天然瓜尔胶改性研究

孙琪娟，徐军礼，孙长顺

（1. 陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2. 中机工程启源工程有限公司，陕西 西安 710045；3. 陕西省环境科学研究设计院，陕西 西安 710060）

天然瓜尔胶改性研究

孙琪娟1，徐军礼2，孙长顺3

（1. 陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000； 2. 中机工程启源工程有限公司，陕西 西安 710045；3. 陕西省环境科学研究设计院，陕西 西安 710060）

研究了阳离子瓜尔胶的制备方法、影响因素。通过对反应时间，反应温度，反应中氢氧化钠用量及溶剂等各因素的研究，得出最佳工艺条件：当瓜尔胶的用量为10.0 g时，CTA用量为1.50 g,氢氧化钠与CTA摩尔比为2.3左右，反应温度控制在80 ℃，反应时间为9.0 h,所得产物的取代度为0.062，反应效率为41.5% 。

阳离子瓜尔胶；凯氏定氮；取代度；CTA

瓜尔胶是一种天然的半乳甘露聚糖,广泛用于食品、日化、医药等行业[1-3]。近年来随着各国对环境污染问题的日益关注和重视,天然高分子材料逐步引起人们的重视,瓜尔胶就是其中之一。为了赋予瓜尔胶更好的使用性能，可以利用瓜尔胶独特的结构特征和性能，对瓜尔胶原粉进行化学改性，即在分子链上引入阳离子基团生产阳离子瓜尔胶。通过化学改性, 瓜尔胶在理化性能方面克服了原胶的缺点,成为研究的热点[4,5]。

我国对半乳甘露糖胶的研究起步较晚，能见到的文献报道不多[6]，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赖进口。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。

1 实验部分

1.1 主要仪器及材料

85-2型恒温磁力搅拌器、DZK-4型甴热恒温水浴锅、D-60型甴动搅拌器、CP124S-甴子天平、NDJ-41型旋转粘度计、50型超级恒温器、三氯二羟丙基氯化铵（AR）、无水乙醇（AR）、异丙醇（AR）、丙酮（AR）、环氧氯丙烷（AR）、33% 三甲胺水溶液（CP）、乙酰苯胺（AR）、柠檬酸等。

1.2 实验方法

在装有甴动搅拌器、温度计和球形冷凝管的250 mL三口烧瓶中，加入10.0 g瓜尔胶，23.0 mL异丙醇，搅拌均匀。然后，向搅拌下的三口烧瓶中加入0.50 g氢氧化钠、2.0 g水和1.5 g CTA的混合物，温度控制在80 ℃左右，反应9 h左右，停止反应，抽滤、洗涤产品。取样，恒重，消化，定氮分析。

2 结果及讨论

2.1 硼砂交联对实验的影响

将按一定配比（10 g瓜尔胶，1.10 g CTA，0.50 g NaOH）投加的原料用硼砂交联后进行合成反应，幵与原料未经交联进行对比试验，反应温度为 75℃，反应时间分别为4、5、6、7 h，结果见图1、2所示。

图1 硼砂交联对DS的影响Fig.1 The influence of borax crosslinking on the DS

图2 硼砂交联对RE的影响Fig.2 The influence of borax crosslinking on the RE

由图1、2可知，在相同配料比及相同反应时间下，硼砂交联对阳离子瓜尔胶的反应效率（DS）和取代度（RE）的影响不大，但是在后处理过程中，硼砂交联条件下所得的阳离子瓜尔胶可以用水洗涤；相反,未经硼砂处理的，则不可以用水洗涤。由于本实验主要考虑反应效率和取代度，因此，以后的实验中可以不采用硼砂交联处理。

2.2 氮气保护对实验的影响

将按一定配比（10 g瓜尔胶，1.10 g CTA，0.50 g NaOH）投加的原料进行氮气保护试验，幵与不采取氮气保护进行对比，反应温度为 75 ℃，反应时间分别为3、5、6、7，结果见图3、4所示。

图3 氮气保护对DS的影响Fig.3 The influence of Nitrogen atmosphere on the DS

图4 氮气保护对RE的影响Fig.4 The influence of Nitrogen atmosphere on the RE

由图3、4可以看出，在相同配料比及相同反应时间下，氮气保护对阳离子瓜尔胶的反应效率（DS）和取代度（RE）的影响不大，所以在以后的实验中可以不再采取氮气保护。

2.3 反应温度对DS、RE的影响

瓜尔胶用量为10 g，CTA用量为1.50 g，NaOH的用量为0.50 g，反应时间为9 h,那么反应温度对DS、RE的影响如图5。

图5 反应温度对DS、RE的影响Fig.5 The influence of reaction temperature on the DS and RE

分析上述数据及图表可以得出，反应温度低，化学药品不能充分反应，反应效率和取代度比较低；而反应温度过高则会引起瓜尔胶的胶化，导致阳离子化学试剂渗透到瓜尔胶中的能力下降，同时使得阳离子化试剂及阳离子瓜尔胶的分解，从而使产物的取代度和反应效率下降。因此，为了取得较高的取代度和反应效率，反应温度控制在80 ℃左右为宜。

2.4 反应时间对DS、RE的影响

瓜尔胶用量为10 g,CTA的用量为1.50 g，NaOH用量为1.00 g，乙醇作溶剂，反应温度为80 ℃时，反应时间对DS、RE的影响如图6。

分析上述数据及图表可以得到，反应时间过短，化学药品反应不完全，反应效率和取代度都较低；

而反应时间过长，会引起阳离子试剂和阳离子瓜尔胶的分解，从而使取代度和反应效率下降。因此，实验时间约9 h为最佳。

图6 反应时间对DS、RE的影响Fig.6 The influence of reaction temperature on the DS and RE

2.5 反应中NaOH的用量对DS、RE的影响

瓜尔胶用量为10 g,CTA的用量为1.00 g，乙醇作溶剂，反应温度为80 ℃时，反应时间为4 h, NaOH用量对DS、RE的影响如表1。

表1 NaOH用量对DS、RE的影响Table 1 The influence of amount of NaOH on the DS or RE

由表1可以得到，随用碱量的增加，产品取代度和反应效率增大，但当用碱量超过一定量时，产品取代度和反应效率下降。虽然随着大量碱的加入，取代度和反应效率有所回升，但加大用碱量造成了化学试剂的浪费，不够经济。因此，实验中NaOH的最佳用量约为0.45 g，即与CTA的摩尔比为2.3左右。

表2 溶剂对DS、RE的影响Table 2 The influence of solvents on the DS or RE

2.6 溶剂对DS、RE的影响

瓜尔胶用量为10 g, 反应温度为80 ℃时，反应时间为9 h, NaOH用量为0.45 g, 溶剂对DS、RE的影响如 表2。由上述数据可知，以异丙醇作溶剂所得反应效率和取代度最大，但是原料利用率不如乙醇理想。在要获得高取代度产物的情况下，建议用异丙醇作溶剂。

3 结 论

综上所述，本实验可确定的最佳合成工艺条件为：瓜尔胶用量10.0 g，CTA用量为1.50 g，氢氧化钠与CTA摩尔比为2.3左右，以异丙醇作溶剂，反应温度为80 ℃，时间为9 h，阳离子瓜尔胶的取代度为0.062，反应效率为41.5%。制得阳离子瓜尔胶的技术性能指标如表3。

表3 阳离子瓜尔胶的技术性能指标Table 3 technical performance indicators of Cationic guar gum

［1］邹时英,王克,殷勤俭,等.瓜尔胶的改性研究[J]. 化学研究与应用,2003,15（3）：317-320.

［2］朱昌玲,薛华茂,孙达峰等.改性瓜尔胶的研究进展[J].中国野生植物资源.2005,24(4):9-12.

［3］吉毅,李宗石,乔卫红.瓜尔胶的化学改性[J].日用化学工业,2005,35(2):111-114.

［4］杜彪;黄依理;赵勇，等.羧甲基瓜尔胶的改性工艺研究及压裂液体系应用[R].科技成果,2011-10.

［5］任占春,孙慧毅,秦利平.羟丙基瓜尔胶压裂液的研究及应用[J].石油钻采工艺, 1996, 18 (1): 82-88.

［6］王著,张国宝,王颖,赵根锁. 釐属交联羧甲基羟丙基瓜胶的红外光谱研究[J].光谱学与光谱分析,1997,17(3):46-50.

Modification of Natural Guar Gum

SUN Qi-juan1，XU Jun-li2，SUN Chang-shun3
（1. Shaanxi Polytechnic Institute, Shaanxi ,Xianyang 712000, China; 2. XI'AN Qiyuan Mechamical and Engineering Co., Ltd.,Shaanxi Xi’an, 710045; 3. Environmental Science Research and Design Institute of Shaanxi Province, Shaanxi ,Xi’an, 710045）

The preparation method of cationic guar gum was studied as well as influence factors. In the experiment, through investigating reaction time, reaction temperature, sodium hydroxide amount, solvent type and so on, the optimum reaction conditions were obtained as follows, cationic guar amount 10.0 g, CTA amount used 1.50 g, mole ratio of sodium hydroxide to CTA 2.3, reaction temperature 80 ℃, reaction time 9.0 h. Under above conditions, obtained product substitution is 0.062, and the reaction efficiency is 41.5%.

Cationic guar; Kjeldahl method; Substitution; CTA

TQ 630.4

A

1671-0460（2014）10-1971-03

2014-03-31

孙琪娟（1967-），女，陕西咸阳人，副教授，硕士，1990年毕业于陕西师范大学化学专业，研究方向：有机合成及环境化工。E-mail：sqj68@163.com。