可得然胶凝胶高温稳定性的改进

张永刚，王 伟，张艳敏，韩鸿宇，董学前

(山东省食品发酵工业研究设计院，山东 济南 250013)

可得然胶(Curdlan)是由微生物产生的一种新型的胞外多糖，是由单一的D-葡萄糖在C1和C3位置以β-1，3-糖苷键连接而成的无分支的均一多糖聚合物，由于其具有在加热条件下形成凝胶的独特性质，又被称作热凝胶[1-3]。可得然胶属于β-1，3-葡聚糖家族中较为特殊的一种，其分子结构如图1所示[4]。

可得然胶作为一种新型的微生物多糖，在食品、石油、医药、农业等领域具有良好的应用前景。目前，可得然胶在食品工业的应用范围不断扩大，已普遍用于肉类、面食类、鱼糜类和素食加工业[1，5-7]。此外，作为高纯度的β-1，3-葡聚糖，近年来可得然胶的生物活性逐渐成为研究与应用的热点[8-9]。可得然胶水悬液在高温(80 ℃以上)条件下能够形成热不可逆凝胶，该凝胶具有良好的耐温、耐酸碱、耐盐性能，可满足油田对耐高温调堵材料的需要[10]。由于多年来油田开采的不断进行和深入，地层温度不断升高(最高达到150 ℃以上)、油层非均质性不断提高、采出液含水率居高不下(最高到达98%以上)、采油效率不断下降，需要采取调堵、调驱、注驱等各种措施，以达到提高驱替液波及面积、降低采出液含水率、提高采油效率的目的。其中，调堵是比较常用的措施，其主要是通过调堵剂的作用封堵油层中的大孔道高渗透区，降低油层非均质性，迫使驱替液向低渗透含油区及未动用油层油迁移，从而提高驱替效率[11-13]。研究[10，14-15]表明，可得然胶作为油田采油的调堵剂，其高温凝胶特性、耐酸碱盐特性突出，但其高温长期稳定性与应用需求尚有差距。基于此，作者在前期研究可得然胶应用特性的基础上，进行提高可得然胶凝胶高温稳定性的研究，以期能够促进可得然胶应用领域的拓展及其产业的健康发展。

图1 可得然胶分子结构Fig.1 Molecular structure of Curdlan

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

可得然胶(Curdlan)，自制，凝胶强度(2%，W/V)为1 020 g·cm-2；韦兰胶(Welan gum，WG)，自制，1%(W/V)水溶液黏度为3 300 mPa·s；小核菌多糖(scleroglucan，SG)，自制，1%(W/V)水溶液黏度为758 mPa·s。

四硼酸钠(PS)、亚硫酸钠(Na2SO3)，均为市售分析纯。

1500g CT-3型质构仪、DV2T型旋转黏度计，美国Brookfield公司；IKA T18 digital型高剪切乳化器，艾卡(广州)仪器设备有限公司；GZX-9030MBE型电热恒温箱，上海博迅实业有限公司。

1.2 方法

1.2.1 可得然胶凝胶强度的测定

准确称取一定质量的可得然胶样品，按样品2%(W/V，下同)加入一定体积的蒸馏水，混合均匀，于3 500 r·min-1剪切乳化5 min，真空脱气5 min，再次混合均匀，密封；在一定温度下保温凝胶，按GB 28304-2012《食品安全国家标准 食品添加剂 可得然胶》测定其凝胶强度。

1.2.2 凝胶保水剂及促进剂对可得然胶凝胶高温稳定性的影响

准确称取一定质量的可得然胶样品，按样品2%加入一定体积的蒸馏水，再分别加入不同量的凝胶保水剂(WG或SG)与促进剂(PS)，混合均匀，于3 500 r·min-1剪切乳化5 min，真空脱气5 min，再次混合均匀，密封；在100 ℃下保温凝胶，于不同保温时间取出凝胶，按GB 28304-2012《食品安全国家标准 食品添加剂 可得然胶》测定其凝胶强度，并测定凝胶脱水体积，按式(1)计算凝胶脱水率。根据凝胶强度和凝胶脱水率综合比较凝胶高温稳定性。

(1)

1.2.3 凝胶保水剂与促进剂添加量的正交实验优化

为获得在高温状态下具有高稳定性(凝胶强度高、凝胶强度降低少、凝胶脱水率低)的可得然胶凝胶，基于单因素实验结果，以WG添加量(A)、SG添加量(B)、PS添加量(C)为考察因素，以凝胶高温状态维持5 d后凝胶强度保留率(按式2计算)和凝胶脱水率为考察指标，进行三因素三水平的L9(34)正交实验(表1)，优化可得然胶凝胶高温稳定性良好的保水剂与促进剂添加量。

(2)

表1L9(34)正交实验的因素与水平/%

Tab.1 Factors and levels ofL9(34) orthogonal experiments/%

水平因素A.WG添加量B.SG添加量C.PS添加量10.100.151.5020.150.202.0030.200.252.50

1.2.4 抗氧化剂对优化后可得然胶凝胶高温稳定性的影响

采用优化的保水剂与促进剂添加量，添加不同量(0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，W/V)的抗氧化剂Na2SO3，100 ℃下维持10 d，比较5 d和10 d体系凝胶强度、凝胶强度保留率及凝胶脱水率。

2 结果与讨论

2.1 可得然胶凝胶的高温稳定性

分别测定了可得然胶凝胶(2%含量)在不同温度(80 ℃、100 ℃、120 ℃)的凝胶强度与凝胶脱水率，结果见图2。

图2 不同温度条件下可得然胶凝胶的稳定性Fig.2 Stability of Curdlan gel at different temperatures

由图2可知，随着温度的升高，可得然胶凝胶强度显著提高，这符合可得然胶凝胶的特性[14，16]；但是，随着温度的升高，单纯可得然胶凝胶稳定性显著降低，100 ℃保温5 d后，凝胶强度降低达80%、凝胶脱水率降低达46%；120 ℃保温7 d后，凝胶强度降低达90%以上、凝胶脱水率降低达60%，已完全失去凝胶稳定应用特性。因此，需要提高可得然胶凝胶在高温下的长期稳定性，以利于应用推广。

2.2 保水剂WG对可得然胶凝胶高温稳定性的影响

根据可得然胶的凝胶机理，凝胶随着温度的升高其胶束分子螺旋之间的距离随之缩短，凝胶强度上升，延长保温时间可能导致胶束分子螺旋之间的距离进一步缩短，凝胶结合水脱出[17]。基于以上推测，选择高温稳定性良好、持水效果突出的WG作为凝胶保水剂。不同保温时间下，WG添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响见图3。

由图3可知，WG添加量低于0.25%时，对可得然胶凝胶高温凝胶强度没有显著影响；随着WG添加量的增加，可得然胶凝胶高温状态下的凝胶脱水率显著降低；凝胶强度随保温时间的延长显著降低，即WG对可得然胶凝胶高温状态下的持水性具有显著促进作用，而对凝胶强度的急剧降低无显著抑制作用。

2.3 保水剂SG对可得然胶凝胶高温稳定性的影响

为了进一步提高可得然胶凝胶的高温稳定性，选择与可得然胶分子主链一致的SG(同为β-1，3-葡聚糖，但含有β-1，6-葡萄糖基侧链且分子量显著高于可得然胶[18])作为凝胶保水剂。不同保温时间下，SG添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响见图4。

图3 WG添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响Fig.3 Effect of WG addition on high temperature stability of Curdlan gel

由图4可知，SG能够改善可得然胶凝胶高温持水性，但效果低于WG(保温5 d后凝胶脱水率提高10%～20%左右)；SG能够促进可得然胶凝胶高温状态下凝胶强度的稳定性，SG添加量低于0.25%时，其高温状态凝胶强度比添加WG提高10%左右。表明SG具有提高可得然胶凝胶高温状态凝胶强度和凝胶持水性的双重特性。

2.4 促进剂PS对可得然胶凝胶高温稳定性的影响

研究表明，PS在水溶液里能够形成大量的氢键使其能够显著提高可得然胶的凝胶强度。因此，以PS作为可得然胶凝胶高温状态凝胶强度促进剂进行实验，结果见图5。

图4 SG添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响Fig.4 Effect of SG addition on high temperature stability of Curdlan gel

图5 PS添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响Fig.5 Effect of PS addition on high temperature stability of Curdlan gel

由图5可知，PS能够显著提高可得然胶凝胶的凝胶强度，高达3倍以上，但是随着保温时间的延长凝胶强度降低极显著(其强度仍显著高于不添加PS时)，凝胶脱水率显著高于WG和SG。因此，PS的主要作用是提高可得然胶凝胶的凝胶强度。

2.5 正交实验结果与分析(表2、表3、表4)

由表2可知，综合考虑凝胶强度保留率和凝胶脱水率，最优组合为A2B1C2，即WG、SG和PS的添加量分别为0.15%、0.15%和2.00%。由极差与方差分析(表3、表4)可知，通过复合体系内物质间的综合作用，WG对可得然胶凝胶高温稳定性的影响最大，SG影响不显著，PS则只对凝胶强度具有显著影响，这与单因素实验结果相符。

表2正交实验结果与分析

Tab.2 Results and analysis of orthogonal experiments

表3正交实验的凝胶强度保留率方差分析

Tab.3 Variance analysis of gel strength retention rate by orthogonal experiments

表4正交实验的凝胶脱水率方差分析

Tab.4 Variance analysis of gel dehydration rate by orthogonal experiments

2.6 抗氧化剂对优化后可得然胶凝胶高温稳定性的影响

为进一步提高可得然胶凝胶高温稳定性，考察不同保温时间下Na2SO3添加量对凝胶高温稳定性的影响，结果见图6。

图6 Na2SO3添加量对可得然胶凝胶高温稳定性的影响Fig.6 Effect of Na2SO3 addition on high temperature stability of Curdlan gel

由图6可知，Na2SO3添加量在0～0.3%范围内时，可得然胶凝胶在保温10 d内能够保持较高稳定性，而随后继续增加添加量，稳定性降低。因此，选择Na2SO3添加量为0.3%。在Na2SO3添加量0.3%、100 ℃保温10 d时，凝胶强度(3 199.2±60.4) g·cm-2、凝胶强度保留率(98.0±1.8)%、凝胶脱水率(80±0.8)%。

2.7 改进后可得然胶凝胶高温稳定性(图7)

图7 改进后可得然胶凝胶高温稳定性Fig.7 High temperature stability of improved Curldan gel

由图7可知，在添加凝胶保水剂WG和SG、凝胶促进剂PS、抗氧化剂Na2SO3后，可得然胶凝胶可在100 ℃高温下完全稳定10 d，而后凝胶强度开始缓慢降低、凝胶逐渐脱水。在保温60 d时，凝胶强度为2 550 g·cm-2、凝胶强度保留率为75.2%、凝胶脱水率仅为13.7%，无论是凝胶强度还是凝胶脱水率都能够满足油田三次采油对冻胶类调堵剂高温应用稳定性的要求。

3 结论

基于可得然胶凝胶高温稳定性差不利于其在高温状态长期应用的弱点，通过单因素实验和正交实验，研究凝胶保水剂、促进剂及抗氧化剂对可得然胶凝胶高温稳定性的影响。结果表明，添加适量的韦兰胶(0.15%)、小核菌多糖(0.15%)、四硼酸钠(2.00%)及Na2SO3(0.3%)可显著提高可得然胶凝胶高温稳定性，在100 ℃下保温60 d基本稳定(凝胶强度保留率达到75%以上，凝胶脱水率低于15%)，达到了提高可得然胶凝胶高温状态长期稳定应用的预期目标，对于可得然胶在非食品领域如油田三次采油等的广泛应用开发具有非常高的价值。