黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究：
黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，黄原胶（Xanthan Gum)是由甘篮黑腐病黄单胞菌 (Xanthomonas campestris)以碳水化合物，从化学结构来看，是 由D-葡萄糖、D甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸组成的“五 糖重复单位”聚合而成的生物高分子聚合物。在我国《食品天 加剂使用卫生标准》（GB2760-1996)中黄原胶可用于饮料、焙 烤食品等，是一种应用较为广泛的食品添加剂。但是由于黄原 胶水溶液的高假塑性和剪切稀化作用的影响，在实际应用中往 往达不到预期的效果。尤其是在饮料生产中黄原胶用量一般在• 0.05%〜0.2%,而对如此低浓度溶液的流变特性及影响因素的 专门研究国内外鲜见报道。本研究较系统地研究了浓度为 0.05%〜0.5%范围内黄原胶水溶液的流变特性及浓度、温度、 PH值和搅拌作用对溶液表观粘度的影响，黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，旨在为黄原胶在饮料 工业中的应用提供一些理论指导和技术参考。
1材料与仪器 1.1材料
黄原胶（分析纯），山东淄博中轩生物制品公司提供：
HCL及NaOH为分析纯；
实验用水为髙纯水。
1.2仪器
NDJ-1型旋转粘度计（上海天平仪器厂)；
NXS-11型旋转粘度计（成都仪器厂)；
CS-50丨型超级恒温器（重庆实验设备厂）；
型无级变速揽拌器（深圳天南海北公司）；
PHS-25型酸度计（上海雷磁仪器厂)；
6MC-3型电子交流稳压器（湖北宜昌电工仪器厂）；
HT-441型数字式手持转速计（上海转速表厂)。
2实验方法
2.1溶液表观粘度的测定
用NDJ-1型旋转粘度计测定溶液表观粘度。根据溶液粘度 大小选用合适的转子及转速进行测量。
2.2溶液流变学特性的测定
根据溶液的表观粘度选择NXS-1型旋转粘度计的A测量系 统进行测定，溶液温度由CS-501型超级恒温器输出的恒温循环 水控制在I5 ± 0 . rc，且保温30min以上。操作条件按仪器使 用说明书。
2.3浓度对溶液粘度的影响测定
用〜45 °C的髙纯水配制一系列浓度黄原胶溶液，黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，静置8h 以上，以使胶体充分溶解、水化。为减少称量误差，对过低浓 度的溶液采用高浓度稀释的方法配置。所有样点都平行配置三 份。测量时，用CS-501型恒温器输出的循环水将转子及试样保 温30min以上，使溶液和转子达到指定的温度再进行测试。
2.4温度对溶液粘度的影响测定
配制0.10%浓度的黄原胶溶液，用NDJ-1型旋转粘度计的 零号测量筒进行测量。通过调节恒温器上的温度计来改变循环 水温度，在达到测量温度点后保温20min再测试。
2.5 pH值对溶液粘度的影响测定
用合适浓度的HCI或NaOH溶液调整胶体溶液的PH值，黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，在 恒温15°C下测定粘度变化。溶液pH值的监测用PHS-25型酸度计。
2.6搅拌作用对溶液粘度的影响测定
将配制好的浓度为0.10%、0.30%、0.50%的黄原胶溶液分
表1黄原胶流变特性曲线数据
黄原胶
浓度转子转速 (r/min)剪切速率 D(l/s)系数K(Cp/ 格）al仪器读数a
a2 a3a (均）T =za(Pa) (z=0.2767)rj ap=Ka (cp)
0.10%65179.91.53866.46.46.31.749.69
112309.90.89298.699.28.92.467.95
152420.60.65791111.411.611.33.137.43
200553.40.514.214.615.214.74.077.35
260719.40.384618.61919.619.15.287.35
备注：1.采用NXS- 1型旋转粘度计的A系统测定；
2.溶液温度15 ± O.rC,转子与溶液共同恒温30min:
3.调到一定转速30〜40s后计数，总测量时间4〜5min.
别移取400ml置于若干内径80mm的烧杯中。用JJ-1型无级变 速搅拌器（叶片宽13mm、长60mm、曲度90度）在200 ±5iV min、800±10r/min、1600±30r/min三种转速下疮拌，间隔一 定时间取样。用NDJ-1型旋转粘度计的零号转子测量，转速12r/ min;或用1号转子测量，转速6r/min,视溶液粘度而定。实验 过程中试样由CS-501型超级恒温器保持恒温15°C。
图1黄原胶溶液的流变特性
3结果与分析
3.1低浓度黄原胶溶液的流变特性
图3浓度对黄原胶溶液表观粘度的影响
图2剪切速率对黄原肢溶液表观粘度的影响
浓度为0.1%的黄原胶溶液流变特性曲线数据见表1,其它 浓度的数据因篇幅所限从略。
浓度分别为0.10%、0.30%、0.50%的黄原胶溶液的流变特性 曲线见图1。黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，由图1可见，浓度为0.10%的黄原胶溶液流变特性 曲线呈牛顿流体特征，浓度为〇.3〇*、0.5Q%的黄原胶溶液流变 特性曲线呈假塑性流体特征121。三种浓度下的黄原胶溶液表观 粘度随剪切速率的变化曲线见图2。由图2可见，随着浓度的增 加，黄原胶溶液表观粘度随剪切速率变化的程度亦增加。溶液 浓度增髙，剪切稀化的程度加剧，从而表现出更强的假塑性流 体特征。此结论与R.A.Speer和M.A.Tung的研究结果一致[”。
3.2浓度对黄原胶溶液表观粘度的影响
对浓度为0.05%〜0.50*范围的黄原胶溶液，用NXS-n型 旋转粘度计在恒定剪切速率D=138.4 (丨/s)条件下测出其表观粘 度随溶液浓度的变化曲线见图3。由图3可见，在上述剪切速 率下，浓度在0.20%以上黄原胶溶液的表观粘度随浓度的增加 近乎呈线性变化。这主要是由于随着黄原胶浓度增加溶液剪切 稀化程度加剧造成的。
图4温度对黄原胶溶液表观粘度的影响
3.3温度对低浓度黄原胶溶液表观粘度的影响
0.10%浓度的黄原胶溶液在15〜55°C范围内表观粘度随温 度的变化曲线见图4。由图4可见，0.10*浓度的黄原胶溶液温 度从15°C增加到55X：,其表观粘度下降40*左右。R.A. Speer 的研究发现黄原胶溶液表观粘度随温度的变化还与溶液浓度 髙低有关，浓度越髙，表观粘度随温度变化越小131。但也有文
溶液粘度
ly
P
C
o o o o o o
溶液粘度(cp
7
pH
图
PH值对黄原胶溶液表观粘度的影响
10 15 2025303540 455055 60
温度rc )
图4温度对黄原胶溶液表观粘度的影响
160
搅拌时间（min)
(a) Q. 10%黄原胶溶液（b> Q. 30*黄原胶溶液
图6搅拌对黄原胶溶液表观粘度的影响
献认为黄原胶溶液的表观粘度不受温度的影响|4'51。本实验表 明，浓度矣〇. 10%的黄原胶溶液流变特性已呈牛顿流体特征，其 粘度随温度的升髙而降低，符合牛顿流体变化规律121。
降，说明其溶液的剪切稀化作用具有瞬时恢复性。黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，这一特点显 示，在生产实践中应充分运用揽拌、均质等处理手段提髙黄原 胶溶液的均匀性以充分发挥其效能。
1.4
3.3 pH值对低浓度黄原胶溶液表观粘度的影响
三种低浓度的黄原胶溶液表观粘度随pH值的变化曲线见 图5。由图5可见，三种低浓度下的黄原胶溶液表观粘度随pH 值的变化呈现类似规律，在PH5.0〜9.5的范围内溶液表观粘度 基本上不受pH值变化的影响；在pH5.0以下，表观粘度随pH 值的下降而下降：在PH9.5以上，表观粘度先是随pH值的上 升而上升，在pH丨1附近达到最大值，之后体系表观粘度又随 pH值的上升呈下降趋势。在0.06%的浓度下虽未出现其它两种 浓度下的峰值，但其峰值有可能出现在更髙PH值而未能为本实 验的研究范围所包含。低浓度黄原胶溶液的表观粘度在pHll 附近出现峰值的原因，有待于进一步研究。
搅拌对低浓度黄原胶溶液表观粘度的影响
搅拌作用对Q. 1Q%和Q. 3的浓度的黄原胶溶液表观粘度的 影响见图6。由图6可见，这两种浓度的黄原胶溶液表观粘度 均随着搅拌作用的加剧而上升。在较低浓度和较低转速（< SOOr/min)时溶液表观粘度上升缓慢，甚至无变化。在较髙浓 度和较髙转速时溶液表观粘度显著上升。实验中发现.浓度< 0.10%的黄原胶溶液是由于搅拌作用有助于胶粒破碎、加速胶 体溶解，因而表观粘度出现上升。黄原胶在低浓度时的流变特性及影响因素研究，浓度>〇.1的的黄原胶溶液 虽是一种典型的假塑性流体，但搅拌作用却未使表观粘度下
4结论
通过实验研究发现，黄原胶溶液虽然属于符合指数规律的 流体，但当其浓度名(K10*时溶液近似牛顿流体，浓度>0.10% 时为假塑性流体，且随着浓度增加呈现愈强的假塑性流体特 征。不同温度、不同浓度的黄原胶溶液表观粘度符合指数律流 变方程T =KDn ( T为剪切应力，K为稠度系数，D为剪切速率), K值随温度升高而减小。低浓度的黄原胶溶液PH5.0〜9.5范围, 溶液表观粘度几乎不受pH值变化的影响。搅拌作用有助于黄原 胶在水中的溶解，并使溶液表观粘度提髙。
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