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黄原胶在水溶液中的构象转变及其流变学

发布日期:2015-07-17 11:33:05
黄原胶在水溶液中的构象转变及其流变学
生物多糖是一种有新颖功能特性的新型生物聚合物。生物多糖在可再生的物化性 质方面以及可作为一些材料的常规来源方面的应用前景使其具有很大的潜在优势。黄 原胶(xanthan)即是一种典型的生多糖代表。在发现黄原胶以前,工业利用的多糖 类胶体主要来自于植物材料和海藻。自从开发了黄原胶以后,由于微生物多糖的特性 更为优良,具有耐酸碱、耐盐、耐酶解的能力,因此开辟了胶体物质新的来源。尽管 价格比较昂贵,自从60年代末开始应用以来,黄原胶作为一种具有独特功能特性的 细菌性生物多糖,已经占据了增稠剂、稳定剂等食品添加剂的主要市场。
1959年,在美国农业部(USDA)的一个关于以谷物淀粉中获得的糖为碳源的新 微生物多糖研宄项目中,伊利诺斯州皮奥里尔北部研宄所(NRRL)分离得到甘蓝黑 腐病黄单胞菌,并使甘蓝提取物转化为水溶性的酸性胞外杂多糖而得到黄原胶。经过 严格的毒物学测试和安全研宄,人们发现黄原胶的毒物致死量(LD50)无法确定,长 期的服用也没有导致任何不利反应,而且对皮肤和眼睛没有刺激作用。所以黄原胶于 1969年正式被美国FDA批准为食品添加剂,开始广泛应用于食品领域。1971年至 1977年欧洲一些国家也先后批准黄原胶作为食品添加剂,1983年联合国粮农组织和 世界卫生组织(FAO / WHO)批准黄原胶正式作为世界范围的食品添加剂。
黄原胶(xanthan)又称汉生胶,是由野油菜黄单胞杆菌(xanthomonascampestris) (又称甘蓝黑腐病菌)分泌的一种胞外阴离子多糖。它是国外上世纪60年代末开始 应用的一种功能性水溶胶。1961年,Jeans等人首先发现了黄原胶独特的功能特性[1], 随后在同年,CPKelco成为第一个采用发酵法将黄原胶商业化生产的企业。从那时开 始,黄原胶就因其优良的物化性质一一分散液的高粘度、触变性、稳定性等,被关注 和研宄,并在食品工业、采油、涂料等诸多方面得到了广泛的应用。
黄原胶在水溶液中具有良好的假塑性能,粘度随着剪切速率的上 升迅速下降。当黄原胶浓度上升时,其粘度增大,达到一定浓度时黄 原胶形成可逆的弱凝胶结构。这种结构在剪切力作用下迅速被破坏, 在停止剪切后能够逐渐恢复。
天然黄原胶通常为较规整的双螺旋结构,加热下会发生从螺旋到 无序链的构象转变,随之进行的冷却处理能够使黄原胶恢复成不完整 的双螺旋链,这个过程在本文中以模量随温度变化的曲线来表示。一 般情况下,在加热过程中,随着温度的上升,螺旋不断解开成为无序 链,因而体系刚性降低,模量逐渐下降,加热时间的长短和加热温度 的大小能够影响其分子链解开的程度;在冷却过程中,无序链重新缠 结成螺旋,因而体系模量逐渐恢复。由于最后形成的螺旋相对并不完 整,所以经过处理后的黄原胶溶液粘度会有所下降。整个加热-冷却 处理过程中模量变化最剧烈的温度区间称为构象转变温度Tm。然而, 本文所研究的八种黄原胶水溶液不仅在粘度、模量上差异显著,而且 在热处理过程中所表现出的构象转变过程也各不相同。其中型号为 200、clear80、80和tsc的黄原胶较为特异:clear80和80没有明显的 Tm,200在冷却过程中模量反常的增高,tsc则在加热之后假塑性增 强。这可能与它们本身所含取代基和离子有关。
通过加入不同的电解质(六偏磷酸钠、氯化钾和氯化钙),比较TSC (含离子和丙酮酸基团较少)与80 (含离子和丙酮酸较多)的流 变学性质和构象转变,大家研究了电解质对黄原胶结构和构象转变的 影响。钠、钾、钙等阳离子尤其是钙离子在黄原胶的双螺旋结构中起 着很重要的作用。黄原胶的构象转变过程受阳离子的影响也十分显 著。低浓度的阳离子对体系并没有明显的作用,当浓度足够高时,它 们可以中和黄原胶侧链上的排斥电荷,从而使得分子链变得柔顺,体 系的粘度下降;此外,它们能够在分子链间构建盐桥,有助于黄原胶 双螺旋结构的形成,从而使得螺旋的规整度提高,体系模量增大。
 
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