水溶性优良增稠剂-黄原胶

黄原胶是一种微生物多糖，又称黄单胞多糖，又称汉生胶。黄原胶是一种新型的国际发酵产品。英文名称为Xanthan Gum商品名有Kelzan(工业级，美国)，Keltrol(食品级，美国)， Xc-Polymer(石油用)等。黄原胶是以淀粉为主要原料，通过微生物发酵和一系列生化过程较终获得的生物聚合物。其主要成分为葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸等。数百万分子量。它具有突出的高粘度和水溶性、独特的流变学特性、优异的温度稳定性和PH稳定性，令人满意的兼容性。

1. 黄原胶的结构 黄原胶分子由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-五糖重复单元结构聚合体由葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸组成，分子量为2×106～20×乙酸与丙酮酸的比例取决于菌株和后发酵条件。黄原胶聚合物骨架结构类似于纤维素，但是黄原胶的独特性质在于每隔一个单元上存在的由甘露糖醋酸盐、终端甘露糖单元以及两者之间的一个葡萄糖醛酸盐组成的三糖侧链。侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷。带负电荷的侧链与侧链与聚合物骨架的相互作用决定了黄原胶溶液的优良性能。黄原胶的先进结构是通过氢键在侧链和主链之间形成螺旋和多个螺旋。黄原胶的二级结构是侧链绕主链骨架反向缠绕，通过氢键形成棒状双螺旋结构。黄原胶的三级结构是由微弱的非极性共价键组成的螺旋复合体。

在低离子强度或高温溶液中，由于负电荷侧链相互排斥，黄原胶链形成盘旋结构。然而，即使电解质浓度的少量增加也会减少侧链之间的静电排斥，使侧链和氢键盘绕过聚合物骨架，聚合物链延伸成相对僵硬的螺旋杆。随着电解质浓度的增加，这种杆状结构在高温高浓度下也能稳定存在。离子强度高于0.15mol/L 此结构可维持至100℃不受影响。

水溶性聚合物骨架被化学一般水溶性聚合物骨架后，会失去其增稠能力。在黄原胶溶液中，聚合物骨架周围缠绕的侧链使其免受攻击，因此黄原胶对降解化学物质和酶攻击有很好的抵抗力。 2.黄原胶的性能 黄原胶是一种白色或浅黄色的粉末，是世界上增稠、悬浮、乳化、稳定的生物胶。分子侧链末端含有丙酮酸基团，对其性能影响很大。黄原胶具有长链高分子的一般性能，但它比一般高分子含有更多的官能团，在特定条件下会显示独特性能。它在水溶液中呈多聚阴离子，形象多样，在不同条件下具有独特的理化特性。具体表现如下:

2.1 悬浮和乳化 黄原胶常用于食品或其他产品，因为它具有显著增加系统粘度和形成弱凝胶结构的特点O/W乳液的稳定性。但麻*[5]等研究发现，只有黄原胶的添加量达到一定量，才能达到预定的稳定效果。黄原胶质量分数小于0.001%时，试验系统的稳定性变化不大；质量分数为0.01～0.02%样品底部出现富水层，但系统分层不明显；质量分数大于0.乳状液在02%时分层迅速。只有当质量分数超过0时.25%时，黄原胶可以提高系统稳定性。

2.2 水溶性 黄原胶能迅速溶解在水中，具有良好的水溶性。特别是在冷水中也能溶解，可节省复杂的加热工艺，使用方便。

2.3 流变性 即触变或假塑性、黄原胶水溶液，在剪切作用下，粘度急剧下降，剪切速度越高，粘度下降越快，如6r/min质量分数为0.3%的黄原胶粘度为1300 mPa.s,而60r/min它的粘度只有4000 mPa.s,不到原来的三分之一，剪切力消除时，原来的粘度会立即恢复。剪切力与粘度的关系是完全可塑的。当黄原胶与纳米微晶纤维素复合时，可在水中形成高强度的全天然生物胶，其触变性更强。

2.4 热稳定性 由于加热，一般多糖会发生粘度变化，但黄原胶的水溶液为10~80℃粘度几乎没有变化，即使低浓度的水溶液在广泛的温度范围内仍然显示出稳定的高粘度。黄原胶溶液在一定温度范围内(-4~93℃）反复加热冷冻，粘度几乎不受影响。

2.5 酸碱稳定性 黄原胶溶液对酸碱非常稳定，可在酸碱条件下使用。黄原胶溶液在pH 2～12 粘度几乎保持不变。虽然当pH当价值等于或大于9时，黄原胶会逐渐去除乙酰基，而在pH丙酮酸基也会在3点以下失去。但去乙酰基或丙酮酸基对黄原胶溶液的粘度影响不大。即黄原胶溶液在pH2~12范围内粘度相对稳定，黄原胶是高浓度酸碱混合物的好选择。

2.6 酶稳定性 蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、淀粉酶等常见的微生物酶或工业酶对黄原胶无影响。

3. 应用黄原胶 3.1 黄原胶在日常化工中的应用 3.1.1 应用于化妆品行业 化妆品行业黄原胶较重要的用途是牙膏。其优良的剪切稀化流动使牙膏容易从管道中挤出和泵送。黄原胶是各种牙膏的优良组合剂。它易于水化，酶稳定性优异，能生产出均匀稳定的产品，提高产品的延展性。

黄原胶为护肤霜和乳液提供了良好的稳定性。黄原胶静置时的高粘度有利于个人护理产品中油相均匀分散的稳定性，擦拭时的剪切变薄提供了良好的润滑和爽肤效果。抗氧化剂抗坏血酸，因为它能促进胶原蛋白的合成， 防止老化，减少细纹，淡化护肤化妆品中常用的黑色素，但为了将有效成分运输到特定位置，必须选择合适的运输系统o/w在微乳化系统中加入少量黄原胶作为增稠剂，效果很好。黄原胶也可用作防晒护肤品的遮光剂，使皮肤免受紫外线伤害。此外，黄原胶也可用作低增稠剂pH在美白化妆品中使用值和高电解质。

眼影中使用黄原胶可以使眼影具有流体结构，稳定性好，更重要的是，眼影可以在45岁℃保存两个月。

人们广泛接受洗涤香波，因为它易于使用，易于在头发上扩散。然而，当洗发水中含有小颗粒活性成分时，这些颗粒的悬浮和沉积会带来各种问题。此时，如果加入少量黄原胶，可以改善香波的流动性，悬浮不溶性色素和药用成分，产生稳定、丰富、精致的奶油泡沫，并在广泛范围内pH该值与表面活性剂等添加剂具有协同作用[15]。有专利报道称，去屑香波中硫化硒的沉积性[16]用黄原胶改善，稳定香波中分散、不溶、不挥发的硅树脂相。

热处理后的黄原胶作为头发化妆品中的固定剂，比其他固定剂具有更多的优点，包括流变改善、硬度突出、光泽突出等。

3.1.2 应用于其他日化行业 表面活性剂和聚合物的混合系统在许多方面具有潜在的应用价值。阴离子、阳离子和非离子表面活性剂都可以与溶液中的水溶性聚合物交联，交联在很大程度上取决于表面活性剂和聚合物本身的性质。两性离子表面活性剂具有阴离子和阳离子表面活性剂的性质，黄原胶是水溶性聚合物理化性能的水溶性聚合物多学者以两性离子表面活性剂和黄原胶为研究体系，如徐桂英研究两性离子表面活性剂甜菜碱和黄原胶的相互作用，黄原胶的存在减少了甜菜碱微团中胶束的聚集，原因可能是黄原胶的存在增加了阴离子胶束中表面活性剂的离子化程度。这种混合系统不仅具有阴离子和阳离子表面活性剂的性质，而且毒性低，对皮肤和眼睛温和，水溶性好，对硬水的抵抗力好，易于生物降解，常用于液体洗涤剂、洗发水、浴液、餐具洗涤剂、蔬菜水果洗涤剂、抗静电剂等产品。这种混合系统不仅具有阴离子和阳离子表面活性剂的性质，而且毒性低，对皮肤和眼睛温和，水溶性好，对硬水的抵抗力好，易于生物降解，常用于液体洗涤剂、洗发水、浴液、餐具洗涤剂、蔬菜水果洗涤剂、抗静电剂等产品。

利用黄原胶对强酸和强碱的稳定性及增粘性，还可以制造工业用的酸性和碱性清洗液。例如，欧洲专利介绍的清洁浴缸和其他刚性表面用的酸性微乳液复配物除含阴离子表面活性剂，非离子表面活性剂和其他添加剂外，也含有黄原胶。黄原胶和刺槐豆胶的混合物还可以作为除臭剂使用。

3.2黄原胶在食品工业中的应用 黄原胶因其良好的乳化稳定性、温度稳定性、与食品其他成分的相容性和流变性而被广泛应用于各种食品中。

烘焙食品中使用的黄原胶可以提高烘焙食品在烘焙和储存期间的持水性和口感的光滑度；饮料可以有效延长果肉饮料的悬浮时间，提高水果和巧克力饮料的口感；冷冻食品可以通过结合自由水稳定，控制冰晶的生长速度，提供理想的结构。在罐头食品中加入黄原胶，使材料易于泵送和灌装，并易于保持产品的外观。乳制品生产中使用的黄原胶可以提高牛奶、冰淇淋、饮料的稳定性，提高奶油的保形力。用于调味料和调味汁，由于其对酸碱的稳定性好，可延长水包油乳液中产品的保质期。此外，黄原胶还可用于低脂食品、保健食品和肉制品。它与槐豆胶的混合物也可用于制作糖果、果酱和果冻。

3.3 黄原胶在石油工业中的应用 聚丙烯酰胺是我国油田的主要化学品CMC、变性淀粉等，导致钻井成本高，出油率低。黄原胶在增粘、增稠、抗盐、抗污染能力等方面远强于其他聚合物，特别是在海洋、海滩、高卤水层和永冻土层钻井中，对加快钻井速度、防止油井坍塌、保护油气田、防止井喷、大幅提高油率有明显作用，当黄原胶和磷酸盐化度为0时.03～0.5.混合使用刺槐豆胶可以取得更好的效果。

3.4 黄原胶在纺织工业中的应用 黄原胶用于印染行业，可作为染料和颜料的悬浮剂、印染控制剂，控制印染泥浆的流动性，防止染料迁移，使图案清晰，与浆液中的大部分成分相互溶解，其自身的洗涤特性也非常有效。因此，黄原胶广泛应用于地毯、丝绸等印染行业。

3.5 黄原胶在陶瓷和搪瓷工业中的应用 低浓度时黄原胶的流变性能可使瓷釉中的不溶性成分长期悬浮，与瓷釉成分相互溶解，防止破碎瓷釉成分的形成，缩短研磨时间。同时，还可以控制干燥时间，降低炉温，相应减少斑点等缺陷，大大提高陶瓷加工工艺，提高产品质量。 3.6 黄原胶在其他方面的应用 黄原胶可作为药品生产中乳液和悬浮液的乳化稳定剂，使药品均匀一致。在农业上，黄原胶被用作农药乳液的稳定剂和悬浮剂。喷洒时，可控制微液滴的大小，防止漂移，使药物粘附在植物叶片上，延长药物成分与作物的接触时间，耐雨水冲刷。浆状炸药可提高其稠度，与瓜儿胶一起使用可提高其热稳定性。据统计，美国每年生产的黄原胶30%用于食品工业，70%用于其他工业。 4.结语 目前, 世界黄原胶年产量约5万元t, 而且年产量还是8% 速度增加。由于黄原胶具有多种功能， 使用同一产品可同时产生两种或两种以上的功能， 因此，市场潜力大， 微生物多糖具有良好的生产开发前景。从国内生产和销售的角度来看，每年生产的数千吨黄原胶大多用于食品工业。其他工业的应用仅限于石油等少数行业，占总市场份额很小。在国际市场上，黄原胶不仅广泛应用于食品工业，还广泛应用于石油钻探、三次采油、纺织、印染、陶瓷加工、涂料、炸药、湿冶金、医药、农药、化妆品等行业。与国外黄原胶在几十个行业和几十种产品中的应用相比，我们在应用上有很大的差距。因此，要加强对黄原胶性质及其在各行业的应用的研究，为扩大其在其他行业的应用提供理论基础，使其应用于更多的行业，产生更大的社会经济效益。

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