Изследване на реологичното поведение на коняк глюкоманан и хидроксипропил метилцелулозна система от съединения

Комбинираната система от конджак глюкоманан (KGM) и хидроксипропил метилцелулоза (HPMC) беше взета като обект на изследване и тестовете за стационарно срязване, честота и температура бяха проведени върху комбинираната система чрез ротационен реометър. Беше анализирано влиянието на масовата фракция на разтвора и съотношението на съединението върху вискозитета и реологичните свойства на системата от съединения KGM/HPMC. Резултатите показват, че системата от съединения KGM/HPMC е ненютонова течност и увеличаването на масовата фракция и съдържанието на KGM в системата намалява течливостта на разтвора на съединението и повишава вискозитета. В състояние на зол, KGM и HPMC молекулните вериги образуват по-компактна структура чрез хидрофобни взаимодействия. Увеличаването на масовата част на системата и съдържанието на KGM благоприятства поддържането на стабилността на структурата. В системата с ниска масова фракция увеличаването на съдържанието на KGM е от полза за образуването на термотропни гелове; докато в системата с висока масова фракция, увеличаването на съдържанието на HPMC е благоприятно за образуването на термотропни гелове.

Ключови думи:коняк глюкоманан; хидроксипропил метилцелулоза; съединение; реологично поведение

Естествените полизахариди се използват широко в хранително-вкусовата промишленост поради техните сгъстяващи, емулгиращи и желиращи свойства. Конджак глюкоманан (KGM) е естествен растителен полизахарид, съставен отβ-D-глюкоза иβ-D-маноза в съотношение 1,6:1, двете са свързани чрезβ-1,4 гликозидни връзки, в C- Има малко количество ацетил в позиция 6 (приблизително 1 ацетил за всеки 17 остатъка). Въпреки това високият вискозитет и слабата течливост на водния разтвор на KGM ограничават приложението му в производството. Хидроксипропил метилцелулозата (НРМС) е пропилей гликолов етер на метилцелулоза, който принадлежи към нейонния целулозен етер. HPMC е филмообразуващ, водоразтворим и възобновяем. HPMC има нисък вискозитет и якост на гела при ниски температури и относително лоша производителност на обработка, но може да образува сравнително вискозен твърд гел при високи температури, така че много производствени процеси трябва да се извършват при високи температури, което води до висока консумация на енергия при производството. Производствените разходи са високи. Литературата показва, че незаместената манозна единица на молекулната верига на KGM може да образува слабо омрежена хидрофобна асоциативна област с хидрофобната група на НРМС молекулната верига чрез хидрофобно взаимодействие. Тази структура може да забави и частично да предотврати термичното желиране на HPMC и да понижи температурата на гела на HPMC. В допълнение, с оглед на свойствата на нисък вискозитет на HPMC при относително ниски температури, се предвижда, че смесването му с KGM може да подобри свойствата на висок вискозитет на KGM и да подобри неговата производителност при обработка. Следователно тази статия ще конструира система от съединения KGM/HPMC, за да изследва влиянието на масовата фракция на разтвора и съотношението на съединението върху реологичните свойства на системата KGM/HPMC и ще предостави теоретична справка за приложението на системата от съединения KGM/HPMC в хранително-вкусовата промишленост.

1. Материали и методи

1.1 Материали и реактиви

Хидроксипропил метилцелулоза, KIMA CHEMICAL CO., LTD, масова фракция 2%, вискозитет 6 mPa·s; метокси масова фракция 28%~30%; хидроксипропил масова фракция 7.0%~12%.

Конджак глюкоманан, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 тегл.% вискозитет на воден разтвор≥28 000 mPa·s.

1.2 Инструменти и оборудване

Ротационен реометър MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Австрия; UPT-II-10T машина за свръхчиста вода, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Електронна аналитична везна АВ-50, фирма Swiss Mette; LHS-150HC водна баня с постоянна температура, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Електрическа бъркалка JJ-1, Фабрика за медицински инструменти Jintan, провинция Дзянсу.

1.3 Приготвяне на разтвор на съединение

Претеглете праховете HPMC и KGM с определено съотношение на смесване (масово съотношение: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), бавно ги добавете в дейонизирана вода в 60°С водна баня и се разбърква в продължение на 1,5 ~ 2 часа, за да се диспергира равномерно, и се приготвят 5 вида градиентни разтвори с общи фракции на твърда маса съответно 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% и 1,50%.

1.4 Изпитване на реологичните свойства на разтвора на съединението

Тест за срязване в стационарно състояние: Реологичната крива на разтвора на съединението KGM/HPMC беше измерена с помощта на CP50 конус и плоча, разстоянието между горната и долната плоча беше фиксирано на 0,1 mm, температурата на измерване беше 25°C, а диапазонът на скоростта на срязване е от 0,1 до 100 s-1.

Сканиране на деформация (определяне на линейна вискоеластична област): Използвайте плоча PP50, за да измерите линейната вискоеластична област и закона за промяна на модула на разтвор на съединение KGM/HPMC, задайте разстоянието на 1000 mm, фиксираната честота на 1Hz и температурата на измерване на 25°C. Диапазонът на деформация е 0,1%~100%.

Честотен размах: Използвайте плоча PP50, за да измерите промяната на модула и честотната зависимост на разтвора на съединението KGM/HPMC. Разстоянието е настроено на 1000 mm, деформацията е 1%, температурата на измерване е 25°C, а честотният диапазон е 0,1-100 Hz.

Температурно сканиране: Модулът и неговата температурна зависимост на разтвора на съединението KGM/HPMC бяха измерени с помощта на плоча PP50, разстоянието беше настроено на 1000 mm, фиксираната честота беше 1 Hz, деформацията беше 1%, а температурата беше от 25 до 90°C.

2. Резултати и анализ

2.1 Анализ на кривата на потока на KGM/HPMC комбинирана система

Криви на вискозитет спрямо скорост на срязване на KGM/HPMC разтвори с различни съотношения на смесване при различни масови фракции. Течности, чийто вискозитет е линейна функция на скоростта на срязване, се наричат ​​нютонови течности, в противен случай се наричат ​​ненютонови течности. Може да се види от кривата, че вискозитетът на разтвора на KGM и разтвора на съединението KGM/HPMC намалява с увеличаване на скоростта на срязване; колкото по-високо е съдържанието на KGM, толкова по-висока е масовата част на системата и толкова по-очевиден е феноменът на изтъняване на срязване на разтвора. Това показва, че KGM и KGM/HPMC съставна система са ненютонови течности и флуидният тип на KGM/HPMC съставна система се определя главно от KGM.

От индекса на течливост и коефициента на вискозитет на KGM/HPMC разтвори с различни масови фракции и различни съотношения на съединенията може да се види, че n стойностите на KGM, HPMC и KGM/HPMC съставни системи са всички по-малки от 1, което показва, че разтворите са всички псевдопластични течности. За KGM/HPMC комбинираната система, увеличаването на масовата част на системата ще причини заплитане и други взаимодействия между HPMC и KGM молекулните вериги в разтвора, което ще намали мобилността на молекулните вериги, като по този начин ще намали n стойността на системата. В същото време, с увеличаването на съдържанието на KGM, взаимодействието между молекулярните вериги на KGM в системата KGM/HPMC се засилва, като по този начин се намалява неговата мобилност и води до намаляване на стойността на n. Напротив, стойността K на разтвора на съединението KGM/HPMC нараства непрекъснато с увеличаването на масовата фракция на разтвора и съдържанието на KGM, което се дължи главно на увеличаването на масовата фракция на системата и съдържанието на KGM, които и двете увеличават съдържанието на хидрофилни групи в системата. , увеличавайки молекулярното взаимодействие в рамките на молекулната верига и между веригите, като по този начин увеличава хидродинамичния радиус на молекулата, правейки я по-малко вероятно да бъде ориентирана под действието на външна сила на срязване и увеличавайки вискозитета.

Теоретичната стойност на вискозитета при нулево срязване на системата от съединения KGM/HPMC може да се изчисли съгласно горния принцип на логаритмично сумиране и нейната експериментална стойност може да бъде получена чрез екстраполация на Карен на кривата вискозитет-скорост на срязване. Сравнявайки прогнозираната стойност на вискозитета при нулево срязване на системата от съединения KGM/HPMC с различни масови фракции и различни съотношения на смесване с експерименталната стойност, може да се види, че действителната стойност на вискозитета при нулево срязване на съединението KGM/HPMC разтвор е по-малък от теоретичната стойност. Това показва, че в сложната система от KGM и HPMC е образувана нова сглобка с плътна структура. Съществуващите проучвания показват, че незаместените манозни единици на KGM молекулната верига могат да взаимодействат с хидрофобните групи на HPMC молекулната верига, за да образуват слабо омрежена хидрофобна асоциативна област. Спекулира се, че новата структура на сглобяване с относително плътна структура се формира главно чрез хидрофобни взаимодействия. Когато съотношението KGM е ниско (HPMC > 50%), действителната стойност на вискозитета при нулево срязване на системата KGM/HPMC е по-ниска от теоретичната стойност, което показва, че при ниско съдържание на KGM повече молекули участват в по-плътния нов структура. При образуването на , вискозитетът при нулево срязване на системата се намалява допълнително.

2.2 Анализ на кривите на деформация на смесената система KGM/HPMC

От кривите на връзката на модула и деформацията на срязване на KGM/HPMC разтвори с различни масови фракции и различни съотношения на смесване може да се види, че когато деформацията на срязване е по-малка от 10%, G′и Г″на сложната система основно не се увеличават с напрежението на срязване. Въпреки това, той показва, че в рамките на този диапазон на напрежение на срязване, системата от съединения може да реагира на външни стимули чрез промяна на конформацията на молекулната верига и структурата на системата от съединения не се уврежда. Когато деформацията на срязване е >10%, външната Под действието на силата на срязване скоростта на разплитане на молекулните вериги в сложната система е по-голяма от скоростта на заплитане, G′и Г″започват да намаляват и системата навлиза в нелинейната вискоеластична област. Следователно, в последващия динамичен честотен тест, параметърът на деформация на срязване беше избран като 1% за изпитване.

2.3 Анализ на честотната крива на комбинирана система KGM/HPMC

Вариационни криви на модула на съхранение и модула на загуба с честота за KGM/HPMC разтвори с различни съотношения на смесване при различни масови фракции. Модулът на съхранение G' представлява енергията, която може да бъде възстановена след временно съхранение при теста, а модулът на загуба G” означава енергията, необходима за първоначалния поток, който е необратима загуба и накрая се трансформира в топлина на срязване. Може да се види, че с увеличаване на честотата на трептене, модулът на загуба G″винаги е по-голям от модула за съхранение G′, показващ течно поведение. В тестовия честотен диапазон модулът на съхранение G' и модулът на загуба G” се увеличават с увеличаването на честотата на трептене. Това се дължи главно на факта, че с увеличаването на честотата на трептене, сегментите на молекулната верига в системата нямат време да се възстановят до деформацията за кратко време Предишното състояние, като по този начин показва феномена, че може да се съхранява повече енергия ( по-голям G′) или трябва да се загуби (G″).

С увеличаването на честотата на трептене, модулът за съхранение на системата пада внезапно и с увеличаването на масовата част и съдържанието на KGM в системата, честотната точка на внезапния спад постепенно се увеличава. Внезапният спад може да се дължи на разрушаването на компактната структура, образувана от хидрофобната връзка между KGM и HPMC в системата чрез външно срязване. Освен това, увеличаването на масовата част на системата и съдържанието на KGM е от полза за поддържане на стабилността на плътната структура и увеличава стойността на външната честота, която разрушава структурата.

2.4 Анализ на кривата на температурно сканиране на композитна система KGM/HPMC

От кривите на модула на съхранение и модула на загуба на KGM/HPMC разтвори с различни масови фракции и различни съотношения на смесване може да се види, че когато масовата част на системата е 0,50%, G′и Г″от разтвора на HPMC почти не се променя с температурата. и Г″>G′, вискозитетът на системата доминира; когато масовата част се увеличи, G′от разтвора на НРМС първо остава непроменен и след това се увеличава рязко, а G′и Г″пресичат се на около 70°C (Температурата на пресечната точка е точката на гел) и системата образува гел в този момент, като по този начин показва, че HPMC е термично индуциран гел. За KGM разтвора, когато масовата част на системата е 0,50% и 0,75%, G′и G на системата „показва тенденция на намаляване; когато масовата част се увеличи, G' и G” на разтвора на KGM първо намаляват и след това се увеличават значително, което показва, че разтворът на KGM проявява гелообразни свойства при високи масови фракции и високи температури.

С повишаването на температурата G′и Г″на сложната система KGM/HPMC първо намалява и след това се увеличава значително, и G′и Г″се появиха пресечни точки и системата образува гел. Когато HPMC молекулите са при ниска температура, възниква водородно свързване между хидрофилните групи на молекулната верига и водните молекули, а когато температурата се повиши, приложената топлина разрушава водородните връзки, образувани между HPMC и водните молекули, което води до образуването на HPMC макромолекули вериги. Хидрофобните групи на повърхността са изложени, възниква хидрофобна асоциация и се образува термотропен гел. За системата с ниска масова фракция, повече съдържание на KGM може да образува гел; за система с висока масова фракция, повече съдържание на HPMC може да образува гел. В системата с ниска масова фракция (0,50%) присъствието на KGM молекули намалява вероятността за образуване на водородни връзки между HPMC молекулите, като по този начин увеличава възможността за излагане на хидрофобни групи в HPMC молекулите, което е благоприятно за образуването на термотропни гелове. В системата с висока масова фракция, ако съдържанието на KGM е твърде високо, вискозитетът на системата е висок, което не е благоприятно за хидрофобната връзка между HPMC и KGM молекулите, което не е благоприятно за образуването на термогенен гел.

3. Заключение

В тази статия се изследва реологичното поведение на комбинираната система от KGM и HPMC. Резултатите показват, че съставната система на KGM/HPMC е ненютонова течност, а флуидният тип на съставната система на KGM/HPMC се определя главно от KGM. Увеличаването на масовата част на системата и съдържанието на KGM едновременно намалява течливостта на разтвора на съединението и повишава неговия вискозитет. В състояние на зол молекулните вериги на KGM и HPMC образуват по-плътна структура чрез хидрофобни взаимодействия. Структурата в системата се разрушава от външно срязване, което води до внезапен спад в модула за съхранение на системата. Увеличаването на масовата част на системата и съдържанието на KGM е от полза за поддържане на стабилността на плътната структура и увеличаване на стойността на външната честота, която разрушава структурата. За системата с ниска масова фракция, повече съдържание на KGM е благоприятно за образуването на гел; за системата с висока масова фракция, повече съдържание на HPMC е благоприятно за образуването на гел.