黄原胶溶液流变特性及应用研究进展:
黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,黄原胶是以甘蓝黑腐病野油菜黄单胞菌士的菌株B-1459为生产菌,经好氧发酵生 物工程技术产生的一种髙粘度水溶性微生物胞外多糖[1]。1969年美国FDA批准在食品中应用黄原胶,1983年 世界卫生组织和国际粮农组织批准黄原胶可作为食品工业中的稳定剂、乳化剂、增稠剂[2]。1992年中国颁布黄 原胶作为食品添加剂的国家标准。由于它具有独特的流变性、良好的水溶性、对热及酸碱的稳定性,与多种盐类 有很好的相容性,作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂,可广泛应用于食品、石油、医药等20多个行业,是目前 世界上生产规模最大且用途极为广泛的微生物多糖。
1黄原胶溶液的流变特性
黄原胶是一种类白色或浅黄色的粉末,是目前国际上集增稠、悬浮、乳化、稳定于一体,性能较为优越的生 物胶[3]。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[<]。黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,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[5~7]。
1.1假塑流变性
黄原胶溶液是一种典型的假塑性流体,其溶液黏度随剪切速率的增加而明显降低。在高剪切速率下,聚合 体结构解聚为无规则线团结构,使黏度迅速降低;当剪切速率解除时,分子结构又恢复到双螺旋网状聚合体状 态,使溶液黏度瞬间恢复到最大。
1.2增稠性
黄原胶具有良好的增稠性能,特别是在低质量浓度下具有很高的黏度。0.3 g/L的黄原胶溶液产生0.09 Pa • s的有效黏度,黄原胶溶液的黏度是同质量浓度下明胶的1〇〇倍。
1.3稳定性
黄原胶溶液在一定的温度范围内(一4〜93‘C)反复加热冷冻,其黏度几乎不受影响,10 g/L黄原胶溶液由 25‘C加热到120'C,其黏度仅降低3%。黄原胶溶液对酸碱十分稳定,在pH5〜10其黏度不受影响。能和许多盐 溶液混溶,黏度不受影响。它可以分别在1〇〇 g/L KC1,100 g/L NaCUlOO g/L (:3(:12和50 g/L Na2C03溶液中 长期存放90 d(25’C),黏度几乎保持不变3午多酶如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和半纤维素酶等都不能使黄原胶 降解。
1.4悬浮性和乳化性
由于黄原胶理化性质稳定,因而具有良好的悬浮性和乳化性^ 10 g/L的黄原胶溶液具有约5X10—N/cmz 的承托力。黄原胶借助于水相的稠化作用,可降低油相和水相的不相溶性,能使油脂乳化在水中,而它可在许多 食品饮料中用作乳化剂和稳定剂。
1.5与増稠剂的协效性
黄原胶可与大多数合成的或天然的增稠剂如和槐豆胶、瓜尔胶、卡拉胶及縻芋胶等互溶混溶后使混合胶黏 度显著提高。
2黄原胶的应用
2.1黄原胶在食品工业中的应用
黄原胶在食品工业中是理想的增稠剂、乳化剂、成型剂等,黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,在某些苛刻条件下(如pH3〜9,温度80〜 130 C),它的性能基本稳定,比明胶、CMC、海藻胶、果胶等优越。在《食品添加剂使用卫生标准(1988年增补品 种)(GB2760 — 88)》中规定,食品级黄原胶的使用范围及最大用量,面包、冰淇淋、乳制品、肉制品、果酱、果冻中 最大用量为〇. 5〜1. 0 g/kg,饮料是0. 1 g/kg。在1996年修订版(GB2760—1996,卫生部1996年12月29日批 准1997年2月1日实施)中规定,在面包、乳制品、肉制品、果酱、果冻、花色酱汁中的最大用量是2_0g/kg;冰棍、 冰淇淋中的最大用量是10.0 g/kg;饮料是1.0 g/kg。可见,食品级黄原胶的使用范围和最大使用量,随着我国 对该产品的了解,也在不断扩大。
黄原胶作为蛋糕的品质改良剂,可以增大蛋糕的体积,改善蛋糕的结构,使蛋糕的孔隙大小均勻,富有弹 性,并延迟老化,延长蛋糕的货架寿命[8]。奶油制品、乳制品(如冰淇淋、冰冻牛奶、果子露、冰冻果汁、干酪等)中 添加少量黄原胶,可改进质量,使产品结构坚实、易切片,更易于香味释放,口感细腻清爽。用于饮料(加人 0.025%〜0. I7%),可使饮料具有较好的口感,赋予饮料爽口的特性,使果汁型饮料中的不溶性成分形成良好 的悬浮液,保持液体均匀不分层;加人0.02%〜0.06%的黄原胶和0.02%〜0.14%的CMC,可使柑橘属果肉悬 浮。调味料:黄原胶已广泛用于制造浇注型沙拉调料作为稳定剂;当无乳时,黄原胶又兼有乳化稳定作用,含有 0. 25%〜0. 3%黄原胶的调味料,其稳定期大大延长并由于其高度的假塑性而能增加口感,提高食品质量。加入 啤酒可使其产泡效果极佳。加人0.2%黄原胶于焙烤食品中,可保持食品的湿度,抑制其脱水收缩,延长贮存 期[9用于果冻,黄原胶赋予其软胶状态,加工填充物时,使果冻的粘度降低从而节省动力并易于加工。用于糖 果、蜜饯:在加工淀粉软糖和蜜饯果脯等配方中加入0.05%的黄原胶和槐豆胶可得到极好的效果,改进加工性 能,大缩短加工时间;含有0.05%〜0.75%黄原胶的巧克力液体糖果,贮藏稳定性大为提高[1°]。方便面中加人, 可提高加工过程的成品率,减少产品断碎干裂,改善口,使产品有咬劲等。它还广泛用于罐头、火腿肠饼干、点 心、肉制品等产品中[11]。
2.2黄原胶在日用化学工业中的应用 2.2.1 在化妆品行业中的应用
黄原胶在化妆品行业中的最重要用途是用于牙膏生产。黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,其优良的剪切稀化流动行为使牙膏易于从管中挤 出和泵送分装。黄原胶是所有类型牙膏的优良结合剂,其易于水化、优秀的酶稳定性有利于生产出均匀稳定的 产品,改良产品的延展成条性[12]。对护肤霜和乳液,黄原胶能提供优良的稳定性。黄原胶静置时的高黏度有利 于个人护理产品中均匀分散油相的稳定,擦用时的剪切变稀性质则提供了良好的润滑和爽肤作用⑴]。黄原胶 还可以作为遮光剂用于防晒类护肤品中,使皮肤免受紫外线的伤害[14]。另外黄原胶也可以作为增稠剂在低pH 值和高电解质存在的条件下用于美白化妆品中[15]。黄原胶用于眼影中可以使眼影具有流体结构、良好的稳定
性,更重要的是可以让眼影在45 C条件下保存两个月[1«,香波由于易于使用和在头发上易于扩散而被人们广 泛接受。但是,当洗发香波里含有小尺寸颗粒活性成分时,这些颗粒的悬浮和沉积就会带来各种问题。这时如 果加入少许黄原胶就可以改良香波的流动性质,悬浮不溶性色索和药用成分,产生稳定、丰富、细腻的奶油状泡 沫,而且在广范围pH值内与表面活性剂及其他添加剂有协同作用[17]。有专利报道了用黄原胶改善去屑香波里 硫化硒的沉积性[18],稳定香波里分散、不溶、非挥发的硅树脂相[19]。经过热处理后的黄原胶作为固定剂用于头 发化妆品中比其他固定剂具有更多的优点,包括流变改进,突出的硬度、光泽等[2°]。
2.2.2 在其他曰化工业中的应用
2. 2. 2.1清洗剂黄原胶的触变性能使淸洗剂可以长时间粘着在长垂直污物的表面,使具有去污作用的表面 活性剂更好地发挥效用。另外,利用黄原胶对强酸和强碱的稳定性及增粘性,还可以制造工业用的酸性和碱性 清洗剂。例如,欧州专利介绍的洁洁浴缸和其它硬表面用的酸性微乳液复配物除含阴离子表面活性剂,非离子 表面活性剂和其它添加剂外,也含有黄原胶,该微乳液可喷洒和剪切稀化,可粘着于垂直墙上,可除去肥皂污 垢、石灰垢和油脂等,但不损伤表面[2122]。
黄原胶是具有优良理化性质的水溶性髙聚物,黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,所以很多学者都把两性离子表面活性剂和黄原胶作为研究体 系,如徐桂英等[23]研究了两性离子表面活性剂甜菜碱和黄原胶的相互作用,发现黄原胶的存在减少了甜菜碱微团 中胶束的聚集数,原因可能是黄原胶的存在增加了阴离子胶束中表面活性剂的离子化程度。这样的混合体系,不 仅兼具阴离子和阳离子表面活性剂的性质,而且毒性低,对皮肤、眼睛比较温和,水溶性好,对硬水的抵抗性好,易 生物降解,所以常用于液体洗涤剂、洗发香波、浴液、餐具洗涤剂、蔬菜水果洗涤剂及抗静电剂等产品。
2. 2. 2. 2擦光剂因黄原胶能提供固体物的悬浮作用,所以可用于皮鞋擦光剂。另外,在银器皿和黄铜器皿的 擦光剂中,黄原胶能悬浮研磨料。在蜡质擦光剂中,黄原胶能使乳化作用更加稳定。
2. 2. 2. 3除臭剂[〜将授有香料的黄原胶、糊精和CMC等水溶性树脂与高吸水树脂混合,即可制得吸水后 散发香味,又敝臊臭气味的除臭剂。
2.3黄原胶在石油工业和纺织工业中的应用
我国油田用化学品主要是聚丙烯酰胺、CMC、变性淀粉等,造成打井成本高、出油率低。黄原胶在增黏、增 稠、抗盐、抗污染能力等方面远比其他聚合物强,尤其在海洋、海滩、高卤层和永冻土层钻井中用于泥浆处理、完 井液和三次采油等方面效果显著,对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷和大幅度提高采油率 等方面都有明显的作用[25]。黄原胶与磷酸酯化度在〇• 〇3〜〇• 50的刺槐豆胶混合使用时可以取得更好的效果。 黄原胶应用于印染工业,可作为染料和颜料的悬浮剂、印染控制剂,控制印染泥浆的流变性质,防止染料的迁 移,使图纹清晰,与浆中的多数成分可以互溶,其自身的洗出特性也卓有成效•因此,黄原胶广泛地应用于地毯 及丝绸等印染行业中[26]。
2.4黄原胶在陶瓷和搪瓷工业中的应用
黄原胶在低浓度时的流变性能能使瓷釉中的不可溶成分较长期地悬浮,与瓷釉成分互溶,可防止粉碎性瓷 轴成分的成团,并缩短研磨时间。同时也可控制干燥时间,降低炉温,并相应减少斑点等缺陷,大大改进陶瓷加 工工艺,提高产品质量[27]。
2.5黄原胶在其他方面的应用
黄原胶在医药工业可作为药物生产中乳液和悬浮液的乳化稳定剂,黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,使药剂均匀一致。在农业上黄原胶用作 农药乳浊液的稳定剂和悬浮剂,喷雾时能控制微液滴的大小和防止漂移,使药物很好地粘附于植物叶面,延长 了药物成分与庄稼的接触时间,并耐雨水冲刷[28]。用于浆状炸药可提高其稠度,与瓜儿胶一起使用可改善其热 稳定性。据统计,美国每年生产的黄原胶30%用于食品工业,70%用于其他工业 3黄原胶的发展前景和研究方向
目前,世界黄原胶产量约5万t/a,且每年的产量还以8%的速度递增。由于黄原胶具有多种功能,在同一种 产品中使用可同时产生两种或两种以上的功效,是一个市场潜力大、生产开发前景好的微生物多糖。从国内产 销情况来看,每年生产的几千t黄原胶,大多数用于食品工业,其他工业领域的应用仅限于石油等少数几个行 业,占总市场份额也很小[3°]。而在国际市场上,黄原胶不仅在食品工业中有着广泛的应用,在石油钻探、三次采 油、纺织、印染、陶瓷加工、涂料、炸药、湿法冶金、医药、农药和化妆品等行业中都有着广泛的应用。与国外相比, 应加强对黄原胶的性质以及在各个行业中应用的研究。有关我国黄原胶今后的开发研究,笔者认为可从以下几 个方面考虑。 3.1新菌种的选育和生产新技术的研究
目前国际上已有报道,黄原胶生产菌株的产胶基因已分离确定。通过基因工程技术,能够培育出具有强大 产胶能力的新菌种。一旦投入生产,黄原胶的生产水平将会有极大的飞跃。我们也应该从现在开始,采用最新 技术,定向改造黄原胶的生产菌株。
3.2后提取技术
在黄原胶的生产成本中,后处理费用约占总成本的50%〜60%。因此,寻找高效的、经济实用的提取技术和根 据不同的应用领域,研制不同剂型、不同性能的黄原胶产品是从事黄原胶产业的科技人员一个重要的研究课题。 3.3市场的培育引导
由于黄原胶应用覆盖面广,更需要研制针对不同领域的系列产品以适应市场需求。在国外,黄原胶常常是 与其他胶类复合使用的,厂家一般针对用途起出不同的商品名,价格也有较大的差异。国内厂家这方面做得不 是太恰当,用户常常分不清是复配产品还是纯黄原胶,这样容易造成市场混乱。
另外,应加强黄原胶在医药学方面的研究,深人探讨黄原胶的药理作用,黄原胶溶液流变特性及应用研究进展,把黄原胶应用于各食品中,增加食 品的附加值;同时,随着高分子技术的发展,要更广泛地研究黄原胶与其他食品胶的增效作用,了解其作用机 理,以期找出性质更优良、应用更广泛的复合胶。
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