Даследаванне рэалагічных паводзін сістэмы злучэння глюкаманнану канжаку і гідраксіпрапілметылцэлюлозы

У якасці аб'екта даследавання была ўзятая сістэма злучэння конжак глюкаманнану (KGM) і гідраксіпрапілметылцэлюлозы (HPMC), і былі праведзены выпрабаванні зруху ў стацыянарным стане, частоты і тэмпературы з дапамогай ратацыйнага рэометра. Прааналізаваны ўплыў масавай долі раствора і суадносін злучэнняў на глейкасць і рэалагічныя ўласцівасці сістэмы злучэнняў KGM/HPMC. Вынікі паказваюць, што сістэма злучэння KGM/HPMC з'яўляецца неньютоновской вадкасцю, а павелічэнне масавай долі і ўтрымання KGM у сістэме зніжае цякучасць раствора злучэння і павялічвае глейкасць. У стане золю малекулярныя ланцугі KGM і HPMC утвараюць больш кампактную структуру дзякуючы гідрафобным узаемадзеянням. Павелічэнне масавай долі сістэмы і ўтрымання КГМ спрыяе захаванню стабільнасці структуры. У сістэме з нізкай масавай доляй павелічэнне ўтрымання КГМ спрыяе адукацыі тэрматропных геляў; у той час як у сістэме з высокай масавай доляй павелічэнне ўтрымання ГПМЦ спрыяе адукацыі тэрматропных геляў.

Ключавыя словы:конжек глюкоманнан; гидроксипропилметилцеллюлоза; складова; реологіческіх паводзіны

Прыродныя поліцукрыды шырока прымяняюцца ў харчовай прамысловасці дзякуючы сваім загушчаючым, эмульгіруе і жэліруючым уласцівасцям. Konjac glucomannan (KGM) - гэта натуральны раслінны поліцукрыд, які складаецца зβ-D-глюкоза іβ-D-манноза ў суадносінах 1,6:1, абодва звязаны паміж сабойβ-1,4 гліказідных сувязяў, у C- У становішчы 6 ёсць невялікая колькасць ацэтылу (прыкладна 1 ацэтыл на кожныя 17 астаткаў). Аднак высокая глейкасць і дрэнная цякучасць воднага раствора КГМ абмяжоўваюць яго прымяненне ў вытворчасці. Гідраксіпрапілметылцэлюлоза (ГПМЦ) - гэта прапіленгліколевы эфір метылацэлюлозы, які адносіцца да неіённых эфіраў цэлюлозы. HPMC з'яўляецца плёнкавым, растваральным у вадзе і аднаўляльным. HPMC мае нізкую глейкасць і трываласць геля пры нізкіх тэмпературах і адносна нізкую прадукцыйнасць апрацоўкі, але можа ўтвараць адносна глейкі гель, падобны на цвёрдае рэчыва, пры высокіх тэмпературах, таму многія вытворчыя працэсы павінны праводзіцца пры высокіх тэмпературах, што прыводзіць да высокага спажывання энергіі пры вытворчасці. Сабекошт вытворчасці высокая. Літаратура паказвае, што незамешчаная адзінка манозы ў малекулярным ланцугу KGM можа ўтвараць слаба зшытую гідрафобную вобласць асацыяцыі з гідрафобнай групай у малекулярным ланцугу HPMC праз гідрафобнае ўзаемадзеянне. Гэтая структура можа затрымаць і часткова прадухіліць тэрмічнае гелеўтварэнне ГПМЦ і знізіць тэмпературу геля ГПМЦ. Акрамя таго, улічваючы ўласцівасці ГПМЦ з нізкай вязкасцю пры адносна нізкіх тэмпературах, прагназуецца, што яго злучэнне з КГМ можа палепшыць уласцівасці КГМ з высокай вязкасцю і прадукцыйнасць яго апрацоўкі. Такім чынам, у гэтым артыкуле будзе пабудавана сістэма злучэнняў KGM/HPMC для вывучэння ўплыву масавай долі раствора і суадносін злучэнняў на рэалагічныя ўласцівасці сістэмы KGM/HPMC, а таксама дадзены тэарэтычны арыенцір для прымянення сістэмы злучэнняў KGM/HPMC у харчовая прамысловасць.

1. Матэрыялы і метады

1.1 Матэрыялы і рэактывы

Гідраксіпрапілметылцэлюлоза, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, масавая доля 2%, глейкасць 6 мПа·s; масавая доля метокси 28%~30%; масавая доля гидроксипропила 7,0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., глейкасць воднага раствора 1% па масе≥28 000 мПа·s.

1.2 Прыборы і абсталяванне

Ротацыйны рэометр MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Аўстрыя; Апарат для звышчыстай вады UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; электронныя аналітычныя вагі АВ-50 швейцарскай кампаніі Mette; LHS-150HC вадзяная лазня з пастаяннай тэмпературай, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Электрычная мешалка JJ-1, Jintan Medical Instrument Factory, правінцыя Цзянсу.

1.3 Падрыхтоўка раствора злучэння

Узважце парашкі HPMC і KGM з пэўным суадносінамі сумесі (масавыя суадносіны: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), павольна дадайце іх у дэіянізаваную ваду ў 60°C вадзяной лазні і памешвайце на працягу 1,5 ~ 2 гадзін для раўнамернага размеркавання, і прыгатуйце 5 відаў градыентных раствораў з агульнай масавай доляй цвёрдых рэчываў 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% і 1,50% адпаведна.

1.4 Выпрабаванне рэалагічных уласцівасцей раствора злучэння

Тэст на зрух у стацыянарным стане: рэалагічная крывая раствора злучэння KGM/HPMC вымяралася з дапамогай конусу і пласціны CP50, зазор паміж верхняй і ніжняй пласцінамі быў зафіксаваны на 0,1 мм, тэмпература вымярэння была 25°С, а дыяпазон хуткасцей зруху быў ад 0,1 да 100 с-1.

Сканаванне дэфармацыі (вызначэнне лінейнай вязкапругкай вобласці): выкарыстоўвайце пласціну PP50 для вымярэння лінейнай вязкапругкай вобласці і закона змены модуля раствора злучэння KGM/HPMC, усталюйце адлегласць 1000 мм, фіксаваную частату 1 Гц і тэмпературу вымярэння 25°C. Дыяпазон дэфармацыі складае 0,1%~100%.

Разгортка частоты: выкарыстоўвайце пласціну PP50 для вымярэння змены модуля і залежнасці ад частоты раствора злучэння KGM/HPMC. Інтэрвал усталяваны на 1000 мм, дэфармацыя 1%, тэмпература вымярэння 25°С, а дыяпазон частот 0,1-100 Гц.

Тэмпературнае сканіраванне: модуль і яго тэмпературная залежнасць раствора злучэння KGM/HPMC вымяраліся з дапамогай пласціны PP50, адлегласць было ўстаноўлена на 1000 мм, фіксаваная частата была 1 Гц, дэфармацыя была 1%, а тэмпература была ад 25 да 90°C.

2. Вынікі і аналіз

2.1 Аналіз крывой патоку сістэмы злучэння KGM/HPMC

Крывыя залежнасці глейкасці ад хуткасці зруху раствораў KGM/HPMC з рознымі каэфіцыентамі злучэння пры розных масавых долях. Вадкасці, глейкасць якіх з'яўляецца лінейнай функцыяй хуткасці зруху, называюцца ньютанаўскімі вадкасцямі, інакш іх называюць неньютанаўскімі вадкасцямі. З крывой відаць, што глейкасць раствора KGM і раствора злучэння KGM/HPMC памяншаецца з павелічэннем хуткасці зруху; чым вышэй утрыманне KGM, тым вышэй масавая доля сістэмы і тым больш відавочны феномен разрэджвання раствора пры зруху. Гэта сведчыць аб тым, што сістэма злучэння KGM і KGM/HPMC з'яўляюцца неньютанаўскімі вадкасцямі, а тып вадкасці ў сістэме злучэння KGM/HPMC у асноўным вызначаецца KGM.

З індэкса цякучасці і каэфіцыента глейкасці раствораў KGM/HPMC з рознымі масавымі долямі і рознымі суадносінамі злучэнняў відаць, што значэнні n для сістэм злучэнняў KGM, HPMC і KGM/HPMC меншыя за 1, што сведчыць аб тым, што растворы з'яўляюцца усе псеўдапластычныя вадкасці. Для сістэмы злучэнняў KGM/HPMC павелічэнне масавай долі сістэмы прывядзе да зблытвання і іншых узаемадзеянняў паміж малекулярнымі ланцугамі HPMC і KGM у растворы, што прывядзе да зніжэння рухомасці малекулярных ланцугоў, тым самым зніжаючы значэнне n сістэма. У той жа час з павелічэннем утрымання КГМ узмацняецца ўзаемадзеянне паміж малекулярнымі ланцугамі КГМ у сістэме КГМ/ГПМЦ, што зніжае яе рухомасць і прыводзіць да зніжэння значэння n. Наадварот, значэнне K раствора злучэння KGM/HPMC бесперапынна павялічваецца з павелічэннем масавай долі раствора і ўтрымання KGM, што ў асноўным звязана з павелічэннем масавай долі сістэмы і ўтрымання KGM, якія павялічваюць утрыманне гідрафільныя групы ў сістэме. , павялічваючы малекулярнае ўзаемадзеянне ўнутры малекулярнага ланцуга і паміж ланцугамі, тым самым павялічваючы гідрадынамічны радыус малекулы, робячы менш верагоднай яе арыентацыю пад дзеяннем знешняй сілы зруху і павялічваючы глейкасць.

Тэарэтычнае значэнне глейкасці пры нулявым зруху сістэмы злучэнняў KGM/HPMC можа быць разлічана ў адпаведнасці з прыведзеным вышэй прынцыпам лагарыфмічнага сумавання, а яго эксперыментальнае значэнне можа быць атрымана шляхам экстрапаляцыі па Каррэну крывой вязкасці-скорасці зруху. Параўноўваючы прагназуемае значэнне глейкасці пры нулявым зруху сістэмы злучэння KGM/HPMC з рознымі масавымі долямі і рознымі каэфіцыентамі злучэння з эксперыментальным значэннем, можна ўбачыць, што фактычнае значэнне глейкасці пры нулявым зруху злучэння KGM/HPMC раствора менш тэарэтычнага значэння. Гэта сведчыла аб тым, што ў складанай сістэме КГМ і ГПМЦ утварылася новая зборка з шчыльнай структурай. Існуючыя даследаванні паказалі, што незамешчаныя адзінкі манозы ў малекулярным ланцугу KGM могуць узаемадзейнічаць з гідрафобнымі групамі ў малекулярным ланцугу HPMC, утвараючы слаба сшытую гідрафобную вобласць асацыяцыі. Мяркуецца, што новая структура зборкі з адносна шчыльнай структурай у асноўным утвараецца дзякуючы гідрафобным узаемадзеянням. Калі каэфіцыент KGM нізкі (HPMC > 50%), фактычнае значэнне глейкасці пры нулявым зруху сістэмы KGM/HPMC ніжэй, чым тэарэтычнае значэнне, што паказвае на тое, што пры нізкім утрыманні KGM больш малекул удзельнічае ў больш шчыльным новым структура. Пры адукацыі глейкасць сістэмы пры нулявым зруху яшчэ больш зніжаецца.

2.2 Аналіз крывых разгорткі дэфармацыі сістэмы злучэння KGM/HPMC

З крывых залежнасці модуля і дэфармацыі зруху раствораў KGM/HPMC з рознымі масавымі долямі і рознымі каэфіцыентамі злучэння відаць, што калі дэфармацыя зруху складае менш за 10%, G′і Г″складанай сістэмы ў асноўным не павялічваюцца з дэфармацыяй зруху. Аднак гэта паказвае, што ў межах гэтага дыяпазону дэфармацыі зруху сістэма злучэння можа рэагаваць на знешнія раздражняльнікі праз змяненне канфармацыі малекулярнага ланцуга, і структура злучанай сістэмы не пашкоджваецца. Калі дэфармацыя зруху складае >10%, знешняя пад дзеяннем сілы зруху хуткасць разблытвання малекулярных ланцугоў у складанай сістэме большая за хуткасць зблытвання G′і Г″пачынаюць змяншацца, і сістэма трапляе ў нелінейную вязкапругкую вобласць. Такім чынам, у наступным дынамічным частатным выпрабаванні параметр дэфармацыі зруху быў абраны ў 1% для выпрабаванняў.

2.3 Аналіз крывой разгорткі частоты сістэмы злучэння KGM/HPMC

Крывыя змены модуля захоўвання і модуля страт з частатой для раствораў KGM/HPMC з рознымі каэфіцыентамі злучэння пры розных масавых долях. Модуль захоўвання G' уяўляе сабой энергію, якая можа быць адноўлена пасля часовага захоўвання ў выпрабаванні, а модуль страт G” азначае энергію, неабходную для першапачатковага патоку, які з'яўляецца незваротнай стратай і ў рэшце рэшт пераўтворыцца ў цяпло зруху. Відаць, што з павелічэннем частаты ваганняў модуль страт G″заўсёды большы за модуль захавання G′, паказваючы паводзіны вадкасці. У тэставым дыяпазоне частот модуль захоўвання G' і модуль страт G” павялічваюцца з павелічэннем частаты ваганняў. Гэта адбываецца галоўным чынам з-за таго, што з павелічэннем частаты ваганняў сегменты малекулярнага ланцуга ў сістэме не паспяваюць за кароткі час аднавіцца да дэфармацыі ў папярэднім стане, паказваючы, такім чынам, з'яву, што можа захоўвацца больш энергіі ( большы Г′) або трэба згубіць (Г″).

З павелічэннем частаты ваганняў модуль захоўвання сістэмы раптоўна падае, а з павелічэннем масавай долі і ўтрымання КГМ у сістэме кропка частаты раптоўнага падзення паступова павялічваецца. Раптоўнае падзенне можа быць звязана з разбурэннем кампактнай структуры, утворанай гідрафобнай асацыяцыяй паміж KGM і HPMC у сістэме пры знешнім зруху. Акрамя таго, павелічэнне масавай долі сістэмы і ўтрымання KGM спрыяе падтрыманню стабільнасці шчыльнай структуры і павялічвае значэнне знешняй частаты, якая разбурае структуру.

2.4 Аналіз крывой тэмпературнага сканавання кампазітнай сістэмы KGM/HPMC

З крывых модуля захоўвання і модуля страт раствораў KGM/HPMC з рознымі масавымі долямі і рознымі каэфіцыентамі злучэння відаць, што калі масавая доля сістэмы складае 0,50%, G′і Г″раствора ГПМЦ амаль не змяняецца з тэмпературай. і Г″>Г′, глейкасць сістэмы дамінуе; пры павелічэнні масавай долі Г′раствора ГПМЦ спачатку застаецца нязменным, а потым рэзка ўзрастае, а G′і Г″перасякаюцца каля 70°C (тэмпература кропкі перасячэння з'яўляецца кропкай геля), і ў гэты час сістэма ўтварае гель, што паказвае на тое, што ГПМЦ з'яўляецца тэрмічна індукаваным гелем. Для раствора KGM, калі масавая доля сістэмы складае 0,50% і 0,75%, G′і G сістэмы «паказвае тэндэнцыю да зніжэння; калі масавая доля павялічваецца, G' і G” раствора КГМ спачатку памяншаюцца, а потым значна павялічваюцца, што паказвае на тое, што раствор КГМ праяўляе гелепадобныя ўласцівасці пры высокіх масавых долях і высокіх тэмпературах.

З павышэннем тэмпературы G′і Г″комплекснай сістэмы KGM/HPMC спачатку знізіўся, а потым значна павялічыўся, а G′і Г″з'явіліся кропкі перасячэння, і сістэма ўтварыла гель. Калі малекулы ГПМЦ знаходзяцца пры нізкай тэмпературы, паміж гідрафільнымі групамі ў малекулярным ланцугу і малекуламі вады ўзнікае вадародная сувязь, а калі тэмпература павышаецца, прыведзенае цяпло разбурае вадародныя сувязі, якія ўтвараюцца паміж ГПМЦ і малекуламі вады, у выніку чаго ўтвараецца макрамалекулы ГПМЦ ланцугі. Гідрафобныя групы на паверхні агаляюцца, адбываецца гідрафобная асацыяцыя і ўтвараецца тэрматропны гель. Для сістэмы з нізкай масавай доляй большае ўтрыманне KGM можа ўтвараць гель; для сістэмы з высокай масавай доляй большае ўтрыманне HPMC можа ўтвараць гель. У сістэме з нізкай масавай доляй (0,50%) прысутнасць малекул КГМ зніжае верагоднасць утварэння вадародных сувязяў паміж малекуламі ГПМЦ, тым самым павялічваючы магчымасць уздзеяння гідрафобных груп у малекулах ГПМЦ, што спрыяе адукацыі тэрматропных геляў. У сістэме з высокай масавай доляй, калі ўтрыманне KGM занадта высокае, глейкасць сістэмы высокая, што не спрыяе гідрафобнай сувязі паміж малекуламі HPMC і KGM, што не спрыяе ўтварэнню тэрмагеннага геля.

3. Заключэнне

У гэтым артыкуле вывучаецца реологіческіх паводзіны сістэмы злучэння КГМ і ГПМЦ. Вынікі паказваюць, што сістэма злучэнняў KGM/HPMC з'яўляецца неньютонаўскай вадкасцю, а тып вадкасці ў складзенай сістэме KGM/HPMC у асноўным вызначаецца KGM. Павелічэнне масавай долі сістэмы і ўтрымання КГМ адначасова зніжала цякучасць раствора злучэння і павялічвала яго глейкасць. У стане золю малекулярныя ланцугі КГМ і ГПМЦ утвараюць больш шчыльную структуру дзякуючы гідрафобным узаемадзеянням. Структура ў сістэме разбураецца вонкавым зрухам, што прыводзіць да раптоўнага падзення модуля захоўвання сістэмы. Павелічэнне масавай долі сістэмы і ўтрымання KGM спрыяе падтрыманню стабільнасці шчыльнай структуры і павелічэнню значэння знешняй частаты, якая разбурае структуру. Для сістэмы з нізкай масавай доляй большае ўтрыманне КГМ спрыяе адукацыі геля; для сістэмы з высокай масавай доляй большае ўтрыманне ГПМЦ спрыяе адукацыі геля.