影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨：

影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，瓜尔豆胶是食品工业中用来改变食品体系结构、 提高粘度或形成凝胶的一类重要食品添加剂。使用时 将其在一定条件下充分水化，形成粘稠滑腻的溶液或 胶冻，从而起到保持食品体系的乳化稳定、悬浮稳定， 改善外观、口感和风味等重要作用。瓜尔豆胶的用途 极为广泛，并且在食品体系结构中的添加量一般只占 千分之几，是投入少、效果显著，能够有效地改善产 品质量的重要食品添加剂，越来越受到食品界的重视。

瓜尔豆胶属于水溶性聚合物。其化学结构是由大 量的单体键合而成的高聚体，构成高聚体的单糖的种 类、单元之间的键、排列方式、聚合度、衍生物取代 基团决定了其溶解性、粘度、各种理化条件下的耐热 性、形成胶冻的能力及凝胶的强度、对不同电解质及 其它物质的兼容性、协同效应等方面的性质。这些性 质直接关系到在使用时的用量及作用效果，也直接关 系到在食品加工生产中产品质量和经济效益。因此， 研究其流变性质的影响因素将为其合理应用提供有力 的理论依据。

1瓜尔豆胶的流变特性

瓜尔豆胶在食品中添加量很少，一般选择1%瓜 儿豆胶溶液作为试验基点，25 °C下测得其表现粘度如 右图所示，从图1可见。在高剪切速率和低剪切速率 两种情况下其表现粘度基本没有变化，似牛顿流体。

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在两者之间，随剪切速率的不断提高，表现粘度下降， 溶液表现了剪切稀化现象。可视1 %的瓜儿豆胶系非 牛顿流体中假塑性流体。可以提出这样的假设来解释 这种现象。首先，假设瓜尔豆胶分子具有交叉连接的 结构，并且在连接之间具有随机的长度分布。在静置 时，瓜尔豆胶溶液中的分子不但是随机分布，而且是 不定向排列。当剪切开始时，它们中的一些分子被卷 入流动，由于分子链比较长，又存在许多支链，因此 分子之间相互缠绕在一起，这种缠绕引起了对流动的 主要阻力，表观粘度较高。随着剪切速率的増大，剪 切应力使得这些缠绕遭到破坏，并且分子逐步沿着平 行于流动顺序排列，表观粘度下降。影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，如果在溶液中， 不断増加瓜尔豆胶的浓度，那么缠绕的量以及与其有 关的粘度也会不断増大[4]。

 

2结构的影响

2.1分子结构特征(如图2)

瓜尔豆胶是一种中性多糖，具有很高的平均分子 量，约20〜30万。其化学成分是半乳甘露聚糖，在结 构上，以a_1,4键相互连接的D_甘露糖为主链，不 均匀地在主链的某些Q位上再连接D—半乳糖为支 链，其平均半乳糖与甘露糖之比为1: 2[5]。与其它増 稠剂所不同的是，它的分子结构是直线型的大分子， 并且有很短的侧链从主分子链中伸出。因此它既具有 直线型大分子物质的特性，又具有支链大分子的特性。

 

瓜尔豆胶水溶液中分子结构的复杂性使得溶液性 质比小分子溶液的性质复杂得多。其溶解相对较为困 难，一般需要几小时才能使分子通过扩散与水分子混 合成为分子分散的均相体系。由于高分子与水分子体 积尺寸相差悬殊，两者分子运动速率存在着数量级的 差别，因此水渗入瓜尔豆胶小颗粒的速度要高于瓜尔 豆胶分子向水中扩散的速度。这样，瓜尔豆胶高分子 团粒的溶解需要经过两个阶段：首先是水进入团粒， 使其体积膨胀，然后瓜尔豆胶分子逐渐扩散，均匀地 分散在水中，达到完全溶解。瓜尔豆胶分子中含有的 羟基、烷氧基和糖苷键中的氧原子外层均含有SP3杂 化轨道，轨道中未共用的孤电子对可以与水分子中带 部分正电荷的氢依靠静电引力结合形成氢键[6]。氢键 的键合力极强，当这种分子之间的作用力超过瓜尔豆 胶分子链节的内聚力时，就会使大分子链舒展，与水 结合形成长分子链，溶解分散在水中，形成热力学稳 定体系。由于分子的舒展，多种基团充分裸露，各极 性基团与极性水分子以氢键或偶极作用力相互制约形 成内层水膜，内层水再与外层水作用发生缔合，体积 极大的溶胶分子做为骨架，大量的水被束缚，介质的 自由移动受到阻碍而产生层流间的阻力，在表观上表 现出粘稠性，使溶液出现量化值上的粘度。

由于瓜尔豆胶分子是直链结构，所以这些分子占

有较大的空间，并且在溶液中以伸展的形式存在，它 们在溶液中旋转，与支链结构分子相比扫过较大的球 形体积。因此，瓜尔豆胶溶液的表观粘度相对于同样 分子量的物质来说是很高的。

2.3凝胶的结构

瓜尔豆胶分子链中不带有离子基团，属于非离子 型食品胶，分子间斥力小，分子易于靠近结合成凝胶。 此种凝胶柔软易变形，具有热可逆性。

3外部条件的影响

3.1浓度

瓜尔豆胶水溶液具有非常高的粘度，这是它的主 要特征，也是主要用途。具有高粘度的原因是：a.瓜 尔豆胶分子量很大，体积很大。庞大的体积阻碍了介 质的自由移动；b.瓜尔豆胶溶解后，在水中充分水化， 束缚了大量“自由水”；c.瓜尔豆胶分子在介质中存在 着相互间的作用。由于以上几个因素，溶液的流动性 受到阻碍，产生层流间的阻力，在表观上表现出粘稠 滞流性。上述的第a和c项原因直接与溶液中分子的 密度即溶液的浓度相关。所以同种物质的溶液，其浓 度和粘度成正比。

与其它食品胶相比较，带有支链的瓜尔豆胶溶液 粘度更大。原因是当分子在水中溶解后以势能最低的 伸展形式存在，这些大分子在水中运动和旋转，其体 积是以其分子最远端的距离为直径的球体，相同分子 量的不带支链的分子在水中伸展接近于直线，所以比 带支链的分子的端点距离长，影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，直径大，球体大，此种 现象就相当于浓度高。所以同浓度、同分子量的不带 支链的分子构成的溶液粘度高。当浓度变得足够高时， 相邻分子可以通过布朗运动相互接近，形成一定的物 理化学键，这就是刚性结构的开始。假设每一个键都 具有相等的强度，最后所得到的结构的强度将取决于 单位体积内连接键的数目。因此，可以推断，结构强 度随着单位体积内形成的键的分子数成指数増加。

3.2温度

瓜尔豆胶分子在水溶液中对温度十分敏感。不但 温度显著地影响粘度，而且粘度一旦被温度所影响，

恢复得就相当慢，甚至根本就不复原。这就使得我们 要严格控制试样的温度变化，才有可能进行重复测量。 在低温时，瓜尔豆胶的分子具有一种伸展的结构，但 是，当其受热时，它就变得不像以前那样伸展。因此， 人们认为在受热之后，这种溶液不再具有假塑性流体 的性质。

 

图3瓜尔豆胶的温度-粘度的关系图

温度是物质内能的宏观表现。当温度升高时，分 子运动速率加快，聚集体由大变小，其体系结构被拆 散，液体流动阻力减少，溶液的粘度和温度的关系成 反比。但在升温过程和降温过程中溶液和凝胶的“温度 一粘度的关系”曲线不同，降温粘度升高时曲线斜率较 小（如图3所示）。此现象的原因是：在温度上升过 程中，分子运动的速率逐渐加快，聚集体由大变小， 随吸收能量的増加，其体系结构拆散，粘度降低。其 次，当温度升高到一定程度之后，瓜尔豆胶发生了解 聚，从而使分子量降低导致溶液粘度下降[7]。在温度 下降过程中，当温度降到一定程度时，分子之间的作 用力可以克服分子的动能，使其体系结构在短时间内 形成，即表现出粘度急剧増加。

3.3 pH 值

 

pH对不同的食品胶的水溶液的粘度存在同程度的 影响。一般的情况是：聚合物分子链上某质点中具有 电负性的亲核基团易于与低pH值介质中的质子形成配 位键，降低与水分子的极性引力作用，阻碍氢键的形 成，从而使食品胶分子水溶液中的水化化程度降低， 溶液的粘度降低。然而瓜尔豆胶是一种非离子型的胶 体，所以具有很强的耐酸碱性。蔡为荣[8]等用不同pH 值的盐酸溶液或氢氧化钠溶液制取1.0%的瓜儿豆胶， 在25 °C下测其粘度，结果如图4所示。可见瓜尔胶具有 很强的耐酸碱性，pH值在3.5〜10范围变化对其粘度影 响不明显。Q. Wang et al. [9]的研究也发现，在中酸性条 件下，瓜尔豆胶溶液表现出很好的稳定性，但是较高

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温度和较低pH值的共同作用会加速瓜尔豆胶的解聚。 3.4电介质与离子强度

食品胶分子所含的极性电荷及离子基团易与电解 质发生作用，使溶液粘度及凝胶强度发生变化。大部 分水溶性聚合物在少量电解质存在的情况下粘度均明 显下降，但当电解质超过一定浓度时粘度变化又趋于 稳定。此现象可以认为是分子中电解质与阴离子键合 而形成弱酸盐水溶液，具有缓冲作用。影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，当电解质作用 于食品胶时会使其分子电荷及水化作用减弱，释放自 由水，溶液的粘度及凝胶的强度均下降。随电解质浓 度的増加，电解质本身水化作用也増强，并且当有二 价或多价离子存在时，由于价键的键桥作用，分子间 发生交联，形成不可逆的凝胶交联体，使粘度増加。 瓜尔豆胶属非离子型食品胶，由于其分子的结构中不 存在离子基团，所以受电解质的影响小。配制一系列 含NaCl、CaC12、A12 (SO4) 3不同量的1%瓜儿豆胶， 在25 C下测其粘度，结果显示NaCl含量对瓜儿豆胶 粘度影响甚微，表明瓜儿豆胶对NaCl具有良好的兼 容性；Ca2+、Al3+加入量达0•5%左右，瓜儿豆胶粘 度呈最大值，随着Ca2+、Al3+浓度再増高、其粘度开 始下降。这可能是一定量的高价盐离子可与瓜儿豆胶 络合，使胶液亲水性更好，粘度变大。高价盐浓度超 过某一值后高离子强度和电荷反而不利于胶形的松驰 络合[8]。

3.5高压处理

高压处理前后，胶体溶液流变性变化与其分子结 构、溶解在水中的分子构象及高压处理对这些结构和 构象的影响有关。由于瓜尔豆胶的分子量相对较小， 分子总体呈直线型，故在水溶液中的分子具有较为伸 展的结构，高压处理对其影响较小。因此，其流变性 质的变化夜不大。李汴生等[10]研究了高压处理对瓜尔 豆胶溶液粘度的影响。

瓜尔豆胶溶液为假塑性流体，其剪切应力（T) 和剪切速率（Y)的关系遵循幂定律T=KYn，式中K 和n均为常数，K为稠度系数，可以衡量溶液的粘稠 程度，n为流态特性指数。从下表可以看出瓜尔豆胶 溶液经高压处理后粘度虽也有升高或降低，但变化较 小。

表1高压处理前后瓜尔豆胶溶液K和n的变化

胶溶液压力/ (mPa)K/ (Pa.s)nr2

00.2130.7320.993

0.5%Guar2000.1950.7740.989

4000.1960.7620.990

 

4与其它食品胶的协同作用

多糖是一种直链或具有支链的高分子化合物，在 高浓度时多糖之间会产生相互作用，影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，它们通过分子间 缠绕或者通过分子间次级键相互作用起到増稠协同作 用，从而使体系粘度増大[11]。瓜尔豆胶和黄原胶复配 使用时，其粘度远高于两者粘度之和，说明两者具有 良好的増效作用[12]。当两者比例变化时，其増效作用 效果也发生变化。其増效机理可能是瓜尔豆胶分子平 滑，没有支链部分与还原胶分子的双螺旋结构以次级 键形式相互结合形成三维网状结构，使胶的亲水性更 好。而瓜尔豆胶与卡拉胶复合时，几乎无増效作用， 其原因可能是瓜尔豆胶主链和支链上基团主要是羟 基，卡拉胶几乎为直链大分子，且主要基团也是羟基， 都含有大量的半乳糖，作用较弱，増效作用不明显。

瓜尔豆胶与其它食品胶复配常应用于冰淇淋的生 产中[13]。在冰淇淋贮藏期间，由于温度的波动，冰晶 的连续融化和水的重结晶将会引起冰晶増大，使冰淇 淋品质劣化，当冰晶从冰淇淋浆料中析出时，由于冷 冻浓缩，使多糖浓度大大増加，大大増加了冰晶周围 未冷冻连续相的粘度，这对于冰晶的形成与冰晶的长 大均起了抑止作用。多糖复合稳定剂的作用在于在玻 化温度以上，使未冷冻连续相粘度増加，粘度越大， 冰晶形成时间越长，推迟了冰晶的形成[14]。

5结论

在常温下，1 %瓜尔豆胶溶液可视为非流体中的假 塑性流体，浓度在1.2%以内，影响瓜尔豆胶流变性质因素的探讨，瓜尔豆胶溶液粘度随温 度升高而降低，温度回降时，粘度比升高时同温度低。 瓜尔豆胶具有很强的耐酸碱性，pH值在3.5〜10范围 变化对其粘度影响不明显。此外，瓜尔豆胶具有良好 的一价耐盐性，低浓度高价盐可提高粘度，但升高浓 度可使粘度下降。高压对瓜尔豆胶的流变特性影响也 不大。瓜尔豆胶与其它一些亲水胶体有着很好的协同 増效作用，复配使用可提高其性能。影响瓜尔豆胶流 变性的因素有很多，但归根结底都是由瓜尔豆胶本身 的分子结构以及溶液中分子的构象所决定的。正是因 为瓜尔豆胶是一种非离子型的直链分子，才赋予其高 粘度、耐盐、耐酸碱、耐高压及协同増效等优良性质， 使其在食品工业中得到了广泛的应用。

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