白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液的流变性

张 洁,史劲松,孙达峰,朱昌玲,张卫明

(南京野生植物综合利用研究院,江苏南京 210042)

瓜尔胶 (guar gum)是一种天然高分子化合物,由半乳糖和甘露糖单元按摩尔比 1.5～2∶1的比例,以β-(1-4)糖苷键链接而成大分子,相对分子质量约为 100万～200万[1-4]。整个分子上,半乳糖在主链上无规分布,但以 2个或 3个 1组居多。瓜尔胶及其衍生物都是性能优良的增稠剂,广泛的应用于石油开采、涂料、化工、医药、建筑、食品和日用化工等领域。为了得到不同的效果,在使用中经常将瓜尔胶与其它胶体复配。

2种或多种多糖胶在溶液中混合,多糖分子之间产生相互作用,使得溶液黏度增大。多糖分子的种类、排列方式、分子内部和分子间的作用力、取代基团的种类等条件都会影响多糖分子间的协同效应。瓜尔胶可以与多种多糖胶共混,得到凝胶或黏度增大的溶胶[5-6]。本文研究了瓜尔胶与白芨多糖胶的复配性能。

白芨多糖胶(Blettila striatagum)取自兰科植物白芨 (Bletilla striata Reichb.f.)的鳞茎,其化学成分是葡萄甘露聚糖,两种糖基的比例大约为 4∶1[7]。未经完全纯化的白芨多糖胶中,含有少量的蛋白成分。白芨多糖胶对皮肤无刺激,无变态性反应和光毒反应,对人体皮肤无明显不良反应,可以用作医药和日化原料[8]。白芨多糖胶作为药物载体,能够延长主药的作用时间,降低毒性[9]。由于白芨多糖胶具有特殊的黏度特性,在化妆品配方中还起到增稠、悬浮、保湿和助乳化的作用。

本文采用美国Brookfield R/S CPS流变仪,通过稳态剪切实验考察溶液表观黏度 (ηa)的变化规律,为多糖胶的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

瓜尔胶:市售,产地印度;

白芨多糖胶:提取自中药白芨 (Bletilla striata Reichb.f.)的鳞茎,产地广西;采用水提醇沉法制备[10],多糖含量 87.3%,粗蛋白含量 2.2%,真空干燥并粉碎,过 80目筛;

乙醇等均为国产化学纯试剂。

1.2 方法

取不同质量的瓜尔胶粉或白芨多糖胶粉分散在水中,搅拌 20 min,静置 4 h,配制成不同浓度单一组分的溶液。

固定胶粉的总浓度,将白芨多糖胶与瓜尔胶按质量比分别为 9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9分散在水中,搅拌 20 min,静置 4 h,得到白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液。

采用 BrookfieldR/S CPS流 变 仪 (美 国Brookfield公司),C50-1锥板测量系统,在 22℃(以恒温水浴槽控温)记录溶液的表观黏度ηa随剪切速率τ的变化。

2 结果与讨论

2.1 瓜尔胶溶液的流变性

Ostwald-Dewaele方程是描述非牛顿流体流变性质的重要方程之一[2,11]。

上式为Ostwald-Dewaele方程的对数形式。式中,k为稠度系数,n为黏性指数。以 lnηa对 lnτ作图,可以得到一条直线。由直线的斜率和截距即可求得 k和 n。对于假塑性流体,01。

图1 不同浓度瓜尔胶溶液的 lnηa对 lnτ作图

22℃下,瓜尔胶溶液表现出明显的剪切变稀特性,没有屈服值,牛顿区向假塑性区的过渡发生在低剪切速率区域内。溶液的ηa随τ增加而减小;在相同的τ下,ηa随溶液浓度 cguar增加而增大。瓜尔胶溶液的ηa与τ的关系符合 Ostwald-Dewaele方程,以 lnηa对 lnτ作图 (图1),可以得到线性相关系数R2大于 0.99的一组直线,相应的 k和 n列于表1。

表1 瓜尔胶溶液的浓度 cguar对稠度系数 k和黏性指数 n的影响 (22℃)

n<1,瓜尔胶溶液为假塑性流体;k值随 cguar增加而增大,说明溶液的增粘能力随 cguar增加而增大;n值随 cguar的增加而减小,溶液的剪切变稀性质随cguar增加而进一步增强。

2.2 白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液的流变性

在白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液中,固定胶粉的总浓度为 1.5%(w/w),白芨多糖胶与瓜尔胶的质量比分别为 9∶1,8∶2,7∶3,6∶4,5∶5,4∶6,3∶7,2∶8,1∶9。

白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液与瓜尔胶溶液具有相似的流变特性,均表现出剪切变稀。复配溶液的ηa与τ的关系符合 Os twald-Dewaele方程。以lnηa对 lnτ作图 (图2),求得溶液的稠度系数 k和黏性指数 n列于表2。

图2 不同质量比白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液的lnηa对 lnτ作图

表2 复配溶液中瓜尔胶与白芨多糖胶质量比对稠度系数 k和黏性指数 n的影响 (22℃)

复配溶液的 n<1,为假塑性流体;k值随复配溶液中 cguar增加而增大,复配溶液增粘能力随溶液中瓜尔胶含量增加而增大;n值随 cguar的增加而减小,复配溶液的剪切变稀性质随瓜尔胶含量增加而进一步增强。

为了比较白芨多糖胶与瓜尔胶复配后对溶液ηa的影响,选取剪切速率τ=755 s-1时,不同浓度白芨多糖胶溶液、瓜尔胶溶液和复配溶液的ηa,显示在图3中。

白芨多糖胶溶液的流变学特性与瓜尔胶溶液不同。在极低剪切速率下,白芨多糖胶溶液的ηa迅速下降,达到稳定,不再随τ变化。ηa稳定后,随溶液浓度 (cBSG)增加而增大。但是,相同浓度下,白芨多糖胶溶液的ηa低于瓜尔胶溶液。

图3 τ=755 s-1时,白芨多糖胶溶液、瓜尔胶溶液和两者复配溶液的ηa与浓度 c的关系

图3所示,白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液的ηa大于单独的白芨多糖胶溶液和瓜尔胶溶液的ηa,白芨多糖胶和瓜尔胶复配确实具有一定的协同增效作用。复配溶液中,白芨多糖胶与瓜尔胶的质量比在1∶9到 9∶1之间时,均有一定的协同增效作用。两者质量比为 9∶1时,复配溶液的ηa比瓜尔胶溶液的ηa提高一个数量级;质量比为 6∶4时,两者的协同增效作用突然减弱。随 cguar增加,复配溶液相对于瓜尔胶溶液黏度增大程度减小。

白芨多糖胶和瓜尔胶之间的协同增效作用,来自于两种多糖分子相似的化学组成、分子结构和悬殊的分子量大小。白芨多糖胶和瓜尔胶都是天然多糖分子。白芨多糖分子主链通常由甘露糖残基链接而成,葡萄糖残基往往出现在支链上,分子量只有几十万;甘露糖残基和葡萄糖残基的摩尔比约为 4∶1。而瓜尔胶分子的主链由β-(1-4)-D-甘露糖为单元链接而成,侧链由单个α-D-半乳糖组成并以(1-6)键与主链相接;相对分子质量约为 100万～200万;甘露糖残基和半乳糖残基的摩尔比约为 1.5～2∶1。葡萄糖残基、半乳糖残基和甘露糖残基都有相似的结构,带有大量羟基。但是瓜尔胶分子量远远大于白芨多糖胶分子,当向白芨多糖胶溶液中加入少量瓜尔胶分子时,瓜尔胶分子与白芨多糖分子、水分子之间的氢键作用,使得多糖分子膨胀,溶液黏度增加。随着溶液中瓜尔胶浓度增大,白芨多糖胶浓度减小,白芨多糖胶对瓜尔胶的氢键作用减小,复配溶液黏度变化量减少。

3 结 论

白芨多糖胶 -瓜尔胶复配溶液表现出与瓜尔胶溶液相似的流变特性。溶液呈典型的假塑性,表观黏度ηa随剪切速率τ增加而减小,流体行为可以用

Os twald-Dewaele方程描述。复配溶液的ηa大于单独的瓜尔胶溶液和白芨多糖胶溶液的ηa。白芨多糖胶与瓜尔胶之间确实存在协同增效作用,两者之间的最佳配比是 9∶1。复配溶液的增粘能力随瓜尔胶含量增加而增大;剪切变稀性质随瓜尔胶含量增加而增强。在相同的τ下,复配溶液的ηa随瓜尔胶浓度的增加而增大。

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