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        瓜爾膠溶解工藝研究及其在水包油型乳狀液中的應(yīng)用

        2020-11-27 04:45:38吳艾璟彭黔榮葉世著羅光杰徐龍泉余云流
        山東化工 2020年21期
        關(guān)鍵詞:瓜爾增稠劑乳狀液

        吳艾璟,彭黔榮,葉世著,羅光杰,徐龍泉,余云流

        (貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心,貴州 貴陽 550009)

        瓜爾膠是新一代植物膠中較為突出的一種膠,1942年通用磨坊公司第一次把瓜爾膠引進(jìn)到美國工業(yè)中,自此,瓜爾膠的需求開始不斷增長[1-2]。瓜爾膠由瓜爾豆經(jīng)過提取而得,常作為增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、保濕劑等應(yīng)用于食品、日用化學(xué)品、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域[3-7]。

        瓜爾膠是自然界中粘度最大,同時(shí)也是水溶性多糖中分子量最大的天然產(chǎn)物[1,8],正逐漸成為中國食品行業(yè)中使用量最大的增稠劑之一[9]。在乳化液中,因乳液穩(wěn)定性遵循斯托克斯定律的作用規(guī)律,連續(xù)相的粘度與沉降速度呈反比,粘度越大,沉降速度越小,故常用增稠劑來增加連續(xù)相粘度,以提高其穩(wěn)定性[10-11]。

        高聚物的溶解一般經(jīng)歷兩個過程,溶劑分子滲入高聚物內(nèi)部,使其體積膨脹,即溶脹過程[12-15],然后高分子逐漸均勻分布在溶劑中,達(dá)到完全溶解。瓜爾膠為長鏈植物多糖,固態(tài)下瓜爾膠分子通常以卷曲的球形結(jié)構(gòu)存在,主鏈甘露糖在里[16],不恰當(dāng)?shù)呐渲乒に嚂?dǎo)致瓜爾膠不僅沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的水溶性,反而由于分子內(nèi)氫鍵作用,使得其水溶性大大降低[16]。因此,為了提高瓜兒膠的使用效率,需研究其配料工藝如攪拌時(shí)間,溶脹時(shí)間,溶脹溫度等。本文研究了瓜兒膠的溶解工藝,并考察水包油型乳狀液中瓜兒膠的添加了對乳狀液穩(wěn)定性的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 材料與試劑

        瓜爾膠(鄭州坤利食品添加劑有限公司);蒸餾水(自制);辛癸酸甘油酯(上海華寶集團(tuán));Tween80、Span80(北京百靈威科技有限公司)。

        1.2 儀器與設(shè)備

        粘度計(jì)(NDJ-8S);CPA223S電子天平(德國Sartorius);DMS-653光學(xué)顯微鏡(成都瑞昌儀器制造有限公司);85-1A實(shí)驗(yàn)型攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);TGL-20B離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 瓜爾膠溶解條件試驗(yàn)

        粘度作為增稠劑一個非常重要的可供觀測的宏觀物理參數(shù),可用于評價(jià)增稠劑的增稠效果。用量筒準(zhǔn)確量取396ml蒸餾水,準(zhǔn)確稱取4g瓜爾膠。在攪拌條件下把瓜爾膠緩慢加入蒸餾水中,從開始加料時(shí)計(jì)時(shí)。把配好的瓜爾膠溶液倒入250ml燒杯中,然后把樣品放入不同溫度的水浴鍋中,靜置不同的時(shí)間。用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),使用L3轉(zhuǎn)子,以12轉(zhuǎn)速檢測配制好的瓜爾膠水溶液恒溫至20℃時(shí)的粘度并記錄數(shù)據(jù)。

        選擇A攪拌時(shí)間、B溶解時(shí)間、C溶解溫度三個考察因素,各因素各取三個水平,如表1所示,設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)方案如表2所示。

        表1 正交試驗(yàn)因素水平表

        表2 正交試驗(yàn)方案

        按照試驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        1.3.2 瓜爾膠在水包油型乳化液中的作用研究

        研究瓜爾膠作為增稠劑在辛癸酸甘油酯-蒸餾水的乳狀液中的作用。以復(fù)配非離子型表面活性劑(Tween80:72%;Span80:28%)作為乳狀液的乳化劑。按照1.3.1試驗(yàn)選出的最優(yōu)配制工藝,預(yù)先配制瓜爾膠水溶液作為增稠液,分別按瓜爾膠添加量為連續(xù)相的0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%添加到乳狀液的連續(xù)相中,并以未添加增稠劑的乳化體系為空白對照,乳狀液按表3進(jìn)行配制,并以乳化液粘度、顯微鏡觀察法及離心沉淀法判斷乳狀液的穩(wěn)定性。

        表3 不同增稠劑濃度的乳狀液配置表

        2 討論

        2.1 瓜爾膠溶解正交試驗(yàn)分析

        表4 瓜爾膠溶解試驗(yàn)結(jié)果表

        當(dāng)瓜爾膠與水接觸時(shí),單糖上的羥基與水中的氫形成氫鍵,從而使聚合物半乳甘露聚糖水化,隨著水分子進(jìn)入并結(jié)合到聚合物鏈上的數(shù)目增多,聚合物溶脹伸展開來,與其它聚合物線團(tuán)相互作用形成粘稠液體[17]。故,在相同的固含量條件下,用不同工藝溶解的瓜爾膠水溶液粘度越大,代表其溶解效果越好。瓜爾膠配料方式的L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果見上表,以粘度為響應(yīng),通過極差分析,溶解溫度因素的極差最大,表明此因素對瓜爾膠水溶液粘度的影響最大,屬于最重要因子。溶解溫度越高粘度越低,這是因?yàn)殚L時(shí)間的高溫處理,導(dǎo)致瓜爾膠降解,即主鏈糖苷鍵斷裂,而使得粘度降低。經(jīng)分析,各因素對粘度的影響程度依次為C(溶解溫度)>B(溶解時(shí)間)>A(攪拌時(shí)間),此次試驗(yàn)優(yōu)化方案為C1B1A2,即攪拌6 min后置于20℃條件下溶解90 min。

        2.2 瓜爾膠在水包油型乳狀液中的應(yīng)用研究

        2.2.1 瓜爾膠的添加對乳狀液粘度的影響

        表5 不同瓜爾膠添加量配制的乳狀液粘度數(shù)據(jù)表

        由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,未添加瓜爾膠時(shí),乳化液的粘度僅為150.3 mPa·s,乳化液的粘度隨著瓜爾膠添加量的增加而逐漸遞增,且呈指數(shù)增長,證明瓜爾膠的加入在提升連續(xù)相粘度方面有顯著貢獻(xiàn)。粘度增加后,體系中的分散相不容易聚集和凝聚,因而可以使分散體系穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)瓜爾膠添加量達(dá)到2%以后,乳狀液的粘度就不再增加。

        2.2.2 瓜爾膠的添加對乳狀液液滴尺寸的影響

        圖1、圖2中可以看出,乳狀液液滴的尺寸隨著瓜爾膠添加量的增加而縮小,瓜爾膠添加量大于1%后乳狀液粒徑縮小顯著,當(dāng)瓜爾膠添加量為2%、2.5%時(shí),粒徑與瓜兒膠添加量為1.5%時(shí)相差不大,但是可以從顯微鏡圖片上看出,液滴邊界開始變得不均勻,此現(xiàn)象是因?yàn)橐旱纬叽缱冃t數(shù)目相應(yīng)增多,界面積增大,界面自由能增高,促進(jìn)了乳化液液滴的聚結(jié)現(xiàn)象導(dǎo)致乳化液絮凝在一起。由顯微鏡觀察法分析得出瓜爾膠添加量為1.5%時(shí),能得到尺寸較小且,且分布均一的乳狀液。

        圖1 瓜爾膠添加量對乳狀液粒徑的影響(0-1.5%,10倍物鏡)

        圖2 瓜爾膠添加量對乳狀液粒徑的影響(1-2.5%,40倍物鏡)

        2.2.3 瓜爾膠的添加對乳狀液離心沉降情況的影響

        分別將配制好的乳狀液,裝入具塞試管中,在TGL-20B離心機(jī)中離心15分鐘(轉(zhuǎn)速設(shè)定:3000轉(zhuǎn)),觀察經(jīng)過離心后的乳狀液分層情況。圖中1號試管為未添加瓜爾膠的乳化液(空白對照樣),2-6號試管添加瓜爾膠的量依次為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%。從圖3離心結(jié)果中看出,空白對照樣出現(xiàn)明顯分層,乳液上部有部分浮油。隨著瓜爾膠的添加量增加,分層情況有顯著改善,當(dāng)添加量超過1.5%后,乳液穩(wěn)定性得到明顯改善,具體表現(xiàn)頂部未出現(xiàn)浮油,底部未出現(xiàn)沉淀。

        圖3 瓜爾膠添加量對乳狀液離心分層的影響

        3 結(jié)論

        通過上述實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:1、在溶解瓜爾膠的過程中,溶解溫度為重要因子,其次為溶解時(shí)間和攪拌時(shí)間。2、瓜爾膠在冷水中(20℃)就能充分溶解,溶解溫度過高,反而會導(dǎo)致瓜爾膠降解,粘度降低,降低增稠效果。3、瓜爾膠對乳化體系增稠效果明顯,添加瓜爾膠能使乳化液粘度增加,液滴尺寸減小,并提高其離心沉降穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)得出瓜爾膠在此體系中添加量為連續(xù)相的1.5%時(shí)提高乳化液的穩(wěn)定性效果最好。

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