李星科，姜啟興，夏文水，*

（1.江南大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫214122；2.江南大學食品學院，江蘇無錫214122）

殼聚糖溶液的流變學性質(zhì)及應用研究

李星科1，2，姜啟興1，2，夏文水1，2，*

（1.江南大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫214122；2.江南大學食品學院，江蘇無錫214122）

對殼聚糖稀溶液的流變學性質(zhì)進行了研究，探討了分子量和脫乙酰度結(jié)構(gòu)參數(shù)以及溫度、濃度、剪切速率、pH、離子強度等環(huán)境因素對殼聚糖稀溶液流變性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：殼聚糖溶液的黏度隨分子量的增大而增大；隨著脫乙酰度的增大和pH的增大，殼聚糖溶液的黏度先減小后增大，分別在脫乙酰度70.8%和pH4.9時黏度達到最?。浑x子強度的增大導致殼聚糖溶液的黏度降低。殼聚糖溶液是剪切變稀的假塑性流體，其黏度隨濃度的增加逐漸增加，隨溫度的升高而減小，在0～80℃范圍內(nèi)，溫度對殼聚糖溶液的黏度的影響符合Arrhenius模型，活化能為32.60kJ/mol。因此當作為食品增稠劑時，應該選用高分子量、高脫乙酰度的殼聚糖，添加到酸性低鹽食品體系中。

殼聚糖溶液，黏度，流變性質(zhì)，應用

食品增稠劑對保持食品（流態(tài)食品、凍膠食品）的色、香、味、結(jié)構(gòu)和食品的穩(wěn)定性起非常重要的作用，這種作用的大小取決于增稠劑分子本身的結(jié)構(gòu)和它的流變性［1］。殼聚糖作為一種多功能性天然水溶性多糖，在食品工業(yè)中的應用越來越廣泛［2-4］。日本、韓國早已把殼聚糖批準為食品添加劑使用［5-6］。中國也已經(jīng)批準殼聚糖作為食品增稠劑使用［7］。當一種增稠劑應用于食品體系時，必須先研究其流變性質(zhì)。本文主要研究結(jié)構(gòu)參數(shù)（分子量和脫乙酰度）和環(huán)境因素（如濃度、剪切速率、溫度、pH、離子強度等）對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響，為殼聚糖在食品工業(yè)中的應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

殼聚糖 不同分子量殼聚糖的制備采用超聲波降解方法［8-9］，不同脫乙酰度殼聚糖的制備采用加乙?；姆椒ǎ?0-11］，分子量的測定采用凝膠滲透色譜法［4］，脫乙酰度的測定采用電位滴定法［12］；表中為實驗室制備的殼聚糖樣品，其中表1為脫乙酰度相同、分子量不同的樣品，表2為分子量相同、脫乙酰度不同的樣品；冰醋酸、氯化鈉、氫氧化鈉等 均為分析純。

DELTA-320-S pH計 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；AR1000流變儀 英國TA公司；DVII+Pro黏度計 美國Brookfield公司；DDS-11A型電導率儀、DJS-1C型電導電極 上海雷磁儀器廠。

表1 相同脫乙酰度、不同分子量的殼聚糖

表2 相同分子量、不同脫乙酰度的殼聚糖

1.2 實驗方法

1.2.1 殼聚糖溶液的制備 稱取1g殼聚糖，置于潔凈的燒杯中，分別加入100mL 1%的醋酸溶液，攪拌溶解，冰箱中冷卻過夜，測定溶液的pH為3.9。另取四份殼聚糖溶液，分別用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為4.4、4.9、5.4、5.9。殼聚糖溶液的離子強度（0～0.68mol/L）根據(jù)添加不同濃度的氯化鈉來調(diào)節(jié)。以相同的方法制備不同濃度（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.2%和1.4%）的殼聚糖溶液。

1.2.2 殼聚糖溶液流變性質(zhì)的測定 在研究分子量、脫乙酰度、pH和離子強度等對殼聚糖溶液流變性質(zhì)影響的實驗中，采用Brookfield DV-II+Pro黏度計測量，選擇超低粘度適配器和配套的轉(zhuǎn)子，所有樣品均在室溫25℃下測定。

在研究剪切速率、濃度、溫度等對殼聚糖溶液的流變性質(zhì)的影響實驗中，采用AR1000流變儀，選擇40mm平板，平板間距為1mm。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 所有的實驗均重復三次，求其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子量對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

從圖1可以看出，隨著分子量的增大，殼聚糖的黏度也在增大，這與王偉等的研究結(jié)果一致［13］。分子量是決定殼聚糖黏度的一個重要的因素，殼聚糖為高聚物，分子量大，說明聚合度高，在溶液中分子鏈也相對比較長，可以相互纏結(jié)或聚集，產(chǎn)生較強的氫鍵和疏水相互作用，溶液黏度較大；而低分子量殼聚糖的分子鏈相對較短，因此溶液黏度較小。因此當作為食品增稠劑使用時，應該選用高分子量的殼聚糖。

2.2 脫乙酰度對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

殼聚糖分子鏈由氨基葡萄糖結(jié)構(gòu)單元和乙酰氨基葡萄糖結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，殼聚糖的物化性質(zhì)、生物活性和溶液流變性質(zhì)與兩種結(jié)構(gòu)單元的比例即脫乙酰度密切相關［14］。圖2顯示的是五種相同分子量、不同脫乙酰度的殼聚糖（60.5%，65.4%，70.8%，77.3%，86.1%）溶液的黏度，由圖可知，隨著脫乙酰度的增大，殼聚糖的黏度先減小而后增大，脫乙酰度70.8%的殼聚糖黏度最小。脫乙酰度的大小導致殼聚糖分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變的主要原因是：a.改變了殼聚糖分子鏈上的電荷密度；b.乙?；鶊F具有較大的空間位阻效應和疏水性［10］。高脫乙酰度的殼聚糖分子帶電荷多，由于靜電斥力作用，高脫乙酰度殼聚糖的分子鏈比較舒展。低脫乙酰度的殼聚糖含有較多的乙酰基團，乙?；鶊F的增加引發(fā)的空間位阻也會增加分子鏈的剛性，并且傾向于形成氫鍵和疏水相互作用，分子鏈也比較舒展［8］。Schatz和Lamarque等的研究認為，當脫乙酰度大于75%，殼聚糖顯示聚電介質(zhì)行為，分子鏈具有較高的柔順性；而脫乙酰度介于50%和75%之間，是親水和疏水作用平衡的過渡區(qū)域，殼聚糖分子鏈的剛性逐漸增強［15-16］。因此脫乙酰度60.5%、65.4%、70.8%的殼聚糖溶液黏度隨著脫乙酰度增加而降低，而77.3%、86.1%的殼聚糖溶液黏度隨著脫乙酰度增加而升高。因此當選擇殼聚糖作為食品增稠劑時，應該選擇高脫乙酰度的殼聚糖。

圖1 分子量對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

圖2 脫乙酰度對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

2.3 溫度對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

溫度是影響高分子聚合物流變性質(zhì)的重要因素之一。如圖3所示，隨著溫度的升高，殼聚糖溶液的黏度逐漸降低。這是由于溫度升高，殼聚糖分子的運動加劇，分子間相互作用減弱，分子流動阻力降低，因而黏度下降。

流體的流動活化能反映了高聚物流動所需克服的能量，一般來說，分子間相互作用力愈大，或分子鏈剛性愈強，則流動所需的活化能愈高，這類高聚物的黏度對溫度有較大的敏感性。在不太寬的溫度范圍內(nèi)，流體的黏度與溫度之間的關系符合阿倫尼烏斯方程：η=A·eE/RT或lnη=lnA+E/RT。其中：η為溶液的黏度；A為常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度；E為粘流活化能?；罨苁丘ざ葘囟让舾谐潭鹊囊环N量度；活化能越大，溫度對黏度的影響也越大，因而從活化能的大小可以了解用溫度改變流體黏度的可行性。在一定的條件下，當活化能較大時，用升溫來降低黏度是可行的，但如果活化能很小，升溫的方法就不是很有效［17］。

表3 殼聚糖溶液的流動指數(shù)和稠度指數(shù)

本實驗研究了濃度為1%的殼聚糖溶液在0～80℃的溫度范圍內(nèi)黏度的變化情況，以lnη對1/T作圖，如圖4所示，并由此求得E=32.60kJ/mol，與吳國華等研究的結(jié)果（E=33.482kJ/mol）比較接近，說明殼聚糖溶液對溫度變化比較敏感［18］。

圖4 殼聚糖溶液的黏度與溫度的關系

2.4 濃度和剪切速率對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

絕大多數(shù)高分子材料在加工過程中的流動都不服從牛頓定律，至今還沒有一個確切的能反映聚合物材料本質(zhì)的流變方程，到目前為止大多數(shù)還采用1925年 Ostwald和 Dewaele提出的經(jīng)驗方程：τ= K·γn。式中：τ-剪切應力；K-稠度系數(shù)；γ-剪切速率；n-流動指數(shù)，表示該流體與牛頓流體的偏差程度。當n=1時，流體為牛頓流體，其黏度不隨γ的變化而變化；當n＜1時，流體為非牛頓假塑性流體，其黏度隨γ的增大而下降；當n＞1時，流體為非牛頓脹塑性流體，其黏度隨γ的增大而增大［17-18］。

殼聚糖的黏度和濃度密不可分。剪切速率和剪切力也是影響殼聚糖流變特性的重要因素。如圖5所示，用1%的醋酸分別配制不同濃度的殼聚糖溶液，在剪切速率為20～90（1/s）的范圍內(nèi)測其黏度，同時根據(jù)lgτ=nlgγ+lgk計算流動指數(shù)n和稠度系數(shù)K，見表3。表3結(jié)果表明，殼聚糖溶液的流動指數(shù)均小于1，為非牛頓假塑性流體，其黏度隨著剪切速率的增加而減少。而且隨著殼聚糖濃度的增大，溶液的稠度指數(shù)在增大，流動指數(shù)在減小，說明殼聚糖溶液濃度越高，其粘稠性越大，假塑性流體的特征越來越明顯。瓜爾豆膠是食品工業(yè)上常用的膠之一，為了比較殼聚糖的增稠性質(zhì)，與1%的瓜爾豆膠溶液比較發(fā)現(xiàn)，1.4%的殼聚糖溶液稠度系數(shù)小于其稠度系數(shù)，而流動指數(shù)大于其流動指數(shù)，說明相同濃度下，殼聚糖的粘稠度不如瓜爾豆膠，但假塑性程度比瓜爾豆膠高。

圖5 濃度和剪切速率對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

2.5 pH對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

殼聚糖溶液的表觀黏度隨pH的變化情況如圖6所示。結(jié)果表明，隨著溶液pH的升高，其表觀黏度先減小后升高，這與王偉等的研究結(jié)果不一致［19］，可能他們研究的是殼聚糖濃溶液的性質(zhì)，而且pH的范圍也不一致，但是與Il’ina和Varlamov報道的結(jié)果一致［20］。殼聚糖分子在溶液中存在著4種相互作用力：范德華力、氫鍵、疏水作用和靜電作用。在酸性溶液中，殼聚糖上的NH2質(zhì)子化為NH+3，因此分子內(nèi)和分子間存在著較強的靜電相互作用；由于殼聚糖分子上含有大量的羥基和乙酰氨基，因此會形成較強的分子內(nèi)氫鍵作用［14］。隨著pH的增加，殼聚糖分子帶電越來越少，而離子強度逐漸增加，降低了正電荷間的靜電作用，從而使殼聚糖分子鏈趨于彎曲，分子鏈的有效體積減少，降低了體系的黏度，在pH4.9左右時降到最低。而后隨著pH的進一步升高，殼聚糖分子鏈上的-NH+3基團在堿的中和作用下變成-NH2，質(zhì)子化程度降低，帶電越來越少，相應的分子內(nèi)和分子間的靜電相互作用變?nèi)?，而殼聚糖分子上含有大量的羥基和乙酰氨基，會形成較強的氫鍵作用，促使殼聚糖分子間相互纏繞，體系黏度變大。因此殼聚糖可以作為增稠劑添加到弱酸性食品體系中。

圖6 pH對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

2.6 離子強度對殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

如圖7～圖9所示，殼聚糖溶液的黏度隨著離子強度的增加而降低，這與王偉等報道的結(jié)果一致［13］。在酸性溶液中，殼聚糖上的-NH2質(zhì)子化為NH+3，因此分子內(nèi)和分子間存在著較強的靜電相互作用，離子強度對這種相互作用有重要影響。當加入強電解質(zhì)氯化鈉時，反離子將屏蔽質(zhì)子化氨基，使分子構(gòu)象收縮卷曲，分子鏈的有效體積減少，降低了體系的黏度。

圖7 離子強度對不同分子量殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

圖8 離子強度對不同脫乙酰度殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

圖9 離子強度對不同pH殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

在相同脫乙酰度、不同分子量的殼聚糖溶液中加入不同濃度的氯化鈉后，發(fā)現(xiàn)高分子量的殼聚糖黏度降低的幅度比較大，而低分子量的殼聚糖變化較小。如圖7所示，當離子強度升高至0.68mol/L時，分子量為880、708、600、410、299的殼聚糖黏度分別降低了65.5%、60%、50%、49.4%和48.2%。這是因為分子量比較大的殼聚糖分子中含有較多的氨基基團，帶電比較多，容易受離子強度的影響。

在相同分子量不同脫乙酰度的殼聚糖溶液中加入不同濃度的氯化鈉后，如圖8所示，當離子強度升高至 0.68mol/L時，脫乙酰度為 60.5%、65.4%、70.8%、77.3%和86.1%的殼聚糖黏度分別降低了43.9%、47.1%、47.6%、47.6%和49.8%，這主要是因為脫乙酰度升高，殼聚糖分子帶電增多，溶液的黏度受離子強度的影響變大。

在相同濃度不同pH的殼聚糖溶液中加入不同濃度的氯化鈉后，如圖9所示，隨著離子強度的增加，pH3.9、4.4、4.9、5.4的殼聚糖溶液的黏度一直在降低，當離子強度升高至0.68mol/L時，黏度分別降低了60.7%、35.8%、25.5%和10.9%，這主要是因為隨著pH的升高，殼聚糖分子帶電越來越少，因此受離子強度的影響越來越弱。而pH5.9的殼聚糖溶液隨著離子強度的增加，黏度越來越大，這可能是殼聚糖分子間較強的氫鍵作用的結(jié)果。

2.7 存放時間對殼聚糖流變性質(zhì)的影響

將濃度1%、不同pH的殼聚糖溶液在25℃下放置一段時間，測定溶液的黏度的變化情況。如圖10所示，所有的殼聚糖溶液黏度隨著放置時間的延長呈降低趨勢，pH3.9的殼聚糖溶液變化最快，15d后降到原來的51.8%，而其他pH的殼聚糖溶液降低比較緩慢，這主要是因為殼聚糖分子在酸性溶液中會緩慢降解，分子量降低，溶液的粘度也降低。因此殼聚糖可以作為增稠劑添加到弱酸性食品體系中。

圖10 時間對不同pH殼聚糖溶液流變性質(zhì)的影響

3 結(jié)論

殼聚糖的結(jié)構(gòu)對其流變學性質(zhì)有重要影響，殼聚糖溶液的表觀黏度隨分子量的增大而增大；隨著脫乙酰度的增大，殼聚糖的黏度先減小而后增大，脫乙酰度70%的殼聚糖黏度最小；隨著pH的增大，殼聚糖溶液的表觀粘度先減小而后增大；離子強度的增大導致高脫乙酰度和高分子量的殼聚糖溶液的粘度急劇降低。殼聚糖溶液是剪切變稀的假塑性流體，其表觀粘度隨質(zhì)量分數(shù)的增加逐漸增加；溫度對殼聚糖溶液的表觀粘度的影響符合Arrhenius模型，活化能為32.60kJ/mol；殼聚糖可以作為增稠劑添加到酸性食品體系中，當選擇殼聚糖作為增稠劑時，應該選用分子量比較大、脫乙酰度比較高的殼聚糖。殼聚糖可以作為良好的增稠劑添加到酸性低鹽食品體系中。

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Study on rheological properties and application of chitosan solution

LI Xing-ke1，2，JIANG Qi-xing1，2，XIA Wen-shui1，2，*
（1.State Key Laboratory of Food Science and Technology，Wuxi 214122，China；2.School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Rheological properties and application of chitosan solutions，in which the effects of internal factors（molecular weight and degree of deacetylation）and external factors（concentration，shear rate，temperature，pH and ionic strength）on viscosities of chitosan solution were studied.Results showed that viscosity increased with the increase of molecular weight and initially decreased and then increased with the increase of degree of deacetylation and pH，reached the minimum at 70.8%within the range 60.5%to 86.1%and at pH 4.9 between 3.9 and 5.9 respectively.Viscosities of chitosan solution decreased with the increase of ionic strength excessively. Furthermore，chitosan solution exhibited shear thinning behavior following the power law model.Viscosity increased with the increase of concentration，and decreased with the increase of temperature.The decrease in viscosity（within 0～80℃）followed an Arrhenius temperature dependence，and the activation energy was 32.60kJ/mol.As food thickener，it is suitable to choose chitosan with higher molecular weight and higher degree of deacetylation and add into the acidic food systems containing low salt.

chitosan solution；viscosity；rheological property；application

TS201.7

A

1002-0306（2011）02-0065-05

2010-11-19 *通訊聯(lián)系人

李星科（1981-），男，博士研究生，研究方向：食品化學及大分子結(jié)構(gòu)與功能。

國家863計劃項目（2007AA100401）；食品科學與技術(shù)國家重點實驗室目標導向項目（SKLF-MB-200805）；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目（BA2009082）。