一种新型微生物多糖流变学初探

一种新型微生物多糖流变学初探

贾 薇1,2，郑志永1，刘汝冰2，张劲松2，詹晓北1

(1.江南大学生物工程学院，工业生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；

2.上海农科院食用菌研究所，上海 201106)

摘 要：本实验研究了黄原胶、进口威兰胶KELCO-CRETE K1C376和自制威兰胶的流变特性，分别从浓度、温度、剪切力、pH 值、冻融变化、高温高压对溶液黏度的影响进行比较，新型微生物胞外多糖-威兰胶由于适用于高温、宽p H 值范围的复杂环境，对环境友好，具有诱人的应用前景。关键词：黄原胶；威兰胶；流变学；高温

Preliminary Study of Rheological Properties of A Novel Kind of Microbial Polysaccharides

JIA Wei 1,2，ZHENG Zhi-yong 1，LIU Ru-bing 2，ZHANG Jin-song 2，ZHAN Xiao-bei 1

(1.Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122,

China ；2.Institute of Edible Fungi, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201106, China)

Abstract ：Rheological properties of xanthan and welan gums were studied, and their viscosity affected by concentration,temperature, shearing rate, pH, freezing-thawing and cold store was compared in this study. A novel kind of microbial exopolysaccharides, welan gum shows wide application future due to its high temperature stability, pH tolerance and good environment-friendly properties.

Key words ：xanthan gum ；welan gum ；rheology ；high temperature

中图分类号：TS201.7 文献标识 码：A 文章编号：1002-6630(2009)01-0135-04

收稿日期：2007-12-14

基金项目：上海市科委生物医药重点攻关项目(054319940)

作者简介：贾薇(1971-)，女，副研究员，博士研究生，研究方向为微生物多糖及食用菌。E-mail ：jiawei@

微生物多糖是细菌、真菌、蓝藻等微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的生物聚合物[1]，它们能吸附在细胞膜表面作为脂多糖的O 抗原，作为荚膜多糖在细胞周围形成荚膜，或者作为胞外多糖完全分泌到培养环境中。微生物胞外多糖是一种长链的大分子聚合物，具有独特的物理性质、流变学特性以及使用安全性，在食品工业领域倍受青睐，在日化、纺织、医药等领域的应用潜能正日益引起人们的关注[2]。目前已大量投产并应用于食品领域的微生物胞外多糖主要有黄原胶、结冷胶、小核菌葡聚糖、短梗霉多糖、热凝胶多糖等。

威兰胶是产碱杆菌Alcaligenes spp. ATCC 31555产生的胞外多糖，主链是葡萄糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖和鼠李糖以β-1, 4糖苷键连接的四糖重复单元组成，侧链是大约每隔四个单元有一个鼠李糖或甘露糖以α-(1,3)糖苷键分支连接在葡萄糖酸单元上，有85%的重复单元在α-(1,3)葡萄糖的2位碳上连有乙酰基[3]。具有良好的增稠性、假塑性、热稳定性以及具有耐酸碱、抗盐水

的能力。特别是在高温下(150℃)仍能保持高黏度和理想的剪切稀释效应[4]，能有效地定位于油藏的高渗透区域，选择性形成高黏度凝胶而封堵高渗透率的低油区域，起到智能调节油藏渗透率剖面的作用，从而有利于驱油流体进入高含油率的低渗透区，有效提高三次采油的采出率。

黄原胶已在我国部分油田的三次采油得到了成功应用，而性能比黄原胶更为优越的新型微生物多聚物威兰胶适合于地质条件复杂的深部高温油藏，已在国外得到很好的应用。而且生产主要以农副产品为原料，是利用可再生资源的生产技术，也为农副产品的深加工创造了条件，其生产成本与黄原胶相近，但国际市场上的价格却远高于黄原胶，在石油开采的方面的应用性能也优于黄原胶。随着我国三次采油技术的发展，对于新的微生物驱油剂的需求必将逐渐增大，推广应用前景广阔。本实验将进口威兰胶和本实验室自制的威兰胶与食品、三次采油工业最常用的黄原胶进行流变学比较，为最终实现其在国内的开发与应用做初步的研究。

120001000080006000400020000

0.25%黄原胶0.25%进口威兰胶0.25%自制威兰胶

黏度(c P )

转速(r/min)

05101520253035404550556065707580859095100

图2 剪切力对溶液黏度的影响Fig.2 Effects of shearing rate on viscosity

1材料与方法1.1

材料与试剂

国产黄原胶(食品级)；进口威兰胶CP Kelco 公司；实验室自制威兰胶；制备：Alcaligenes spp. ATCC 31555发酵液80℃灭菌30min ，搅拌添加3倍体积95%乙醇，4℃过夜，尼龙布过滤，80%乙醇洗涤沉淀3次，冷冻干燥，即得。1.2

仪器与设备

LV +型数字黏度计 Brookfield 公司；BP3100S 电子天平 Sartorius 公司；320 pH 计 Mettler Toledo Delta 公司；5810R 离心机 Centrifuge 公司；SNL216V 冻干机Savant Thermo 公司；94-2定时恒温磁力搅拌器 上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；DK-8D 型 电热恒温水槽上海一恒科技有限公司。1.3方法1.3.1

胶溶液配制

黄原胶溶液的配制：蒸馏水配制不同浓度的黄原胶，室温，磁力搅拌2h ，完全溶解后待测。

威兰胶溶液的配制：蒸馏水配制不同浓度的威兰胶溶液，60℃加热磁力搅拌溶液3h ，完全溶解后备用。1.3.2

不同浓度溶液黏度的比较

分别配制0.5%、1%的黄原胶溶液、进口威兰胶和自制威兰胶溶液，用Brookfield LV +型数字黏度计3号转子，室温下，1r /m i n 测定黏度。1.3.3

剪切力变化对溶液黏度的影响

分别测定0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%的黄原胶溶液，0.25%、0.5%、1%的进口威兰胶和0.1%、0.25%、0.5的自制威兰胶溶液在不同剪切力作用下的黏度变化。1.3.4

温度对溶液黏度的影响

配制0.5% 的三种溶液分别在25、50、80、100℃下水浴加热30mi n ，测定黏度变化。1.3.5

加热时间对溶液黏度的影响

分别在100℃恒温水浴中加热搅拌30、60、90、120、150min ，然后降至室温，1r/min 下测定0.5%的溶液的黏度变化。1.3.6

冷冻、冷藏对胶体溶液黏度的影响

分别配制浓度为0.5%的三种溶液两份，在较低的温度下进行冷冻(－20℃)或冷藏(4℃) 24h ，然后在室温下解冻恒温，1r/min 下测定冻融前后黏度的变化。1.3.7

酸碱度对胶体溶液黏度的影响

分别用稀酸和稀碱调溶液pH 值，测定不同pH 值时的黏度变化。1.3.8

高温、高压对溶液黏度影响

0.5%的进口和自制威兰胶溶液分别测定在121℃、1.1kg/cm 2下维持20min 和160℃下维持10min ，冷却到室温条件后，3r /m i n 时的黏度。2 结果与分析2.1

浓度对溶液黏度的影响

从图1可以看出，三种溶液的黏度都随着浓度降低而减，在相同浓度下，黄原胶溶液的黏度比进口威兰胶和自制威兰胶都低很多，自制威兰胶的黏度与进口威兰胶接近。2.2

剪切力对溶液黏度影响

从图2可以看出，三种溶液都随着转子转数的增加，黏度值逐渐降低，在转速超过30r/min 后就趋于平稳。对于非牛顿流体，黏度和剪切速率之间的关系可以用Ostwald-dewaele 的幂律黏度模型表示，非牛顿型流体的黏度函数是速度梯度或剪切速率绝对值的一个指数函数，其表达式为：

ηa =K ·S ( n-1) (1)

式中，ηa 为液体的表观黏度；n 为流态特性指数，n 的大小表示液体偏离牛顿流体的程度；S 为剪切速率(s -1)；K 为浓度系数，数值与液体的稠度或浓度有关。

当n =1时，ηa =K ，即K 具有黏度的因次，此时流体为牛顿流体，可用以检查所得结果正确与否；当n ＜1时，为假塑性或剪切变稀流体；当n ＞l 时，为膨胀塑性或剪切增稠流体。

70000600005000040000300002000010000

黄原胶进口威兰胶自制威兰胶

黏度(c P )

浓度(%)

1

0.500.250.10

图1 浓度对黏度影响

Fig.1 Effects of gum concentration on viscosity