羟丙基瓜尔胶的制备及表征：
羟丙基瓜尔胶的制备及表征，瓜尔胶虽是目前己知的水溶性最好的天然高分子化合物之一，但却有溶解 速度慢，水不溶物含量高，粘度不易控制等缺点，这使得它难以满足工业应用 的要求，因此需要进行改性，如酯化、醚化等，以扩大它的应用范围。本文利 用环氧丙烷与瓜尔胶的反应，制备了羟丙基瓜尔胶；用分光光度法和核磁共振 测定了羟丙基瓜尔胶的取代度，考察了羟丙基在瓜尔胶上连接方式；并利用 Brookfield DV-III流变仪考查了羟丙基的引入对瓜尔胶水溶液流变性的影响。 羟丙基和1，2—丙二醇都能和浓硫酸发生反应，产物和茚三酮生成的紫色化合 物在586nm处的吸光度与羟丙基或1，2_丙二醇的浓度在一定范围内成正比， 由此建立了分光光度法测量羟丙基瓜尔胶摩尔取代度的方法。在羟丙基瓜尔胶 的1HNMR谱图中，半乳糖和甘露糖H-1的共振信号处于最低场，而一CHa氢的化 学位移最小，三种氢原子峰都能和其它氢原子峰相分离，利用它们的峰面积之 比也可以测定羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度。光度法与核磁共振测定的结果相一 致。将瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶的13CNMR谱图进行了比较，发现谱图中碳原子峰 的位置完全一样，且强度基本未发生变化，从而推测羟丙基是以长链方式与瓜 尔胶相连接，而不是在糖单元上均匀分布。结合"CNMR的灵敏度，可以估计出 羟丙基的最小链长。此外，从瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶溶液的表观粘度一剪切速 率变化的曲线上可以看出，瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶溶液都呈假塑性，同时，羟 丙基瓜尔胶溶液的粘度较瓜尔胶有很大程度的降低且降低的程度随摩尔取代度 的增大而增大。
瓜尔胶（guar gum)是从产于印度、巴基斯坦等地的瓜尔豆（Cyamopsis tetragomolobus)种子的胚乳中提取得到的，属半乳甘露聚糖，是目前己知的 水溶性最好的天然高分子化合物之一。
近年来，随着各国对环境污染问题的日益关注和重视，人们逐渐把注意力 集中到了无毒、环境友好、价格便宜并且可以再生的天然高分子上面。瓜尔胶 即是其中的一种。独特的结构特征和性能决定了瓜尔胶易于被化学改性，从而 可以制备各种功能材料，这使得对它的研究，在美国、英国、印度等国都是热 门课题。然而，我国对瓜尔胶的研究进行得相对较少，报道不多[1_3]。
1.1瓜尔胶的结构
瓜尔胶的主要成分见表1[4]。
表1:瓜尔职的主要成分
Tab. 1 The compositions of guar gum
组成含量％
半乳甘露聚糖(瓜尔糖）75-85
水分8-14
蛋白质5-6
粗纤维2-3
灰分0. 5-1
通常所说的瓜尔胶指的是瓜尔糖，其主链由（1-4)-P-D-甘露糖为结构单 元连接而成，侧链则由单个的a-D-半乳糖组成并以（1-6)键和主链相接[5<， 如图1。从整个分子来看，半乳糖在主链上呈无规分布[”，但以两个或三个一组 居多[8]。这种基本呈线形而具有分支的结构决定了瓜尔胶的特性与那些无分支、 不溶于水的葡甘露聚糖有明显的不同。因来源不同，瓜尔胶的分子量及单糖比 例不同于其它的半乳甘露聚糖。瓜尔胶的分子量约为100万〜200万，甘露糖 与半乳糖之比约为1. 5〜2/1。
1.2瓜尔胶的性质 1.2. 1流变性
瓜尔胶的水溶液具有很高的粘度.其粘度与分子量的关系可以采用 Mark-Houwink-Sakurada方程：[n]=kM丨u来描述。但由于要制备具有不同分子 量的纯样及其分子量和特性粘数测量的困难，使得对MHS方程中〇和k值的测 量进行得很少。Doublie，等人测得的a和k值,分别为0. 98和7. 76X 10' 但等于0.98的a值明显高于了无规线团构型的高分子溶液所应有的a值。 M.U.Beer等人tlui利用高效凝胶排斥色谱，并和直角激光扫描检测计 (right-angle laser light scattering detector)等联用，快速测定了分布 系数大于2. 5的瓜尔胶的[n ]和M,，得到的a和k值分别为0. 72和5. 13X 10' 即：[n ]= 5. 13X l〇_Uu' 这和 R〇binson[ll]等人报道的 0. 72 和 3. 8X 1CT相近。
瓜尔胶在水溶液中显示的是典型的缠绕的生物聚合物的性质。溶液呈假塑 性，没有屈服应力。牛顿流体区向假塑性区的过渡发生在很低的剪切速率区域 内，并随溶液的温度和浓度而变化。S.Venkatalah[l2]研究了瓜尔胶的流变性， 认为瓜尔胶溶液的流动可以采用Cross模型来描述：
參
巾=(”〇-T|c〇) / [1 + W
这个方程可近似为：
\ Sf]'r = 1 / T}〇+ (X^) m/ 1]
式中：77; _剪切速率为/时的粘度；T)C，T]~-/分别为0和00时的粘度；X>_松 弛时间；m -常数。
其中的参数可以通过计算机采用最小二乘拟合的方法来计算。 n。与温度的关系可用阿仑尼乌斯公式表示：
n〇=Aexp (Ea/ RT)
式中：A-指前因子；Ea-流动的活化能；T-温度。 n。与浓度的关系为：
log (n 〇/ n «〇i) -1 = a log[ n ] + a logC 式中•• [n]-特性粘数；C-溶液浓度。’
这些关系式虽与实验数据符合得很好，但是由于所用的参数太多，实际应 用时显得很麻烦。
R.H.W.WientjeslI3_141等人研究了瓜尔胶溶液的线性粘弹性，得到的松弛谱图 表明：在QSIO'1赫兹的范围内，溶液的粘弹性可用Rouse模型来描述。然而， 在低频区还有两个储能模量平台：分别在1〜100Hz和co<0.01Hz的区域内。将 溶液的粘弹性和现有的一些模型相比较，可以发现：典型的蛇型模型、非化学 键断裂等模型不适用或不完全适用于瓜尔胶溶液，体系中存在着两种相互独立 的松弛机理。改变溶剂和用酶降解瓜尔胶的实验结果表明：1〜100HZ区域内的 平台似乎是由多链结构的构象松弛引起的，而co<0.01Hz的平台则似乎是由链 间的相互作用引起的。R.H.W.WieritjeS等人的解释还不完善，不能明确指出其 所谓的“多链结构”的具体结构和“链间的作用”究竟是什么作用力。所假设 的模型也不能用来预测瓜尔胶溶液的松弛行为与温度、浓度、分子量之间的关 系。要完全了解瓜尔胶溶液的松弛机理，还需要做更深入的研究。
1.2.2与其它聚合物的相互作用
瓜尔胶溶液本身不能形成凝胶，但能和其它的聚合物，如黄原胶琼 脂糖[8’18]、酪蛋白M、淀粉[2°]等形成“复合体”，通过协同作用使溶液粘度增加。 Catherine Schorsch™研究了瓜尔胶与黄原胶所形成的“复合体”的粘弹性，发 现其弹性模量虽比粘性模量大，但不满足G'»G〃的条件，且CT在较大的范 围内有频率依赖性，表明该“复合体”不是严格意义上的凝胶，但其粘弹性较 之瓜尔胶溶液己有极大的不同。如果缩短考察时间，则也可以将这种“复合体” 视为凝胶。协同作用随瓜尔胶分子量的增大、半乳糖含量的降低而增大，也与 半乳糖在主链上的分布有关[21]。对于瓜尔胶和这些聚合物的相互作用机理，人 们做了 一定的研究。Rosangela B.Garcia[8]等人用二甲亚讽溶解瓜尔胶和琼脂糖 形成的“复合体”，发现琼脂糖溶解完全后，剩下的瓜尔胶仍能保持体系原来的 形状，表明瓜尔胶通过和琼脂糖螺旋结构的外表面相作用而参与了网状结构的 形成。由复合体的TEM图也能得到相同的结果。VanditaB.Pai[21]在研究了黄原胶 和酶改性的瓜尔胶的相互作用之后认为：_瓜尔胶和黄原胶的协同作用是由瓜尔 胶的“自由”（即：不带半乳糖支链）的甘露糖链段和/或半乳糖有规则的分布
在同一方向的甘露糖链段与黄原胶无序的线团结构相作用，形成三维的网状结
/
构而引起的。相应的证据是：①温度升高，协同作用增强。②瓜尔胶的半乳糖 含量较之有类似结构的槐豆胶高（槐豆胶的M/G约为4),与黄原胶的协同作用 则明显不如槐豆胶。利用半乳糖酶提髙瓜尔胶中“自由”的甘露糖含量，协同 作用会明显增强，甚至高于有相同M/G值的槐豆胶。③制备瓜尔胶-黄原胶复合 体时加入NaCl,协同作用会减弱。对此提出的解释是：在黄原胶的溶液中，存 在着有序的螺旋结构和无序的线团结构的构型转化平衡，一般情况下，以螺旋 结构为主。温度升高，平衡向生成线团结构的方向移动，若加入电解质，则由 于电荷屏蔽作用，使螺旋结构的稳定性增强，平衡向螺旋结构方向移动。因此， 在未被酶作用的瓜尔胶分子中，众多的半乳糖支链阻碍了甘露糖主链与黄原胶 的相互作用。利用半乳糖酶减少半乳糖，增加自由的甘露糖链段，可使协同作 用增强。温度升高，黄原胶的无序结构增多，协同作用增强。加入电解质，会 使无序结构减少，从而减弱协同作用。然而，Catherine Schorsch[16]等人的实验 结果却与上述的相反，电解质KC1加入到瓜尔胶-黄原胶体系中，协同作用随 着盐浓度的提高而增强。由此可以看出：我们的对体系的表征还很不完善，应 该采用动态和瞬态相结合的方法，同时又结合其它的实验技术：如偏光显微镜 等，充分考察各成分在体系中的形态，以期达到对体系更加深入而完整的认识， 开发出新型的瓜尔胶凝胶材料。
1.2.3稳定性
Kavita Taunk等人[22]绘制了瓜尔胶的TGA和DTA曲线。结果表明230’C 时，瓜尔胶开始分解，最终分解温度为31CTC。瓜尔胶水溶液的热稳定性较差。
10
当加热到不太高的温度时，溶液的粘度急剧下降；再降低温度，粘度会随着冷 却而恢复。但若加热至80〜95°C，并持续一定的时间，就会丧失其粘度[4]。
瓜尔胶作为一种天然高分子化合物，能被一些酶和细菌所分解。常见的酶 是半乳糖酶和甘露糖酶[23]。抑制酶和细菌的方法是在溶液中加入NaS203和 NaN3M。
瓜尔胶在酸中会发生降解，用硫酸[8i或三氟乙酸[21]甚至可以使其完全水解 为单糖。利用此性质可测定瓜尔胶及其衍生物中两种单糖的比例。
1.3瓜尔胶的改性
虽然瓜尔胶具有较好的水溶性和增稠性，但却有下述缺点：①不能快速溶 胀和水合，溶解速度慢。②水不溶物含量高。③水溶液的粘度不易控制。④溶 液易被微生物分解而不能长期保存。这些缺点使得瓜尔胶的工业应用，受到一 定的限制。因此需要对瓜尔胶进行化学改性，以改变其理化特性，扩大它的应 用范围。瓜尔胶的改性主要分为四大类：（一）官能团衍生。这类方法是基于瓜 尔胶的每个糖单元上平均有三个羟基，这三个羟基在一定的条件下，可发生醚 化、酯化或氧化反应，生成酯、醚衍生物。常见的主要有以下几种：①羧甲基 化、②烃基化、③羟乙基或羟丙基化、④氧化法、⑤磷酸盐酯化法、⑥硫酸盐 酯化法。（二）接枝聚合。这类方法是基于一些引发剂可以使瓜尔胶或乙烯基类 的单体产生自由基，从而进行共聚反应。主要有以下四种：①丙烯酸接枝。② 丙烯酰胺接枝。③甲基丙烯酰胺接枝。④丙烯腈接枝。（三）酶法。该方法是利 用酶选择性地降解瓜尔胶而改变其性质。（四）金属交联法。主要利用瓜尔胶的 交联性。瓜尔胶主链上的邻位顺式羟基可以与硼及一些过渡金属离子如：钛、 锆等作用而形成冻胶。此外，还有前两类方法的结合，如：由第一类方法改性 得到的羟丙基瓜尔胶再与丙烯酰胺接枝[24_26]。
1.3. 1醚化瓜尔胶
醚化瓜尔胶是瓜尔胶中的羟基与反应活性物质作用生成瓜尔胶取代基醚。 强碱条件下醚键不易水解而提高了瓜尔胶的粘度稳定性。常见的醚化瓜尔胶有 羟丙基瓜尔胶、羧甲基瓜尔胶、含氨基或胺基的阳离子瓜尔胶[27]等。
瓜尔胶在异丙醇、乙醇、水等介质中，NaOH存在的条件下，与环氧丙烷
反应，即可得到羟丙基瓜尔胶 。由于环张力大，环氧丙烷易于开环而发生反 应，此外，还能和己形成的羟丙基反应生成更长的多氧丙基侧链。X射线衍射 图™表明，羟丙基瓜尔胶和瓜尔胶的聚集态一样，不含晶体结构。扫描电镜[23] 显示羟丙基瓜尔胶呈粒状结构。改性后生成的羟丙基瓜尔胶和瓜尔胶原粉相比 较具有下述优点：①增加了在和水互溶的溶剂中的溶解度。②减少了水不溶物。 ③提高了与电解质的相容性。④具有相当低的BOD值。
在乙醇和甲苯的混合溶剂中t281，让瓜尔胶和NaOH及C1CH2C00H在室温 下反应24h，或由瓜尔胶与一氯乙酸钠[29]直接反应都可以得到羧甲基瓜尔胶。 这样就在中性的瓜尔胶分子中导入了电荷，改变了瓜尔胶的很多性质。
1. 3. 2氧化瓜尔胶
瓜尔胶与过氧化物等氧化剂作用所得的产品即为氧化瓜尔胶。反应很复杂， 机理也不详。采用不同的氧化剂、氧化工艺可以制得性能各异的氧化瓜尔胶。
将瓜尔胶粉悬浮于苯中，在激烈搅拌的情况下加入冰冷的Na202，并在一定 温度下反应4h [3°]或将瓜尔胶与一定量的混匀，在9(TC反应45min都可以制 得氧化瓜尔胶[29]。Frollinie E.M利用卤素作氧化剂，制得了带有羧基的氧化 瓜尔胶。
1.3.3酯化瓜尔胶
酯化瓜尔胶是瓜尔胶中的羟基被无机酸或有机酸酯化而得的产品。常见的 有硫酸酯、磷酸酯、醋酸酯、邻苯二甲酸酯、苯甲酸酯和磺酸酯。在NaOH存在 的条件下，Yeh Michael H.用瓜尔胶与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸合成了一种 可用做增稠剂的酯化瓜尔胶 1.3.4瓜尔胶-乙烯基类单体接枝共聚物
经过引发，瓜尔胶与乙烯基类单体进行接枝共聚反应，形成接枝共聚物。 一些典型的体系如表2所示。
目前对这类反应进行的机理还不是很清楚。Kavita Taimk [22]和Kunj Behari[31] 等人认为：由引发剂产生的初级自由基R•会吸收瓜尔胶GOH的氢原子而产生 自由基GO•，即：
R. + GOH — GO- + RH
再由GO•和单体继续进行链增长反应，形成接枝共聚物。
表2瓜尔胶-乙烯基类单体接枝共聚体系 Tab2 Systems of graft copolymerization of guar gum and vinyl monomers
氧化剂还原剂单体内容参考文献
Ce4+丙烯酰胺絮凝性25
KMn04(COOH)2丙烯酰胺反应规律33
Cu2+扁桃酸丙烯酰胺反应规律34
KBr04FeS04丙烯酰胺反应规律35
K2S2O抗坏血酸丙烯腈反应规律36
H：〇2甲基丙烯酰胺反应规律37
GO* + M —► GOM*
GOMn-i# + M —>GOMn*
他们没有对此机理的提出做出明确的解释。然而，U.D.N.Bajpai^等人却认 为反应是：先由初级自由基R•和单体进行反应，聚合到一定的程度形成低聚 物RMn•，再由RMn•吸收GOH上的氢原子产生自由基GO•，进行接枝反应， 即：
GOH + RM，— GO. + RMnH (均聚物）*
GO* + M —^ GOM*
GOMn_i* + M GOMn*
GOMn* + GOM^ —接枝共聚物
从上述反应机理来看，似乎后一种更合理：由带的方程式产生自由基 的可fc性更大，原因是：
1.从反映前后物质的电子排布来看，初级自由基加成到单体分子上，仅涉 及到电子的重排，但初级自由基若从瓜尔胶分子上吸收氢原子，则不仅涉及到 氢原子与初级自由基的加成反应，而且还要先断裂羟基。显然，后者的活化能 远远高于前者。
2.从体积上看，体积小的单体应该比长链的瓜尔胶分子更易于向初级自由 基扩散。
3.从文献报道来看，大多数体系中产生的初级自由基均有共振结构，而与 单体加成后，形成的RM•会比初级自由基具有更多的共振结构，然而在GO•中
13
却不具有这种共振结构。
上述的分析从理论上看可行，然而也缺少实验证据。对这类反应机理的深 入研究，将有助于控制反应条件，减少共聚副产物，提髙接枝效率。
采用上述改性方法，通过选择不同的接枝单体、控制适当的接枝频率、接 枝率、和支链的平均分子量，可以制得各种具有独特性能的产品。它们既有多 糖化合物的分子间的作用力与反应性，又有合成高分子的机械性、与生物作用 的稳定性及线形链展幵能力，在实际应用中具有优异的性能。
1.3. 5酶改性
这种改性中所用的酶是具有高度选择性的甘露糖酶和半乳糖酶[231。甘露糖 酶只剪切甘露糖主链，而不会对支链发生作用。利用甘露糖酶的这种作用，可 以较大幅度地改变瓜尔胶的分子量和流变性；半乳糖酶只剪切半乳糖支链，通 过改变两种单糖的比例来改变瓜尔胶的精细结构，对流变性的影响则较小。 Akash Tayal|3>(_391等人对这两种酶与瓜尔胶的作用机理进行了深入研究，发现： 虽然有关系式1/Mw a kt成立，但瓜尔胶和酶的反应仍属于零级反应（因为反 应的线性关系还和瓜尔胶的初始浓度有关）。利用计算机模拟技术发现酶对瓜尔 胶的作用机理不同于通常的高分子链的断裂方式：随机、高斯分布和链中点断 裂，表明酶对瓜尔胶不是采用单链剪切模式，而是多链剪切模式，但要进一步 确证还需更多的实验事实。同时利用两种酶进行改性，则因半乳糖酶可剪去有 立体阻碍作用的支链，产生协同作用，而有利于甘露糖酶对主链的剪切。利用 酶对瓜尔胶进行改性的好处是：可以根据要求，为实验或生产量身定做具有不 同精细结构的瓜尔胶，这具有非常重要的应用价值。
1.3.6交联改性[2 4 233
瓜尔胶及其衍生物的水溶液在控制pH值的条件下，可以和硼、钛、锆等 形成凝胶，这种凝胶在平坦的表面上能够流动。其中硼和瓜尔胶所形成的凝胶 对剪切是可逆的，即在切割或破裂后，凝胶体可恢复至原来的状态，而过渡金 属与瓜尔胶所形成的凝胶则是非可逆的。交联改性提高了瓜尔胶在高温对水解 的抵抗，能使瓜尔胶的粘度延长持续时间。
1.4瓜尔胶的应用
因能提高食品粘度或与食品形成凝胶，瓜尔胶可用作食品添加剂，使食品 获得所需的形状和硬、软、粘稠等各种口感；利用酶提高了 M/G值的瓜尔胶可 望取代槐豆胶等M/G值较高的天然多糖胶；竣甲基瓜尔胶可用作纺织工业中的 纺纱胶水、纺织物上浆和印染的髙级原料；由羟丙基瓜尔胶制成的压裂液具有 低伤害性，可减少压裂液残渣对地层及导流裂缝的伤害，与硼交联后将具有更 高的粘度和良好的携砂性；在医药中，瓜尔胶可用做一些药物的载体。用酶控 制瓜尔胶的扩散系数，可达到对药物的控制释放；较之无机絮凝剂，用瓜尔胶 及其衍生物制成的絮凝剂效率要高得多；由于能有效增稠硝酸溶液，瓜尔胶及 其衍生物己成为了塑胶炸药的基本成分。总之，由于其独特的性能，瓜尔胶及 其衍生物目前己作为增稠剂、稳定剂、起泡剂、絮凝剂等而广泛应用于食品、 纺织、医药、石油、造纸、炸药等领域，是除纤维素之外，用量最大的天然高 分子。
1.5展望
近年来，对瓜尔胶的研究，取得了丰硕的成果。特别是随着聚合物仪器分析 水平的发展，科学家们在研究瓜尔胶时，有了更为有力的手段，为瓜尔胶的应用 开辟了更广阔的途径。但对瓜尔胶的研究是一个涉及到化学、物理、分析仪器、 生物化学、医药化学、材料化学和工程等学科的具有创造性和开拓性的研究领域， 需要各领域的专业人员的共同努力，深入研究以期开发出性能更优异的新型瓜尔 胶功能材料。而我国对半乳甘露糖胶的研究起步较晚，目前在工业中广泛应用的 只有田菁胶，食品级的半乳糖胶主要依靠进口。因此，对瓜尔胶的研究和开发利 用也将会对我国的半乳甘露糖胶的开发利用起到积极的推动作用。
2实验部分
Brookfield DV-III流变仪（Brookfield 公司）
2. 1.2实验试剂
环氧丙烷（CP，成都化学试剂厂）
异丙醇（AR，成都科龙试剂厂）
冰醋酸（AR,成都化学试剂厂）
无水乙醇（AR,成都长联化工试剂有限公司）
NaOH (AR,成都长联化工试剂有限公司）
茚三酮（AR,上海青蒲联民生物厂）
1，2_丙二醇（AR,上海外岗化工二厂）
浓硫酸（AR，成都露澄化工试剂厂）
浓盐酸（AR，成都科龙试剂厂）
瓜尔胶原粉（Mw=66万；[n]=18.29、dL/g)，江苏昆山京昆油田科技公司提供。
2. 2实验方法 2. 2. 1纯化瓜尔胶原粉
称取一定量的瓜尔胶原粉，配制成1%的水溶液，离心分离后再用无水乙醇 沉淀并真空干燥。
2.2.2羟丙基瓜尔胶的制备
在烧瓶中加入纯化的瓜尔胶原粉5.000g和10.5ml的异丙醇，通N2 20分钟 后，缓慢加入4.5ml NaOH (Wt 3.33%)溶液，搅拌约20分钟。再加入需要量 的环氧丙烷，于室温下反应1天。之后用冰醋酸中和，80%的乙醇洗涤多次， 最后用无水乙醇洗涤并真空干燥。
改变环氧丙烷的量，可得到不同取代度的产品。
2. 2. 3分光光度法测定羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度 2. 2. 3. 1绘制标准曲线
配制每毫升水分别含1,2_丙二醇10pg、20pg、3〇ng、40(ig、50jxg的 工作溶液，羟丙基瓜尔胶的制备及表征，并分别取这五种工作溶液1.00ml于5个25ml容量瓶中，缓慢加入 8ml浓硫酸，混合均匀，在100°C水浴中加热3 min后，立即放入冰水浴中冷却， 然后加入0.6ml 3%的茚三酮水溶液，在25°C水浴中放置100 min，用浓硫酸稀 释至25ml,混合均匀，静置5 min,以试剂空白做参比，测量波长为586nm的
16
吸光度，绘制吸光度一浓度标准曲线。
2. 2. 3. 2羟丙基瓜尔胶样品分析
称取纯化的羟丙基瓜尔胶样品0.05〜O.lg，加入剧烈搅拌的25ml蒸馏水中， 并继续搅拌30min，之后用蒸馏水稀释至100ml。必要时可进一步稀释，以确保 每100ml溶液中所含轻丙基不超过4mg。’吸取该溶液1.00ml于25ml容量瓶中， 按照上述标准曲线绘制方法使其显色并测量吸光度。在标准曲线上查出相应的 1，2—丙二醇含量。
2. 2. 3. 3测定瓜尔胶原粉空白值
称取和羟丙基瓜尔胶相同质量相同来源的未改性的瓜尔胶原粉，按2.2.3.2 所述的制备羟丙基瓜尔胶溶液的方法配制瓜尔胶溶液。取1.00ml此溶液于25ml 容量瓶中，按照上述标准曲线绘制方法使其显色并测量吸光度。在标准曲线上 查出相应的1,2—丙二醇含量。
2. 2. 3. 4摩尔取代度的计算
羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度（MS)按下式计算：
//今-绝)x〇 7763xi〇〇
V U/#^ k)
\00-H
式中：H—羟丙基百分含量，％;
F—羟丙基瓜尔胶溶液或瓜尔胶溶液的稀释倍数；
M样一在标准工作曲线上查得的羟丙基瓜尔胶中的1,2—丙二醇质 量；
—在标准工作曲线上查得的瓜尔胶原粉中的1,2—丙二醇质量； W —羟丙基瓜尔胶试样质量；
Ws_瓜尔胶原粉质量；—
0.7763_1，2~丙二醇含量转化成羟丙基含量的转换系数；
2.79-轻丙基百分含量转换成摩尔取代度的转换系数。
2.2.4瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的核磁共振测试
将瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶样品用HC1部分水解，并分别溶于D2〇中，浓度 均为25mg/ml，于333K的温度下进行屮NMR测试，于368K的温度下进行13C
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NMR测试。
2. 2. 5瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶粘度的测量
分别配制0.40%，0.75% (Wt)的瓜尔胶水溶液和0.40%，0.75%，1.00%， 1.25% (Wt)的各种不同取代度的羟丙基瓜尔胶水溶液进行粘度测量。
测量时，将各样品分别置于样品池中，样品池的温度保持在设定的温度下, 测量溶液的表观粘度一剪切速率曲线。测量温度选为25°C, 30°C，35°C，4CTC, 45°C, 5(TC。
3结果与讨论
3.1羟丙基瓜尔胶的制备
按照2.2.1所述的实验方法，制备了羟丙基瓜尔胶。反应为一双分子亲核取 代反应，方程式如（1)、（2)所示（瓜尔胶以guar—OH表示）。
由于环氧丙烷的环张力很大，反应易于进行，并且反应中一旦形成 gUar-OCH2-CH (CH3) CT后，环氧丙烷还可以继续与之发生反应，使得羟丙基 链增长，如方程式（3)所示。因此一般不用取代度DS来表示反应程度，而是 用摩尔取代度MS (即脱水单糖单元摩尔数与反应的环氧丙烷的摩尔数之比） 表示。与此同时，还伴随有生成丙二醇、聚醚的副反应，如方程式（4)、（5) 所示。
guar-O' Na+
H-CH,
guar-0-CHrCH-CH3 + n CHrCH-CHr OH〇
guar-〇-CHrCH-CH3 +NaOH (2)
OH
-guar-C){CHr〒H-O^CHr?H-OH ( 3 )
CH,
CH,
guar-OH + NaOH guar-0" NaT + H20 (1)
CH2-CH-CH3 + H20 —► CHrCH^CH3 (4)
o
OH OH
18
(n+1) CH2-CH-CH3
\ /
CH2-CH-CH3
OH OH
CH2-CH-0-(CH2-CH-0)^H2-CH-CH3 OH CH3 CH3 OH
(5)
当环氧丙烷与瓜尔胶单糖的摩尔比为4.75: 1时制备的羟丙基瓜尔胶较原粉 质量增加了 〇.64g，根据摩尔取代度的定义计算得到的摩尔取代度的值见表3。
改变环氧丙烷的加入量可以制备不同取代度的羟丙基瓜尔胶。实验中，在 不同配比的条件下制备的羟丙基瓜尔胶利用核磁共振测得取代度分别为：0.24、 0.32、0.51。
3.2羟丙基瓜尔胶的表征
瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶有相同的元素组成，改性前后C、H、0三种元素含 量的微小变化不足以用来表征羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度。从红外吸收来看， 两者的红外谱图非常相似；因此要利用常规的元素分析、红外光谱等分析技术 对羟丙基瓜尔胶进行表征是很困难的。因此，一方面我们设想能利用瓜尔胶和 羟丙基瓜尔胶在化学性质上的某种差异来表征羟丙基瓜尔胶。同时，由于改性 后羟丙基瓜尔胶比瓜尔胶多了甲基，这在hNMR中能反映出来，13CNMR是 观察碳原子的有利工具，这使我们能利用核磁共振技术来测量羟丙基瓜尔胶的 摩尔取代度，并考察羟丙基与瓜尔胶之间的连接方式。
3.2. 1羟丙基瓜尔胶摩尔取代度的测量•
测量羟丙基瓜尔胶摩尔取代度的常用方法是根据摩尔取代度的定义（摩尔 取代度等于接枝上的物质的摩尔数与被改性的聚合物结构单元的摩尔数之比）， 羟丙基瓜尔胶的制备及表征，利用改性前后产物与反应物的质量变化来计算，但这种方法只能在合成时使用， 而不能用于产品的直接检测。S.Venkataiah1121将测量羟乙基纤维素取代度的 Zeisell4(>1方法用来测定羟丙基瓜尔胶的取代度，但羟丙基和HI生成C3H7I的挥 发性较C2H5I差，使方法的准确度受到影响。并且实验装置复杂，操作烦琐， 也给该方法的应用带来了一定的限制。羟丙基和1，2—丙二醇都能和浓硫酸发 生反应，产物和茚三酮生成的紫色化合物在586mn处的吸光度与羟丙基或1 , 2 一丙二醇的浓度在一定范围内成正比，由此可以建立一种分光光度法测量羟丙 基瓜尔胶摩尔取代度的方法。
3.2 • 1. 1分光光度法测定羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度
19
3. 2. 1. 1. 1 吸收曲线的绘制
按照2.2.3.1所示的实验方法，绘制显色化合物的吸收曲线，如图2。
0.5 r
400450500550600650700
波长、nm)
图2显色化合物的吸收光谱
Fig. 2 Absorption spectrum
由图2可知：在所选的实验条件下，1，2—丙二醇与浓硫酸生成的化合物和 節三酮形成的显色化合物的最大吸收波长为586nm，故实验时选择586nm作为
入射光波长。
3. 2. 1. 1. 21，2—丙二醇与浓硫•酸反应时间的选择
吸取lml 3〇ng/ml的1，2_丙二醇工作溶液，按照2.2.3.1所示的实验方法， 改变1，2—丙二醇与浓硫酸的反应时间，绘制吸光度一反应时间曲线，如图3。
0-3 r
(V)鹋米窆
02468
反应•时间（min')
图3吸光度-反应时间曲线
Fig. 3 Absorpt i on vs. reaction time of 1, 2-propanedioI with concentrated
sulfuric acid
20
羟丙基瓜尔胶的制备及表征
由图3的吸光度-反应时间曲线可知，吸光度在反应时间为2〜4min时达到 最大，故选择反应时间为3min。
3. 2. 1. 1. 3显色剂用量的选择
0 ''■'
00.511.52
吸取lml 30pg/inl的1，2—丙二醇工作溶液，按照2.2.3.1所示的实验方法， 改变茚三酮的用量，绘制吸光度一茚三酮用量曲线，如图4。
显色剂用(ml)
图4吸光度一显色剂用量曲线
Fig. 4 Absorption vs. amounts of ninhydrin
由图4可知在茚三酮用量大于0.3 ml时吸光度曲线基本呈一个平台，故选 择茚三酮用量为0.6ml。
3. 2. 1. 1. 4显色时间的选择
吸取lml 3(^g/ml的1, 2—丙二醇工作溶液，按照2.2.3.〗所示的实验方法， 改变显色时间，绘制吸光度一显色时间曲线，如图5。
〇 1111
04080120160
(V)靶漱髟
显色时间（min)
图5显色时间图
Fig. 5 Curve of absorption vs. time
21
由图5可知吸光度在反应时间为0〜80min内随时间延长而增大，在80〜 120min内基本呈平台，随后又略有增加。故选择反应时间为100min»
3. 2. 1. 1. 5标准曲线的绘制
根据上述的条件建立的显色体系如2.2.3.1的实验方法所述。由此绘制标准 工作曲线，如图6。
0102030405060
U-丙二醉的含£ (叫）
图6标准工作曲线
Fig.6 Standard curve of 1, 2-propanedioI
将工作曲线进行线性回归得：A= 0.0083C — 0.005,相关系数Y为0.983， 大于Y挪，3 ( Y桃，3=〇. 959)。1,2—丙二醇的摩尔吸光系数为E = 6.3 X 1〇5 mol/1。 可见该方法为一高灵敏的显色反应。
3. 2.1. 1. 6样品分析
取环氧丙烷与瓜尔胶单糖的摩尔比为4.75: 1时制备的羟丙基瓜尔胶为样_ 品，按照实验2.2.3所述方法测量其摩尔取代度，结果见表3。
3.2 .1.2 4 NMR测量羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度
按照2.2.4所述的实验方法，对瓜尔胶原粉和羟丙基瓜尔胶（环氧丙烷和瓜 尔胶单糖摩尔比为4.75: 1时合成的样品)进行了核磁共振测试，所得的1HNMR 谱图如图7、8。
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图7瓜尔胶的1 H NMR谱图
Fig 7 'H NMR spectrum for guar gum
图8羟丙基瓜尔胶的1H NMR谱图 Fig 8 'H NMR spectrum for hydroxypropyI guar gum
由瓜尔胶的结构式可知：在甘露糖与半乳糖中，与C-l相连的氧原子最多，
23
故H-1的共振信号处于最低场（5在5.1〜5.4的范围内）。而且，甘露糖的H-1 因处于直立位置而位于单键产生的各向异性磁场的屏蔽区内，半乳糖的H-1因 处于平伏位置位于屏蔽区外，（屏蔽区内氢原子的化学位移小于屏蔽区外氢原子 的化学位移），这使得甘露糖H-1的化学位移小于半乳糖H-1的化学位移。图7 中S值为5.39的峰即为半乳糖H-1的峰，5值为5.11的峰为甘露糖H-1的峰[41]。 两峰的面积比为1: 1.67,这是瓜尔胶样品中半乳糖与甘露糖的含量比。甘露糖 与半乳糖的C-2〜C-6只与一个氧原子相连，与它们直接相连的氢处于非常相似 的化学环境，化学位移十分相近（5值为3.8〜4.8)，吸收信号严重重叠，很难 将其分开。羟丙基上的-CH3不与氧原子相连，这使得-CH3的氢原子峰位于最高 场。图8中S值为1.52的峰即是-CH3的氢原子峰。由-CH3的氢原子峰以及两 种单糖H-1的峰面积之比就可以测出羟丙基瓜尔胶的取代度[MS=(-CH3的峰面 积/3) /(半乳糖与甘露糖H-1的峰面积之和）]。由此得到的羟丙基瓜尔胶的摩 尔取代度值见表3。
表3三种方法测得的羟丙基瓜尔胶的摩尔取代度结果 Tab. 3 MS of hydroxypropyI guar gum determined by three different methods
测试方法定义法光度法核磁共振法
取代度的测量值0. 350. 310. 32
由表3中的数据可知，三种方法的结果一致。由此可见，羟丙基瓜尔胶的制备及表征，分光光度法和核 磁共振都能用于羟丙基瓜尔胶摩尔取代度的测定。并且两种方法都易于操作， 有很强的实用性，可用于产品的检测。
3. 2. 2羟丙基与瓜尔胶连接方式的考察
为解析瓜尔胶的13CNMR谱图，使用了 APT (attached proton test)方法以 确定瓜尔胶中碳原子的级数。APT方法是一种确定碳原子级数的有效方法。 它是同时由两个研究小组发展起来的，Patt等称此法为APT法，J.Y. Lallemand 等称此法为J调制（J-modulation)法。这种方法的脉冲序列最简单，但方法 很有效，且季碳可出峰。在APT方法中，对季碳进行检测，任何时候都可以得 到一个正信号，T=1/J时对1H去耦，叔碳会得到一个绝对值最大的负信号，仲 碳可得到一个绝对值最大的正信号，伯碳可得到一个绝对值最大的负信号，由
24
此可以确定碳原子的级数[42]。
实验中得到的瓜尔胶的APT图见图9。
图9瓜尔胶APT图
Fig. 9 Spectrum of guar gum obtained from APT
由图9可知：峰1、r和2为负信号，其余的峰则呈正信号。因此可知，
峰1、r和2为瓜尔胶中的伯碳原子，其余的则是瓜尔胶的仲碳原子。结合图1 瓜尔胶的结构式可初步认定峰2是半乳糖（G〉的C-6。由于甘露糖分为与半乳 糖相接（M)和不相接（M')两类，且因有取代基与之相接，M’-6的共振信 号较之M-6的共振信号出现在高场，因此可判定峰1为M-6,峰1’是M'-6。
瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的13C NMR谱图见图10。结合图1瓜尔胶的结构式 及图9瓜尔胶的APT图，并参照文献[43]的有关数据及其中所述碳原子信号的指 定规律，对图10中瓜尔胶的13CNMR谱图进行了解析，各碳原子峰的归属为： 峰1〜3及峰5分别为甘露糖的相应碳原子1〜3和5; M-4可能被掩藏在半乳糖 的碳2〜4的峰中；甘露糖的碳6分为与半乳糖相接和不相接两类并分别与图A 中峰6-1和6-2相对应。峰1 z〜6 '分别为半乳糖的相应碳原子峰。将图10的A 和B进行对比分析发现，羟丙基瓜尔胶与瓜尔胶的各个碳原子的峰的位置一样，
图10瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的％ NMR谱图 Fig 10 丨3C NMR spectra for guar gum and hydroxypropyI guar gum A 瓜尔胶（guar gum )B•轻丙基瓜尔胶（hydroxypropy I guar gum)
且强度基本未发生变化。在图B中羟丙華瓜尔胶仅增加了羟丙基的三个碳原子 峰：7、8及-CH3。羟丙基瓜尔胶样品中羟丙基与瓜尔胶之间单糖的比为0.32， 如果羟丙基均匀分布，受羟丙基影响的碳原子的化学位移会发生变化，则羟丙基
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瓜尔胶样品中相应的13CNMR的吸收信号会变弱，但谱图中并未检测到此现象。羟丙基瓜尔胶的制备及表征，由此，可以推断羟丙基是以较长链的方式与瓜尔胶主链相连接，从而使得糖单元 上相对较少的羟基及与该羟基相连的碳原子受到羟丙基的影响，因此13C NMR 很难检测到与羟丙基直接相连的碳原子，这使得我们不能从碳谱上确定出与羟丙 基直接连接的碳原子。但是，我们却可利用这一信息来估算羟丙基的长度。一般 13C NMR的灵敏度Rs为1〜4%,假定羟丙基连接在瓜尔胶每个单糖以及单糖上 每个羟基上的概率相同，并将每个脱水糖单元上可与羟丙基发生反应的羟基平均 数设为N，利用计算式DP多MS/(NXRs)就可估算羟丙基的最小链长，也就是羟 丙基的最小聚合度DP。由图1的结构式可知N=3,从而计算出所合成的羟丙基 的最小长度为2〜8。
3.3瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶流变性的表征
甴于流变性对分子结构的影响非常敏感，因此羟丙基的引入对瓜尔胶性质 的影响可以从瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的流变曲线上反映出来。
按照所述的实验方法，测定了瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶溶液的表观粘度一剪 切速率曲线，部分曲线如图11、12所示。
300
o o o o
2 I
{d---so0-5-
0】02030405060
shear rates'1)
图11瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶（摩尔取代度为0.51)的流变图（Wt: 0.4X) (▲瓜尔胶
•羟丙基瓜尔胶）
Fig. 11 Rheograms of guar gum and HPG(Wt： 0. 4%) (#guar gumAHPG MS： 051)
27
(dcoh-sousl/v
3000
2000
4000
moo
〇 -
0]02030405060
shear rates'1)
图12摩尔取代度为0.51 (Wt: 1X)的羟丙基瓜尔胶的粘度一剪切速率曲线（从上至 下温度依次为：298K; 303K;308K; 313K; 318K; 323K)
Fig.12 HPG (MS： 051) (Wt： 1%) viscosity vs. shear rate(temperature variation:298K; 303K;308K; 313K; 318K; 323K)
由此可以看出，在水溶液中，羟丙基瓜尔胶与瓜尔胶都显示出典型的缠绕 的生物聚合物的性质。在所研究的温度与浓度范围内，瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶 的流动呈假塑性，没有屈服应力。羟丙基瓜尔胶的制备及表征，在相同的剪切速率下，羟丙基瓜尔胶的表观 粘度比瓜尔胶的表观粘度有很大程度的降低。利用公式1441
鲁
logo' = \ogk + n\ogy
作出logcr〜logy曲线，外推至logr为零处，可以求出瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶 的零切粘度。图13绘制了 25°C时瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的零切粘度随取代度 变化的曲线。由曲线可以看出，羟丙基瓜尔胶的零切粘度较之瓜尔胶有很大程 度的降低，且降低的程度随取代度的增大而增大。这可能是由两个因素引起的： 第一，在瓜尔胶的分子中存在着很多羟基，羟基之间强烈的氢键作用使得瓜尔 胶分子或链段之间相互缠绕，形成较大的流动单元，而表现出较高的粘度。在 瓜尔胶中引入疏水性的羟丙基后，羟丙基干扰了瓜尔胶链间氢键的形成而减小 了流动单元，从而使得流动阻力也得以减小，而降低了粘度。对瓜尔胶链间作 用的干扰，随羟丙基数量的增多而增多，但羟丙基降低瓜尔胶粘度的能力随取 代度的增大而逐渐减弱，使得零切粘度降低的程度也相应减小。第二，在改性
28
(Ju)-lsoo-> J^alls 〇J9Z
00.20.40.6
M S of gums
(lolu/f^) ☆Jauautil JB>-°ra
Concent rat i on(° 〇 w/ w)
图13瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的零切粘度一摩尔取代度曲线（％W/W0. 4, 298(0 Fig. 13 Zero shear viscosity vs. MS of gums (9〇W/WO. 4, 298K)
图14瓜尔胶及羟丙级瓜尔胶粘性流动的表观活化能一浓度曲线（MS: ♦0▲0. 24籲0.51) Fig. 14 Activation energy vs. concentrat i ons of gums (MS : ♦0A0. 24#0. 51)
的过程中，不可避免地伴随有瓜尔胶的降解，这也降低了瓜尔胶的粘度。
利用 Arrhenuis 方程[12]
n〇 = Aexp (E./RT)
可以计算出瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶溶液流动的表观活化能。图14绘制了瓜尔胶 及羟丙基瓜尔胶溶液的表观活化能随溶液浓度变化的曲线。
从图中可以看出粘性流动的活化能随取代度的增大而减小。这说明羟丙基在 减小瓜尔胶分子间作用力时，也降低了瓜尔胶水溶液对温度的敏感性。与此同时， 两种羟丙基瓜尔胶的表观活化能随浓度的变化表现出相似的规律。在溶液浓度小
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于1%时，溶液的表观活化能都随溶液浓度的增大而增大，在1%时，溶液的表观 活化能达到最大，此后，则随溶液浓度的增大而降低，这可能是由于随溶液浓度 的变化，流动单元也在相应地发生变化。
30
4结论
本文利用环氧丙烷与瓜尔胶的反应，羟丙基瓜尔胶的制备及表征，制备了羟丙基瓜尔胶，对其进行了表 征并考察了羟丙基的引入对瓜尔胶流变性的影响。对羟丙基瓜尔胶的表征，重 点进行了取代度的测量及羟丙基在瓜尔胶上连接方式的考察。羟丙基和1，2— 丙二醇都能和浓硫酸发生反应，产物和茚三酮生成的紫色络合物在586nm处的 吸光度与羟丙基或1 , 2—丙二醇的浓度在一定范围内成正比，由此建立了一种 分光光度法测量羟丙基瓜尔胶摩尔取代度的方法。该方法简单，易于操作，有 很强的实用性。在羟丙基瓜尔胶的lHNMR谱图中，甘露糖和半乳糖的H-1处于 最低场，一 CH3氢的化学位移最小，这三种氢原子的峰都能和其它氢原子峰相分 离，故利用_(：味氢和甘露糖、半乳糖H—1的峰面积之比也可以测定羟丙基瓜 尔胶的摩尔取代度。光度法与核磁共振测定的结果一致。将瓜尔胶和羟丙基瓜 尔胶的13C NMR的谱图进行了比较，发现谱图中碳原子的峰的位置完全一样， 且强度基本未发生变化。从而推测羟丙基是以长链方式与瓜尔胶相连接，而不 是在糖单元上均匀分布。结合13CNMR的灵敏度，可以估算出羟丙基的链长。 利用Brookfidd DV-III.流变仪测量了瓜尔胶及羟丙基瓜尔胶的表观粘度随剪切 速率变化的曲线，可以看出瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶溶液都呈假塑性，同时，羟 丙基瓜尔胶的粘度较瓜尔胶有很大程度的降低且降低的程度随取代度的增大而增大。
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