全 文 ：第 28卷第 2期
2008年 4月
林　产　化　学　与　工　业
ChemistryandIndustryofForestProducts
Vol.28 No.2
Apr.2008
假酸浆子胶溶液的流变特征
　　收稿日期:2007-04-26
　　基金项目:江南大学青年基金(104000-52210690)
　　作者简介:涂国云(1972-)女 ,湖北襄樊人 ,讲师,博士生 ,从事天然产物的分离及化学工程方面的教学科研工作;
E-mail:tugy828@ 163.com。
涂国云 1 , 王正武2 , 顾 瑾 1
(1.江南大学化学与材料工程学院 , 江苏 无锡 214122;
2.上海交通大学食品科学与工程系 , 上海 201101)
摘　要:　以假酸浆子胶质为研究对象 ,用 BrookfieldRVDV-Ⅲ型数字流变仪考察了胶溶液的
流变学基本特性 ,以及质量浓度(g/L, 下同)、金属离子 、糖种类 、放置时间 、体系 pH值 、温度 、冻
融处理等因素对其流变性能的影响。结果表明 , 胶质溶液是典型的剪切稀化型非牛顿流体 ,胶
质量浓度越高(超过 2g/L)时 ,剪切稀化现象越严重。同时溶液流变行为受温度 、剪切速率 、pH
值等因素的影响。溶液黏度随体系温度的升高而降低 ,与温度的依赖关系服从 Arrhenius公式。 5g/L的胶质溶液黏度
在 pH值为 3时最高可达 0.152Pa·s。但在强酸 、强碱下黏度下降。金属二价离子对胶溶液有显著的增稠效应 , 其增稠
效果与离子浓度呈正相关。在相同浓度下 ,蔗糖的增稠效果优于葡萄糖。
关键词:　假酸浆子胶;流变学性能;金属离子;糖
中图分类号:TQ91;TS202.3　　　　　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:0253-2417(2008)02-0038-05
RheologicalPropertiesofGumfromSeedofNicandra
physaloides(L.)Gaertn
TUGuo-yun1 , WANGZheng-wu2 , GUJin1
(1.SchoolofChemicalandMaterialEngineering, JiangnanUniversity, Wuxi214122, China;
2.DepartmentofFoodScienceandTechnology, ShanghaiJiaotongUniversity, Shanghai201101, China)
Abstract:ThefundamentalrheologicalpropertiesofgumfromseedofNicandraphysaloides(L.)Gaertnandtheeffectsoffac-
tors, suchasconcentration(g/L, thesamebelow), metalions, sugar, standingtime, pHvalue, temperature, freezing-thawing
treatmentonrheologicalpropertieswereresearchedwithBrookfieldRVDV-Ⅲ rheometer.Resultsindicatedthatgumsolutionhad
typicalshear-thinningproperty, andtherheologicalpropertieswereinfluencedbytemperature, shearingrate, pHvalue, freezing-
thawingtreatment, etc.Itwasfoundthatthegumsolutioninvestigatedbehavedasnon-Newtonianshear-thinningfluid.Withthe
increaseofgumconcentration(above2g/L), theconsistencycoeficientincreasedwhiletheviscosityindexdecreased.Thethix-
otropicresponsebecamestrongerwhengumconcentrationwasincreased.Theincreasingoftemperaturecouldreducetheviscosity
ofgumandthetemperaturedependenceofηcouldbeexpressedbyarelationoftheArrheniusequation.AtpHvalue3, thehigh-
estviscosityofaqueoussolution(5g/L)was0.152Pa·s, whilestrongacidandstrongbaseresultedinadecreaseinviscosity.
Bivalentmetalionsobviouslyimprovedtheviscosityofgumsolution, andthethickeningefectwaspositivelycorrelatedtothe
concentrationofmetalions.Atthesameconcentration, thethickeningefectofsucroseexcelledglucose.
Keywords:Nicandraphysaloides(L.)Gaertnseedgum;rheologicalproperty;metalion;sugar
假酸浆(Nicandraphysaloides(L.)Gaertn)俗称冰粉 、水晶凉粉 、蓝花天仙子等 ,为茄科假酸浆属植
物 。假酸浆为一年生草本植物 , 植株高 50 ～ 100cm,假酸浆子为假酸浆的种子 , 种子小而扁 ,径约
1.5mm。国内南方各省均有野生分布 。现已有很多地区栽培 [ 1] ,最北至大兴安岭地区 。假酸浆以全
草 、花 、果 、种子入药。种子味甘 、平 ,有清热退火 、利尿 、祛风 、消炎等功效 ,治发烧 、风湿性关节炎 、疮痈
第 2期 涂国云 , 等:假酸浆子胶溶液的流变特征 39　
肿痛等症[ 2-3] 。种子外有一层雾状无毒 、无色 、无味 、可食用的胶质 ,是一种消炎利尿 、消暑解渴的夏季
保健食品。曾有学者对假酸浆子的胶质部分作过研究 [ 4-6] ,为充分开发该胶质在食品加工等方面的实
用功能 。本研究着重讨论不同质量浓度 、金属离子 、糖种类 、放置时间 、体系 pH值 、温度 、冻融处理等对
胶溶液流变的影响[ 7-8] ,以期为假酸浆子胶的进一步开发利用提供理论基础 。
1　实 验
1.1　材料和仪器
材料:假酸浆子由贵阳农贸市场购入 。化学试剂均为国产 AR级 。仪器:美国 BrookfieldRVDV-Ⅲ
型数字流变仪 、 FA2004电子天平 、 404-1型红外线干燥箱 、 HH-8恒温水浴 、恒温磁力搅拌器 、 TU-
1901型紫外可见光光度计 、 PHS-3C精密酸度计。
1.2　方 法
1.2.1　假酸浆子胶的提取　称取一定量的假酸浆子 ,用双层纱布兜起 。用去离子水快速冲淋一次 ,时
间控制在 30s以内 ,以防止胶质损失。冲淋后立即用纱布包好 ,浸入水中 2 ～ 3min,水量以浸没种子为
度 ,待胶质溶出后 ,挤压过滤。重复 3 ～ 5次 ,直至浸提干净(以种皮全部露出互不粘连为度)。所提胶
质呈凝胶状或溶胶状 ,用异丙醇进行沉淀 。收集沉淀 ,低温干燥粉碎备用。溶液的紫外光谱未见有蛋白
质和核酸的吸收峰。
1.2.2　流变性能和触变性考察　为保证胶质充分溶解 ,测试前所有样品放置过夜并在磁力搅拌机上搅
拌溶解 2h以上。测试时 ,使用美国 BrookfieldRVDV-Ⅲ型数字流变仪 ,测定试样溶液在不同条件下的
流变参数。当进行触变性考察时 ,在该流变仪中以每隔 20s时间增加 1次剪切速率(τ),从最低 75s-1
匀速地升至最高 1 200s-1 ,同时记录相应的切应力(F)数据 ,得到一条上行线;再由最高剪切速率匀速
地降回到最低 75s-1 ,同时记录降低剪切速率过程中的切应力数据 ,得到一条下行线 。以上行线和下行
线是否重合 ,判定溶液是否有触变性 ,若上行线和下行线不重合成为一个月牙形圈 ,即 “滞后圈 ”,则说
明体系具有触变性 ,并可用此圈的面积衡量其大小 。
2　结果与分析
　　对质量浓度分别为 2和 6g/L的胶水溶液进行触变性考察(见图 1)。对 2g/L的溶液 ,其上行和下
行流变曲线几乎接近重合 ,表明此质量浓度下体系无明显触变性。当溶液浓度到 6g/L时 ,试样溶液的
40　 林　产　化　学　与　工　业 第 28卷
上行和下行流变曲线已呈现出月牙形圈 ,说明体系此时已经开始出现一定程度的触变性。一般认为 ,触
变性可以视为体系在恒温下 “凝胶-溶胶 ”之间相互转换过程的表现 。胶浓度增加时 ,相互缠绕的大分
子链更容易在静止情况下通过其分子链上正负电荷基团静电相互作用和其他分子间相互作用产生物理
交联 ,导致凝胶形成 。而当 F作用于体系时 ,已形成的平衡物理交联网络则被破坏 ,使得其分子链能相
对自由地活动而成溶胶状态。这种体系触变性依赖于浓度的现象 , Ghannam等[ 11]在研究另一种多糖衍
生物-羧甲基纤维素的溶液流变性能时也曾被发现 ,体系良好的触变性将有利于其实际应用 。
2.2　金属离子对胶溶液流变性能的影响
作为一种可形成凝胶的天然高分子 ,其分子间的相互作用受到金属离子的影响 。多价离子的存在
可起到中和电荷及分子间的桥梁作用 ,从而改变胶分子的聚集状态。多价离子的这种作用受离子浓度
的影响 。在最佳浓度范围内 ,分子间的有序排列最终可导致凝胶形成。在本次实验中分别向质量浓度
4g/L的胶溶液中添加钙离子 ,考察其对胶溶液流变性能的影响 ,实验结果见图 2。从图中可以看到 ,与
对照胶溶液相比 ,钙离子的加入均使胶溶液黏度增高 ,且在 0 ～ 0.45g/L的离子质量浓度范围内 ,假酸
浆子胶溶液黏度随离子质量浓度的增高而增加 ,并以 0.45g/L钙离子的增稠效果尤为显著。
　　　　
图 1　不同质量浓度溶液触变性响应(25 ℃)
Fig.1　Thixotropicresponseofaqueousgum
solutionswithvariousconcn.
　　　
图 2　Ca2+质量浓度对溶液流变性能的影响(25 ℃)
　　Fig.2　EffectsofCa2+massconcn.onflow
curvesofgum
2.3　糖质量浓度及种类对胶溶液流变性能的影响
蔗糖和葡萄糖均为亲水性的小分子 ,可与假酸浆子胶分子产生竞争性的水合作用 ,起到促进胶分子
聚集的作用 。同时 ,蔗糖和葡萄糖也是在生产中常常与胶配合使用的主要原料 ,因此考察糖的种类和浓
度对胶溶液流变性能的影响有实际指导作用。不同质量浓度和种类的糖对 4g/L的胶溶液流变曲线的
影响如图 3所示。在加入蔗糖和葡萄糖后 ,胶溶液的基本流变特性没有明显改变 ,但溶液黏度均不同程
度增高 ,并且与糖的浓度呈正比 ,说明小分子糖类成分与胶有协同增稠的效果 。同时 ,在相同质量浓度
条件下 ,蔗糖的增稠效果优于葡萄糖 。
2.4　放置时间对胶溶液流变性能的影响
图 4是 4g/L的胶溶液 ,在不同放置时间后 25℃时的流变曲线 。实验结果表明 ,配制 1、 24及 72h
后胶溶液的流变特性没有显著变化 ,但溶液黏度有下降趋势 ,该现象表明假酸浆子胶分子间所形成的聚
集体是一种不稳定结构 ,随着时间的延长 ,其分子水合作用增加 ,分子间作用力下降 ,可导致溶液表观黏
度的下降。
2.5　pH值对胶溶液流变性能的影响
在 25℃、剪切速率为 300s-1的条件下 , 5g/L假酸浆子胶溶液在不同 pH值下的黏度见图 5。从图
中可以看出 , pH值的改变对胶溶液流变性能具有较大影响。在 pH值约为 3时 ,溶液的表观黏度最大
可达 0.152Pa·s。当 pH值大于 3后 ,随着 pH值升高 ,其表观黏度略有降低 ,但当 pH值大于 8后 ,表观
第 2期 涂国云 , 等:假酸浆子胶溶液的流变特征 41　
黏度反略有上升 ,这是由于较高的 pH值下 ,使得胶体分子带上正电荷 ,因而链间同种电荷产生静电排
斥 ,引起链的伸展和增长 ,故其表观黏度会升高 。在强碱条件下引起解聚而导致表观黏度下降 。当 pH
值小于 3时 ,胶在酸性条件下水解 ,故表观黏度明显下降。总体来说 ,低浓度假酸浆子胶溶液在弱酸性
和碱性条件下比较稳定。
　　
　图 3　糖种类和质量浓度对胶溶液流变性能的
影响(25 ℃)
Fig.3　Effectsoftypeandconcentrationofsugar
ontheflowcurvesofgum
　　　　　　
　图 4　放置时间对胶溶液流变性能的
影响(25 ℃)
Fig.4　Effectsofstandingtimeonthe
flowcurves
2.6　温度对胶溶液流变性能的影响
在剪切速率为 300s-1的条件下 ,对 5g/L的胶溶液在不同温度下的有关实验数据进行分析 ,发现溶
液因温度升高而使表观黏度下降 ,这是因为温度升高导致了分子热运动的加剧 ,从而削弱了胶体大分子
间的缠结。求得对应温度下的 lnη0 ,并用所求 lnη0对温度的倒数作图 ,发现 lnη0与 1/T有较好的直线
关系(见图 6),符合 Arhenius公式:η0 =B·exp(Ea/RT)。式中 R为气体常数 , Ea为活化能。流体活化
能的大小反映了高聚物流动所需克服的能量 ,一般分子链愈刚性 ,或分子间相互作用力愈大 ,则流动所
需的活化能愈高 ,这类高聚物的黏度对温度有较大的敏感性 [ 9] 。实验得出 , 5g/L假酸浆子胶溶液的 Ea
为 14.654kJ/mol。
　　
　　　图 5　pH值对溶液黏度的影响(25℃)
　Fig.5　EffectofpHvalueonviscosityofgum
solution
　 　　　
　图 6　不同温度下胶液的 η与 T的关系曲线
Fig.6　Plotoflnηversus1/Tforaqueousgum
solutionatvarioustemperatures
2.7　冻融处理对胶溶液黏度的影响
配制 5g/L的胶溶液 2份 ,分别在 4℃和 -20℃下冷冻 24h,室温下解冻 ,在剪切速率为 450s-1下
测定其黏度 。经冻融处理后 , -20℃冷冻的溶液黏度为 0.029 2Pa·s, 4℃下冷藏的黏度为
0.034 7Pa·s,而对照组的黏度为 0.036 9Pa·s。说明处理后 ,溶液表观黏度都有所下降 。并随着冰冻
过程的进行 ,溶液中的水逐渐从胶分子中渗透出来转变成冰 ,使得原来在水溶液中充分溶胀且相对稳定
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的胶分子因失去水后导致彼此之间紧密地结合在一起 。这样 ,便最大限度地减少了胶分子与水接触的
机会 ,使胶的水化度降低 ,当冰重新转变成水时 ,胶的水化能力不如冷冻前 ,且溶胀程度也大大地降低 ,
故其表观黏度比冷冻前有所下降。如果采用快速冷冻 ,即速冻可避免这种现象的发生 。
3　结 论
3.1　假酸浆子胶溶液是典型的非牛顿流体 ,即溶液表观黏度随剪切速率的增加而降低(剪切稀化)。
一方面胶质量浓度的增高可提高溶液体系的黏度 ,另一方面胶质量浓度越高(超过 2g/L),溶液剪切稀
化现象越严重(表现为 n值随胶浓度的增高而降低)。
3.2　假酸浆子胶溶液流变行为受温度 、放置时间 、冻融处理 、pH值和糖类的影响。体系温度的升高 、放
置时间的延长 、冻融处理均可导致溶液黏度降低 。与温度的依赖关系服从 Arrhenius公式。在 pH值为
3时 ,体系黏度最高 ,可达 0.152Pa·s。在强酸强碱下 ,黏度下降。这种现象与胶的分子活化能和分子
结构中的带电离子基团有关。蔗糖和葡萄糖的存在均可有效地提高假酸浆子胶溶液黏度 ,并且蔗糖的
增稠效果要优于葡萄糖。
3.3　假酸浆子胶溶液体系中金属二价离子(钙离子)的加入可起到显著的增稠效应 ,其增稠效果与离
子浓度呈正相关 。
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