白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液的流變性

張 潔,史勁松,孫達(dá)峰,朱昌玲,張衛(wèi)明

(南京野生植物綜合利用研究院,江蘇南京 210042)

瓜爾膠 (guar gum)是一種天然高分子化合物,由半乳糖和甘露糖單元按摩爾比 1.5～2∶1的比例,以β-(1-4)糖苷鍵鏈接而成大分子,相對分子質(zhì)量約為 100萬～200萬[1-4]。整個(gè)分子上,半乳糖在主鏈上無規(guī)分布,但以 2個(gè)或 3個(gè) 1組居多。瓜爾膠及其衍生物都是性能優(yōu)良的增稠劑,廣泛的應(yīng)用于石油開采、涂料、化工、醫(yī)藥、建筑、食品和日用化工等領(lǐng)域。為了得到不同的效果,在使用中經(jīng)常將瓜爾膠與其它膠體復(fù)配。

2種或多種多糖膠在溶液中混合,多糖分子之間產(chǎn)生相互作用,使得溶液黏度增大。多糖分子的種類、排列方式、分子內(nèi)部和分子間的作用力、取代基團(tuán)的種類等條件都會影響多糖分子間的協(xié)同效應(yīng)。瓜爾膠可以與多種多糖膠共混,得到凝膠或黏度增大的溶膠[5-6]。本文研究了瓜爾膠與白芨多糖膠的復(fù)配性能。

白芨多糖膠(Blettila striatagum)取自蘭科植物白芨 (Bletilla striata Reichb.f.)的鱗莖,其化學(xué)成分是葡萄甘露聚糖,兩種糖基的比例大約為 4∶1[7]。未經(jīng)完全純化的白芨多糖膠中,含有少量的蛋白成分。白芨多糖膠對皮膚無刺激,無變態(tài)性反應(yīng)和光毒反應(yīng),對人體皮膚無明顯不良反應(yīng),可以用作醫(yī)藥和日化原料[8]。白芨多糖膠作為藥物載體,能夠延長主藥的作用時(shí)間,降低毒性[9]。由于白芨多糖膠具有特殊的黏度特性,在化妝品配方中還起到增稠、懸浮、保濕和助乳化的作用。

本文采用美國Brookfield R/S CPS流變儀,通過穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)考察溶液表觀黏度 (ηa)的變化規(guī)律,為多糖膠的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

瓜爾膠:市售,產(chǎn)地印度;

白芨多糖膠:提取自中藥白芨 (Bletilla striata Reichb.f.)的鱗莖,產(chǎn)地廣西;采用水提醇沉法制備[10],多糖含量 87.3%,粗蛋白含量 2.2%,真空干燥并粉碎,過 80目篩;

乙醇等均為國產(chǎn)化學(xué)純試劑。

1.2 方法

取不同質(zhì)量的瓜爾膠粉或白芨多糖膠粉分散在水中,攪拌 20 min,靜置 4 h,配制成不同濃度單一組分的溶液。

固定膠粉的總濃度,將白芨多糖膠與瓜爾膠按質(zhì)量比分別為 9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9分散在水中,攪拌 20 min,靜置 4 h,得到白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液。

采用 BrookfieldR/S CPS流 變 儀 (美 國Brookfield公司),C50-1錐板測量系統(tǒng),在 22℃(以恒溫水浴槽控溫)記錄溶液的表觀黏度ηa隨剪切速率τ的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓜爾膠溶液的流變性

Ostwald-Dewaele方程是描述非牛頓流體流變性質(zhì)的重要方程之一[2,11]。

上式為Ostwald-Dewaele方程的對數(shù)形式。式中,k為稠度系數(shù),n為黏性指數(shù)。以 lnηa對 lnτ作圖,可以得到一條直線。由直線的斜率和截距即可求得 k和 n。對于假塑性流體,01。

圖1 不同濃度瓜爾膠溶液的 lnηa對 lnτ作圖

22℃下,瓜爾膠溶液表現(xiàn)出明顯的剪切變稀特性,沒有屈服值,牛頓區(qū)向假塑性區(qū)的過渡發(fā)生在低剪切速率區(qū)域內(nèi)。溶液的ηa隨τ增加而減小;在相同的τ下,ηa隨溶液濃度 cguar增加而增大。瓜爾膠溶液的ηa與τ的關(guān)系符合 Ostwald-Dewaele方程,以 lnηa對 lnτ作圖 (圖1),可以得到線性相關(guān)系數(shù)R2大于 0.99的一組直線,相應(yīng)的 k和 n列于表1。

表1 瓜爾膠溶液的濃度 cguar對稠度系數(shù) k和黏性指數(shù) n的影響 (22℃)

n<1,瓜爾膠溶液為假塑性流體;k值隨 cguar增加而增大,說明溶液的增粘能力隨 cguar增加而增大;n值隨 cguar的增加而減小,溶液的剪切變稀性質(zhì)隨cguar增加而進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.2 白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液的流變性

在白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液中,固定膠粉的總濃度為 1.5%(w/w),白芨多糖膠與瓜爾膠的質(zhì)量比分別為 9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9。

白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液與瓜爾膠溶液具有相似的流變特性,均表現(xiàn)出剪切變稀。復(fù)配溶液的ηa與τ的關(guān)系符合 Os twald-Dewaele方程。以lnηa對 lnτ作圖 (圖2),求得溶液的稠度系數(shù) k和黏性指數(shù) n列于表2。

圖2 不同質(zhì)量比白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液的lnηa對 lnτ作圖

表2 復(fù)配溶液中瓜爾膠與白芨多糖膠質(zhì)量比對稠度系數(shù) k和黏性指數(shù) n的影響 (22℃)

復(fù)配溶液的 n<1,為假塑性流體;k值隨復(fù)配溶液中 cguar增加而增大,復(fù)配溶液增粘能力隨溶液中瓜爾膠含量增加而增大;n值隨 cguar的增加而減小,復(fù)配溶液的剪切變稀性質(zhì)隨瓜爾膠含量增加而進(jìn)一步增強(qiáng)。

為了比較白芨多糖膠與瓜爾膠復(fù)配后對溶液ηa的影響,選取剪切速率τ=755 s-1時(shí),不同濃度白芨多糖膠溶液、瓜爾膠溶液和復(fù)配溶液的ηa,顯示在圖3中。

白芨多糖膠溶液的流變學(xué)特性與瓜爾膠溶液不同。在極低剪切速率下,白芨多糖膠溶液的ηa迅速下降,達(dá)到穩(wěn)定,不再隨τ變化。ηa穩(wěn)定后,隨溶液濃度 (cBSG)增加而增大。但是,相同濃度下,白芨多糖膠溶液的ηa低于瓜爾膠溶液。

圖3 τ=755 s-1時(shí),白芨多糖膠溶液、瓜爾膠溶液和兩者復(fù)配溶液的ηa與濃度 c的關(guān)系

圖3所示,白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液的ηa大于單獨(dú)的白芨多糖膠溶液和瓜爾膠溶液的ηa,白芨多糖膠和瓜爾膠復(fù)配確實(shí)具有一定的協(xié)同增效作用。復(fù)配溶液中,白芨多糖膠與瓜爾膠的質(zhì)量比在1∶9到 9∶1之間時(shí),均有一定的協(xié)同增效作用。兩者質(zhì)量比為 9∶1時(shí),復(fù)配溶液的ηa比瓜爾膠溶液的ηa提高一個(gè)數(shù)量級;質(zhì)量比為 6∶4時(shí),兩者的協(xié)同增效作用突然減弱。隨 cguar增加,復(fù)配溶液相對于瓜爾膠溶液黏度增大程度減小。

白芨多糖膠和瓜爾膠之間的協(xié)同增效作用,來自于兩種多糖分子相似的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)和懸殊的分子量大小。白芨多糖膠和瓜爾膠都是天然多糖分子。白芨多糖分子主鏈通常由甘露糖殘基鏈接而成,葡萄糖殘基往往出現(xiàn)在支鏈上,分子量只有幾十萬;甘露糖殘基和葡萄糖殘基的摩爾比約為 4∶1。而瓜爾膠分子的主鏈由β-(1-4)-D-甘露糖為單元鏈接而成,側(cè)鏈由單個(gè)α-D-半乳糖組成并以(1-6)鍵與主鏈相接;相對分子質(zhì)量約為 100萬～200萬;甘露糖殘基和半乳糖殘基的摩爾比約為 1.5～2∶1。葡萄糖殘基、半乳糖殘基和甘露糖殘基都有相似的結(jié)構(gòu),帶有大量羥基。但是瓜爾膠分子量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白芨多糖膠分子,當(dāng)向白芨多糖膠溶液中加入少量瓜爾膠分子時(shí),瓜爾膠分子與白芨多糖分子、水分子之間的氫鍵作用,使得多糖分子膨脹,溶液黏度增加。隨著溶液中瓜爾膠濃度增大,白芨多糖膠濃度減小,白芨多糖膠對瓜爾膠的氫鍵作用減小,復(fù)配溶液黏度變化量減少。

3 結(jié) 論

白芨多糖膠 -瓜爾膠復(fù)配溶液表現(xiàn)出與瓜爾膠溶液相似的流變特性。溶液呈典型的假塑性,表觀黏度ηa隨剪切速率τ增加而減小,流體行為可以用

Os twald-Dewaele方程描述。復(fù)配溶液的ηa大于單獨(dú)的瓜爾膠溶液和白芨多糖膠溶液的ηa。白芨多糖膠與瓜爾膠之間確實(shí)存在協(xié)同增效作用,兩者之間的最佳配比是 9∶1。復(fù)配溶液的增粘能力隨瓜爾膠含量增加而增大;剪切變稀性質(zhì)隨瓜爾膠含量增加而增強(qiáng)。在相同的τ下,復(fù)配溶液的ηa隨瓜爾膠濃度的增加而增大。

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