1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.研究背景

微生物多糖是对微生物有保护作用的高聚物，它是由细菌、真菌、蓝藻等微生物在生长代谢的过程中，在不同的外部条件下代谢产生的一种多糖物质。微生物多糖安全无毒,有独特的理化性质，生产周期短，受地理环境、气候、自然灾害等因素的影响较小，产量及质量都很稳定^[1]。

韦兰胶是美国的Kelco公司上世纪80年代继黄原胶、结冷胶之后开发的最具市场前景的微生物代谢多糖^[2]。粘度是微生物多糖的一个重要性质。大量实验结果表明，胶体溶液的粘度越大，凝胶性也越好。粘度是考察微生物多糖应用性能的一个重要指标^[3]。

微生物多糖主要作为增稠剂应用于各行各业，现有增稠剂主要是瓜尔胶及其衍生物，来源不稳定，价格贵，如何研制出稳定的价格低廉性能优良的增稠剂成为了研究的热点和难点^[4]。韦兰胶作为美国Kelco公司研制出的新一代微生物胞外多糖，由于韦兰胶的剪切稀化作用及其优良的流变性能，它主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、成膜剂和黏合剂应用于工农业的各个方面。特别是在食品、混凝土、石油、油墨等工业中有广泛的应用前景。在食品工业方面，韦兰胶在烘焙制品、乳制品、果汁、牛奶饮料、糖衣、糖霜、果酱、肉制品和各种甜点的加工中可以增加食品口感与风味，作为替代物存在，具有很大潜力^[5] 。在石油工业中，韦兰胶可用于调配钻井泥浆和驱油剂，在保持水基钻井液度的基础上，控制其流变性能，大大提高采油效率^[6]。韦兰胶也可应用于水泥和混凝土中，它能够增强泥浆的保水性。在医药领域，韦兰胶可以应用于药片的缓释控制，在一定的生理学条件下，胶体和胃酸形成水合物，在药片表面形成一层粘性物质，用来释放药物的有效成分^[7]。

2.韦兰胶简介

2.1韦兰胶的结构

韦兰胶是产碱杆菌Alcaligenes sp.(ATCC31 555)的代谢多糖，过去的编号为S-130。韦兰胶的结构与结冷胶类似，它的结构骨架由 D-葡萄糖、D-葡糖醛酸 、D-葡萄糖和 L-鼠李糖的单元组成。侧链由单链的L-甘露糖或单链的 L-鼠李糖构成,连接鼠李糖的几率占2／3，此外约有半数的四糖片断上带有乙酰基及甘油基团。韦兰胶有2.8～7.5%乙酰基，11.6～14.9%葡萄糖醛酸^[8]。其结构与瓜尔胶、黄原胶相近，经常和黄原胶相比较来探究其特性。

2.2 韦兰胶的特性与其他微生物胞外多糖的比较

2.2.1 热可逆性

韦兰胶水溶液对热稳定，在25～100 ℃范围内韦兰胶溶液的表观黏度的变化很微小，基本不受温度的影响，在121℃下灭菌15min其黏度不会下降。韦兰胶比黄原胶的耐温极限值高近30℃，韦兰胶水溶液对酸碱稳定，pH2～12范围内黏度基本不受影响，对盐的稳定性高，与大多数盐都有配伍性^[9]。

2.2.2稳定性

它能溶在冷水中，在水溶液中呈现出稳定的结构，形成高黏度溶液。即使是极低浓度韦兰胶溶液也具有很好的热稳定性，在低温条件下，韦兰胶相比黄原胶更稳定^[3]。

2.2.3增稠性

低浓度的多糖水溶液即可获得高的粘度，25℃时l％的韦兰胶水溶液粘度可达3300cp，用此胶作为添加剂可赋予加工品假塑流体的特征而易于泵送和灌注，便于高固体物质的混合搅拌^[10]。但韦兰胶同瓜尔胶相比，其粘度特性仍旧存在劣势，在25℃条件下1%的韦兰胶水溶液粘度为3300cp，但是瓜尔胶在同样条件下可达到3500～6000cp，存在明显的优势^[11]。

表一 韦兰胶和瓜尔胶的对比

2.2.4 剪切稀释性能

具有假塑性流体能力（剪切稀化作用），即当施加一定的剪切力时，黏度迅速下降，一旦失去剪切力黏度仍能恢复。这一点在石油钻井中发挥突出的作用^[12]。同其他微生物胞外多糖相比较，韦兰胶作为驱油剂和压裂液有其自身优势。

2.2.5 悬浮性和乳化性

具有假塑性流体能力（剪切稀化作用），静止状态下有良好的悬浮能力。韦兰胶水溶液具有假塑性流体特征（搅稀作用）静止状态下有良好的悬浮功能，且性质稳定。在工业生产中可作为优良的悬浮稳定剂，由于韦兰胶溶液的增稠性可降低油相与水相的不相容性，从而达到乳化的效果^[2]。　

2.2.6兼容性

韦兰胶可同黄原胶，瓜尔胶进行配比，得到不同浓度的复配胶。韦兰胶同黄原胶的配比浓度在20/80的混胶黏度波动较小，放置时间、pH、温度、NaCl浓度都对混胶黏度产生一定的影响^[3]。

3.现有韦兰胶存在的问题

3.1生产问题

韦兰胶在国内的生产问题，目前韦兰胶在国内的研究还停留在实验室阶段，无法形成工业化生产。主要是因为用于发酵的菌种对原料的要求较高且产率太低，导致发酵液中的韦兰胶浓度较低，另外发酵液中的副产物太多。这些因素进一步造成提取的成本居高不下，且国内韦兰胶成品质量较差^[2]。

3.2特性差异

韦兰胶在同其他微生物胞外多糖的性能测定过程中，在物质浓度增大的情况下，韦兰胶保持弹性大于粘性的性质。即使韦兰胶拥有着良好的稳定性，然而韦兰胶存在着在水中完全溶解所需时间较长(＞2h)，粘度较低，交联效果不佳，增稠能力差，无法快速溶胀和水合，水中不溶物含量高的问题，影响了它的实际应用。因此就需要对韦兰胶结构进行优化改性，降低其溶解时间、提高其粘度以及增稠性。但韦兰胶的制作原料易于获得且价格低廉，在市场上还是具有很高的前景，针对以上问题，韦兰胶的研究仍需不断向前迈进。

4.处理方法

4.1产量的提高

韦兰胶的生产包括发酵和提取两部分。提高韦兰胶的产量在发酵上可以选育新的菌种，目前最可行的方法是通过诱变育种来培育新的菌种。另外，随着基因工程技术的成熟，利用基因工程来培育新的菌种也是个一个方向；在提取问题上可采用新的提取技术，目前微生物多糖的提取普遍采用的是醇沉而后过滤的方法，但是醇的耗用大，醇的回收利用要消耗大量的热能，成本高。可对韦兰胶溶液进行预处理，沉淀之前用热压蒸发的方法对发酵液进行浓缩，可大大降低沉淀费用^[13]。

4.2 水溶性的提高

4.2.1羧基化

羧基作为亲水基团，在物质的化学结构上引入，在一定条件下，可以提高物质的水溶性，因此可以选择亲水性羧基作为韦兰胶改性的基团，增强韦兰胶的水溶性，提高其水溶速度，缩短溶解时间。根据南京工业大学所得出的羧乙基韦兰胶的制备方法，可以看出羧基化后的韦兰胶在水溶速度方面的确拥有自身优势。其具体方法是在搅拌条件下将韦兰胶溶解于水中，再将11-溴十一烷酸与催化剂制成的水溶液滴加到上述韦兰胶水溶液中，于常压，50～80℃、搅拌条件下反应1～6h，收集反应液，倒入无水乙醇中，使得改性韦兰胶析出，洗涤，烘干，粉碎。催化剂可为氢氧化钠、氢氧化钾、醋酸钾或碳酸钾等^[14]。经过羧基化改性的韦兰胶拥有良好的水溶性，溶解速度变快，提高了其作为增稠剂的能力，可以说羧基化改性是我们研究韦兰胶的一个良好的方向，具有良好的前景。

4.2.2羟基化

在韦兰胶结构上引入亲水性的羟基，可以提高韦兰胶的水溶性，缩短溶解时间。瓜尔胶具有较好的水溶性,但是它的溶解速度慢,水不溶物的含量高。羟乙基的瓜尔胶(HEG)是通过瓜尔胶与环氧乙烷醚化反应得到的一种瓜尔胶衍生物，它具有比瓜尔胶更好的亲水性、更少的水不溶物等^[15]。瓜尔胶和韦兰胶具有相似的结构，韦兰胶也可利用此方法，加入羟基化基团，增加其水溶性。

4.3 粘性的提高

4.3.1加入长链基团

疏水性的长链脂肪酸可以增加微生物胞外多糖的粘性，通过同时加入亲水性的羧基基团和疏水性的长链基团，可以不仅仅增加韦兰胶的水溶性，并能使其在疏水性长链基团的作用下增加其粘性，通过调节长链脂肪酸、催化剂氢氧化钠的浓度，在最优条件下，对韦兰胶达到粘度提高的目的^[16]。

4.3.2与丙烯酰胺类化合物接枝改性

通过对红外光谱进行分析，发现接枝改性成功。以溶解时间、粘度、固含量和交联性能等性能作为标准，确定了改性的最佳条件。改性产物水溶性有所提高（溶解时间＜0.5h），但改性产物粘度大幅下降，几乎与纯水相当。韦兰胶的马来酸酐及丙烯酰胺综合改性重复性较差，而且产物水溶性极差^[16]。

4.4交联性的提高

S-130微生物胞外多糖具有结构类似性，韦兰胶可参照类似微生物胞外多糖进行研究。瓜尔胶交联改性就是通过控制pH值，使瓜尔胶及其衍生物的水溶液与硼、钛、钴等离子形成凝胶。其中硼与瓜尔胶形成的凝胶对剪切力是可逆的，即在切割或破裂后，凝胶体可恢复到原来状态，而过渡金属与瓜尔胶形成的凝胶是非可逆的。交联后的瓜尔胶产品具有更好的耐盐性以及高温下的稳定性，使其在高温油井中得到了广泛应用^[17]。韦兰胶也可通过加入催化剂氢氧化钠、氢氧化钾、醋酸钾或碳酸钾等，通过调节pH改善自身交联性。韦兰胶的水溶液可通过硼砂进行处理，提高其交联性^[18]。但现在针对韦兰胶改性问题，粘度的提高和交联度还存在一定的问题，现有研究方法仍需不断改进。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题将针对韦兰胶的羧基化改性进行制备和分析条件进行优化，从不同的方面来考察不同条件下和不同方法下所制作的羧基化后的韦兰胶的差别与好坏；对其各个特性进行测定，同未改性的韦兰胶在水溶性、粘度、酸碱性、稳定性等方面进行比较。

课题计划

1.查阅有关羧基化韦兰胶制备资料。利用中国期刊网，维普数据库，超星图书馆，web of science等相关途径进行检索，初步了解羧基化韦兰胶的制作的方法及步骤。