阿拉伯胶溶液的流动性、触变性和动态粘弹性分析

马君义，蔺彦斌，蒋严妃，王耀雪，张 继

(1.西北师范大学，生命科学学院，甘肃兰州730070;2.甘肃省特色植物有效成分制品工程技术研究中心，甘肃兰州730070)

阿拉伯树胶是目前国际上最为廉价而又广泛应用的亲水胶体之一，是工业上用途最广的水溶性胶，它可以和大多数其他的水溶性胶、蛋白质、糖和淀粉相配伍，也可以和生物碱相配混液应用，广泛用作乳化剂、稳定剂、悬浮剂、粘合剂、成膜剂等［1］，有关阿拉伯树胶的流变性，王元兰等［2］测定了低浓度阿拉伯树胶水溶液在不同浓度、剪切力、酸碱度、温度以及搅拌时间等条件下的粘度，Xiaobei Li等［3］研究发现阿拉伯树胶溶液不是简单的牛顿流体，其在低剪切速率下表现出剪切变稀行为，且剪切变稀行为与阿拉伯树胶自交联的聚合水平紧密相关，而与聚合物分子的去缠结和链端取向化无关。Xiaobei Li等［4］研究了阿拉伯树胶的牛顿性行为以及以自交联为基础的触变行为。文章在前人研究的基础上，运用幂率模型来考察阿拉伯树胶溶液的流动性，运用频率扫描分析GA溶液的动态粘弹性，运用阶变应力方法来研究GA溶液的触变性，为阿拉伯胶溶液的储存和加工提供流变学方面的指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

阿拉伯树胶 上海中秦化学试剂有限公司。

Anton Paar Physica MCR 301 Rheometer(流变仪)奥地利安东帕;转子 CC27同心圆筒，内径为27mm;PP50平板 直径为50mm;JRA－6数显磁力搅拌水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司;电子天平称量范围:20mg～500g 沈阳龙腾电子产品有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 阿拉伯树胶水溶液的配制 常温下称量5、10、20、30g的阿拉伯树胶粉，分别溶于100mL蒸馏水中，搅拌20min充分溶解分散，放置备用。

1.2.2 流动性能测定 稳态剪切测试:25℃条件下测定0.05～0.30g/mL阿拉伯树胶溶液的粘度随剪切速率的变化趋势，剪切速率范围:0.01～1000s－1。

1.2.3 动态粘弹性测定 振荡频率扫描:在材料的线性粘弹性范围内，施加不同频率的正弦形变(频率范围:0.05～100s－1)，获得不同浓度阿拉伯树胶溶液的储能模量(G')、损耗模量(G″)和损耗角正切值(tanδ)随频率变化的关系，即溶液粘性和弹性之间转化的趋势。

1.2.4 触变性能测定 触变测试:用阶变剪切速率测试来测定阿拉伯胶溶液的触变性，分四个区间进行了测量，上升测量区间:2～20、20～100s－1;下降测量区间:100～20、20～2s－1。

2 结果及讨论

2.1 流动性能分析

由图1可知，阿拉伯胶溶液是假塑性流体，其偏离牛顿流体的程度可以用非牛顿指数n表示，非牛顿流体的n值都小于1(牛顿流体的n值都等于1)且n值越小，偏离牛顿流体的程度越大。根据幂律模型［5］:

lgτ =lgk+nlgγ

(τ是剪切应力，γ 是剪切速率)，作 lgτ～lgγ 曲线，直线的斜率即为n，由此可求出不同浓度GA溶液的非牛顿指数n，所得结果见表1。

图1 不同浓度阿拉伯树胶溶液的幂律模型拟合曲线Fig.1 The power－low fitting at different concentrations of GA solution

表1 不同浓度阿拉伯树胶溶液的幂律模型拟合参数Table 1 The power－low fitting parameters of different concentrations of GA solution

从表1可以看出，随着阿拉伯胶溶液浓度的增大，溶液的非牛顿指数n呈现上升趋势，且浓度越高，在剪切条件下越趋于符合幂率模型，说明在剪切条件下溶液中大分子去缠结或者去自交联能力增强，导致体系粘度降低，溶液的流动更加趋近牛顿流体。

2.2 触变性分析

图2为不同浓度阿拉伯树胶溶液的阶变速率扫描图，许多具有微观结构的流体都表现出触变性［6］。文章运用剪切速率依赖的结构破坏和重建来考察GA溶液中的分子交联作用，具体运用阶变剪切速率测试来完成实验。如图所示:在剪切速率瞬间上升或者下降的同时，剪切应力也会随之增大或者减小，而与应力的增大或者减小相对应的是分子结构的破坏和重建，瞬变应力往往可以用来衡量结构破坏和重建的时间依赖性，即材料的触变性［6－7］。从图中可以看出，剪切应力的起始值(剪切速率阶变增大或降低时的瞬时值)与稳定值(恒定剪切速率下的应力值)差别很小，利用流变仪自身所带分析软件分析了不同浓度GA溶液在剪切过程进行了10s后的结构恢复情况，0.05、0.10、0.20和0.30g/mL对应的结构恢复比(Structure Recovery Ratio)分别为 19.9%、20.3%、85.9%和91.2%，由此可见浓度越高，GA溶液的触变性越弱。

图2 不同浓度阿拉伯胶溶液的阶变速率测试图Fig.2 Step sheae rate test of different concentrations of GA solution

2.3 动态粘弹性分析

图3～图6分别表示了不同浓度阿拉伯胶溶液的G'、G″和tanδ随着角频率变化的规律。由图3、图4可见，阿拉伯胶溶液的G'和G″都随着频率的升高而增大，而tanδ都随着频率的增大而降低。阿拉伯胶溶液的G'＞G″，表现为似固体的弹性流动行为，且在低频率下G'、G″两者之间的差值较小，高频率下差值变大。即在整个频率扫描范围内，弹性形变能大部分储存在体系内部，粘性损耗的能量相对较少，因此弹性占主导。从图5、图6可以看出，当频率较小即施加于溶液的力作用时间较长时，阿拉伯树胶中的高分子有充足的时间改变构象，摆脱缠绕，缓慢和相互超越地流动，同时，链的弹性拉伸可在流动中逐渐恢复，因此溶液的粘性占优势，即G″＞G'。而当频率较大即力作用的时间较短时，弹性形变能大部分储存在体系内部，粘性损耗的能量相对较少，因此弹性占主导即G'＞G″。图5中tanδ逐渐减小，而图6中先增大后减小，原因可能是起初随着频率的增大，链段运动越困难，tanδ逐渐增大，当链段运动困难到一定程度，外力作用后链段根本来不及运动，tanδ反而会降低。

图3 0.05g/mL阿拉伯胶溶液的频率扫描图Fig.3 Frequency sweep of 0.05g/mL GA solution

图4 0.10g/mL阿拉伯胶溶液的频率扫描图Fig.4 Frequency sweep of 0.10g/mL GA solution

图5 0.20g/mL阿拉伯胶溶液的频率扫描图Fig.5 Frequency sweep of 0.20g/mL GA solution

3 结论

3.1 阿拉伯胶溶液是假塑性流体，浓度越大，剪切条件下越符合流变学的幂率模型。

3.2 阿拉伯胶溶液的浓度越高，触变性越弱，结构恢复能力越强。

图6 0.30g/mL阿拉伯胶溶液的频率扫描图Fig.6 Frequency sweep of 0.30 g/mL GA solution

3.3 0.05和0.10g/mL的GA溶液储能模量(G')和损耗模量(G″)无交点且G'＞G″，表现为类似固态的粘弹性行为，0.20和0.30g/mL的GA溶液的G'和G″有交点，表明存在相的转化。

［1］尹楠，沈群.桃胶与阿拉伯胶性质比较［J］.食品工业科技，2006，8:146－148，165.

［2］王元兰，李忠海，张乐华.低浓度阿拉伯树胶溶液的流变特性及影响因素研究［J］.食品工业科技，2007，28(9):181－182.

［3］Xiaobei Li，Yapeng Fang，et al.Rheological study of gum arabic solutions:Interpretation based on molecular selfassociation［J］.Food Hydrocolloids，2009，23:2394－2402.

［4］Xiaobei Li，Yapeng Fang，et al.Rheological properties of gum arabic solution:From Newtonianism to thixotropy［J］.Food Hydrocolloids，2011，25:293－298.

［5］鞠学勇，王柳，张传杰，等.海藻酸钠/羧甲基纤维素钠纺丝溶液的流变性能研究［J］.印染助剂，2010，27(2):10－13.

［6］Barns，H.A.Thixotropy－ a review［J］.Journal of Non－Newtonian Fluid Mechanics，1997，70:1－33.

［7］Mewis J，Wagner N J.Thixotropy［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2009，147:214－227.