瓜尔胶溶解工艺研究及其在水包油型乳状液中的应用

吴艾璟，彭黔荣，叶世著，罗光杰，徐龙泉，余云流

(贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵州 贵阳 550009)

瓜尔胶是新一代植物胶中较为突出的一种胶，1942年通用磨坊公司第一次把瓜尔胶引进到美国工业中，自此，瓜尔胶的需求开始不断增长[1-2]。瓜尔胶由瓜尔豆经过提取而得，常作为增稠剂、乳化剂、稳定剂、保湿剂等应用于食品、日用化学品、医药等多个领域[3-7]。

瓜尔胶是自然界中粘度最大，同时也是水溶性多糖中分子量最大的天然产物[1,8]，正逐渐成为中国食品行业中使用量最大的增稠剂之一[9]。在乳化液中，因乳液稳定性遵循斯托克斯定律的作用规律，连续相的粘度与沉降速度呈反比，粘度越大，沉降速度越小，故常用增稠剂来增加连续相粘度，以提高其稳定性[10-11]。

高聚物的溶解一般经历两个过程，溶剂分子渗入高聚物内部，使其体积膨胀，即溶胀过程[12-15]，然后高分子逐渐均匀分布在溶剂中，达到完全溶解。瓜尔胶为长链植物多糖，固态下瓜尔胶分子通常以卷曲的球形结构存在，主链甘露糖在里[16]，不恰当的配制工艺会导致瓜尔胶不仅没有表现出应有的水溶性，反而由于分子内氢键作用，使得其水溶性大大降低[16]。因此，为了提高瓜儿胶的使用效率，需研究其配料工艺如搅拌时间，溶胀时间，溶胀温度等。本文研究了瓜儿胶的溶解工艺，并考察水包油型乳状液中瓜儿胶的添加了对乳状液稳定性的影响。

1 实验

1.1 材料与试剂

瓜尔胶(郑州坤利食品添加剂有限公司)；蒸馏水(自制)；辛癸酸甘油酯(上海华宝集团)；Tween80、Span80(北京百灵威科技有限公司)。

1.2 仪器与设备

粘度计(NDJ-8S)；CPA223S电子天平(德国Sartorius)；DMS-653光学显微镜(成都瑞昌仪器制造有限公司)；85-1A实验型搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；TGL-20B离心机(上海安亭科学仪器厂)。

1.3 实验方法

1.3.1 瓜尔胶溶解条件试验

粘度作为增稠剂一个非常重要的可供观测的宏观物理参数，可用于评价增稠剂的增稠效果。用量筒准确量取396ml蒸馏水，准确称取4g瓜尔胶。在搅拌条件下把瓜尔胶缓慢加入蒸馏水中，从开始加料时计时。把配好的瓜尔胶溶液倒入250ml烧杯中，然后把样品放入不同温度的水浴锅中，静置不同的时间。用旋转粘度计，使用L3转子，以12转速检测配制好的瓜尔胶水溶液恒温至20℃时的粘度并记录数据。

选择A搅拌时间、B溶解时间、C溶解温度三个考察因素，各因素各取三个水平，如表1所示，设计L9(33)正交试验方案如表2所示。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验方案

按照试验方案进行实验，并记录实验数据，进行数据分析。

1.3.2 瓜尔胶在水包油型乳化液中的作用研究

研究瓜尔胶作为增稠剂在辛癸酸甘油酯-蒸馏水的乳状液中的作用。以复配非离子型表面活性剂(Tween80：72%；Span80：28%)作为乳状液的乳化剂。按照1.3.1试验选出的最优配制工艺，预先配制瓜尔胶水溶液作为增稠液，分别按瓜尔胶添加量为连续相的0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%添加到乳状液的连续相中，并以未添加增稠剂的乳化体系为空白对照，乳状液按表3进行配制，并以乳化液粘度、显微镜观察法及离心沉淀法判断乳状液的稳定性。

表3 不同增稠剂浓度的乳状液配置表

2 讨论

2.1 瓜尔胶溶解正交试验分析

表4 瓜尔胶溶解试验结果表

当瓜尔胶与水接触时，单糖上的羟基与水中的氢形成氢键，从而使聚合物半乳甘露聚糖水化，随着水分子进入并结合到聚合物链上的数目增多，聚合物溶胀伸展开来，与其它聚合物线团相互作用形成粘稠液体[17]。故，在相同的固含量条件下，用不同工艺溶解的瓜尔胶水溶液粘度越大，代表其溶解效果越好。瓜尔胶配料方式的L9(33)正交试验结果见上表，以粘度为响应，通过极差分析，溶解温度因素的极差最大，表明此因素对瓜尔胶水溶液粘度的影响最大，属于最重要因子。溶解温度越高粘度越低，这是因为长时间的高温处理，导致瓜尔胶降解，即主链糖苷键断裂，而使得粘度降低。经分析，各因素对粘度的影响程度依次为C(溶解温度)>B(溶解时间)>A(搅拌时间)，此次试验优化方案为C1B1A2，即搅拌6 min后置于20℃条件下溶解90 min。

2.2 瓜尔胶在水包油型乳状液中的应用研究

2.2.1 瓜尔胶的添加对乳状液粘度的影响

表5 不同瓜尔胶添加量配制的乳状液粘度数据表

由试验数据可知，未添加瓜尔胶时，乳化液的粘度仅为150.3 mPa·s，乳化液的粘度随着瓜尔胶添加量的增加而逐渐递增，且呈指数增长，证明瓜尔胶的加入在提升连续相粘度方面有显著贡献。粘度增加后，体系中的分散相不容易聚集和凝聚，因而可以使分散体系稳定。实验发现当瓜尔胶添加量达到2%以后，乳状液的粘度就不再增加。

2.2.2 瓜尔胶的添加对乳状液液滴尺寸的影响

图1、图2中可以看出，乳状液液滴的尺寸随着瓜尔胶添加量的增加而缩小，瓜尔胶添加量大于1%后乳状液粒径缩小显著，当瓜尔胶添加量为2%、2.5%时，粒径与瓜儿胶添加量为1.5%时相差不大，但是可以从显微镜图片上看出，液滴边界开始变得不均匀，此现象是因为液滴尺寸变小则数目相应增多，界面积增大，界面自由能增高，促进了乳化液液滴的聚结现象导致乳化液絮凝在一起。由显微镜观察法分析得出瓜尔胶添加量为1.5%时，能得到尺寸较小且，且分布均一的乳状液。

图1 瓜尔胶添加量对乳状液粒径的影响(0-1.5%，10倍物镜)

图2 瓜尔胶添加量对乳状液粒径的影响(1-2.5%，40倍物镜)

2.2.3 瓜尔胶的添加对乳状液离心沉降情况的影响

分别将配制好的乳状液，装入具塞试管中，在TGL-20B离心机中离心15分钟(转速设定：3000转)，观察经过离心后的乳状液分层情况。图中1号试管为未添加瓜尔胶的乳化液(空白对照样)，2-6号试管添加瓜尔胶的量依次为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%。从图3离心结果中看出，空白对照样出现明显分层，乳液上部有部分浮油。随着瓜尔胶的添加量增加，分层情况有显著改善，当添加量超过1.5%后，乳液稳定性得到明显改善，具体表现顶部未出现浮油，底部未出现沉淀。

图3 瓜尔胶添加量对乳状液离心分层的影响

3 结论

通过上述实验，得出以下结论：1、在溶解瓜尔胶的过程中，溶解温度为重要因子，其次为溶解时间和搅拌时间。2、瓜尔胶在冷水中(20℃)就能充分溶解，溶解温度过高，反而会导致瓜尔胶降解，粘度降低，降低增稠效果。3、瓜尔胶对乳化体系增稠效果明显，添加瓜尔胶能使乳化液粘度增加，液滴尺寸减小，并提高其离心沉降稳定性。通过实验得出瓜尔胶在此体系中添加量为连续相的1.5%时提高乳化液的稳定性效果最好。