阿拉伯膠溶液的流動性、觸變性和動態(tài)粘彈性分析

馬君義，藺彥斌，蔣嚴(yán)妃，王耀雪，張 繼

(1.西北師范大學(xué)，生命科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070;2.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州730070)

阿拉伯樹膠是目前國際上最為廉價而又廣泛應(yīng)用的親水膠體之一，是工業(yè)上用途最廣的水溶性膠，它可以和大多數(shù)其他的水溶性膠、蛋白質(zhì)、糖和淀粉相配伍，也可以和生物堿相配混液應(yīng)用，廣泛用作乳化劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑、粘合劑、成膜劑等［1］，有關(guān)阿拉伯樹膠的流變性，王元蘭等［2］測定了低濃度阿拉伯樹膠水溶液在不同濃度、剪切力、酸堿度、溫度以及攪拌時間等條件下的粘度，Xiaobei Li等［3］研究發(fā)現(xiàn)阿拉伯樹膠溶液不是簡單的牛頓流體，其在低剪切速率下表現(xiàn)出剪切變稀行為，且剪切變稀行為與阿拉伯樹膠自交聯(lián)的聚合水平緊密相關(guān)，而與聚合物分子的去纏結(jié)和鏈端取向化無關(guān)。Xiaobei Li等［4］研究了阿拉伯樹膠的牛頓性行為以及以自交聯(lián)為基礎(chǔ)的觸變行為。文章在前人研究的基礎(chǔ)上，運用冪率模型來考察阿拉伯樹膠溶液的流動性，運用頻率掃描分析GA溶液的動態(tài)粘彈性，運用階變應(yīng)力方法來研究GA溶液的觸變性，為阿拉伯膠溶液的儲存和加工提供流變學(xué)方面的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

阿拉伯樹膠 上海中秦化學(xué)試劑有限公司。

Anton Paar Physica MCR 301 Rheometer(流變儀)奧地利安東帕;轉(zhuǎn)子 CC27同心圓筒，內(nèi)徑為27mm;PP50平板 直徑為50mm;JRA－6數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司;電子天平稱量范圍:20mg～500g 沈陽龍騰電子產(chǎn)品有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 阿拉伯樹膠水溶液的配制 常溫下稱量5、10、20、30g的阿拉伯樹膠粉，分別溶于100mL蒸餾水中，攪拌20min充分溶解分散，放置備用。

1.2.2 流動性能測定 穩(wěn)態(tài)剪切測試:25℃條件下測定0.05～0.30g/mL阿拉伯樹膠溶液的粘度隨剪切速率的變化趨勢，剪切速率范圍:0.01～1000s－1。

1.2.3 動態(tài)粘彈性測定 振蕩頻率掃描:在材料的線性粘彈性范圍內(nèi)，施加不同頻率的正弦形變(頻率范圍:0.05～100s－1)，獲得不同濃度阿拉伯樹膠溶液的儲能模量(G')、損耗模量(G″)和損耗角正切值(tanδ)隨頻率變化的關(guān)系，即溶液粘性和彈性之間轉(zhuǎn)化的趨勢。

1.2.4 觸變性能測定 觸變測試:用階變剪切速率測試來測定阿拉伯膠溶液的觸變性，分四個區(qū)間進(jìn)行了測量，上升測量區(qū)間:2～20、20～100s－1;下降測量區(qū)間:100～20、20～2s－1。

2 結(jié)果及討論

2.1 流動性能分析

由圖1可知，阿拉伯膠溶液是假塑性流體，其偏離牛頓流體的程度可以用非牛頓指數(shù)n表示，非牛頓流體的n值都小于1(牛頓流體的n值都等于1)且n值越小，偏離牛頓流體的程度越大。根據(jù)冪律模型［5］:

lgτ =lgk+nlgγ

(τ是剪切應(yīng)力，γ 是剪切速率)，作 lgτ～lgγ 曲線，直線的斜率即為n，由此可求出不同濃度GA溶液的非牛頓指數(shù)n，所得結(jié)果見表1。

圖1 不同濃度阿拉伯樹膠溶液的冪律模型擬合曲線Fig.1 The power－low fitting at different concentrations of GA solution

表1 不同濃度阿拉伯樹膠溶液的冪律模型擬合參數(shù)Table 1 The power－low fitting parameters of different concentrations of GA solution

從表1可以看出，隨著阿拉伯膠溶液濃度的增大，溶液的非牛頓指數(shù)n呈現(xiàn)上升趨勢，且濃度越高，在剪切條件下越趨于符合冪率模型，說明在剪切條件下溶液中大分子去纏結(jié)或者去自交聯(lián)能力增強(qiáng)，導(dǎo)致體系粘度降低，溶液的流動更加趨近牛頓流體。

2.2 觸變性分析

圖2為不同濃度阿拉伯樹膠溶液的階變速率掃描圖，許多具有微觀結(jié)構(gòu)的流體都表現(xiàn)出觸變性［6］。文章運用剪切速率依賴的結(jié)構(gòu)破壞和重建來考察GA溶液中的分子交聯(lián)作用，具體運用階變剪切速率測試來完成實驗。如圖所示:在剪切速率瞬間上升或者下降的同時，剪切應(yīng)力也會隨之增大或者減小，而與應(yīng)力的增大或者減小相對應(yīng)的是分子結(jié)構(gòu)的破壞和重建，瞬變應(yīng)力往往可以用來衡量結(jié)構(gòu)破壞和重建的時間依賴性，即材料的觸變性［6－7］。從圖中可以看出，剪切應(yīng)力的起始值(剪切速率階變增大或降低時的瞬時值)與穩(wěn)定值(恒定剪切速率下的應(yīng)力值)差別很小，利用流變儀自身所帶分析軟件分析了不同濃度GA溶液在剪切過程進(jìn)行了10s后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)情況，0.05、0.10、0.20和0.30g/mL對應(yīng)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)比(Structure Recovery Ratio)分別為 19.9%、20.3%、85.9%和91.2%，由此可見濃度越高，GA溶液的觸變性越弱。

圖2 不同濃度阿拉伯膠溶液的階變速率測試圖Fig.2 Step sheae rate test of different concentrations of GA solution

2.3 動態(tài)粘彈性分析

圖3～圖6分別表示了不同濃度阿拉伯膠溶液的G'、G″和tanδ隨著角頻率變化的規(guī)律。由圖3、圖4可見，阿拉伯膠溶液的G'和G″都隨著頻率的升高而增大，而tanδ都隨著頻率的增大而降低。阿拉伯膠溶液的G'＞G″，表現(xiàn)為似固體的彈性流動行為，且在低頻率下G'、G″兩者之間的差值較小，高頻率下差值變大。即在整個頻率掃描范圍內(nèi)，彈性形變能大部分儲存在體系內(nèi)部，粘性損耗的能量相對較少，因此彈性占主導(dǎo)。從圖5、圖6可以看出，當(dāng)頻率較小即施加于溶液的力作用時間較長時，阿拉伯樹膠中的高分子有充足的時間改變構(gòu)象，擺脫纏繞，緩慢和相互超越地流動，同時，鏈的彈性拉伸可在流動中逐漸恢復(fù)，因此溶液的粘性占優(yōu)勢，即G″＞G'。而當(dāng)頻率較大即力作用的時間較短時，彈性形變能大部分儲存在體系內(nèi)部，粘性損耗的能量相對較少，因此彈性占主導(dǎo)即G'＞G″。圖5中tanδ逐漸減小，而圖6中先增大后減小，原因可能是起初隨著頻率的增大，鏈段運動越困難，tanδ逐漸增大，當(dāng)鏈段運動困難到一定程度，外力作用后鏈段根本來不及運動，tanδ反而會降低。

圖3 0.05g/mL阿拉伯膠溶液的頻率掃描圖Fig.3 Frequency sweep of 0.05g/mL GA solution

圖4 0.10g/mL阿拉伯膠溶液的頻率掃描圖Fig.4 Frequency sweep of 0.10g/mL GA solution

圖5 0.20g/mL阿拉伯膠溶液的頻率掃描圖Fig.5 Frequency sweep of 0.20g/mL GA solution

3 結(jié)論

3.1 阿拉伯膠溶液是假塑性流體，濃度越大，剪切條件下越符合流變學(xué)的冪率模型。

3.2 阿拉伯膠溶液的濃度越高，觸變性越弱，結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力越強(qiáng)。

圖6 0.30g/mL阿拉伯膠溶液的頻率掃描圖Fig.6 Frequency sweep of 0.30 g/mL GA solution

3.3 0.05和0.10g/mL的GA溶液儲能模量(G')和損耗模量(G″)無交點且G'＞G″，表現(xiàn)為類似固態(tài)的粘彈性行為，0.20和0.30g/mL的GA溶液的G'和G″有交點，表明存在相的轉(zhuǎn)化。

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［4］Xiaobei Li，Yapeng Fang，et al.Rheological properties of gum arabic solution:From Newtonianism to thixotropy［J］.Food Hydrocolloids，2011，25:293－298.

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