韦兰胶与黄原胶流变性比较研究

吉武科，赵双枝，严希海，徐桂英

(1.山东省食品发酵工程重点实验室，山东 济南 250013；2.山东省微生物胶工程技术研究中心，山东 潍坊 261061；3.山东大学 胶体与界面化学教育部重点实验室，山东 济南 250014)

韦兰胶(Welan gum)是由产碱杆菌(Alcaligenessp.)发酵产生的一种胞外多糖，曾用编号S-130[1]，具有优良的触变性、悬浮性、水溶性等流变性能，且具有卓越的稳定性。韦兰胶主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、成膜剂和粘合剂等应用于工农业的各个方面，市场前景广阔，尤其在食品、混凝土、石油、石墨等工业中有广泛的应用前景[2]。

黄原胶(Xanthan gum)是由黄单胞菌(Xanthomonascampestris)产生的一种胞外多糖[3]，具有突出的高粘性和水溶性、独特的流变性、令人满意的兼容性，广泛应用于食品、石油、印染、纺织等领域[4]。黄原胶是首个美国FDA认证的由微生物发酵生产的多糖类食品添加剂。

韦兰胶的生产应用在国外已有20多年的历史，商业产品也早已问世。而在国内，相关研究报道较少，商品生产企业也仅只一家(山东中科生物科技股份有限公司)。黄原胶在国内的生产与应用已相当成熟，有多个大规模的生产厂家，年产量可观，其应用程度相当高。

作者在此对韦兰胶与黄原胶的流变性进行比较研究，拟为拓展韦兰胶产品的应用范围提供一定的数据参考。

1 实验

1.1 材料与仪器

韦兰胶，简称5PS-1，山东中科生物科技股份有限公司；黄原胶，简称XG，山东阜丰发酵有限公司。

RS75型控制应力流变仪，德国HAAKE公司。

1.2 方法

流变实验采用Z41 Ti同轴圆筒测量系统进行，频率扫描实验中固定应力为0.1 Pa。

稳态剪切实验采用速率控制(CR)模式，设定剪切速率(γ)在0～1000 s-1之间。

频率扫描实验采用振荡(OSC)模式。频率扫描前，先固定频率为1 Hz，进行应力扫描，确定体系的线性粘弹性应力区；再选择线性区的应力值，进行频率扫描，频率范围为0.01～1 Hz。

除特殊说明外，实验温度为25 ℃。

2 结果与讨论

2.1 浓度对5PS-1与XG流变性的影响

图1 不同浓度下，5PS-1(a)与XG(b)的表观粘度随剪切速率的变化

图2 不同浓度下，5PS-1(a)与XG(b)的剪切应力随剪切速率的变化

由图1、图2可以看出，5PS-1体系与XG体系均表现出假塑性流体的性质，即随着剪切速率的增大，体系的表观粘度逐渐减小、剪切应力逐渐增大，两体系均具有剪切变稀性。这可能是因为：在稳定状态，即剪切速率为零时，体系内分子主要以聚合体的状态存在，而随着剪切速率的增大，这种聚合体结构解聚为无规则线团结构，从而导致体系粘度减小。相同剪切速率时，随着体系内物质浓度的增大，两体系的表观粘度和剪切应力都呈现增大的趋势。5PS-1体系的剪切应力随浓度的变化更为明显。

不同浓度下，5PS-1体系与XG体系的复合模量随应力的变化见图3。

图3 不同浓度下，5PS-1(a)与XG(b)的复合模量随应力的变化

由图3可以看出，5PS-1体系与XG体系均显示出了明显的线性粘弹区。体系的临界应力(图中直线拐点所对应的应力值)随着浓度的增大而增大，临界应力反映了体系保持结构不发生大的变化所能承受的外加应力，物质的浓度越大，溶液内部分子间的相互作用越强，形成的聚合体结构越牢固，体系所能承受的外加应力也越大。同时，体系的临界复合模量G*(图中直线拐点所对应的模量)也随物质浓度的增大而增大，表明两体系内物质的浓度越大，体系的复合模量越大，体系的粘弹性越强，体系内部分子间的相互作用越强。在相同浓度下，5PS-1体系的粘弹性要比XG体系强。

以1750 mg·L-15PS-1体系和XG体系为例，考察溶液的储能模量(G′)、损耗模量(G″)及复合模量(G*)随应力的变化，结果见图4。

图4 5PS-1(a)与XG(b)的储能模量(G′)、损耗模量(G″)及复合模量(G*)随应力的变化

由图4可以看出，两体系的储能模量(G′)的平台值(5PS-1，2.99 Pa；XG，0.94 Pa)高于损耗模量(G″)的平台值(5PS-1，0.92 Pa；XG，0.70 Pa)，表明两体系的弹性均高于粘性，表现出以弹性为主的性质。但随着外加应力逐渐增大到临界应力后，储能模量急剧下降，以致5PS-1体系应力大于3 Pa、XG体系应力大于1 Pa后，溶液的损耗模量均大于储能模量，体系粘性较强、而弹性较弱。储能模量对应的临界应力(5PS-1，1.42 Pa；XG，0.74 Pa)小于损耗模量对应的临界应力(5PS-1，2.44 Pa；XG，1.33 Pa)，表明体系的弹性相对容易受到外加应力的影响。其它浓度体系(800～1500 mg·L-1)也表现出类似的性质。

不同浓度下，5PS-1体系与XG体系的储能模量和损耗模量随频率的变化(频率扫描)见图5。

图5 不同浓度下，5PS-1(a)与XG(b)的储能模量G′(实心)和损耗模量G″(空心)随频率的变化

由图5可以看出，随着物质浓度的增大，两体系的储能模量和损耗模量均逐渐增大。实验浓度范围内，5PS-1体系即使在频率很小时，溶液的储能模量也大于损耗模量，表现出以弹性为主的性质。而XG体系在较小浓度下，溶液的损耗模量大于储能模量，随着黄原胶浓度的增大，溶液的储能模量逐渐大于损耗模量，在较大浓度下，小频率时就表现出弹性大于粘性的性质。

2.2 5PS-1和XG稳态剪切粘度比较

为了更好地比较5PS-1和XG的表观粘度，在剪切速率为7 s-1时，考察5PS-1和XG表观粘度随浓度的变化，结果见图6。

图6 5PS-1和XG的表观粘度随浓度的变化

由图6可以看出，5PS-1和XG的表观粘度都随着浓度的增大而增大，而且相同浓度下，5PS-1的表观粘度要明显高于XG的表观粘度，说明5PS-1的粘性优于XG。

5PS-1和XG复合模量(平台模量)随浓度的变化见图7。

图7 5PS-1和XG的复合模量(平台模量)随浓度的变化

由图7可以看出，5PS-1和XG的复合模量都随着浓度的增大而增大。在相同浓度下，5PS-1的复合模量高于XG的复合模量，且5PS-1的复合模量(平台模量)在高浓度时的升幅明显大于XG。表明相同条件下，5PS-1的复合模量高于XG，5PS-1显示出更为优越的粘弹性。

2.3 温度对5PS-1和XG流变性的影响

不同温度下，1750 mg·L-1的5PS-1和XG体系的表观粘度和剪切应力随剪切速率的变化见图8、图9。

图8 不同温度下，5PS-1(a)与XG(b)的表观粘度随剪切速率的变化

图9 不同温度下，5PS-1(a)与XG(b)的剪切应力随剪切速率的变化

由图8可以看出，不同温度下，5PS-1与XG都表现出了表观粘度随剪切速率的增大而减小的行为，即剪切变稀性。温度对5PS-1表观粘度的影响不明显，即在一定剪切速率下、不同温度的5PS-1的表观粘度相差不大，只是在高剪切速率时，差别稍大，高温时的5PS-1的表观粘度稍低。由图9可以看出，5PS-1的剪切应力随剪切速率的增大而增大，并且在相同剪切速率时，5PS-1的剪切应力随温度的升高呈现出减小的趋势。但是，温度对XG表观粘度和剪切应力的影响较大，尤其在低剪切速率下(<20 s-1)，随着温度的升高，XG的表观粘度和剪切应力均呈现出减小的趋势，说明温度对XG的内部微观结构的破坏较大；而在高剪切速率下，XG的表观粘度和剪切应力随温度的降低差异不大。主要是因为，影响XG内部微观结构的因素主要以剪切速率为主，温度次之。因此，5PS-1比XG对温度的稳定性更好。

不同温度下，5PS-1和XG的复合模量随应力的变化见图10。

图10 不同温度下，5PS-1(a)与XG(b)的复合模量随应力的变化

由图10可以看出，5PS-1和XG体系都具有明显的线性粘弹区。5PS-1的平台模量随温度的升高有减小的趋势，但不是很明显，说明温度升高可降低5PS-1的粘弹性，但影响不大。且不同温度下5PS-1的临界应力(曲线拐点)相差不大，说明不同温度下5PS-1的结构抗外部应力的能力基本一致。而XG的平台模量随温度的升高呈现出显著减小的趋势，说明温度升高对XG的粘弹性影响较大，即降低了体系的粘弹性。这进一步证实5PS-1比XG对温度的稳定性更好。

不同温度下，5PS-1与XG的储能模量和损耗模量随频率的变化见图11。

图11 不同温度下，5PS-1(a)与XG(b)的储能模量G′(实心)和损耗模量G″(空心)随频率的变化

由图11a可以看出，不同温度下5PS-1的储能模量和损耗模量随频率的变化曲线基本重叠，温度对粘弹性的影响不大，说明温度对5PS-1内部微观结构的破坏不大，这与应力扫描的结果一致。5PS-1在实验温度范围内表现出以弹性为主的性质，而且随着频率的增大，储能模量和损耗模量都有所增大。

由图11b可以看出，XG的储能模量和损耗模量都随着温度的升高呈现出减小的趋势。而且交叠频率(储能模量和损耗模量的交叉点所对应的频率)也随着温度的升高呈现出变大的趋势，表现为：温度较低时，溶液的储能模量大于损耗模量，随着温度的升高，溶液的损耗模量逐渐大于储能模量，在高温时，表现出粘性大于弹性的性质。进一步说明XG比5PS-1对温度更敏感。

2.4 矿化度对5PS-1和XG流变性的影响

不同矿化度下，5PS-1和XG的表观粘度和剪切应力随剪切速率的变化见图12、图13。

图12 不同矿化度下，5PS-1(a)与XG(b)的表观粘度随剪切速率的变化

图13 不同矿化度下，5PS-1(a)与XG(b)的剪切应力随剪切速率的变化

由图12、图13可以看出，无机盐的存在显著降低了5PS-1和XG体系的表观粘度和剪切应力。这是因为，无机盐的加入，使体系的离子强度增大，水化作用很强的无机离子可以夺去5PS-1和XG分子周围的水化层，致使分子线团末端距缩小、分子卷曲，体系的粘度减小；但随着矿化度的继续升高，两体系的粘度均变化不大，说明5PS-1和XG都具有良好的抗盐能力。

不同矿化度下，5PS-1和XG的复合模量随应力的变化见图14、储能模量和损耗模量随频率的变化见图15。

图14 不同矿化度下，5PS-1(a)与XG(b)的复合模量随应力的变化

图15 不同矿化度下，5PS-1(a)与XG(b)的储能模量G′(实心)和损耗模量G″(空心)随频率的变化

由图14可以看出，加入矿化水后，5PS-1和XG的平台模量和临界应力都有所降低，但随着矿化度的增大，平台模量和临界应力变化不大，这表明矿化水会降低5PS-1和XG的粘弹性，但降低幅度不大。临界应力随矿化度的增大变化不明显，说明矿化水中，5PS-1和XG内部微观结构抵抗外部应力的能力没有发生大的变化。

由图15可以看出，随着扫描频率的增大，5PS-1和XG的储能模量和损耗模量都逐渐增大。这表明矿化水会降低5PS-1和XG的储能模量和损耗模量，但降低幅度不大，这与应力扫描的结果一致。同时还可以看出，矿化水并没有改变5PS-1以弹性为主的性质。而加入矿化水后，XG的交叠频率有所变大，说明XG的粘性在粘弹性中的比例增大。

3 结论

通过实验比较分析，得出以下结论：(1)韦兰胶与黄原胶的流变性质具有较大的共性；(2)相同浓度下，韦兰胶比黄原胶具有更好的粘弹性；(3)低温下，韦兰胶相对于黄原胶更稳定；(4)韦兰胶与黄原胶都具有良好的抗盐能力，但韦兰胶抗盐能力更强。

随着对韦兰胶生产技术和应用研究的不断深入，韦兰胶将会成为继黄原胶之后在工农业、石油、建筑等方面具有广泛用途的新型微生物胶，在某些应用领域将会起到不可替代的重要作用。

[1]Jansson P E，Widmalm G. Welan gum(S-130) contains repeating units with randomly distributed L-mannosyl and L-rhamnosyl terminal groups，as determined by FABMS[J].Carbohydr Res，1994，256(2)：327-330.

[2]陈芳，李建科，徐昶.新型微生物多糖——韦兰胶的流变特性影响因素研究[J].食品科学，2007，28(9)：49-52.

[3]Pollock T J，Mikolajczak M，Yamazaki M，et al.Production of xanthan gum by sphingomonas bacteria carrying genes fromXanthomonascampestris[J].Industr Microbiol Biotechnol，1997，19(2)：92-97.

[4]郭建军，李建科，陈芳，等.黄原胶和韦兰胶混胶粘度的影响因素研究[J].食品科学，2007，28(10)：96-99.