1．目的及意义
瓜尔胶(guarugm)是从产于印度、巴基斯坦等地的瓜尔豆(Cyamopsistetragomolobus)种子的胚乳中提取得到的,属半乳甘露聚糖,是目前己知的水溶性最好的天然高分子化合物之一。由于其独特的分子结构及物理化学特性, 使它成为一种很有潜力的新型环保助剂。瓜尔胶的首要特点是其生长于高温、干旱的环境中, 因此不耐水, 在冷水中就可以水化、溶解,这与淀粉系列助剂的使用需要糊化相比是一个很大的优势。
瓜尔胶是一种天然的半乳甘露聚糖,其结构与角豆胶相似,是以(l-4)-β-D甘露糖为主链骨架,侧链则是由单个α-D-毗喃半乳糖组成,并以(1-6)键与主链相连。每隔一个甘露糖就有一个半乳糖支链,两者比例大约是2:1,其分子量大约为22万。从支链的半乳糖来看,有四个羟基均可以参与酯化或醚化反应,考虑到空间的位阻效应,羟甲基中的伯羟基反应活性最强,此外甘露糖的羟基也有一定的反应活性。瓜尔胶能够分散在热水或冷水中,形成高粘度的液体,1%的水溶液的粘度约为4000-6000cp,为目前发现的天然胶中粘度最高者。普通的瓜尔胶水溶液在pH为6-8时,粘度最高,pH在10以上,则迅速降低。然而天然的瓜尔胶在粘度保持力,透明度,抗菌性等方面,存在一定的缺陷。例如由Kvaita Taunk绘制的瓜尔胶TGA和DTA曲线可知,瓜尔胶的热稳定性较差,在85℃-95℃加热一段时间,就会丧失粘度。因此需要对瓜尔胶进行改性,形成新的衍生物,便可广泛应用。
近年来,随着各国对环境污染问题的日益关注和重视,人们逐渐把注意力集中到了无毒、环境友好、价格便宜并且可以再生的天然高分子上面。瓜尔胶即是其中的一种。独特的结构特征和性能决定了瓜尔胶易于被化学改性,从而可以制备各种功能材料,这使得对它的研究,在美国、英国、印度等国都是热门课题。国外对于瓜尔胶的研究已有阳离子型、阴离子型、非离子型、阳非离子型、两性型和两性离子型等改性合成报道。然而,我国对瓜尔胶的研究进行得相对较少,报道不多。
因能提高食品粘度或与食品形成凝胶,瓜尔胶可用作食品添加剂,使食品获得所需的形状和硬、软、粘稠等各种口感；利用酶提高了M/G值的瓜尔胶可望取代槐豆胶等M/G值较高的天然多糖胶；羧甲基瓜尔胶可用作纺织工业中的纺纱胶水、纺织物上浆和印染的高级原料；由羟丙基瓜尔胶制成的压裂液具有低伤害性,可减少压裂液残渣对地层及导流裂缝的伤害,与硼交联后将具有更高的粘度和良好的携砂性；在医药中,瓜尔胶可用做一些药物的载体。用酶控制瓜尔胶的扩散系数,可达到对药物的控制释放；较之无机絮凝剂,用瓜尔胶及其衍生物制成的絮凝剂效率要高得多；由于能有效增稠硝酸溶液,瓜尔胶及其衍生物己成为了塑胶炸药的基本成分。总之,由于其独特的性能,瓜尔胶及其衍生物目前已作为增稠剂、稳定剂、起泡剂、絮凝剂等而广泛应用于食品、纺织、医药、石油、造纸、炸药等领域,是除纤维素之外,用量最大的天然高分子。
瓜尔胶虽是目前己知的水溶性最好的天然高分子化合物之一,但却有溶解速度慢,水不溶物含量高,粘度不易控制等缺点, 这些缺点使瓜尔胶的应用受到很大限制,需要进行化学改性。
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2. 研究的基本内容与方案

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在传统的瓜尔胶改性实验过程中，降低水不溶物含量与保持粘度之间存在着矛盾，因此考虑新的化学改性方法。

乙二醇自身带有羟基，与瓜尔胶改性可以减少其水不溶物含量，增加亲水性，同时乙二醇的支链复杂程度可以改变，因此改性后能够增大产物黏度。

所以可以设计乙二醇改性瓜尔胶，并对反应物的加量和反应条件进行优化试验。

可考虑的因素有碱的加量、水的加量、反应温度及反应时间等，但由于有多因素多水平存在，需要完成的实验次数太多，因此考虑先采用正交实验设计，再进行实验优化。

国内研究表明影响瓜尔胶改性产品性能的关键因素是碱的加量，碱的加量越大,水不溶物含量越低,但相应地改性瓜尔胶粘度受到的影响也越大,为得到较低的水不溶物含量和较高的粘度，碱的加量应为主要设计因素，反应温度和反应时间也是控制产品质量的重要因素。

考虑以上三种因素进行实验优化：
NaOH的加量（g）取12个水平，分别为0.2、0.26、0.32、0.38、0.44、0.50、0.56、0.62、0.68、0.74、0.80、0.86；
反应温度（℃）取9个水平，分别为35、40、45、50、55、60、65、70、75；
反应时间（h）取8个水平，分别为3、4、5、6、7、8、9、10。

在以上三种因素的基础上分别研究TsCl单取代的三缩四乙二醇改性瓜尔胶、TsCl双取代的三缩四乙二醇改性瓜尔胶以及其他分子量的乙二醇改性瓜尔胶。

3. 参考文献
[1] Aiqin Dong, Jie Xie, Wenmin Wang .A novel method for amino starch preparation and its adsorption for Cu(II) andCr(VI) [J]. Journal of Hazardous Materials. 2010, 181(1-3): 448.
[2] S Kachbi-Khelfallah, M Monteil,M Cortes-Clerget.Towards potential nanoparticle contrast agents: Synthesis of new functionalized PEG bisphosphonates [J]. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2001,12(1):1366-1371.
[3] AM Wawro, T Muraoka, K Kinbara. Chromatography-free synthesis of monodisperse oligo(ethylene glycol) mono-p-toluenesulfonates and quantitative analysis of oligomer purity[J].Polymer Chemistry》 ,2016,7(13):2389-2394.
[4] 王承学.黄桂华.羟丙基瓜尔胶的合成与表征[J].精细石油化工，2008，25(3):59-62.
[5] 杨振周.影响羟丙基瓜尔胶HPG性能的因素[J].钻井液与完井液，2002，19（3）：24-26.
[6] M Yueh. MIXED DERIVATIVES OF POLYGALACTOMANNANS AND PROCESS OF PREPARING SAME[P]. US,1973.
[7] 于宏伟，施继成，金子林. 聚乙二醇对甲苯磺酸酯的制备[J]化学试剂，2010，32（7）：634-636.
[8] 熊成东，王亚辉，袁明龙，邓先模.聚乙二醇衍生物的合成研究进展.中国科学院成都有机化学研究所,2000.
[9] 刘庆俭，石明理，邹志琛，刘琛，郑立立.一缩二乙二醇双(对甲苯磺酸酯)的合成及其IR、NMR((_^1)H, (_^13)C)、MS波谱表征[J]化学试剂，1995,17（1,），19-21.
[10] 朱昌玲,薛华茂,孙达峰,张卫明,史劲松,顾龚平. 改性瓜尔胶的研究进展. 南京野生植物研究院,江苏南京，2005.
[11] 王军利，陈夫山，刘忠. 瓜尔胶及改性瓜尔胶的性质及应用. 天津科技大学，天津，2003.
[12] 李然.耐高温硅烷化瓜尔胶与醚化瓜尔胶压裂液体系研发及评价.西南石油大学，2017.
[13] 胡益，罗儒显. 瓜尔胶改性方法研究进展. 五邑大学化学与环境工程系,江门,2004.
[14] 胡信洋.两性瓜尔胶制备工艺优化及应用研究.青岛科技大学，2011.
[15] 蔡自兴，江中央，王勇，罗一丹. 一种新的基于正交实验设计的约束优化进化算法. 中南大学信息科学与工程学院，长沙，2010.