的逐渐增大,凝胶强度不断下降.其原因可能是因为 少量的CG-40在黄原胶中高度扩散和伸展,能充分 与黄原胶相互作用形成三维网状结构;CG-40的量 增加时,其致密的半乳糖支链反而阻碍了它与黄原 胶的相互作用,从而使得凝胶强度减小.因此本实验 选取最佳共混比例r为20: 80.
  
  220 卜 '10:90 20:80 30:70 40:60 50:50 60:40 70:30 80:20图1共混比例对凝胶强度的影响 CG-40,黄原胶及r=80: 20和r=20: 80的两 种共混凝胶的FTIR谱图如图2所示.
  
  从图2可知,CG-40和黄原胶的缔合羟基伸缩 振动峰分别在3 416 cm_1和3 415 cm_1处,在r为 20: 80和80: 20时,羟基伸缩振动峰分别移至 3 328 cm11和3 353 cm11处,并且峰形明显变宽,说 明这两种多糖共混形成凝胶后,羟基伸缩振动峰都 得到了 一定的增强.峰的强度和向低波数方向的位 移越大,分子间氢键就越强,即分子间相互作用越 强.在两种共混比例的凝胶中,r =20: 80的共混多 糖分子间作用较大,表现为凝胶强度也较大,这与实 验结果吻合.
  
  2.2温度对凝胶化的影响 2.2.1共混温度对凝胶强度的影响多糖总浓度、盐离子浓度同2.1节,取最佳共混 比例r=20: 80,分别在不同温度($p):13,20,40, 50,60,70,80,100>下共混制得共混凝胶,测得凝胶 强度如表1所示.从表1可知,温度在13 ~60>范 围内,凝胶强度迅速增大;60>时达最大值;温度高 于60>后,凝胶强度反而下降.分析认为,主要是因 为黄原胶从有序态(双螺旋结构)变到无序态(无规 线团)的转变温度($m)为42>左右[6],而且这种分 子构象的转变是一个热力学的可逆过程[7].只有当 $p>$m时,黄原胶中的无序分子才逐渐增多,冷却 时这种无序分子在转为螺旋结构的过程中就可与 CG-40通过氢键、盐键等充分缠绕在一起.温度继续 升高,无序分子就不断增多,这两种多糖分子协同效 应明显增强,并在60>左右达到协同效应的最大 值,所以这时凝胶强度最大.若继续升温,多糖发生 部分降解,致使凝胶强度下降.上述实验结果表明黄 原胶分子构象对共混凝胶化有极为重要的作用.本 实验选取最佳共混温度为60>.
  
  表1不同温度下制得共混凝胶的强度13204050607080100G/g*cm121021182252462742622362242.2.2外界温度对共混溶胶粘度的影响取多糖总浓度为1*,盐离子浓度为1. 0 mol • L — 1,=20: 80,测得不同温度下共混溶胶的 粘度(^/mPa’s)如表2所示.从表2可知,在30~ 80>范围内,随着温度的升高,共混溶胶的粘度下 降,流变性能得以改善.在多糖分子未发生降解的前 提下,升高温度有利于多糖分子之间的相互作用,使 凝胶化能力增强.
  
  表2共混溶胶在不同温度下的粘度 $/>304050607080lg[!/mPa*s] 4.079 4.049 4.004 3.968 3.914 3.785CG-40与黄原胶共混凝胶是一种热可逆凝胶. 温度升高时,分子热运动加剧,氢键和盐键被破坏, 多糖分子构象也发生变化,螺旋结构松弛,成为柔软 的长链,凝胶转变为溶胶;冷却时,氢键和盐键再次 生成,多糖分子重新聚合,溶胶凝胶化[8].但是由于 两种多糖分子链缠绕的随意性,使得氢键和盐键的 形成也是随机的,所以再次形成的凝胶与原凝胶的 性能并不完全一致.
  
  2.3盐离子浓度对凝胶化的影响多糖总浓度为4%,共混比例!= 20: 80,加入 不同浓度盐离子8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mol • L — 1在600共混制备凝胶,测得其凝胶强度与 盐离子浓度的关系如图3所示.将CG-40的冰乙酸 溶液与黄原胶水溶液直接在600共混.由于CG-40 上的一N + (CHI)3与黄原胶上的一COO —发生静电 吸引生成不溶于水的白色高聚物而不能形成凝胶. 加入一定量的盐后,盐的正负离子(Na+, Cl_)把带 相反电荷的一N+(CH3)3和一COO—包覆起来,削 弱它们之间较强的静电作用力,间接通过较弱的盐键一N+(CH3)3…Cl—…Na+COO—以及氢键等形成凝胶.由图3可知,当盐离子浓度低于1.0 mol • L—1时,盐离子不能完全包覆多糖上的带电基团, 所以形成的凝胶的强度很低;当盐离子浓度达到1. 0 mol • L — 1时,凝胶强度最大;在1.0 moH_1到1.4 mol • L-1浓度范围内,凝胶强度变化不大;大于1.4 mol • L — 1以后,凝胶强度逐渐下降.这是因为盐离子 浓度对凝胶化的影响主要有两个方面:一是对盐键 的影响,二是盐离子浓度对黄原胶转变温度的影响. 低于1.0 mol • L — 1浓度时,前者占主导地位;高于1.4 mol • L — 1浓度后,后者占主导地位,即随着离子浓度 的增大,黄原胶的转变温度"m升高[9,0],无序分子减 少,凝胶化能力下降,凝胶强度减小.本实验选取最佳 盐离子浓度为1.0 mol • L — 1.
  
  将制得的凝胶熔化,测得不同盐离子浓度共混 凝胶的熔化温度"< 如表3所示.从表3可知,在0. 8~2.0mol_L-1范围内,凝胶的熔化温度随着盐离 子浓度的增大而升高.因此,加入一定量的盐离子能 提高共混凝胶的热稳定性.
  
  2.4恒温时间对凝胶化的影响多糖总浓度为4#,共混比例! =20: 80,盐离表3不同盐离子浓度凝胶的熔化温度 #/mol • L — 10.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0"</089.0 90.5 92.0 94.0 93.5 95.5 96.0子浓度为1. 0 mol • L — 1,温度600,分别在不同恒 温时间制备共混凝胶.恒温时间对凝胶强度的影响 如图4所示.从图4可见,恒温时间为5 = 30 min 时,凝胶强度随恒温时间的增加而升高,这是因为 随着时间的延长,多糖分子相互接触、缠绕的程度增 高,形成的氢键增多,从而使凝胶强度随之增大.但 恒温时间过长,多糖分子又会发生部分降解,故凝胶 强度下降.本实验选取最佳恒温时间为30 min.
  
  2.5 pH值对凝胶化的影响多糖总浓度为4%,共混比例!= 20: 80,盐离 子浓度为1. 0 mol • L_1,用盐酸和氢氧化钠调pH 值分别为:3.0,5.0,7. 0,9. 0,0. 5,12.0 和 14.0,放 入600水浴中恒温30 min制得凝胶,测得pH值与 凝胶强度的关系如图5所示.由图5可知,当pH值 小于3.0时,不能形成凝胶;pH值在3.0 =7.0之 间,凝胶强度急剧增大;之后随着pH值的升高,凝 胶强度增大幅度减小.
  
  在CG-40与黄原胶共混体系中,pH值较低时, 黄原胶上的一 COO —数目减少,多数以一 COOH形式 存在,而不能与CG-40上的一N + (CH3)3形成盐键. 且此时黄原胶分子内相互间的排斥力减小,分子链 伸展的不充分,不易与CG-40发生相互作用,所以—COO#增多,分子内相互间的排斥力也增大,分子 链充分伸展,大量的一COO#与CG-40分子上的 一N+(CH3)3形成盐键,所以形成凝胶的强度也随 之增大.从实用角度考虑,选取最适pH值为7.0.
  
  3结论CG-40和黄原胶在加入N/C1和pH +3. 0的条件下共混可以得到凝胶,这是多糖分子之间相互协 同作用的结果.这种协同效应受到多种理化因素如 温度、盐离子浓度和pH值等的影响.当多糖总浓度 为41,共混比例! =20: 80,盐离子浓度为1.0 m〇1, L#1,在60;下共混并恒温30 min时所得共混凝胶 的强度最大,最适pH值为7.0.
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