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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:2014-12-05 11:06:39
阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究先容
阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究
阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究,阳离子瓜尔胶3■氯-2羟丙基三甲基氯化铵与黄原胶共混产生协同效应,生成凝胶.研宄了共混比例 r= m.(Cf> 40): m(黄原胶),共混温度,体系盐离子浓度,恒温时间及pH值对凝胶化的影响.结果表明,当多糖总浓 度为4%,共混比例为20 80,共混温度为60°C,盐离子浓度为1.0mol,L-1,恒温时间为30 min时,可达最大凝胶 强度值;最适pH值为7.0.并从FT IR谱图上分析了这两种多糖共混凝胶化的作用机理.
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.将不同的多糖进行共 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.它以氏(1+4)键连接的聚 D-吡喃甘露糖为主链,D-吡喃半乳糖支链以〇^( 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D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄 糖醛酸、丙酮酸和乙酸组成的重复单元经氏(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,也只能得到増稠溶胶.赵谋明等13]研究 了黄原胶与瓜尔胶之间的协同效应;陈运中[4],刘 良忠等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购自上海高维化学有限企业;黄原胶购 自武汉食品原料企业;氯化钠,盐酸,氢氧化钠均为 化学纯,2%(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);JB50D型増力电动 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(5 °C)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 25 °C)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.
取一定量的干燥的CG-40,黄原胶和共混凝胶 粉末用KBr压片法测定FTIR谱图. 
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- 共混比例 r= m( CG-40): m(黄原 胶)分别为 10: 90, 20: 80, 30: 70, 40: 60,50 50, 60: 40, 70 30, 80: 20在80 °C制得共混凝胶,测得凝胶强
度(G)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的逐渐増 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的量増加时,阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究, 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.
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2 8 4 2 11
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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FT IR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 cm- 1和3 353 cm- 1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
 
图2 CG-40,黄原胶及共混凝胶的FTIR谱 a觀尤 c. r= 8(°f(0; d. r= UnicPub
得到了一定的増强.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(Tp): 13, 20, 40, 50, 60, 70, 80, 100 °C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°C范 围内,凝胶强度迅速増大;60 °C时达最大值;温度高 于60 °C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(Tm)为42°C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 Tp> Tm时,黄原胶中的无序分子才逐渐増多,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,无序分子就不断増多,这两种多糖分子协同效 应明显増强,并在60 °C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°C.
表1不同温度下制得共混凝胶的强度 T/ "C1320405060 7080100
G/g* an- 21 021182 2524 62 74 26 22 36224
2. 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- r= 20 80,测得不同温度下共混溶胶的粘 度(ri/ mPa* s)如表2所示.从表2可知,在30~ 80 °C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 凝胶化能力増强.
表2共混溶胶在不同温度下的粘度
TpTC304050607080
lg[ n/mPa* s]4.0794.04 94.0043. 96 8 3.914 3.785 
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r = 20 80,加入不 同浓度盐离子:0.8, 1.0, 1.2,1. 4,1.6, 1.8,2. 0 mol •L— 1在60°C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60°C共混.由于CG-40上的 一N+(CH3)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+…一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,阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究,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 mol* L— 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Tm升高[9’101,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—
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Tg如表3所示.从表3可知,在 0. 8~ 2. 0 mol* 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
表3不同盐离子浓度凝胶的熔化温度 c /mol*L— 10.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Tg/ °C 89. 0 90.5 92. 0 94.0 9 3. 5 95.5 96. 0
子浓度为1. 0 mol* L— 温度60 °C,分别在不同t旦温 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,旦温时间为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.
 
图4恒温时间对凝胶强度的影响
2.5 pH值对凝胶化的影响
多糖总浓度为4%,共混比例r= 20: 80,盐离子 浓度为1. 0 mol* L— 用盐酸和氢氧化钠调pH值分 别为:3. 0, 5. 0, 7. 0, 9. 0, 10. 5, 12. 0 和 14. 0,放入
60 °C水浴中恒温30 min制得凝胶,阳离子瓜尔胶与黄原胶的凝胶化性能研究,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.
多糖总浓度为4%,共混比例r= 20: 80,盐离
 
图3盐离子浓度对凝胶强度的影响
 
图5 pH值对凝胶强度的影响
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
凝胶强度很低.随着pH值的上升,黄原胶上的 -COO-増多,分子内相互间的排斥力也増大,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 之増大.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NaCl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4%,共混比例r= 20: 80,盐离子浓度为1. 0 mol* L- 在60 °C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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