黄原胶的结构与性质

1 黄原胶的结构

黄原胶（ xanthan gum）于二十世纪五十年代由美国农业部的北方研究室（ Northern Regional Research Laboratories, NRRL） ,由野油菜黄单孢菌（Xanthomonas campestris，NRRL B-1459）分泌的中性水溶性多糖，又称为汉生胶。

黄原胶由五糖单位重复构成,主链与纤维素相同，即由以 β-1，4糖苷键相连的葡萄糖构成，三个相连的单糖组成其侧链：甘露糖→葡萄糖→甘露糖。与主链相连的甘露糖通常由乙酰基修饰，侧链末端的甘露糖与丙酮酸发生缩醛反应从而被修饰，而中间的葡萄糖则被氧化为葡萄糖醛酸，分子量一般在 2×10⁶～2×10⁷Da 之间。

黄原胶除拥有规则的一级结构外，还拥有二级结构，经 X-射线衍射和电子显微镜测定，黄原胶分子间靠氢键作用而形成规则的螺旋结构。双螺旋结构之间依靠微弱的作用力而形成网状立体结构，这是黄原胶的三级结构，它在水溶液中以液晶形式存在。
2 黄原胶的性质

黄原胶的外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，美国 FDA 于 1969 年批准可将其作为不限量的食品添加剂，1980 年，欧洲经济共同体也批准将其作为食品乳化剂和稳定剂。
由其二级结构决定,黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。黄原胶最显著的特性是其控制液体流变性质的能力，它即便在低浓度时也可形成高粘度的、典型的非牛顿溶液，具有明显的假塑性(即随着剪切速率的增大，其表观粘度迅速降低)。溶液粘度的影响因素还包括溶质浓度、温度（既包括黄原胶的溶解温度，又包括测量时的溶液温度）、盐浓度、pH值等，现分别简述之。
2.1 温度的影响

黄原胶溶液的粘度既受测量时溶液温度的影响，也受溶解温度的影响。

像大多数溶液一样，黄原胶溶液的粘度随溶液的温度（TM）的升高而降低，且此变化过程在 10℃～80℃完全可逆，由于黄原胶在其水溶液中存在两种构象：螺旋型和不定型。随溶解时的温度(TD)升高从螺旋型向不定型转变，改变了其聚合物的胶连方式和程度，从而使溶液粘度发生改变。粘度随 TD改变的曲线如图 2-b 所示。此变化曲线折为三段，低于 40℃时随 TD增加粘度减小，在 40℃～60℃时，粘度随 TD升高而增大，当TD大于 60℃时，粘度随 TD的变化趋势又变为随温度升高而减小。
2.2 盐浓度的影响

盐浓度对黄原胶溶液的粘度有一定影响。在浓度较低时，少量盐的加入可使粘度略微下降，这主要是由分子间电荷力的降低造成的；在黄原胶浓度较高时，加入大量的盐可使溶液粘度增加，这可能是由于增加了分子间的胶连程度；
而当盐浓度超过 0.1%（W/V）时，盐浓度对溶液粘度没有影响。
多价金属盐在不同 pH值范围内可与黄原胶形成凝胶，如钙、镁盐形成凝胶的 pH值为 11～13，三价金属盐在较低 pH值时即可形成凝胶或沉淀。
2.3 pH 值影响

相比较而言，黄原胶溶液的粘度受 pH 值影响很小。pH>9 时，侧链上的乙酰基脱掉，在 pH和乙酰基后的黄原胶与野生型的黄原胶对溶液的粘度影响几乎相同。
2.4 剪切力的影响

黄原胶溶液有着突出的假塑性，溶液粘度随剪切力的改变而变化，且该变化在很大的程度上可逆。许多研究者都对黄原胶溶液的粘度随剪切力的变化模型提出了方程。

用 Ostwald de Wale 方程解释模型，得到：µa =K?n-1

其中 µa是表观粘度，? 是剪切率，K 是恒定系数（即在剪切率为 1S-1时的粘度数值）， n 是流体系数，对假塑性流体而言，n<1。

另外，还有人提出用 Casson模型来描述这一特性：t0.5=t0 Kcµa0.5
与前一个方程相比，这一方程考虑了最初的剪切力 t0，另外的一个参数 Kc是 Casson常数，t 是剪切力，µa是表观粘度。
在剪切速率在 0.39～79.2 S-1间时，这两个方程与实验数据都可很好的吻合，在超出此范围时则需查相关文献来重新确定方程。
2.5 黄原胶浓度的影响

随着黄原胶在溶液中浓度的增大，其分子间作用及胶连程度增加，从而使粘度增加，但不完全成比例：

2.6 同促作用

黄原胶的另外一个显著的特征是其与半乳甘露聚糖的同促作用,如槐豆胶(Locust bean gum)、瓜尔胶(Guar gum)等。即当黄原胶与半乳甘露聚糖混合时，其混合物粘度较之其中任何一种单独存在时，粘度都明显增加。
混合溶液的粘度与这两种溶质的构象相关，前已述及，黄原胶在溶液中的构象依溶解温度而定。当黄原胶在较低温度（<40℃）溶解时，呈规则的螺旋构象，与不规则构象相比，与半乳甘露聚糖间的胶连作用更强。而半乳甘露聚糖溶液的性质同样也受溶解温度的影响，该聚糖主链由甘露糖连接而成，上面连有单糖分子的半乳糖构成侧链，侧链在主链上的分布并不均匀，没有侧链区域称为光滑区（smooth regions），侧链分布均匀的区域称为毛发区（ hairy regions），毛发区与黄原胶的作用很小。但光滑区部分仅在 80℃左右溶解，因此，欲得到较强同促作用的黄原胶与半乳糖苷聚糖的混合物，应使黄原胶在较低温度下（<40℃）溶解，使半乳糖在较高温度下（80℃左右）溶解，然后将两者混和。
黄原胶与各种酸碱都有很好的相溶性，且性质稳定，还可与甲醇、乙醇、异丙醇以及丙酮互溶，但溶剂超过 50%～60%时则可引发沉淀。黄原胶不溶于多数有机溶剂，但在 25℃下可溶于甲醛，在 65℃下可溶于甘油和乙二醇。
近年来又相继报道了由野油菜黄单孢菌的突变菌株分泌由重复的四糖单位（侧链由二糖构成）和三糖单位（侧链为单糖）组成的黄原胶，结构 如下：

与野生型黄原胶相比，由重复的四糖单位组成的聚糖使溶液粘度增加的作用很弱，因而不宜用于增稠剂；而由重复的三糖单位组成的聚糖在相同质量下使溶液粘度增大的能力要大于野生型黄原胶。