可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的改進(jìn)

張永剛，王 偉，張艷敏，韓鴻宇，董學(xué)前

(山東省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

可得然膠(Curdlan)是由微生物產(chǎn)生的一種新型的胞外多糖，是由單一的D-葡萄糖在C1和C3位置以β-1，3-糖苷鍵連接而成的無分支的均一多糖聚合物，由于其具有在加熱條件下形成凝膠的獨(dú)特性質(zhì)，又被稱作熱凝膠[1-3]?？傻萌荒z屬于β-1，3-葡聚糖家族中較為特殊的一種，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

可得然膠作為一種新型的微生物多糖，在食品、石油、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前，可得然膠在食品工業(yè)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已普遍用于肉類、面食類、魚糜類和素食加工業(yè)[1，5-7]。此外，作為高純度的β-1，3-葡聚糖，近年來可得然膠的生物活性逐漸成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)[8-9]?？傻萌荒z水懸液在高溫(80 ℃以上)條件下能夠形成熱不可逆凝膠，該凝膠具有良好的耐溫、耐酸堿、耐鹽性能，可滿足油田對(duì)耐高溫調(diào)堵材料的需要[10]。由于多年來油田開采的不斷進(jìn)行和深入，地層溫度不斷升高(最高達(dá)到150 ℃以上)、油層非均質(zhì)性不斷提高、采出液含水率居高不下(最高到達(dá)98%以上)、采油效率不斷下降，需要采取調(diào)堵、調(diào)驅(qū)、注驅(qū)等各種措施，以達(dá)到提高驅(qū)替液波及面積、降低采出液含水率、提高采油效率的目的。其中，調(diào)堵是比較常用的措施，其主要是通過調(diào)堵劑的作用封堵油層中的大孔道高滲透區(qū)，降低油層非均質(zhì)性，迫使驅(qū)替液向低滲透含油區(qū)及未動(dòng)用油層油遷移，從而提高驅(qū)替效率[11-13]。研究[10，14-15]表明，可得然膠作為油田采油的調(diào)堵劑，其高溫凝膠特性、耐酸堿鹽特性突出，但其高溫長期穩(wěn)定性與應(yīng)用需求尚有差距?；诖耍髡咴谇捌谘芯靠傻萌荒z應(yīng)用特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行提高可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的研究，以期能夠促進(jìn)可得然膠應(yīng)用領(lǐng)域的拓展及其產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

圖1 可得然膠分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of Curdlan

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

可得然膠(Curdlan)，自制，凝膠強(qiáng)度(2%，W/V)為1 020 g·cm-2；韋蘭膠(Welan gum，WG)，自制，1%(W/V)水溶液黏度為3 300 mPa·s；小核菌多糖(scleroglucan，SG)，自制，1%(W/V)水溶液黏度為758 mPa·s。

四硼酸鈉(PS)、亞硫酸鈉(Na2SO3)，均為市售分析純。

1500g CT-3型質(zhì)構(gòu)儀、DV2T型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國Brookfield公司；IKA T18 digital型高剪切乳化器，艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司；GZX-9030MBE型電熱恒溫箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 可得然膠凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的可得然膠樣品，按樣品2%(W/V，下同)加入一定體積的蒸餾水，混合均勻，于3 500 r·min-1剪切乳化5 min，真空脫氣5 min，再次混合均勻，密封；在一定溫度下保溫凝膠，按GB 28304-2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 可得然膠》測(cè)定其凝膠強(qiáng)度。

1.2.2 凝膠保水劑及促進(jìn)劑對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的可得然膠樣品，按樣品2%加入一定體積的蒸餾水，再分別加入不同量的凝膠保水劑(WG或SG)與促進(jìn)劑(PS)，混合均勻，于3 500 r·min-1剪切乳化5 min，真空脫氣5 min，再次混合均勻，密封；在100 ℃下保溫凝膠，于不同保溫時(shí)間取出凝膠，按GB 28304-2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 可得然膠》測(cè)定其凝膠強(qiáng)度，并測(cè)定凝膠脫水體積，按式(1)計(jì)算凝膠脫水率。根據(jù)凝膠強(qiáng)度和凝膠脫水率綜合比較凝膠高溫穩(wěn)定性。

(1)

1.2.3 凝膠保水劑與促進(jìn)劑添加量的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

為獲得在高溫狀態(tài)下具有高穩(wěn)定性(凝膠強(qiáng)度高、凝膠強(qiáng)度降低少、凝膠脫水率低)的可得然膠凝膠，基于單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以WG添加量(A)、SG添加量(B)、PS添加量(C)為考察因素，以凝膠高溫狀態(tài)維持5 d后凝膠強(qiáng)度保留率(按式2計(jì)算)和凝膠脫水率為考察指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的L9(34)正交實(shí)驗(yàn)(表1)，優(yōu)化可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性良好的保水劑與促進(jìn)劑添加量。

(2)

表1L9(34)正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平/%

Tab.1 Factors and levels ofL9(34) orthogonal experiments/%

水平因素A.WG添加量B.SG添加量C.PS添加量10.100.151.5020.150.202.0030.200.252.50

1.2.4 抗氧化劑對(duì)優(yōu)化后可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

采用優(yōu)化的保水劑與促進(jìn)劑添加量，添加不同量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，W/V)的抗氧化劑Na2SO3，100 ℃下維持10 d，比較5 d和10 d體系凝膠強(qiáng)度、凝膠強(qiáng)度保留率及凝膠脫水率。

2 結(jié)果與討論

2.1 可得然膠凝膠的高溫穩(wěn)定性

分別測(cè)定了可得然膠凝膠(2%含量)在不同溫度(80 ℃、100 ℃、120 ℃)的凝膠強(qiáng)度與凝膠脫水率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫度條件下可得然膠凝膠的穩(wěn)定性Fig.2 Stability of Curdlan gel at different temperatures

由圖2可知，隨著溫度的升高，可得然膠凝膠強(qiáng)度顯著提高，這符合可得然膠凝膠的特性[14，16]；但是，隨著溫度的升高，單純可得然膠凝膠穩(wěn)定性顯著降低，100 ℃保溫5 d后，凝膠強(qiáng)度降低達(dá)80%、凝膠脫水率降低達(dá)46%；120 ℃保溫7 d后，凝膠強(qiáng)度降低達(dá)90%以上、凝膠脫水率降低達(dá)60%，已完全失去凝膠穩(wěn)定應(yīng)用特性。因此，需要提高可得然膠凝膠在高溫下的長期穩(wěn)定性，以利于應(yīng)用推廣。

2.2 保水劑WG對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

根據(jù)可得然膠的凝膠機(jī)理，凝膠隨著溫度的升高其膠束分子螺旋之間的距離隨之縮短，凝膠強(qiáng)度上升，延長保溫時(shí)間可能導(dǎo)致膠束分子螺旋之間的距離進(jìn)一步縮短，凝膠結(jié)合水脫出[17]?；谝陨贤茰y(cè)，選擇高溫穩(wěn)定性良好、持水效果突出的WG作為凝膠保水劑。不同保溫時(shí)間下，WG添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響見圖3。

由圖3可知，WG添加量低于0.25%時(shí)，對(duì)可得然膠凝膠高溫凝膠強(qiáng)度沒有顯著影響；隨著WG添加量的增加，可得然膠凝膠高溫狀態(tài)下的凝膠脫水率顯著降低；凝膠強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長顯著降低，即WG對(duì)可得然膠凝膠高溫狀態(tài)下的持水性具有顯著促進(jìn)作用，而對(duì)凝膠強(qiáng)度的急劇降低無顯著抑制作用。

2.3 保水劑SG對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步提高可得然膠凝膠的高溫穩(wěn)定性，選擇與可得然膠分子主鏈一致的SG(同為β-1，3-葡聚糖，但含有β-1，6-葡萄糖基側(cè)鏈且分子量顯著高于可得然膠[18])作為凝膠保水劑。不同保溫時(shí)間下，SG添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響見圖4。

圖3 WG添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of WG addition on high temperature stability of Curdlan gel

由圖4可知，SG能夠改善可得然膠凝膠高溫持水性，但效果低于WG(保溫5 d后凝膠脫水率提高10%～20%左右)；SG能夠促進(jìn)可得然膠凝膠高溫狀態(tài)下凝膠強(qiáng)度的穩(wěn)定性，SG添加量低于0.25%時(shí)，其高溫狀態(tài)凝膠強(qiáng)度比添加WG提高10%左右。表明SG具有提高可得然膠凝膠高溫狀態(tài)凝膠強(qiáng)度和凝膠持水性的雙重特性。

2.4 促進(jìn)劑PS對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

研究表明，PS在水溶液里能夠形成大量的氫鍵使其能夠顯著提高可得然膠的凝膠強(qiáng)度。因此，以PS作為可得然膠凝膠高溫狀態(tài)凝膠強(qiáng)度促進(jìn)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

圖4 SG添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of SG addition on high temperature stability of Curdlan gel

圖5 PS添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of PS addition on high temperature stability of Curdlan gel

由圖5可知，PS能夠顯著提高可得然膠凝膠的凝膠強(qiáng)度，高達(dá)3倍以上，但是隨著保溫時(shí)間的延長凝膠強(qiáng)度降低極顯著(其強(qiáng)度仍顯著高于不添加PS時(shí))，凝膠脫水率顯著高于WG和SG。因此，PS的主要作用是提高可得然膠凝膠的凝膠強(qiáng)度。

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(表2、表3、表4)

由表2可知，綜合考慮凝膠強(qiáng)度保留率和凝膠脫水率，最優(yōu)組合為A2B1C2，即WG、SG和PS的添加量分別為0.15%、0.15%和2.00%。由極差與方差分析(表3、表4)可知，通過復(fù)合體系內(nèi)物質(zhì)間的綜合作用，WG對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響最大，SG影響不顯著，PS則只對(duì)凝膠強(qiáng)度具有顯著影響，這與單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

表2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiments

表3正交實(shí)驗(yàn)的凝膠強(qiáng)度保留率方差分析

Tab.3 Variance analysis of gel strength retention rate by orthogonal experiments

表4正交實(shí)驗(yàn)的凝膠脫水率方差分析

Tab.4 Variance analysis of gel dehydration rate by orthogonal experiments

2.6 抗氧化劑對(duì)優(yōu)化后可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步提高可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性，考察不同保溫時(shí)間下Na2SO3添加量對(duì)凝膠高溫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 Na2SO3添加量對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of Na2SO3 addition on high temperature stability of Curdlan gel

由圖6可知，Na2SO3添加量在0～0.3%范圍內(nèi)時(shí)，可得然膠凝膠在保溫10 d內(nèi)能夠保持較高穩(wěn)定性，而隨后繼續(xù)增加添加量，穩(wěn)定性降低。因此，選擇Na2SO3添加量為0.3%。在Na2SO3添加量0.3%、100 ℃保溫10 d時(shí)，凝膠強(qiáng)度(3 199.2±60.4) g·cm-2、凝膠強(qiáng)度保留率(98.0±1.8)%、凝膠脫水率(80±0.8)%。

2.7 改進(jìn)后可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性(圖7)

圖7 改進(jìn)后可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性Fig.7 High temperature stability of improved Curldan gel

由圖7可知，在添加凝膠保水劑WG和SG、凝膠促進(jìn)劑PS、抗氧化劑Na2SO3后，可得然膠凝膠可在100 ℃高溫下完全穩(wěn)定10 d，而后凝膠強(qiáng)度開始緩慢降低、凝膠逐漸脫水。在保溫60 d時(shí)，凝膠強(qiáng)度為2 550 g·cm-2、凝膠強(qiáng)度保留率為75.2%、凝膠脫水率僅為13.7%，無論是凝膠強(qiáng)度還是凝膠脫水率都能夠滿足油田三次采油對(duì)凍膠類調(diào)堵劑高溫應(yīng)用穩(wěn)定性的要求。

3 結(jié)論

基于可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性差不利于其在高溫狀態(tài)長期應(yīng)用的弱點(diǎn)，通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，研究凝膠保水劑、促進(jìn)劑及抗氧化劑對(duì)可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，添加適量的韋蘭膠(0.15%)、小核菌多糖(0.15%)、四硼酸鈉(2.00%)及Na2SO3(0.3%)可顯著提高可得然膠凝膠高溫穩(wěn)定性，在100 ℃下保溫60 d基本穩(wěn)定(凝膠強(qiáng)度保留率達(dá)到75%以上，凝膠脫水率低于15%)，達(dá)到了提高可得然膠凝膠高溫狀態(tài)長期穩(wěn)定應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)，對(duì)于可得然膠在非食品領(lǐng)域如油田三次采油等的廣泛應(yīng)用開發(fā)具有非常高的價(jià)值。