Studija reološkog ponašanja konjac glukomanana i sistema jedinjenja hidroksipropil metilceluloze

Za predmet istraživanja uzet je složeni sistem konjac glukomanana (KGM) i hidroksipropil metilceluloze (HPMC), a rotacionim reometrom na složenom sistemu su izvedeni testovi smicanja, frekvencije i temperature u stabilnom stanju. Analiziran je utjecaj masenog udjela otopine i omjera jedinjenja na viskoznost i reološka svojstva KGM/HPMC sistema spojeva. Rezultati pokazuju da je KGM/HPMC sistem jedinjenja nenjutnovska tečnost, a povećanje masenog udela i sadržaja KGM sistema smanjuje fluidnost rastvora smeše i povećava viskoznost. U solnom stanju, KGM i HPMC molekularni lanci formiraju kompaktniju strukturu kroz hidrofobne interakcije. Povećanje masenog udjela sistema i sadržaja KGM pogoduje održavanju stabilnosti konstrukcije. U sistemu niske masene frakcije, povećanje sadržaja KGM je korisno za formiranje termotropnih gelova; dok u sistemu visoke masene frakcije povećanje sadržaja HPMC pogoduje formiranju termotropnih gelova.

Ključne riječi:konjac glucomannan; hidroksipropil metilceluloza; spoj; reološko ponašanje

Prirodni polisaharidi se široko koriste u prehrambenoj industriji zbog svojih svojstava zgušnjavanja, emulgiranja i želiranja. Konjac glukomanan (KGM) je prirodni biljni polisaharid koji se sastoji odβ-D-glukoza iβ-D-manoza u omjeru 1,6:1, dvije su povezaneβ-1,4 glikozidne veze, u C- Postoji mala količina acetila na poziciji 6 (otprilike 1 acetil na svakih 17 ostataka). Međutim, visok viskozitet i loša fluidnost KGM vodenog rastvora ograničavaju njegovu primenu u proizvodnji. Hidroksipropil metilceluloza (HPMC) je propilen glikol etar metilceluloze, koji pripada nejonskom etru celuloze. HPMC stvara film, topiv je u vodi i obnovljiv. HPMC ima nisku viskoznost i čvrstoću gela na niskim temperaturama i relativno slabe performanse obrade, ali može formirati relativno viskozan čvrsti gel nalik na visokim temperaturama, tako da se mnogi proizvodni procesi moraju izvoditi na visokim temperaturama, što rezultira visokom potrošnjom energije u proizvodnji. Troškovi proizvodnje su visoki. Literatura pokazuje da nesupstituisana jedinica manoze na KGM molekularnom lancu može formirati slabo umreženi hidrofobni asocijacijski region sa hidrofobnom grupom na HPMC molekularnom lancu kroz hidrofobnu interakciju. Ova struktura može odgoditi i djelomično spriječiti termičko geliranje HPMC-a i sniziti temperaturu gela HPMC-a. Osim toga, s obzirom na niskoviskozna svojstva HPMC-a na relativno niskim temperaturama, predviđa se da njegovo miješanje sa KGM-om može poboljšati svojstva visokog viskoziteta KGM-a i poboljšati njegove performanse obrade. Stoga će ovaj rad konstruirati KGM/HPMC sistem jedinjenja kako bi se istražio uticaj masenog udjela rastvora i omjera jedinjenja na reološka svojstva KGM/HPMC sistema i pružiće teorijsku referencu za primenu KGM/HPMC sistema jedinjenja u prehrambenoj industriji.

1. Materijali i metode

1.1 Materijali i reagensi

Hidroksipropil metilceluloza, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, maseni udio 2%, viskozitet 6 mPa·s; metoksi maseni udio 28%~30%; hidroksipropil maseni udio 7,0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 wt% viskoznost vodene otopine≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumenti i oprema

MCR92 rotacijski reometar, Anton Paar Co., Ltd., Austrija; UPT-II-10T mašina za ultračistu vodu, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektronska analitička vaga AB-50, švicarska kompanija Mette; LHS-150HC vodeno kupatilo konstantne temperature, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 Električna miješalica, tvornica medicinskih instrumenata Jintan, provincija Jiangsu.

1.3 Priprema rastvora jedinjenja

Odvažite HPMC i KGM prah sa određenim omjerom smjese (maseni omjer: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), polako ih dodajte u dejoniziranu vodu u 60°C vodeno kupatilo, i mešati 1,5 ~ 2 h da se ravnomerno rasprši i pripremiti 5 vrsta gradijent rastvora sa ukupnim masenim udelom čvrste materije od 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% i 1,50%, respektivno.

1.4 Ispitivanje reoloških svojstava rastvora jedinjenja

Stacionarni test smicanja: Reološka kriva otopine KGM/HPMC jedinjenja je izmjerena korištenjem CP50 konusa i ploče, razmak između gornje i donje ploče je fiksiran na 0,1 mm, temperatura mjerenja je bila 25°C, a raspon brzine smicanja bio je od 0,1 do 100 s-1.

Skeniranje deformacija (određivanje linearne viskoelastične regije): Koristite ploču PP50 za mjerenje linearnog viskoelastičnog područja i zakona promjene modula KGM/HPMC rastvora spoja, postavite razmak na 1.000 mm, fiksnu frekvenciju na 1Hz i temperaturu mjerenja na 25°C. Opseg deformacije je 0,1%~100%.

Sweep frekvencije: Koristite ploču PP50 za mjerenje promjene modula i ovisnosti o frekvenciji otopine KGM/HPMC spoja. Razmak je postavljen na 1.000 mm, deformacija je 1%, temperatura mjerenja je 25°C, a frekvencijski opseg je 0,1-100 Hz.

Skeniranje temperature: Modul i njegova temperaturna ovisnost otopine KGM/HPMC spoja mjereni su pomoću ploče PP50, razmak je postavljen na 1.000 mm, fiksna frekvencija je bila 1 Hz, deformacija 1%, a temperatura od 25 do 90°C.

2. Rezultati i analiza

2.1 Analiza krive protoka KGM/HPMC sistema spojeva

Krivulje viskoziteta u odnosu na brzinu smicanja KGM/HPMC otopina s različitim omjerima miješanja pri različitim masenim udjelima. Fluidi čija je viskoznost linearna funkcija brzine smicanja nazivaju se Njutnovskim fluidima, inače se nazivaju nenjutnovskim fluidima. Iz krivulje se može vidjeti da viskoznost otopine KGM i otopine KGM/HPMC spoja opada sa povećanjem brzine smicanja; što je veći sadržaj KGM, veći je maseni udio sistema i očigledniji je fenomen smičnog stanjivanja rješenja. Ovo pokazuje da su KGM i KGM/HPMC složeni sistem nenjutnovski fluidi, a tip fluida KGM/HPMC složenog sistema uglavnom je određen KGM-om.

Iz indeksa protoka i koeficijenta viskoziteta KGM/HPMC otopina s različitim masenim udjelima i različitim omjerima jedinjenja, može se vidjeti da su n vrijednosti KGM, HPMC i KGM/HPMC složenih sistema manje od 1, što ukazuje da su rješenja sve pseudoplastične tečnosti. Za sistem jedinjenja KGM/HPMC, povećanje masenog udjela u sistemu će uzrokovati preplitanje i druge interakcije između HPMC i KGM molekularnih lanaca u otopini, što će smanjiti mobilnost molekularnih lanaca, čime će se smanjiti vrijednost n sistem. Istovremeno, sa povećanjem sadržaja KGM, pojačava se interakcija između KGM molekularnih lanaca u KGM/HPMC sistemu, čime se smanjuje njegova mobilnost i rezultira smanjenjem vrijednosti n. Naprotiv, K vrijednost otopine KGM/HPMC jedinjenja kontinuirano raste s povećanjem masenog udjela otopine i sadržaja KGM, što je uglavnom zbog povećanja masenog udjela u sistemu i sadržaja KGM, koji oba povećavaju sadržaj hidrofilne grupe u sistemu. , povećavajući molekularnu interakciju unutar molekularnog lanca i između lanaca, čime se povećava hidrodinamički radijus molekula, čineći manje vjerovatnoćom da će biti orijentisan pod djelovanjem vanjske sile smicanja i povećavajući viskoznost.

Teorijska vrijednost viskoznosti nultog smicanja KGM/HPMC složenog sistema može se izračunati prema gore navedenom principu logaritamskog sumiranja, a njena eksperimentalna vrijednost se može dobiti ekstrapolacijom krivulje brzine smicanja po Carrenu. Upoređujući predviđenu vrijednost viskoziteta nultog smicanja KGM/HPMC jedinjenja s različitim masenim udjelima i različitim omjerima smjese sa eksperimentalnom vrijednošću, može se vidjeti da je stvarna vrijednost viskoziteta nultog smicanja KGM/HPMC jedinjenja rješenje je manje od teorijske vrijednosti. To je ukazalo na to da je u složenom sistemu KGM i HPMC formiran novi sklop guste strukture. Postojeća istraživanja su pokazala da nesupstituirane manozne jedinice u molekularnom lancu KGM mogu komunicirati sa hidrofobnim grupama na HPMC molekularnom lancu kako bi formirale slabo umreženu hidrofobnu asocijacijsku regiju. Pretpostavlja se da se nova struktura sklopa s relativno gustom strukturom uglavnom formira hidrofobnim interakcijama. Kada je omjer KGM nizak (HPMC > 50%), stvarna vrijednost viskoziteta nultog smicanja KGM/HPMC sistema je niža od teorijske vrijednosti, što ukazuje da pri niskom sadržaju KGM više molekula učestvuje u gušćem novom strukturu. U formiranju , viskoznost sistema bez smicanja se dalje smanjuje.

2.2 Analiza krivulja sweep-a KGM/HPMC složenog sistema

Iz krivulja odnosa modula i posmične deformacije KGM/HPMC otopina s različitim masenim udjelima i različitim omjerima smjese, može se vidjeti da kada je posmična deformacija manja od 10%, G′i G″složenog sistema u osnovi se ne povećavaju sa posmičnom deformacijom. Međutim, pokazuje da unutar ovog raspona posmičnih deformacija, složeni sistem može odgovoriti na vanjske podražaje kroz promjenu konformacije molekularnog lanca, a struktura složenog sistema nije oštećena. Kada je posmična deformacija >10%, spoljašnja Pod dejstvom sile smicanja, brzina raspleta molekularnih lanaca u složenom sistemu je veća od brzine isprepletanja, G′i G″počinju da opadaju i sistem ulazi u nelinearnu viskoelastičnu oblast. Stoga je u naknadnom testu dinamičke frekvencije parametar posmične deformacije odabran kao 1% za ispitivanje.

2.3 Analiza krivulje frekvencije za KGM/HPMC složeni sistem

Krivulje varijacije modula skladištenja i modula gubitka sa frekvencijom za KGM/HPMC rješenja s različitim omjerima smjese pod različitim masenim udjelima. Modul skladištenja G' predstavlja energiju koja se može povratiti nakon privremenog skladištenja u testu, a modul gubitka G” označava energiju potrebnu za početni protok, koji je nepovratan gubitak i konačno se pretvara u toplinu smicanja. Može se vidjeti da, s povećanjem frekvencije oscilacije, modul gubitaka G″uvijek je veći od skladišnog modula G′, pokazujući tečno ponašanje. U opsegu testnih frekvencija, modul memorije G' i modul gubitaka G” rastu sa povećanjem frekvencije oscilovanja. Ovo je uglavnom zbog činjenice da sa povećanjem frekvencije oscilovanja, segmenti molekularnog lanca u sistemu nemaju vremena da se oporave do deformacije u kratkom vremenu. Prethodno stanje, pokazujući tako fenomen da se više energije može uskladištiti ( veći G′) ili treba da se izgubi (G″).

Sa povećanjem frekvencije oscilovanja, modul skladištenja sistema naglo opada, a sa povećanjem masenog udela i sadržaja KGM sistema, tačka frekvencije naglog pada postepeno raste. Nagli pad može biti posljedica uništenja kompaktne strukture formirane hidrofobnom asocijacijom između KGM i HPMC u sistemu vanjskim smicanjem. Štaviše, povećanje masenog udjela u sistemu i sadržaja KGM je korisno za održavanje stabilnosti guste strukture i povećava vrijednost vanjske frekvencije koja uništava strukturu.

2.4 Analiza krivulje temperaturnog skeniranja KGM/HPMC kompozitnog sistema

Iz krivulja skladišnog modula i modula gubitka KGM/HPMC rješenja sa različitim masenim udjelima i različitim omjerima smjese, može se vidjeti da kada je maseni udio sistema 0,50%, G′i G″HPMC rastvora se jedva menja sa temperaturom. , i G″>G′, viskoznost sistema dominira; kada se maseni udio poveća, G′HPMC otopine prvo ostaje nepromijenjena, a zatim naglo raste, a G′i G″seku na oko 70°C (temperatura presečne tačke je tačka gela), a sistem u ovom trenutku formira gel, što ukazuje da je HPMC termički indukovani gel. Za KGM rješenje, kada je maseni udio sistema 0,50% i 0,75%, G′i G sistema „pokazuje opadajući trend; kada se maseni udio poveća, G' i G” otopine KGM se prvo smanjuju, a zatim značajno povećavaju, što ukazuje da KGM otopina pokazuje svojstva poput gela pri visokim masenim udjelima i visokim temperaturama.

Sa porastom temperature, G′i G″kompleksnog sistema KGM/HPMC prvo se smanjio, a zatim značajno povećao, a G′i G″pojavile su se tačke preseka, a sistem je formirao gel. Kada su HPMC molekule na niskoj temperaturi, javlja se vodikova veza između hidrofilnih grupa na molekularnom lancu i molekula vode, a kada temperatura poraste, primijenjena toplina uništava vodikove veze nastale između HPMC i molekula vode, što rezultira stvaranjem HPMC makromolekula lancima. Hidrofobne grupe na površini su izložene, dolazi do hidrofobne asocijacije i formira se termotropni gel. Za sistem niske masene frakcije, više sadržaja KGM može formirati gel; za sistem visoke masene frakcije, više sadržaja HPMC može formirati gel. U sistemu niske masene frakcije (0,50%), prisustvo KGM molekula smanjuje verovatnoću formiranja vodoničnih veza između HPMC molekula, čime se povećava mogućnost izlaganja hidrofobnih grupa u HPMC molekulima, što je pogodno za stvaranje termotropnih gelova. U sistemu velike masene frakcije, ako je sadržaj KGM previsok, viskoznost sistema je visoka, što ne pogoduje hidrofobnoj povezanosti između HPMC i KGM molekula, što ne pogoduje stvaranju termogenog gela.

3. Zaključak

U ovom radu se proučava reološko ponašanje sistema spojeva KGM i HPMC. Rezultati pokazuju da je složeni sistem KGM/HPMC nenjutnovski fluid, a tip fluida složenog sistema KGM/HPMC uglavnom je određen KGM. Povećanje masenog udjela sistema i sadržaja KGM-a smanjilo je fluidnost otopine smjese i povećalo njenu viskoznost. U solnom stanju, molekularni lanci KGM i HPMC formiraju gušću strukturu kroz hidrofobne interakcije. Struktura u sistemu je uništena vanjskim smicanjem, što rezultira naglim padom modula skladištenja sistema. Povećanje masenog udjela sistema i sadržaja KGM je korisno za održavanje stabilnosti guste strukture i povećanje vrijednosti vanjske frekvencije koja uništava strukturu. Za sistem niske masene frakcije, veći sadržaj KGM pogoduje formiranju gela; za sistem visoke masene frakcije, veći sadržaj HPMC pogoduje formiranju gela.