دراسة السلوك الريولوجي لنظام مركب الكونجاك جلوكومانان والهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز

تم أخذ النظام المركب من konjac glucomannan (KGM) وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC) ككائن بحثي، وتم إجراء اختبارات قص الحالة المستقرة والتردد ودرجة الحرارة على النظام المركب بواسطة مقياس الجريان الدوراني. تم تحليل تأثير جزء كتلة المحلول ونسبة المركب على اللزوجة والخصائص الريولوجية لنظام مركب KGM/HPMC. أظهرت النتائج أن النظام المركب KGM/HPMC هو مائع غير نيوتوني، وأن الزيادة في جزء الكتلة ومحتوى KGM للنظام تقلل من سيولة المحلول المركب وتزيد من اللزوجة. في حالة سول، تشكل السلاسل الجزيئية KGM وHPMC بنية أكثر إحكاما من خلال التفاعلات الكارهة للماء. تساعد زيادة نسبة كتلة النظام ومحتوى KGM على الحفاظ على استقرار الهيكل. في نظام الكسور ذات الكتلة المنخفضة، تكون زيادة محتوى KGM مفيدة لتكوين المواد الهلامية الحرارية؛ بينما في نظام الكسر عالي الكتلة، فإن زيادة محتوى HPMC يفضي إلى تكوين المواد الهلامية الحرارية.

الكلمات الرئيسية:كونجاك جلوكومانان. هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز. مُجَمَّع؛ السلوك الريولوجي

تستخدم السكريات الطبيعية على نطاق واسع في صناعة المواد الغذائية بسبب خصائصها السميكة والاستحلابية والتبلورية. Konjac glucomannan (KGM) هو عديد السكاريد النباتي الطبيعي، ويتكون منβ-د- الجلوكوز وβ-د-مانوز بنسبة 1.6:1، ويرتبط الاثنان ببعضهماβ-1,4 روابط جليكوسيدية، في C- توجد كمية صغيرة من الأسيتيل في الموضع 6 (حوالي 1 أسيتيل لكل 17 وحدة بنائية). ومع ذلك، فإن اللزوجة العالية وضعف سيولة المحلول المائي KGM تحد من تطبيقه في الإنتاج. هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (HPMC) هو إيثر بروبيلين غليكول من ميثيل السليلوز، الذي ينتمي إلى إيثر السليلوز غير الأيوني. HPMC عبارة عن مادة مكونة للفيلم وقابلة للذوبان في الماء ومتجددة. يتمتع HPMC بلزوجة منخفضة وقوة هلامية في درجات حرارة منخفضة، وأداء معالجة ضعيف نسبيًا، ولكن يمكن أن يشكل هلامًا صلبًا لزجًا نسبيًا في درجات حرارة عالية، لذلك يجب تنفيذ العديد من عمليات الإنتاج في درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك طاقة الإنتاج. تكاليف الإنتاج مرتفعة. تُظهر الأدبيات أن وحدة المانوز غير المستبدلة في السلسلة الجزيئية KGM يمكن أن تشكل منطقة ارتباط مسعور ضعيفة الارتباط مع المجموعة الكارهة للماء في السلسلة الجزيئية HPMC من خلال التفاعل الكاره للماء. يمكن لهذا الهيكل تأخير ومنع التبلور الحراري لـ HPMC جزئيًا وخفض درجة حرارة هلام HPMC. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لخصائص اللزوجة المنخفضة لـ HPMC في درجات حرارة منخفضة نسبيًا، فمن المتوقع أن يؤدي تركيبها مع KGM إلى تحسين خصائص اللزوجة العالية لـ KGM وتحسين أداء المعالجة. لذلك، ستقوم هذه الورقة ببناء نظام مركب KGM/HPMC لاستكشاف تأثير جزء كتلة المحلول ونسبة المركب على الخواص الريولوجية لنظام KGM/HPMC، وتوفير مرجع نظري لتطبيق نظام مركب KGM/HPMC في صناعة المواد الغذائية.

1. المواد والأساليب

1.1 المواد والكواشف

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز، شركة كيما الكيميائية المحدودة، نسبة الكتلة 2%، اللزوجة 6 مللي باسكال·ق؛ جزء كتلة ميثوكسي 28% ~ 30%؛ جزء كتلة الهيدروكسي بروبيل 7.0%~12%.

كونجاك جلوكومانان، ووهان جونسون كونجاك للأغذية المحدودة، 1٪ بالوزن من لزوجة المحلول المائي≥28000 ميجا باسكال·s.

1.2 الأدوات والمعدات

مقياس الضغط الدوراني MCR92، شركة Anton Paar Co., Ltd.، النمسا؛ آلة المياه فائقة النقاء UPT-II-10T، شركة Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.؛ ميزان تحليلي إلكتروني AB-50، شركة Mette السويسرية؛ حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة LHS-150HC، شركة Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.؛ المحراك الكهربائي JJ-1، مصنع جينتان للأدوات الطبية، مقاطعة جيانغسو.

1.3 تحضير المحلول المركب

قم بوزن مساحيق HPMC وKGM مع نسبة تركيب معينة (نسبة الكتلة: 0:10، 3:7، 5:5، 7:3، 10:0)، قم بإضافتها ببطء إلى الماء منزوع الأيونات في 60 درجة مئوية.°حمام مائي C، ويقلب لمدة 1.5 ~ 2 ساعة لجعله مشتتًا بالتساوي، ويعد 5 أنواع من حلول التدرج مع إجمالي كسور الكتلة الصلبة 0.50%، 0.75%، 1.00%، 1.25%، و1.50%، على التوالي.

1.4 اختبار الخواص الريولوجية للمحلول المركب

اختبار القص في الحالة المستقرة: تم قياس المنحنى الريولوجي لمحلول مركب KGM/HPMC باستخدام مخروط ولوحة CP50، وتم تثبيت الفجوة بين الصفائح العلوية والسفلية عند 0.1 مم، وكانت درجة حرارة القياس 25 درجة.°C، وكان نطاق معدل القص من 0.1 إلى 100 ثانية-1.

مسح السلالة (تحديد المنطقة اللزجية المرنة الخطية): استخدم لوحة PP50 لقياس المنطقة اللزجية المرنة الخطية وقانون تغيير المعامل لمحلول مركب KGM/HPMC، واضبط التباعد على 1.000 مم، والتردد الثابت إلى 1 هرتز، ودرجة حرارة القياس إلى 25°ج. نطاق السلالة هو 0.1%~100%.

اكتساح التردد: استخدم لوحة PP50 لقياس تغير المعامل والاعتماد على التردد للمحلول المركب KGM/HPMC. تم ضبط التباعد على 1.000 مم، والإجهاد 1٪، ودرجة حرارة القياس 25°C، ومدى التردد هو 0.1-100 هرتز.

مسح درجة الحرارة: تم قياس المعامل واعتماده على درجة حرارة المحلول المركب KGM/HPMC باستخدام لوحة PP50، وتم ضبط التباعد على 1.000 مم، وكان التردد الثابت 1 هرتز، وكان التشوه 1٪، وكانت درجة الحرارة من 25 إلى 90°C.

2. النتائج والتحليل

2.1 تحليل منحنى التدفق للنظام المركب KGM/HPMC

منحنيات اللزوجة مقابل معدل القص لحلول KGM/HPMC بنسب مركبة مختلفة عند كسور كتلة مختلفة. تسمى السوائل التي تكون لزوجتها دالة خطية لمعدل القص بالسوائل النيوتونية، وإلا فإنها تسمى بالسوائل غير النيوتونية. يمكن أن نرى من المنحنى أن لزوجة محلول KGM ومحلول مركب KGM/HPMC تتناقص مع زيادة معدل القص؛ كلما ارتفع محتوى KGM، ارتفع جزء كتلة النظام، وأصبحت ظاهرة ترقق القص في المحلول أكثر وضوحًا. يوضح هذا أن النظام المركب KGM وKGM/HPMC عبارة عن سوائل غير نيوتونية، ويتم تحديد نوع السائل للنظام المركب KGM/HPMC بشكل أساسي بواسطة KGM.

من مؤشر التدفق ومعامل اللزوجة لحلول KGM/HPMC مع كسور كتلة مختلفة ونسب مركبة مختلفة، يمكن ملاحظة أن قيم n للأنظمة المركبة KGM وHPMC وKGM/HPMC كلها أقل من 1، مما يشير إلى أن الحلول جميع السوائل الكاذبة. بالنسبة للنظام المركب KGM/HPMC، فإن زيادة الجزء الكتلي للنظام ستتسبب في التشابك والتفاعلات الأخرى بين السلاسل الجزيئية HPMC وKGM في المحلول، مما سيقلل من حركة السلاسل الجزيئية، وبالتالي تقليل قيمة n لـ النظام. في الوقت نفسه، مع زيادة محتوى KGM، يتم تعزيز التفاعل بين السلاسل الجزيئية KGM في نظام KGM/HPMC، مما يقلل من حركته ويؤدي إلى انخفاض قيمة n. على العكس من ذلك، فإن قيمة K للمحلول المركب KGM/HPMC تزداد بشكل مستمر مع زيادة جزء كتلة المحلول ومحتوى KGM، والذي يرجع بشكل أساسي إلى زيادة جزء كتلة النظام ومحتوى KGM، وكلاهما يزيد محتوى المجموعات المحبة للماء في النظام. ، مما يزيد من التفاعل الجزيئي داخل السلسلة الجزيئية وبين السلاسل، وبالتالي زيادة نصف القطر الهيدروديناميكي للجزيء، مما يجعله أقل عرضة للتوجيه تحت تأثير قوة القص الخارجية وزيادة اللزوجة.

يمكن حساب القيمة النظرية للزوجة القص الصفرية للنظام المركب KGM/HPMC وفقًا لمبدأ الجمع اللوغاريتمي أعلاه، ويمكن الحصول على قيمتها التجريبية من خلال استقراء كارين الملائم لمنحنى معدل اللزوجة والقص. بمقارنة القيمة المتوقعة للزوجة القص الصفرية لنظام مركب KGM/HPMC مع كسور كتلة مختلفة ونسب مركبة مختلفة مع القيمة التجريبية، يمكن ملاحظة أن القيمة الفعلية للزوجة القص الصفرية لمركب KGM/HPMC الحل أصغر من القيمة النظرية. يشير هذا إلى أنه تم تشكيل مجموعة جديدة ذات بنية كثيفة في النظام المعقد لـ KGM وHPMC. أظهرت الدراسات الحالية أن وحدات المانوز غير المستبدلة في السلسلة الجزيئية KGM يمكن أن تتفاعل مع المجموعات الكارهة للماء في السلسلة الجزيئية HPMC لتشكيل منطقة ارتباط ضعيفة الكارهة للماء. من المتوقع أن هيكل التجميع الجديد ذو البنية الكثيفة نسبيًا يتشكل بشكل أساسي من خلال تفاعلات كارهة للماء. عندما تكون نسبة KGM منخفضة (HPMC > 50%)، تكون القيمة الفعلية للزوجة القص الصفرية لنظام KGM/HPMC أقل من القيمة النظرية، مما يشير إلى أنه عند محتوى KGM المنخفض، يشارك المزيد من الجزيئات في الجديد الأكثر كثافة بناء. في تكوين، يتم تقليل لزوجة النظام ذات القص الصفري بشكل أكبر.

2.2 تحليل منحنيات اكتساح السلالة للنظام المركب KGM/HPMC

من منحنيات العلاقة بين المعامل وسلالة القص لمحاليل KGM/HPMC مع كسور كتلة مختلفة ونسب مركبة مختلفة، يمكن ملاحظة أنه عندما يكون إجهاد القص أقل من 10%، فإن G′و ز″من النظام المركب بشكل أساسي لا يزيد مع إجهاد القص. ومع ذلك، فإنه يوضح أنه ضمن نطاق سلالة القص هذا، يمكن للنظام المركب الاستجابة للمؤثرات الخارجية من خلال تغيير شكل السلسلة الجزيئية، ولا يتضرر هيكل النظام المركب. عندما يكون إجهاد القص أكبر من 10%، فإن السرعة الخارجية تحت تأثير قوة القص، تكون سرعة تفكيك السلاسل الجزيئية في النظام المعقد أكبر من سرعة التشابك، G′و ز″يبدأ في الانخفاض، ويدخل النظام إلى المنطقة اللزجية المرنة غير الخطية. ولذلك، في اختبار التردد الديناميكي اللاحق، تم اختيار معلمة إجهاد القص بنسبة 1% للاختبار.

2.3 تحليل منحنى اكتساح التردد للنظام المركب KGM / HPMC

منحنيات التباين لمعامل التخزين ومعامل الخسارة مع التردد لحلول KGM/HPMC بنسب مركبة مختلفة تحت كسور كتلة مختلفة. ويمثل معامل التخزين G' الطاقة التي يمكن استعادتها بعد التخزين المؤقت في الاختبار، ومعامل الخسارة G” يعني الطاقة المطلوبة للتدفق الأولي، وهي خسارة لا رجعة فيها وتتحول في النهاية إلى حرارة القص. ويمكن ملاحظة أنه مع زيادة تردد التذبذب، فإن معامل الخسارة G″دائمًا أكبر من معامل التخزين G′، يظهر سلوك السائل. في نطاق تردد الاختبار، يزداد معامل التخزين G' ومعامل الخسارة G” مع زيادة تردد التذبذب. ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أنه مع زيادة تردد التذبذب، لا يكون لدى أجزاء السلسلة الجزيئية في النظام وقت للتعافي من التشوه في وقت قصير من الحالة السابقة، وبالتالي تظهر ظاهرة إمكانية تخزين المزيد من الطاقة ( أكبر G′) أو يحتاج إلى الضياع (G″).

مع زيادة تردد التذبذب، ينخفض ​​معامل تخزين النظام فجأة، ومع زيادة جزء الكتلة ومحتوى KGM للنظام، تزداد نقطة تردد الانخفاض المفاجئ تدريجيًا. قد يكون الانخفاض المفاجئ بسبب تدمير الهيكل المدمج الذي يتكون من الارتباط الكاره للماء بين KGM وHPMC في النظام عن طريق القص الخارجي. علاوة على ذلك، فإن زيادة جزء كتلة النظام ومحتوى KGM مفيد للحفاظ على استقرار البنية الكثيفة، ويزيد من قيمة التردد الخارجي الذي يدمر البنية.

2.4 تحليل منحنى مسح درجة الحرارة للنظام المركب KGM/HPMC

من منحنيات معامل التخزين ومعامل الخسارة لمحاليل KGM/HPMC مع كسور كتلة مختلفة ونسب مركبة مختلفة، يمكن ملاحظة أنه عندما يكون جزء الكتلة من النظام 0.50%، فإن G′و ز″من محلول HPMC بالكاد يتغير مع درجة الحرارة. ، و ز″>ز′تهيمن لزوجة النظام. عندما يزيد الجزء الكتلي، G′من محلول HPMC يظل دون تغيير أولاً ثم يزيد بشكل حاد، وG′و ز″يتقاطع عند حوالي 70°C (درجة حرارة نقطة التقاطع هي نقطة الهلام)، ويشكل النظام هلامًا في هذا الوقت، مما يشير إلى أن HPMC عبارة عن هلام مستحث حراريًا. بالنسبة لحل KGM، عندما يكون الجزء الكتلي للنظام 0.50% و0.75%، فإن G′وG للنظام "يُظهر اتجاهًا تنازليًا؛ عندما يزيد جزء الكتلة، ينخفض ​​G' وG" لمحلول KGM أولاً ثم يزيد بشكل ملحوظ، مما يشير إلى أن محلول KGM يُظهر خصائص تشبه الهلام عند كسور الكتلة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة .

مع ارتفاع درجات الحرارة، G′و ز″من نظام KGM/HPMC المعقد انخفض أولاً ثم زاد بشكل ملحوظ، وG′و ز″ظهرت نقاط التقاطع، وشكل النظام مادة هلامية. عندما تكون جزيئات HPMC في درجة حرارة منخفضة، يحدث الارتباط الهيدروجيني بين المجموعات المحبة للماء على السلسلة الجزيئية وجزيئات الماء، وعندما ترتفع درجة الحرارة، فإن الحرارة المطبقة تدمر الروابط الهيدروجينية المتكونة بين HPMC وجزيئات الماء، مما يؤدي إلى تكوين HPMC الجزيئي الكبير السلاسل. تنكشف المجموعات الكارهة للماء على السطح، ويحدث ارتباط كاره للماء، ويتشكل هلام موجه للحرارة. بالنسبة لنظام الكسر ذو الكتلة المنخفضة، يمكن أن يشكل المزيد من محتوى KGM مادة هلامية؛ بالنسبة لنظام الكسر الكتلي العالي، يمكن أن يشكل المزيد من محتوى HPMC مادة هلامية. في نظام الكسر ذو الكتلة المنخفضة (0.50%)، يقلل وجود جزيئات KGM من احتمالية تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئات HPMC، مما يزيد من إمكانية التعرض للمجموعات الكارهة للماء في جزيئات HPMC، مما يفضي إلى تكوين المواد الهلامية الحرارية. في نظام الكسر عالي الكتلة، إذا كان محتوى KGM مرتفعًا جدًا، تكون لزوجة النظام عالية، وهو ما لا يفضي إلى الارتباط الكاره للماء بين جزيئات HPMC وKGM، وهو ما لا يفضي إلى تكوين هلام حراري.

3. الاستنتاج

في هذا البحث تمت دراسة السلوك الريولوجي للنظام المركب لـ KGM و HPMC. تظهر النتائج أن النظام المركب لـ KGM/HPMC هو سائل غير نيوتوني، ويتم تحديد نوع السائل للنظام المركب لـ KGM/HPMC بشكل أساسي بواسطة KGM. أدت زيادة جزء كتلة النظام ومحتوى KGM إلى تقليل سيولة المحلول المركب وزيادة لزوجته. في حالة سول، تشكل السلاسل الجزيئية لـ KGM وHPMC بنية أكثر كثافة من خلال التفاعلات الكارهة للماء. يتم تدمير هيكل النظام عن طريق القص الخارجي، مما يؤدي إلى انخفاض مفاجئ في معامل تخزين النظام. تعد زيادة جزء كتلة النظام ومحتوى KGM مفيدًا للحفاظ على استقرار البنية الكثيفة وزيادة قيمة التردد الخارجي الذي يدمر الهيكل. بالنسبة لنظام الكسر ذو الكتلة المنخفضة، فإن المزيد من محتوى KGM يفضي إلى تكوين الجل؛ بالنسبة لنظام الكسر الكتلي العالي، فإن المزيد من محتوى HPMC يفضي إلى تكوين الجل.