瓜爾膠

瓜爾膠

摘要：瓜爾膠及其衍生物是新型的天然高分子化合物，應用前景廣闊，綜述了瓜爾膠及其衍

生物的國內外應用研究進展，詳細介紹了瓜爾膠及其衍生物在醫藥工業、日用化學品工業、

食品工業、石油鉆探工業等方面的應用，強調了其特殊性能的優勢和應用潛力，闡明了我國

研究開發瓜爾膠及其衍生物的意義。

關鍵詞：瓜爾膠;半乳甘露聚糖;改性;親水膠體

瓜爾膠又稱瓜爾豆膠、胍膠，是目前國際上較為廉價而廣泛應用的食用膠體之一。瓜爾

膠是從瓜兒樹種子中分離出來的一種可食用的多糖類化合物。瓜爾膠為天然高分子親水膠

體，主要由半乳糖和甘露糖聚合而成，屬于天然半乳甘露聚糖，是一種來源穩定、價格相對

便宜、黏度高、用途廣的食品膠體，也是一種常見的食品品質改良劑。自1993年瓜爾膠進

入中國市場以來，由于其優良的特性和較低廉的價格，已逐漸地成為中國食品工業中用量最

大的食品膠之一。近年來，通過化學改性使得瓜爾膠的分散性、黏度、水化速率和溶液透明

度等特性大大提高，瓜爾膠的應用價值得到進一步提升。

1 瓜爾膠的結構和性質

1.1 瓜爾膠的結構組成

瓜爾膠主鏈由(1-4)-β-D-甘露糖為單元聯接而成，側鏈由單個α-D-半乳糖組成并以

(1-6)鍵與主鏈相接，如圖1所示。瓜爾膠因來源不同分子量約為100～200萬，甘露糖與半

乳糖之比約為1．5～2：1[1]。從支鏈的半乳糖來看，有四個羥基均可以參與酯化或醚化反

應，考慮到空間的位阻效應，羥甲基中的伯羥基反應活性最強，此外甘露糖的羥基也有一定

的反應活性。這種特性與那些無分支、不溶于水的葡甘露聚糖有明顯的不同。

圖1 瓜爾膠的結構

1.2 瓜爾膠的制法

先將瓜爾膠豆磨碎，經篩分、吹風處理。除去皮和胚芽得到胚乳，再將胚乳用含極性有

機溶劑的堿性水溶液在70～90℃溫度下處理，然后過篩除去外殼，加水進行水洗除堿。再

加酸性極性有機溶劑中和、過濾，并在減壓下于60～80℃溫度下下燥，最后，磨碎、過篩，

收集粒度小于1.41mm的粉粒為產品。產率以瓜爾豆中所含半乳甘露聚糖約90％。瓜爾膠的

組成一般含75%～85%的多糖，8%～14%的水份，5%～6%的粗蛋白質，2%～3%的粗纖維及0.5%～

1%的灰分。根據其產地和加工方式的不同,其成份略有差別,按粒度和黏度可分為不同的等

級。

1.3 瓜爾膠的物化性質

3

瓜爾膠為白色至淺黃色可自由流動的粉末，易吸潮。瓜爾膠密度為1.492g/cm，能完全

溶于冷水和熱水，但不溶于油、油脂、汀、酮和酯。其水溶液無味、無臭、無毒，呈中性。

由于溶液中含有少量的纖維和纖維素，因此呈淡灰色半透明狀。瓜爾膠在水溶液中表現出典

型的纏繞生物聚合物的性質，一般而言，0.5%以上的瓜爾膠溶液已呈非牛頓流體的假塑性流

體特性，沒有屈服應力。瓜爾膠在冷水中就能充分水化（一般需要2h），能分散在熱水或

冷水中形成粘稠液，1%水溶液的黏度在5～6Pa.s之間，具體黏度取決于粒度、制備條件及

溫度，為天然膠中黏度最高者。分散于冷水中約2h后呈現較強黏度，以后黏度繼續逐漸增

大，24h達到最高點，粘稠力為淀粉糊的5～8倍，若再加熱則迅速達到最高黏度。瓜爾膠

溶液在pH值4.0～10.5范圍內是穩定的，在pH值8時水合作用最快。瓜爾膠水溶液的熱穩

定性較差，短時間內加熱到40℃，很快就能獲得最高黏度，但是冷卻后能恢復到原來的數

值，另外長時間的高溫處理將導致瓜爾膠降解而使黏度降低，在80～95℃加熱一段時間，

主鏈糖苷鍵斷裂，就會喪失黏度，同時溶液喪失了熱可逆性，黏度不能恢復。

瓜爾膠作為一種天然高分子化合物，瓜爾膠易被酶和細菌分解而不能長期儲存，常見的

酶是半乳糖酶和甘露糖酶。抑制酶和細菌的方法是在溶液中加入NaS、NaSO和NaN等。研

233

究了瓜爾膠在酸性條件下的穩定性，在50℃時，pH=3的條件下基本不水解，低于3時將會

有不同程度的水解，而在室溫25℃時，即使pH=1.0時也基本不水解，說明瓜爾膠具有較強

的耐酸堿性。但是硫酸或三氟乙酸等強酸則可以使其完全水解為單糖，可利用此性質測定瓜

爾膠及其衍生物中兩種單糖的比例。

瓜爾膠是一種溶脹高聚物，水是它的通用溶劑，不過也能以有限的溶解度溶解于與水混

溶的溶劑中，如乙醇溶液中。此外由于瓜爾膠的無機鹽類兼容性能，其水溶液能夠對大多數

++-

一價鹽離子（Na、K、Cl等）表現出較強的耐受性，如食鹽的濃度可高達60%；但高價金屬

離子的存在可使溶解度下降。

瓜爾膠分子主鏈上每個糖殘基都有兩個順式羥基，在控制溶液pH值的條件下，瓜爾膠

將會通過極性鍵和配位鍵與交聯劑進行交聯，如硼酸鹽、金屬離子等反應，可生成稍帶彈性

的水凝膠，此外還能形成一定強度的水溶性薄膜。瓜爾膠分子鏈上的羥基可與某些親水膠體

及淀粉形成氫鍵，所以與小麥淀粉共煮可達更高的黏度[2]。瓜爾膠能與某些線型多糖，如

黃原膠、瓊脂糖和κ-型卡拉膠相互作用而形成復合體，瓜爾膠與黃原膠有一定程度的協同

作用，但與卡拉膠則無協同效應，這種相互作用比之槐豆膠則相對較弱。在低離子強度下，

與陰離子聚合物和陰離子表面活性劑配合后有增強黏度的協同作用。這些陰離子化合物被吸

附在中性聚合物上，并因此而擴大了瓜爾膠的分子，這是在所吸附的帶陰離子的功能基團之

間發生相互排斥的結果。如加入電解質，引入相反的離子則中和了陰離子電荷，因此破壞了

協同作用。

2 瓜爾膠的改性

盡管瓜爾膠具有很好的水溶性和增稠性，但是原粉瓜爾膠往往具有下述缺點：不能快速

溶脹和水合，溶解速度慢；水不溶物含量高；黏度不易控制；易被微生物分解而不能長期保

存。這些缺點使瓜爾膠的應用受到很大限制，因此需要改變其理化特性，使其可廣泛應用。

改性主要分為5類：

2.1 瓜爾膠的醚化

醚化瓜爾膠是瓜爾膠中的羥基與活性物質作用生成瓜爾膠取代基醚。強堿條件下醚鍵不

易水解而提高了穩定性。由于醚化基團不同，改性后的水不溶物、勃度、耐剪性及耐溫性等

性能也不盡相同，常見的醚化瓜爾膠有羧甲基瓜爾膠、羥丙基瓜爾膠和羥氨基酸醚等。瓜爾

膠與叔銨或季銨鹽發生醚化反應可以使瓜爾膠帶有一定的電荷密度，制得陽離子瓜爾膠。作

為造紙助劑時，更容易與帶負電的纖維和填料發生作用而增強紙張的強度。

2.2 瓜爾膠的酯化

酯化瓜爾膠是瓜爾膠中的羥基被無機酸或有機酸酯化而得的產品[3]。常見的有硫酸酯、

磷酸酯、醋酸酯、鄰苯二甲酸酯、苯甲酸酯和磺酸酯。有研究者在NaOH存在的條件下，用

瓜爾膠與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸反應合成了一種高效增稠劑。

2.3 瓜爾膠的氧化

瓜爾膠與過氧化物等氧化劑作用所得的產品為氧化瓜爾膠。主要是將C氧化成醛基及

1

C-C之間發生斷裂，被氧化成羥基、羧基和雙醛瓜爾膠等，但也有發生在C位上的氧化作

236

用[4]。如等利用半乳糖酶(GO-a)將半乳糖側鏈上的C6羥基氧化成醛基，再用鹵素

(I/KI)作氧化劑，通過化學氧化方法進一步將醛基氧化成羧基，制得了帶有羧基的氧化瓜

2

爾膠。經氧化改性的瓜爾膠具有良好的相容性、流動性，較強的存儲能力和吸濕能力，在印

染工藝中具有極大的應用價值。因為它在染料定色后有很好的可洗性，同時不會與染料或其

它化學藥品發生化合反應，可用作印染糊料中的增稠劑。

2.4 瓜爾膠的接枝改性

經過引發，瓜爾膠可與乙烯基類單體進行接枝共聚反應，形成接枝共聚物[5]。采用這

種改性方法，通過選擇不同的接枝單體、控制適當的接枝效率、接枝率和支鏈平均分子量，

可以制得各種具有獨特性能的產品。接枝共聚物既有多糖化合物的分子間的作用力與反應

性，又有合成高分子的機械性、與生物作用的穩定性和線形鏈展開能力，在實際應用中具有

優異的性能。

2.5 瓜爾膠的酶法改性

這種方法所用的酶是有高度選擇性的甘露糖酶和半乳糖酶。甘露糖酶只剪切主鏈，而不

對支鏈發生作用，半乳糖酶只剪切支鏈。通過酶作用可達到改變兩種單糖的比例的目的。利

用酶對瓜爾膠進行改性的好處是：可以根據要求，為實驗或生產尤其是各種藥物控制釋放體

系量身定做具有不同精細結構的瓜爾膠，這具有非常重要的應用價值。

3 瓜爾膠的應用

因能提高食品黏度或與食品形成凝膠，瓜爾膠可用作食品添加劑，使食品獲得所需的形

狀和硬軟、粘稠等各種口感；利用酶提高了M/G 值的瓜爾膠可望取代槐豆膠等M/G值較高

的天然多糖膠；可用于片劑的生產配方、醫用膠體配方中。瓜爾膠能選擇性地降低血漿低密

度脂蛋白膽固醇，而高密度脂蛋白膽固醇不變，甚至升高。將瓜爾膠和黃原膠混合作為片劑

的粘合劑時，其制片粘合力強，且片劑不會過于堅硬；還用做許多藥物的載體 ,用酶控制瓜

爾膠的擴散系數，可達到對藥物的控制釋放；較之無機絮凝劑，由瓜爾膠及其衍生物制成的

絮凝劑效率要高得多；因能有效增稠硝酸鹽溶液，瓜爾膠及其衍生物已成為塑膠炸藥的基本

成分。總之，由于其獨特的性能，瓜爾膠及其衍生物目前已作為增稠劑、穩定劑、起泡劑、

絮凝劑等而廣泛用于食品、醫藥、化妝品等領域中，是除纖維素之外，用量最大的天然高分

子。

3.1 在藥物控制釋放領域的應用

瓜爾膠是半乳甘露聚糖類天然高分子，它只被結腸部位細菌降解，是靶向結腸釋藥載體

的重要候選材，但其高的水溶性和膨脹性導致藥物胃內釋放，使應用受到限制。通過自由基

聚合，用pH敏感的高分子材料聚丙烯酸與瓜爾膠制成GC/PPA半互穿網絡水凝膠，借助聚丙

烯酸的pH敏感性保護藥物通過胃部，抵達結腸時瓜爾膠降解，為釋藥提供通道。結果表明

調整GC/PPA用量以及pH可改變水凝膠的溶脹性能，有望通過調整配方提高體系作為藥物載

體時靶向結腸的穩定性[6]。

瓜爾膠交聯氧化后，與其它生物材料結合可以確保藥物封裝的效率和控釋度。瓜爾膠通常和

戊二醛交聯，包埋效率較高，可以阻止藻酸鹽在pH較高的腸道內發生的快速分解，確保包

埋藥物的準確控釋。瓜爾膠在和戊二醛交聯后結合藻酸鹽形成瓜爾膠/藻酸鹽凝膠，凍干樣

品的溶脹速率在模擬胃腸環境下（～8.5）最適合藥物釋放，凝膠中蛋白藥物釋放在pH1.2

時最小約20%，pH在7.4時達到90%，用于蛋白類藥物的控釋效果明顯。

3.2 食品工業

瓜爾膠是現代食品行業應用最廣泛的食品輔料之一。它可以用在方便食品、調味品、飲

料、冰淇淋和飼料等多種食品中，具有增稠、保水、穩定及粘結懸浮的作用，是食品加工行

業廣泛應用的增稠劑、穩定劑和懸浮劑。使食品獲得所需的形狀和硬、軟、黏稠等各種口感。

如美國的Chem．Gen．公司生產用于飼料添加劑的甘露聚糖酶、日本已經有以瓜爾膠研制的

功能食品。瓜爾膠也用

于有些鰻魚飼料中，起增稠作用。瓜爾膠使用簡單，不需要單獨的溶解設備，沒有分子量剪

切問題，且無毒無害，抄造高檔卷煙紙尤為適合，在食品包裝紙上也有很大的意義。

3.3 化妝品工業

陽離子瓜爾膠在日用化學品工業中的應用已有三十年的歷史了。除了對頭發具有柔軟抗

靜電性外，它在濕發梳理方面表現出杰出的功效。此外，高分子量的二甲基硅油在全球范圍

內已被廣泛地應用于二合一陽離子瓜爾膠和高分子量硅油的配合使用，更為頭發提供了健康

和光亮的色澤，使濕梳和干梳更容易，及對頭發的管理更容易。羅地亞公司開發的透明調理

劑-Jaguar Excel能很好地與高分子量的二甲基硅油配伍達到很好的調理功能。於勤等研究

表明，含有陽離子纖維素、陽離子瓜爾膠、二甲基硅氧烷乳液的香波對燙一次頭發有明顯的

修護作用。非離子瓜爾膠一羥丙基瓜爾膠具有特殊的潤滑性、耐鹽性好、水和能力強、水溶

液穩定性好，被廣泛應用于牙膏工業。周寶華、周孝崇研究表明，利用羥丙基瓜爾膠與CMC

復配與同檔次的黏合劑相比使膏體更穩定細膩，對膏體的性能改進十分有益，且有明顯的價

格優勢。

瓜爾豆由于其本身豐富的營養成分、天然環保、無毒無害，越來越受日用化學品行業的

重視。

3.4 石油鉆探工業

瓜爾膠是一種純天然植物膠，具有較強的增黏作用。羥丙基瓜爾膠是由瓜爾膠粉經過化

學改性后得到的，具有許多優點，水不溶物及殘渣較瓜爾原粉有大幅降低。其水溶液在控制

pH值的條件下，可以和硼、鈦、鋯等形成凝膠，這種凝膠在平坦的表面上能夠流動。其中

硼和瓜爾膠所形成的凝膠對剪切是可逆的，即在切割或破裂后，凝膠體可恢復至原來的狀態，

而過渡金屬與瓜爾膠所形成的凝膠則是非可逆的。這種性質被廣泛用于油田水基壓裂液基混

漿添加劑，能有效地降低對底層的污染，且抗高溫性好，穩定性強，對支撐裂縫導流能力傷

害低。王棟、王俊英等研究了有機硼鋯交聯劑CZB-03交聯羥丙基瓜爾膠壓裂液的應用性能，

研究表明在pH值9～11、交聯比100：0.3～100：0.4、溫度5～40℃的條件下，交聯時間2～

4min可調。此壓裂液耐溫性好，在170s-l下剪切同時升溫到160℃，2h后黏度基本不變。

對支撐裂縫導流能力傷害低，平均傷害率為17.4％。羥丙基瓜爾膠還可以與一些合成的高

聚物如聚丙烯酰胺混合使用，可顯著提高聚合物體系的黏度，增強聚合物凍膠對酸堿的適應

能力，改善聚合物凍膠的耐高溫老化性和破膠性。在鉆探行業中，植物膠是新型復合無黏土

沖洗液的主要添加劑，其在鉆井液中的主要作用是保持體系有適當的黏度和切力。瓜爾膠為

可種植再生的工業植物膠，較好地解決了野生植物膠資源短缺供不應求的矛盾。對瓜爾膠進

行交聯和復合改性處理，使膠粒變得更為致密，更能增加沖洗液的應用性能。邱存家、陳禮

儀研究了瓜爾膠改性形成的無黏土沖洗液并在金沙江溪洛渡水電站壩基工程地質勘察工程

區進行了現場應用實驗。研究表明：復合配方為瓜爾膠2.0%、交聯控制劑1.0%、交聯劑1.0%

的無黏土沖洗液應用效果最好。另外，以瓜爾膠改性形成的無黏土沖洗液色淺不染色，對巖

礦芯無污染，且能夠在一定時間內自動破膠降解，對鉆孔抽壓水試驗和水文地質觀察工作十

分有利。

4 結語

瓜爾膠是當前各種植物膠中性價比最高的一種商品膠。盡管其開發應用歷史已逾半個世

紀，其優良特性引起了世界各國業內人士的極大興趣從不同領域對其進行不斷深入的研究。

隨著環境友好產業的興起和綠色環保標準的實行，天然瓜爾膠的工業化開發方興未艾。基礎

研究領域主要是在水成溶液中的溶解和降解及加工純化技術的更新，復配性能的改善將有利

于瓜爾膠應用范圍的延伸，尤其是在食品行業的使用。改性研究在國內外的進展日新月異，

經過工業化開發的瓜爾膠其商業價值和使用價值得到了最大的體現，尤其是最近興起的生物

制藥行業有著很大的開發潛力，需要解決的是利用智能材料控制藥物提前釋放的問題，利用

瓜爾膠聚合網絡系統進行改性研究將是今后發展的一個主題方向。

參考文獻

[1] Oliveira NM, Dourado FQ, Peres AM, of guar gum on the physicochemical,

thermal, rheological and textural properties of green edam chee[J]. Food Bioprocess

Technol,2011,4(8):1414-1421.

[2]Tang Hongbo,Sun Min,Li ation and properties of partially hydrolyzed

cross-linked guar gum[J].Polym. Bull. 2013, 70:3331-3346.

[3] D’Melo D, Sabnis A, Shenoy MA, Kathalewar M. Preparation of acetylated guar

gum:unsaturated polyester composites and effect of water on their properties[J]. Curr Chem

Lett ,2012,1:147-156.

[4]Gong H, Liu M, Zhang B, Cui D, Gao C, Ni B, Chen J. Synthesis of oxidized guar gum by dry

method and its application in reactive dye printing[J]. Int J Biol Macromol ,201149(5):1083-1091.

[5] Arti Srivastava,Vivek Mishra,Pooja ative study of thermal degradation behavior

of graft copolymers of polysaccharides and vinyl monomers[J].Therm Anal Calorim ,2012,

107:211-223.

[6] Manjanna KM, Pramod Kumar TM, Shivakumar l polysaccharide hydrogels as novel

excipients for modified drug delivery systems: a review. Int J Chem Tech Res ,2010,2(1):509-525.