黄原胶亦称汉生胶或苫屯胶，白色或米黄色， 是由野油菜黄单孢菌以碳水化合物为主要原料， 经过发酵生产的一种微生物胞外酸性杂多 糖[，2].其分子主要由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛 酸、乙酰基和丙酮酸组成，相对分子量在2 x 106 -5x107 之间.

黄原胶具有优良的増稠性和水溶性，对温度 和！H值的稳定性，良好的假塑性以及很好的悬 浮能力和乳化能力.据国外报道，其应用覆盖二十 多个行业的数十种产品，且市场对于黄原胶的需 求每年以7% - 8%的速度増加[3].因此，具有广 阔的市场前景和巨大的商业价值.目前美、英、法、

日、德等均大量生产黄原胶，形成五十余种产品规 格，黄原胶流变学性质的实验研究，广泛应用于食品、石油、医药、矿产等领域.国 内外研究者对黄原胶的流变学行为阐述较多，而 系统研究相对较少.本文以不同浓度黄原胶水溶 液为对象，研究黄原胶的流变学性质，对实际发酵 工艺和动力学研究具有一定的指导意义;对于设 计、优化和控制这类产品生产过程，提高发酵效率 和产品性能也具有重要的理论意义和现实意义.

1实验方法

1 1测量体系及方法

在21 °C条件下研究黄原胶水溶液流变学曲 线.称取一定量黄原胶，黄原胶流变学性质的实验研究，溶于200mL蒸馏水中，配 成不同浓度黄原胶溶液，8 h之后测量，浓度分别 为：2 4, 6 8 10 12, 14 16 18 2Q 22, 24 26 28 30g/I;本实验采用DV- 2+ PRO型数字式粘度 计，其配有相应软件，剪切力T剪切速率Y以及 粘度U可由计算机直接读出.

12仪器及材料

黄原胶，淄博中轩股份有限公司；DV- 2 + PRO数字式粘度计，上海尼润智能科技有限公 司；AR3120型电子天平，Ohaus Corporation—

2结果与讨论

21黄原胶粘度与浓度的关系

黄原胶溶液粘度随着浓度的増加近似呈线性 上升趋势，如图1所示，即在相同剪切速率条件下 (以Y= 32 1 s-1为例），黄原胶粘度随浓度的増 大而均匀増加.对其进行线性回归，可以得到： 

U= - 0 311 + 0 118Cp,相关系数 R2 = 0. 992 〇< Cp < 30 g/L

越大，剪切稀化效应更为显著.

3.0

2.5

 

051015202530

Qg.L-丨

图1在Y= 32 1 s-1条件下黄原胶溶液粘度与浓度的关

系

Fig 1 Relationship between viscosity and concentration of xanthan gum solitions at Y= 32. 1s-1

1200 1000 ,800 600 400 200

"++ P〇〇0〇°

^°n°

/AAAAAAA

A A ,A A , A . A <f>.

A

2g/L

6 g/L

8p/L

12g/L

14g/L

16g/L

18p/L 20g/L 24 g/L 28 g/L 30 p/L

0

2030

y/s'1

4050

因此，在黄原胶发酵过程中，特别是发酵后 期，黄原胶流变学性质的实验研究，由于黄原胶的积累，发酵液的粘度随黄原胶浓 度的增加而进一步增大，导致体系中溶氧、传质和 混合比较困难，从而不利于黄原胶产量和质量的 提高.这对发酵工艺的改善、新型生物反应器的开 发及其内部构件（搅拌桨、气体分布器等）的优化 提出了迫切要求.

2 2黄原胶溶液流变特性

将实验测得的不同浓度黄原胶水溶液的剪切 力与剪切速率、表观粘度与剪切速率描绘成图，见 图2和图3所示.黄原胶溶液浓度较低时,呈现明 显的牛顿性流体特征，黄原胶流变学性质的实验研究，剪切力与剪切速率为线性 关系，剪切速率对粘度几乎没有影响；随着黄原胶 浓度的增加，溶液逐渐呈现典型的假塑性非牛顿 流体特征[5],剪切力随剪切速率增大而增加的程 度越来越小,表观粘度随着剪切速率的增加而迅 速减小.从分子水平角度来解释:一般认为，黄原胶流变学性质的实验研究，黄原 胶分子的带电荷侧链反向缠绕纤维素主链，形成 类似棒状的一级刚性结构;黄原胶分子间靠氢键 形成双股的二级螺旋立体结构；双股螺旋结构间 靠微弱的非共价键结合，形成三级螺旋聚合体结 构[4].在高剪切速率下，三级聚合体结构解聚为 一级刚性结构，因而溶液粘度迅速下降，当剪切速 率解除时，分子结构又恢复到双螺旋聚合体状态, 使溶液粘度恢复到最大[2].另外,黄原胶浓度越 高，流体假塑性越强，同样剪切条件下的表观粘度

图2黄原胶溶液剪切力与剪切速率的关系

Fig. 2 Relationship between shear stress and shear rate of xanthan gum solutions

30 r

 

203040

•y/s"1

图3黄原胶溶液表观粘度与剪切速率的关系

Fig. 3 Relationship of apparent viscosity and shear rate of Xanthan gum solutions

根据以上分析，黄原胶的粘度随着浓度的增加而 增大且剪切稀化效应越来越显著.这在实际黄原 胶发酵过程中，从提高传质混合效果角度,对搅拌 桨的选取具有一定的参考价值，可以考虑选用宽 粘度域、剪切能力较强、又具有一定循环能力的搅 拌桨或组合桨.从而在整个发酵过程中，该桨都能 够有效地促进全釜混合，同时由于其较强的剪切 能力，使发酵液得以剪切稀化，因而有利于促进传 质，提高溶氧浓度水平.

2 3稠度系数K和流变参数n与溶液浓度Cp的 关系

随着黄原胶浓度的增加，黄原胶溶液由牛顿 性流体转变为假塑性流体,而假塑性流体通常可 用幂律方程来描述.剪切力T与剪切速率Y的关 系可以表示为

T=T0+K，，⑴

式中:K为稠度系数，Pa* s"; n为流变参数，无量 纲.对于牛顿性流体： = 0 n = 1•对于假塑性流 体：TQ= Q„< 1[6].对式（1)两边取对数可得

]nT = lnK + n lnY.(2)

可见，lnT与]nY呈线性关系，直线的斜率为^截 距为lnK.

将实验所得的稠度系数K和流变参数n分 别对黄原胶浓度Cp作图，见图4由图4可知，稠 度系数K整体上随着黄原胶溶液浓度的增加而 增大对于流变参数n与Cp的关系，可以分为Q < Cp< 8 g/L和 8g/L<Cp <3Q g/L这两区域来 讨论：当Q< Cp < 8 g/L时，n值随着黄原胶浓度的 增加而急剧下降；当8 g/L< Cp <3Q g/L时，n值 略有上升,而后趋于定值，如图5所示.

 

051015202530

c^i-1

图4稠度系数A：与浓度Cp的关系

Fig. 4 Relationship between consistency index K and con centration Cp 0.4 r

0.3 ■♦

 

0.1 ■

051015202530

Qg.L-丨

图5流变参数n与浓度的关系

Fig. 5 Relationship between flow behavior index n and con¬centration Cp

根据图4和图5K和n可以分别描述为黄原 胶浓度Cp的函数,经过回归得到：当Q< Cp < 3Q g/L时,K= 1 128Cp1 572,对应相关系数为Q 955 对于流变参数n分为两区域来考虑，当Q< Cp < 8 g/L时，n= Q 485- Q 16lnCp;当 8 g/L< Cp <3Q g/L时，n= Q Q75+ Q Q41lnCp,对应相关系数分别 为 Q. 97 和 Q 91

3结论

(1)在实验浓度Q< Cp<3Q g/L范围内，黄 原胶水溶液的粘度与浓度呈线性关系，黄原胶流变学性质的实验研究，可用方程 U= - Q 311+ Q 118Cp 来描述.

(2)当浓度较低时，黄原胶溶液为牛顿性流 体；当浓度较高时，黄原胶溶液为假塑性流体，且 浓度越高，假塑性越强，剪切稀化效应越显著.

(3)随着黄原胶浓度的增加，稠度系数K由 小变大，流变参数n由大变小，且n始终小于1 根据以上分析，氏n主要受黄原胶浓度影响，因 而可以描述为Cp的函数，关联式为

K = 1. 128C,! 752, Q< Cp <3Q g/L, n = 0 485- 0 16lnCp, Q< Cp < 8 g/L, n= Q. Q75+ Q Q4lnCp, 8 g/L< Cp <3Q g/L