Гуаровая камедь , также называемая гуаран , представляет собой галактоманнановый полисахарид , экстрагированный из гуаровых бобов , который обладает загущающими и стабилизирующими свойствами, полезными в пищевых продуктах, кормах и промышленном применении. [1] Семена гуара механически очищают от шелухи, гидратируют, измельчают и просеивают в соответствии с применением. [2] Обычно его производят в виде сыпучего не совсем белого порошка.
Гуаровые бобы в основном выращивают в Индии , Пакистане , США , Австралии и Африке . Индия является крупнейшим производителем, на долю которого приходится почти 80% мирового производства. [3] В Индии Раджастхан , Гуджарат и Харьяна являются основными регионами-производителями. За последние 5 лет в США было произведено от 4600 до 14 000 тонн гуара. [4] [ когда? ] Площадь Техаса с 1999 года колебалась от 7 000 до 50 000 акров. [5] Мировое производство гуаровой камеди и ее производных составляет около 1,0 миллиона тонн. На непищевую гуаровую камедь приходится около 40% общего спроса. [6]
С химической точки зрения гуаровая камедь представляет собой экзополисахарид, состоящий из сахаров галактозы и маннозы . [7] Основная цепь представляет собой линейную цепь из β 1,4-связанных остатков маннозы, к которой остатки галактозы 1,6-связаны на каждой второй маннозе, образуя короткие боковые ответвления. Гуаровая камедь способна выдерживать температуру 80 °C (176 °F) в течение пяти минут. [8]
Гуаровая камедь более растворима, чем камедь рожкового дерева, из-за дополнительных точек разветвления галактозы . В отличие от камеди рожкового дерева, она не саможелируется. [9] Бура или кальций могут сшивать гуаровую камедь , вызывая ее гелеобразование . В воде он неионогенен и гидроколлоиден . На него не влияют ионная сила или pH , но он будет разлагаться при экстремальных значениях pH и температуре (например, pH 3 при 50 °C). [9] Он остается стабильным в растворе в диапазоне pH 5–7. Сильные кислоты вызывают гидролиз и потерю вязкости, а щелочи в сильной концентрации также имеют тенденцию снижать вязкость. Он нерастворим в большинстве углеводородных растворителей. Достигаемая вязкость зависит от времени, температуры, концентрации, pH, скорости перемешивания и размера частиц используемой порошкообразной резинки. Чем ниже температура, тем ниже скорость увеличения вязкости и тем ниже конечная вязкость. Выше 80° конечная вязкость немного снижается. Более мелкие порошки гуаровой смолы набухают быстрее, чем грубая порошкообразная камедь с более крупными частицами. [ нужна ссылка ] [10]
Гуаровая камедь демонстрирует четкое плато с низким сдвиговым усилием на кривой течения и сильно разжижается при сдвиге. Реология гуаровой камеди типична для неупорядоченного клубкового полимера. Он не показывает очень высокую вязкость при низком [ необходимо разъяснение ] плато сдвига, наблюдаемую для более жестких полимерных цепей, таких как ксантановая камедь. Он очень тиксотропен при концентрации выше 1%, но при концентрации ниже 0,3% тиксотропия незначительна. Гуаровая камедь демонстрирует синергию вязкости с ксантановой камедью . [ необходимы разъяснения ] Смеси гуаровой камеди и мицеллярного казеина могут быть слегка тиксотропными, если образуется двухфазная система. [9] [11]
Гуаровая камедь используется в качестве загустителя в пищевых продуктах и лекарствах для людей и животных. Поскольку он не содержит глютена, его используют в качестве добавки для замены пшеничной муки в выпечке. [12] :41 Было показано, что он снижает уровень холестерина в сыворотке и уровень глюкозы в крови. [13]
Гуаровая камедь также экономична, поскольку ее способность загущать воду почти в восемь раз выше, чем у других веществ (например, кукурузного крахмала ), и для достижения достаточной вязкости требуется лишь небольшое ее количество . [ необходимо разъяснение ] [14] Поскольку требуется меньше, затраты сокращаются.
Помимо влияния гуаровой камеди на вязкость, ее высокая способность течь или деформироваться придает ей благоприятные реологические [ необходимо уточнение ] свойства. Он образует хрупкие [ необходимы разъяснения ] гели при сшивании бором [ нужна ссылка ] . Он используется в различных многофазных составах для гидроразрыва пласта, в некоторых в качестве эмульгатора, поскольку он помогает предотвратить слипание капель нефти, [ нужна ссылка ] , а в других в качестве стабилизатора , помогающего предотвратить осаждение и/или разделение твердых частиц [ цитата]. нужный ] .
Фрекинг представляет собой закачку жидкостей, содержащих песок, в пласт нефти или природного газа при высоком давлении и скорости потока. Это растрескивает породу-коллектор, а затем открывает трещины. Вода сама по себе слишком разжижена, чтобы эффективно переносить песок с проппантом , поэтому гуаровая камедь является одним из ингредиентов, добавляемых для сгущения суспензионной смеси и улучшения ее способности переносить проппант. Есть несколько важных свойств: 1. Тиксотропность : жидкость должна быть тиксотропной, то есть она должна загустевать в течение нескольких часов. 2. Гелеобразование и дегелирование: желаемая вязкость меняется в течение нескольких часов. Когда суспензия гидроразрыва смешивается, она должна быть достаточно жидкой, чтобы ее было легче перекачивать. Затем, стекая по трубе, жидкость должна образовать гель, чтобы поддержать проппант и промыть его глубоко в трещины. После этого процесса гель должен разрушиться, чтобы можно было извлечь жидкость гидроразрыва, но оставить проппант. Для этого требуется химический процесс, который производит, а затем разрушает сшивку геля с предсказуемой скоростью. Гуар+бор+запатентованные химикаты могут достичь обеих этих целей одновременно. [ нужна цитата ]
Гуаровая камедь замедляет рост кристаллов льда, замедляя массоперенос через границу твердого тела и жидкости. Он показывает хорошую стабильность во время циклов замораживания-оттаивания. Таким образом, его используют в мороженом без яиц. Гуаровая камедь оказывает синергетический эффект с камедью рожкового дерева и альгинатом натрия . Может быть синергичен с ксантаном : вместе с ксантановой камедью получается более густой продукт (0,5% гуаровой камеди / 0,35% ксантановой камеди), который используется в таких продуктах, как супы, которые не требуют четких результатов. [15]
Гуаровая камедь представляет собой гидроколлоид, поэтому ее можно использовать для приготовления густых паст без образования геля, а также для удержания связанной воды в соусе или эмульсии. Гуаровую камедь можно использовать для загущения холодных и горячих жидкостей, для приготовления горячих гелей, легких пен и в качестве стабилизатора эмульсии. Гуаровую камедь можно использовать для творога, творога, йогурта, соусов, супов и замороженных десертов. Гуаровая камедь также является хорошим источником клетчатки: 80% растворимых пищевых волокон в пересчете на сухой вес. [9]
Гуаровую камедь анализируют на
Стандарты порошка гуаровой камеди:
В зависимости от требований конечного продукта используются различные методы обработки. Коммерческое производство гуаровой камеди обычно использует обжиг, дифференциальное истирание, просеивание и полировку. Пищевая гуаровая камедь производится поэтапно. В этом процессе важен выбор разделения гуара. Сплит просеивают для очистки, а затем замачивают для предварительного гидратирования в двухконусном смесителе. Стадия предварительной гидратации очень важна, поскольку она определяет скорость гидратации конечного продукта. Пропитанная щепка, имеющая достаточно высокое содержание влаги, пропускается через измельчитель. Чешуйчатый гуаровый сплит измельчают, а затем сушат. Порошок просеивают через вращающиеся сита для получения частиц необходимого размера. Частицы слишком крупного размера либо перерабатываются в основную ультрамелкую фракцию, либо повторно измельчаются на отдельной установке доизмельчения в зависимости от требований к вязкости. [ нужна цитата ]
Этот этап помогает снизить нагрузку на шлифовальный станок. Намокшие шпагаты трудно измельчить. Их прямое измельчение приводит к выделению большего количества тепла в кофемолке, что нежелательно в процессе, поскольку снижает гидратацию продукта. В процессе нагрева, измельчения и полировки шелуха отделяется от половинок эндосперма и получается очищенная фракция гуара. В ходе дальнейшего процесса измельчения очищенный гуар затем обрабатывается и превращается в порошок. В результате раздельного производственного процесса получают шелуху и зародыши, называемые «гуаровой мукой», которые широко продаются на международном рынке в качестве корма для скота. Он богат белком, содержит масло и альбуминоиды, около 50% в зародышах и около 25% в шелухе. Качество порошка пищевой гуаровой камеди определяется размером его частиц, скоростью гидратации и содержанием микробов. [ нужна цитата ]
Производители определяют различные сорта и качество гуаровой камеди по размеру частиц, вязкости, создаваемой при заданной концентрации, и скорости, с которой эта вязкость развивается. Гуаровые камеди с крупной сеткой обычно, но не всегда, развивают вязкость медленнее. Они могут достичь достаточно высокой вязкости, но для достижения этого потребуется больше времени. С другой стороны, они будут рассеиваться лучше, чем мелкоячеистые, при прочих равных условиях. Более мелкая сетка, например 200 , требует больше усилий для растворения. [ нужна цитация ] Модифицированные формы гуаровой камеди доступны коммерчески, включая модифицированную ферментами, катионную и гидропропильную гуаровую смолу. [16]
Жидкости для гидроразрыва обычно состоят из множества добавок, которые служат двум основным целям: во-первых, для улучшения образования трещин и способности удерживать проппант, а во-вторых, для минимизации повреждения пласта. Загустители, такие как полимеры и сшивающие агенты, стабилизаторы температуры, агенты для контроля pH и материалы для контроля водоотдачи, входят в число добавок, которые способствуют созданию трещин. Повреждение пласта сводится к минимуму за счет включения разжижителей, биоцидов и поверхностно-активных веществ. Более подходящими гелеобразователями являются линейные полисахариды, такие как гуаровая камедь, целлюлоза и их производные.
Гуаровые камеди предпочтительны в качестве загустителей для повышения нефтеотдачи пластов (EOR). Гуаровая камедь и ее производные составляют большую часть загущенных жидкостей гидроразрыва. Гуар более водорастворим, чем другие камеди, а также является лучшим эмульгатором, поскольку имеет больше точек разветвления галактозы. Гуаровая камедь обладает высокой вязкостью при низком сдвиге, но сильно разжижается при сдвиге. Будучи неионогенным, на него не влияют ионная сила или pH, но он разлагается при низком pH и умеренной температуре (pH 3 при 50 °C). Производные гуара демонстрируют стабильность в условиях высоких температур и pH. Использование гуара позволяет добиться исключительно высоких вязкостей, что улучшает способность жидкости разрыва транспортировать проппант. Гуар довольно быстро гидратируется в холодной воде, образуя высоковязкие псевдопластические растворы, обычно обладающие более высокой вязкостью при низком сдвиге, чем другие гидроколлоиды. Коллоидные твердые вещества, присутствующие в гуаре, повышают эффективность жидкостей, образуя меньше осадка на фильтре. Проводимость проппантной набивки поддерживается за счет использования жидкости, которая обеспечивает превосходный контроль водоотдачи, например, коллоидных твердых веществ, присутствующих в гуаровой смоле.
Гуар имеет в восемь раз большую загущающую способность, чем крахмал. Дериватизация гуаровой камеди приводит к незначительным изменениям свойств, таким как уменьшение водородных связей, повышение растворимости в водно-спиртовой смеси и улучшение совместимости с электролитами. Эти изменения в свойствах приводят к более широкому использованию в различных областях, таких как печать на текстиле, взрывчатые вещества и гидроразрыв нефти.
Молекулы гуара имеют тенденцию агрегировать в процессе гидроразрыва, главным образом за счет межмолекулярных водородных связей. Эти агрегаты вредны для нефтедобычи, поскольку закупоривают трещины, ограничивая приток нефти. Сшивка цепей гуарового полимера предотвращает агрегацию за счет образования металлогидроксильных комплексов. Первые сшитые гуаровые гели были разработаны в конце 60-х годов. Для сшивки использовались несколько металлических добавок, среди них хром, алюминий, сурьма, цирконий и наиболее часто используемый бор. Бор в форме B(OH)4 реагирует с гидроксильными группами полимера в двухстадийном процессе, связывая две цепи полимера вместе с образованием комплексов бис-диола.
Комплекс диола 1:1 1,2 и комплекс диола 1:1 1,3 помещают отрицательно заряженный ион бората на полимерную цепь в качестве боковой группы. Сама борная кислота, по-видимому, не образует комплекс с полимером, поэтому весь связанный бор имеет отрицательный заряд. Первичная форма сшивки может быть обусловлена ионной ассоциацией между анионным боратным комплексом и адсорбированными катионами на второй полимерной цепи. Разработка сшитых гелей стала крупным достижением в технологии жидкостей для гидроразрыва. Вязкость повышается за счет связывания вместе нитей с низкой молекулярной массой, что позволяет эффективно получить нити с более высокой молекулярной массой и жесткую структуру. Сшивающие агенты добавляются в суспензии линейных полисахаридов для обеспечения более высоких характеристик транспортировки проппанта по сравнению с линейными гелями.
Более низкие концентрации гуаровых гелеобразователей необходимы, когда линейные гуаровые цепи сшиты. Установлено, что пониженные концентрации гуара обеспечивают лучшее и более полное разрушение трещины. Разрушение сшитого гуарового геля после процесса гидроразрыва восстанавливает проницаемость пласта и позволяет увеличить объем добычи нефтепродуктов.
Крупнейшим рынком гуаровой камеди является пищевая промышленность . В США установлены разные процентные значения его допустимой концентрации в различных пищевых продуктах. [18] [19] В Европе гуаровая камедь имеет код пищевой добавки ЕС E412. Ксантановая камедь и гуаровая камедь являются наиболее часто используемыми камедями в безглютеновых рецептах и продуктах без глютена.
Приложения включают в себя:
Гуаровая камедь, будучи водорастворимым волокном , действует как слабительное , образующее объем . Несколько исследований показали, что он снижает уровень холестерина . Считается, что это снижение является функцией высокого содержания растворимой клетчатки. [23]
Более того, его низкая усвояемость позволяет использовать его в рецептах в качестве наполнителя, который может помочь обеспечить сытость или замедлить переваривание еды, тем самым снижая гликемический индекс этой еды. В конце 1980-х годов гуаровая камедь использовалась и активно рекламировалась в нескольких препаратах для похудения. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США в конечном итоге отозвало их из-за сообщений о закупорке пищевода из-за недостаточного потребления жидкости после того, как один только бренд стал причиной госпитализации как минимум 10 пользователей и смерти. [24] По этой причине гуаровая камедь больше не одобрена для использования в безрецептурных препаратах для снижения веса в США, хотя это ограничение не распространяется на добавки. Более того, метаанализ показал, что добавки гуаровой камеди не эффективны в снижении массы тела. [25]
Соединения на основе гуара, такие как гидроксипропилгуар , используются в искусственных слезах для лечения сухости глаз . [26]
Некоторые исследования выявили аллергическую чувствительность к гуаровой камедь у некоторых людей, работающих в промышленной среде, где присутствовали концентрации этого вещества в воздухе. У лиц, пострадавших от вдыхания переносимых по воздуху частиц, частыми побочными реакциями были профессиональный ринит и астма. [27]
В июле 2007 года Европейская комиссия выпустила предупреждение о вреде для здоровья для своих государств-членов после того, как высокие уровни диоксинов были обнаружены в гуаровой камеди, которая в небольших количествах использовалась в качестве загустителя в мясных, молочных, десертных и деликатесных продуктах. Источником была гуаровая камедь из Индии, загрязненная пентахлорфенолом (ПХФ), пестицидом, который больше не используется. [28] ПХФ содержит диоксины, которые повреждают иммунную систему человека. [29]