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黄原胶瓜尔胶及其在石油工业中应用

发布日期:2015-06-06 11:03:30
1黄原胶及其性质 1.1.1.1黄原胶简介
黄原胶(Xanthan)是由一种植物致病菌野油菜黄单胞杆状细菌(心
产生的一种杂多糖。其相对分子质量在2xl06〜2xl〇7【4],主链为由葡 萄糖以P-1-4糖苷健连接的纤维素结构,主链的相间的葡萄糖的C3位由线性的甘 露糖-葡萄糖酸-甘露糖3糖单元侧链取代[5](见图1-1)。通常情况下,侧链的内 侧和末端的甘露糖是乙酰化和丙酮酸化的,这主要取决于它的产生菌株发酵条 件'
黄原胶的黄原胶的骨架类似纤维素,但是带负电荷的侧链之间以及侧链与聚 合物骨架之间的相互作用使黄原胶形成侧链绕主链骨架反向缠绕,通过氢键维系 形成棒状双螺旋结构。一般水溶性聚合物骨架被其它化学药品或酶攻击、切断后, 会丧失其增稠能力。而在黄原胶溶液中,聚合物骨架周围缠绕的侧链使它免于被 攻击,所以黄原胶对化学药品和酶试剂的降解具有良好的抵抗性。
1.1.1.2黄原胶的理化性质
黄原胶是一种集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体、性能较为优越的生物胶[6]。 分子侧链末端含有丙酮酸基团的多少,对其性能有很大影响[7]。黄原胶具有长链 高分子的一般性能,但它比一般高分子含有更多的官能团,在特定条件下会显示 独特性能。它在水溶液中呈多聚阴离子且构象是多样的,不同条件下表现出不同 的特性,具有独特的理化性质。
(1)水溶性和增稠性
黄原胶在水中能快速溶解,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型旋转黏度计Srnniif1时测得质量分数0.1%、0.2%、0J%、
0.7%、0.9% 的黄原胶黏度分别为 100 mPa-s、480 mPa-s、1300 mPa-s、5400 mPa-s 和8600 mPa.s。从测试结果看出,黏度随浓度的递减而不成比例地降低,且质量 分数0.3%是高低黏度的分界点。质量分数为0.1%的黄原胶黏度为1〇〇 mPa‘s左右, 而许多其他胶类在质量分数为0.1%时,黏度几乎为零。由此可见,黄原胶具有低
浓度高黏度的特性。
(2)悬浮性和乳化性
黄原胶因为具有显著的增加体系黏度和形成弱凝胶结构的特点而经常被用 于食品或其它产品,以提高0/W乳状液的稳定性。但麻建国的研究发现[9],溶液 中黄原胶的添加量达到一定量后,才能得到预定的稳定作用。在黄原胶质量分数 小于0.001%时,试验体系的稳定性变化不大;质量分数在0.01%〜0.02%时样品 底部富水层出现,但体系无明显分层;质量分数大于0.02%时,乳状液很快分层。 只有当质量分数超过0.25%时,黄原胶才能起到提高体系稳定性的作用。
(3)流变性
触变性或假塑性、剪切变稀性。黄原胶的水溶液,在受到剪切作用时,黏 度急剧下降,且剪切速度越高,黏度下降越快,如6 fmixf1时质量分数0.3%的黄 原胶黏度为1300mPa‘s,而GOrnnin'1时黏度还不到原来的1/3,仅为400mPa-s。
当剪切力消除时,则立即恢复原有的黏度。剪切力和黏度的关系是完全可塑的 当黄原胶与纳米微晶纤维素复配时,能在水中形成高强度的全天然生物胶,其触 变性变得更强111]。
(4)热稳定性和酶稳定性
黄原胶水溶液的黏度在l〇°C〜8(TC几乎没有变化,即使低浓度的水溶液在很 广的温度范围内仍然显示出稳定的高黏度,这不同与其它的多糖溶液。黄原胶溶 液在一定的温度范围内("4°C〜93°C)反复加热冷冻,其黏度几乎不受影响[7]。通 常的微生物酶类或工业酶类,如蛋白酶、纤维素酶、果胶酶或淀粉酶对黄原胶没 有作用[12]。
(5)酸、碱、盐稳定性
黄原胶溶液对酸、碱十分稳定,在酸性和碱性条件下都可使用。在PH值2〜 12黏度几乎保持不变。虽然当pH值等于或大于9时,黄原胶会逐渐脱去乙酰基, 在pH值小于3时丙酮酸基也会失去,但无论是去乙酰基或是丙酮酸基对黄原胶溶 液的黏度影响都很小[4],即黄原胶溶液在pH值2〜12黏度较稳定。所以对于含高 浓度酸或碱的混合物,黄原胶是一个很好的选择。在多种盐存在时,黄原胶具有 良好的相容性和稳定性,它可在质量分数为l〇%KCl、10%CaCl2、5%Na2C03溶 液中长期存放(25°C、90 d),黏度几乎保持不变。
1.1.2及其性质
1.1.2.1瓜尔胶简介
瓜尔胶(Guar gum)是从印巴次大陆的一种S■科植物瓜尔S■中提取的一种多 糖。瓜尔胶是中性多糖,相对分子质量约20〜30万,就分子结构(见图1-2)来 说它是一种非离子多糖。它以P-l,4-D-聚甘露糖为分子主链,侧链则由单个的a-D- 半乳糖以P-1 -6糖苷键与主键相连接。在主键上平均每两个甘露糖单位中有一个 半乳糖单位在C-6位与之相连,甘露糖对半乳糖之比为1.8:1(约为2:1)。半乳糖的 分布是随意无规则的,因为在其主键的有一些区段上并没有半乳糖,而在另一些 部分则是高取代区。尤其在离子强度很低的情况下,这种均匀无分支的区段被认 为能与黄原胶形成聚合物,结果产生弱的黏度增效作用。
瓜尔胶最大的特点就是它与纤维素的结构非常相似,这种相似性使它对纤 维素有很强的亲和性。在应用时,瓜尔胶比刺槐豆胶(被广泛地用于工业生产)更 容易水化;在化学组成上瓜尔胶的分支单元数是刺槐豆胶的2倍,并且瓜尔胶直 链上没有非极性基团,大部分伯羟基和仲羟基都处于外侧,半乳糖支链并没有遮 住活性的醇羟基,因此具有更大的氢键活性。
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为了赋予瓜尔胶更好的使用性能,可以采取对瓜尔胶原粉进行化学改性的方 法,即在分子链上引入阳离子基团生产阳离子瓜尔胶。阳离子瓜尔胶在冷水中可 溶,这与阳离于淀粉相比是一个很大的优势。
1.1.2.2瓜尔胶的理化性质
(1)溶解性和增稠性
在冷水中就能充分水化(一般需2 h),能分散在热水或冷水中形成粘稠液,1% 水溶液的黏度在4000〜5000mPa.s之间,具体黏度取决于粒度、制备条件及温度, 为天然胶中黏度最高者。分散于冷水中约2 h后呈现较强黏度,以后黏度继续逐 渐增大,24h达到最高点,粘稠力为淀粉糊的5〜8倍。加热则迅速达到最高黏度, 胶溶液的黏度随胶粉粒度直径的减小而增加;水化速率则随温度的上升而加快, 如果经85。(:制备,lOmin即可充分水化达到最大黏度,但长时间高温处理将导致 瓜尔胶本身降解,使黏度下降。瓜尔胶溶液pH值在8〜9时可达最快水化速度,
然而大于10或小于4则水化速度很慢[13]。因此,在应用时应等瓜尔胶充分水化后 再调节溶液的pH值。同样,溶液中有蔗糖等其它强需水剂存在时,也会导致瓜 尔胶的水化速率下降。实际应用中,也应等瓜尔胶充分水化后再添加蔗糖。
一般而言,0.5%以上的瓜尔胶溶液已呈非牛顿流体的假塑性流体特性瓜尔胶 的水溶液为中性,pH值变化在3.5〜10范围内对胶溶液的性状影响不很明显,— 般在pH值3.5〜6.0范围内随pH值降低黏度也有所降低,pH值3.5以下黏度又增 大,在pH值为6〜8范围内其溶液黏度可达到最大值,pH值在10以上则黏度迅速 降低。
瓜尔胶是一种溶胀高聚物,对它来说水是唯一的通用溶剂,不过也能以有限 的溶解度溶解于与水混溶的溶剂中,如乙醇液中。
(2)稳定性
此外瓜尔胶具有良好的无机盐类兼容性能,耐受一价金属盐,如食盐等的浓 度可高达60% ;但高价金属离子的存在可使溶解度下降。在控制溶液PH值的条 件下,瓜尔胶能与交联剂,如硼酸盐、金属离子等反应,可生成稍带弹性的粘质, 瓜尔胶还能形成一定强度的水溶性薄膜。与其他多糖类物质一样,瓜尔胶及其衍 生物在pH值3或以下的酸性溶液中会降解,被水解的是糖苷键,结果黏度急速 丧失。在轻度偏碱的pH值下,链段还原末端P-位的切断反应,使链缓慢缩短,这 —过程比酸水解要慢。瓜尔胶加热至很高温度时可导致热降解,瓜尔胶溶液加热 至80〜95°C并持续一定时间,就可丧失黏度。
(3)与其它胶的协同作用
瓜尔胶是直链大分子,链上的羟基可与某些亲水胶体及淀粉形成氢健,瓜尔
胶与小麦淀粉共煮可达更高的黏度,瓜尔胶能与某些线型多糖,如黄原胶、琼脂 糖和K-型卡拉胶相互作用而形成复合体,瓜尔胶与黄原胶有一定程度的协同作 用,但与卡拉胶则无协同效应。这种相互作用比之槐豆胶则相对较弱。在低离子 强度下,与阴离子聚合物和阴离子表面活性剂配合后有增强黏度的协同作用。这 些阴离子化合物被吸附在中性聚合物上,并因此而扩大了瓜尔胶的分子。这是在 所吸附的带阴离子的功能基团之间发生相互排斥的结果。如加入电解质,导入相 反的离子则中和了阴离子电荷,并因而破坏了协同作用。
 
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