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              瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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              瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究

              發布日期:2014-10-08 14:43:26
              瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究介紹
              瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究
              瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究,瓜爾豆膠屬于水溶性聚合物,其化學結構是由 大量的單體鍵合而成的高聚體,構成高聚體的單糖 的種類、單元之間的鍵、排列方式、聚合度、衍生物取 代基團決定了其溶解性、粘度、各種理化條件下的耐 熱性、形成膠凍的能力及凝膠的強度、對不同電解質 及其它物質的兼容性、協同效應等方面的性質。這 些性質直接關系到在使用時的用量及作用效果,也 直接關系到在食品加工生產中產品的質量和經濟效 益。因此,研宄其流變性質的影響因素將為其合理 應用提供有力的理論依據。
              1瓜爾豆膠的流變特性
              瓜爾豆膠在食品中添加量很少,一般選擇1%瓜 爾豆膠溶液作為實驗基點,25°C下測得其表觀粘度 如圖1所示。從圖1可見,在高剪切速率和低剪切 速率兩種情況下其表現粘度基本沒有變化,似牛頓 流體。在兩者之間,隨剪切速率的不斷提高,表現粘度下降,溶液表現了剪切稀化現象??梢?%的瓜爾 豆膠系非牛頓流體中假塑性流體??梢蕴岢鲞@樣的 假設來解釋這種現象:首先,假設瓜爾豆膠分子具有 交叉連接的結構,并且在連接之間具有隨機的長度 分布。在靜置時,瓜爾豆膠溶液中的分子不但是隨 機分布,而且是不定向排列。當剪切開始時,它們中 的一些分子被卷入流動,由于分子鏈比較長,又存在 許多支鏈,因此分子之間相互纏繞在一起,這種纏繞 引起了對流動的主要阻力,表觀粘度較高。隨著剪 切速率的增大,剪切應力使得這些纏繞遭到破壞,并 且分子逐步沿著平行于流動順序排列,表觀粘度下 降。如果在溶液中,不斷增加瓜爾豆膠的濃度,那么 纏繞的量以及與其有關的粘度也會不斷增大[4]。
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              0. 1 〇. 151510501001501000
              剪切速率(S,
              圖1剪切速率對表觀粘度的影響
              2影響流變性質的因素 2. 1結構的影響
              2. 1. 1 分子結構特征(如圖2) 瓜爾豆膠是一種 中性多糖,具有很高的平均分子量,約20?30萬。 其化學成分是半乳甘露聚糖,在結構上,以a - 1 4 鍵相互連接的D-甘露糖為主鏈,不均勻地在主鏈 的某些C6位上再連接D-半乳糖為支鏈,其平均半 乳糖與甘露糖之比為1:2[51。與其它增稠劑所不同 的是,它的分子結構是直線型的大分子,并且有很短 的側鏈從主分子鏈中伸出。因此它既具有直線型大 分子物質的特性,又具有支鏈大分子的特性。
              2. 1.2溶液的粘度瓜爾豆膠水溶液中分子結構 的復雜性使得溶液性質比小分子溶液的性質復雜得多。
              分子通過擴散與水分子混合成為分子分散的均相體 系。由于高分子與水分子體積尺寸相差懸殊,兩者 分子運動速率存在著數量級的差別,因此水滲入瓜 爾豆膠小顆粒的速度要高于瓜爾豆膠分子向水中擴 散的速度。這樣,瓜爾豆膠高分子團粒的溶解需要 經過兩個階段:首先是水進入團粒,使其體積膨脹, 然后瓜爾豆膠分子逐漸擴散,均勻地分散在水中,達 到完全溶解。瓜爾豆膠分子中含有的羥基、烷氧基 和糖苷鍵中的氧原子外層均含有SP3雜化軌道,軌道 中未共用的孤電子對可以與水分子中帶部分正電荷 的氫依靠靜電引力結合形成氫鍵[6]。氫鍵的鍵合力 極強,當這種分子之間的作用力超過瓜爾豆膠分子 鏈節的內聚力時,就會使大分子鏈舒展,與水結合形 成長分子鏈,溶解分散在水中,形成熱力學穩定體 系。由于分子的舒展,多種基團充分裸露,各極性基 團與極性水分子以氫鍵或偶極作用力相互制約形成 內層水膜,內層水再與外層水作用發生締合,體積極 大的溶膠分子做為骨架,大量的水被束縛,介質的自 由移動受到阻礙而產生層流間的阻力,在表觀上表 現出粘稠性,使溶液出現量化值上的粘度。
              由于瓜爾豆膠分子是直鏈結構,所以這些分子 占有較大的空間,并且在溶液中以伸展的形式存在, 它們在溶液中旋轉,與支鏈結構分子相比掃過較大 的球形體積。因此,瓜爾豆膠溶液的表觀粘度相對 于同樣分子量的物質來說是很高的。
              2. 1.3凝膠的結構瓜爾豆膠分子鏈中不帶有離 子基團,屬于非離子型食品膠,分子間斥力小,分子 易于靠近結合成凝膠。此種凝膠柔軟易變形,具有 熱可逆性。
              2.2外部條件的影響
              2. 2.1濃度對瓜爾豆膠粘度的影響瓜爾豆膠水 溶液具有非常高的粘度,這是它的主要特征,也是主 要用途。具有高粘度的原因是:a.瓜爾豆膠分子量 很大,體積很大。龐大的體積阻礙了介質的自由移 動;b.瓜爾豆膠溶解后,在水中充分水化,束縛了大 量“自由水”;a瓜爾豆膠分子在介質中存在著相互 間的作用。由于以上幾個因素,溶液的流動性受到 阻礙,產生層流間的阻力,在表觀上表現出粘稠滯流 性。上述的第a和c項原因直接與溶液中分子的密
              2102007年第08期 度即溶液的濃度相關。所以同種物質的溶液,其濃 度和粘度成正比,瓜爾豆膠的粘度與濃度的關系見 圖3=
               
              與其它食品膠相比較,帶有支鏈的瓜爾豆膠溶 液粘度更大。原因是當分子在水中溶解后以勢能最 低的伸展形式存在,這些大分子在水中運動和旋轉, 其體積是以其分子最遠端的距離為直徑的球體,瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究,相 同分子量的不帶支鏈的分子在水中伸展接近于直 線,所以比帶支鏈的分子的端點距離長,直徑大,球 體大,此種現象就相當于濃度高。所以同濃度、同分 子量的不帶支鏈的分子構成的溶液粘度高。當濃度 變得足夠高時,相鄰分子可以通過布朗運動相互接 近,形成一定的物理化學鍵,這就是剛性結構的開 始。假設每一個鍵都具有相等的強度,最后所得到 的結構的強度將取決于單位體積內連接鍵的數目。 因此,可以推斷,結構強度隨著單位體積內形成的鍵 的分子數成指數增加。
              2. 2.2溫度對瓜爾豆膠粘度的影響瓜爾豆膠分 子在水溶液中對溫度十分敏感。不但溫度顯著地影 響粘度,而且粘度一旦被溫度所影響,恢復得就相當 慢,甚至根本就不復原。這就使得我們要嚴格控制 試樣的溫度變化,才有可能進行重復測量。在低溫 時,瓜爾豆膠的分子具有一種伸展的結構,但是,當 其受熱時,它就變得不像以前那樣伸展。因此,人們 認為在受熱之后,這種溶液不再具有假塑性流體的 性質。
              溫度是物質內能的宏觀表現。當溫度升高時, 分子運動速率加快,聚集體由大變小,其體系結構被 拆散,液體流動阻力減少,溶液的粘度和溫度的關系 成反比。但在升溫過程和降溫過程中溶液和凝膠的 “溫度一粘度的關系”曲線不同,降溫粘度升高時曲 線斜率較?。ㄈ鐖D4所示)。此現象的原因是:在溫 度上升過程中,分子運動的速率逐漸加快,聚集體由 大變小,隨吸收能量的增加,其體系結構拆散,粘度 降低;其次,當溫度升高到一定程度之后,瓜爾豆膠 發生了解聚,從而使分子量降低導致溶液粘度下 降『'在溫度下降過程中,當溫度降到一定程度時, 分子之間的作用力可以克服分子的動能,使其體系 結構在短時間內形成,即表現出粘度急劇增加。
              2. 2.3 pH對瓜爾豆膠粘度的影響 pH對不同食品
               
              膠的水溶液的粘度存在同程度的影響。一般的情況 是:聚合物分子鏈上某質點中具有電負性的親核基 團易于與低fH介質中的質子形成配位鍵,降低與水 分子的極性引力作用,阻礙氫鍵的形成,從而使食品 膠分子水溶液中的水化程度降低,溶液的粘度降低。 然而瓜爾豆膠是一種非離子型的膠體,所以具有很強 的耐酸堿性。蔡為榮[8]等用不同pH的鹽酸溶液或氫 氧化鈉溶液制取1.0%的瓜爾豆膠,在25°C下測其粘 度,結果如圖5所示??梢姽蠣柖鼓z具有很強的耐酸 堿性,fH在3. 5~ 10范圍變化對其粘度影響不明顯。 Q . Wang eL al9]的研宄也發現,在中酸性條件下,瓜爾 豆膠溶液表現出很好的穩定性,但是較高溫度和較低
               
              子所含的極性電荷及離子基團易與電解質發生作 用,使溶液粘度及凝膠強度發生變化。大部分水溶 性聚合物在少量電解質存在的情況下粘度均明顯下 降,但當電解質超過一定濃度時粘度變化又趨于穩 定。此現象可以認為是分子中電解質與陰離子鍵合 而形成弱酸鹽水溶液,具有緩沖作用。當電解質作 用于食品膠時會使其分子電荷及水化作用減弱,釋 放自由水,溶液的粘度及凝膠的強度均下降。隨電 解質濃度的增加,電解質本身水化作用也增強,并且 當有二價或多價離子存在時,由于價鍵的鍵橋作用, 分子間發生交聯,形成不可逆的凝膠交聯體,使粘度 增加。瓜爾豆膠屬非離子型食品膠,由于其分子的 結構中不存在離子基團,所以受電解質的影響小。 配制一系列含NaCl•CaCl、Al!(SC)4)3不同量的P% 瓜爾豆膠,在25°C下測其粘度,如圖6結果顯示 NaC l含量對瓜爾豆膠粘度影響甚微,表明瓜爾豆膠
              對NaCl具有良好的兼容性;Ca2+、Af+加入量達 0. 5%左右,瓜爾豆膠父粘度呈最大值,瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究,隨著Ca2+、A 1+ 濃度再增高,其粘度開始下降。這可能是一定量的 高價鹽離子可與瓜爾豆膠絡合,使膠液親水性更好, 粘度變大。高價鹽濃度超過某一值后高離子強度和 電荷反而不利于膠形的松馳絡合。
               
              濃度(%)
              圖6不同鹽對J%瓜爾豆膠粘度的影響曲線 2. 2.5高壓處理對瓜爾豆膠粘度的影響高壓處 理前后,膠體溶液流變性變化與其分子結構、溶解在 水中的分子構象及高壓處理對這些結構和構象的影 響有關。由于瓜爾豆膠的分子量相對較小,分子總 體呈直線型,故在水溶液中的分子具有較為伸展的 結構,高壓處理對其影響較小。因此,其流變性質的 變化也不大。李汴生等m研宄了高壓處理對瓜爾豆 膠溶液粘度的影響。
              瓜爾豆膠溶液為假塑性流體,其剪切應力(T)和 剪切速率(Y)的關系遵循冪定律TzKY1,式中K和n 均為常數,K為稠度系數,可以衡量溶液的粘稠程 度,n為流態特性指數。從表1可以看出,瓜爾豆膠 溶液經高壓處理后粘度雖也有升高或降低,但變化 較小。
              表1高壓處理前后瓜爾豆膠溶液K和n的變化
              膠溶液壓力(MPa) K(Pa. s)n2
              r
              00 21307320 993
              0 5%瓜爾豆膠2000 19507740 989
              4000 19607620 990
              3與其他食品膠的復配協同作用
              多糖是一種直鏈或具有支鏈的高分子化合物,
              在高濃度時多糖之間會產生相互作用,它們通過分 子間纏繞或者通過分子間次級鍵相互作用起到增稠 協同作用,從而使體系粘度增大[||]。瓜爾豆膠和黃 原膠復配使用時,其粘度遠高于兩者粘度之和,說明 兩者具有良好的增效作用[12]。當兩者比例變化時, 其增效作用效果也發生變化。其增效機理可能是瓜 爾豆膠分子平滑,沒有支鏈部分與還原膠分子的雙 螺旋結構以次級鍵形式相互結合形成三維網狀結 構,使膠的親水性更好。而瓜爾豆膠與卡拉膠復合 時,幾乎無增效作用,其原因可能是瓜爾豆膠主鏈和 支鏈上基團主要是羥基,卡拉膠幾乎為直鏈大分子,
              (下轉第214頁)
              2007年第08期 211
              測人員的勞動保護和安全,真正體現了以人為本的
              原則。
              CFIA下設22個實驗室,主要負責對動楦物安 全、樣品分析等科研工作。這22個實驗室配置不完 全相同,各有側重點。如哥倫比亞省實驗室是做水 果病蟲害研宄工作;渥太華實驗室做動物特殊疾病 的研宄工作等。
              3.2私營實驗室
              私營實驗室承擔其他種類的檢測任務。私營實 驗室除了獲得導則17025認證資格外,瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究,還需獲得政 府的認可,才能具有相關的檢驗資格。
              3.3加拿大政府對檢驗機構的管理
              加拿大政府對檢驗機構的管理主要通過強制認 證方式進行規范,承擔政府檢驗任務的檢驗機構必須 通過KO9000質量管理體系和BO17025認證。在制 訂國家監督抽查計劃時,對承檢機構的資質和能力提 出了嚴格要求,在招標過程中,對投標的實驗室進行嚴 格考評,私營實驗室中標后,要與CFA簽訂合同,檢
              驗任務完成后,CFA再對檢驗結果進行認定。
              CFA不只委托其自有實驗室承擔食品檢驗,還 以嚴格的條件選擇大專院校和私人實驗室承擔檢驗 任務。自有實驗室和其它實驗室檢驗任務的區別主 要有兩個:一是檢驗任務的類型不同,對食品實施全 面監測的國家監督抽查檢驗任務的分配通過招標形 式完成,其中大部分由私營實驗室承擔,針對在監督 抽查中發現的特定食品或特定區域的直接抽樣和針 對被懷疑的特定樣品進行的符合性檢驗由政府自有 實驗室承擔;二是檢驗項目,對于某些關鍵項目和需 檢驗技術比較高的項目只由政府自有實驗室承擔。
              綜觀加拿大的食品質量安全管理體制,由于消 費者對食品質量安全的要求日益增高,加拿大政府 對食品安全監管工作也更加重視,建立了一套與本 地區經濟和社會發展相協調的食品安全監管機制, 體現了強化統一管理、突出監管重點、實行層級負責 的監管思想,確保本國的食品安全監管工作能夠有 效實施。 
              (上接第211頁)
              且主要基團也是羥基,都含有大量的半乳糖,作用較 弱,增效作用不明顯。
              瓜爾豆膠與其它食品膠復配常應用于冰淇淋的 生產中1131。在冰淇淋貯藏期間,由于溫度的波動,冰 晶的連續融化和水的重結晶將會引起冰晶增大,使 冰淇淋品質劣化,當冰晶從冰淇淋漿料中析出時,由 于冷凍濃縮,使多糖濃度大大增加,大大增加了冰晶 周圍未冷凍連續相的粘度,這對于冰晶的形成與冰 晶的長大均起了抑止作用。多糖復合穩定劑的作用 在于在?;瘻囟纫陨?,使未冷凍連續相粘度增加,粘 度越大,冰晶形成時間越長,推遲了冰晶的形成。
              4結論
              在常溫下,1%瓜爾豆膠溶液可視為非流體中的 假塑性流體,濃度在1.2%以內,瓜爾豆膠的流變性質及其復配性的研究,瓜爾豆膠溶液粘度 隨溫度升高而降低,溫度回降時,粘度比升高時同溫 度低。瓜爾豆膠具有很強的耐酸堿性,fH在3. 5~ 10 范圍變化對其粘度影響不明顯。此外,瓜爾豆膠具 有良好的一價耐鹽性,低濃度高價鹽可提高粘度,但 升高濃度可使粘度下降。高壓對瓜爾豆膠的流變特 性影響也不大。瓜爾豆膠與其它一些親水膠體有著 很好的協同增效作用,復配使用可提高其性能。影 響瓜爾豆膠流變性的因素有很多,但歸根結底都是 由瓜爾豆膠本身的分子結構以及溶液中分子的構象 所決定的。正是因為瓜爾豆膠是一種非離子型的直 鏈分子,才賦予其高粘度、耐鹽、耐酸堿、耐高壓及協 同增效等優良性質,使其在食品工業中得到了廣泛 的應用。
              本文推薦企業:山東東達生物化工有限公司(http://www.semangattanpabatas.com/),是專業的瓜爾膠和瓜爾豆膠生產廠家,專業生產瓜爾膠和瓜爾豆膠。擁有雄厚的技術力量,先進的生產工藝和設備。山東東達生物化工有限公司全體員工為海內外用戶提供高技術,高性能,高質量的瓜爾膠和瓜爾豆膠產品。熱忱歡迎國內外廣大客戶合作共贏。
               
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