Estudi del comportament reològic del sistema compost de konjac glucomannan i hidroxipropil metilcel·lulosa

El sistema compost de konjac glucomannan (KGM) i hidroxipropil metilcel·lulosa (HPMC) es va prendre com a objecte d'investigació, i les proves de cisalla, freqüència i temperatura en estat estacionari es van dur a terme al sistema compost mitjançant un reòmetre rotatiu. Es va analitzar la influència de la fracció de massa de la solució i la relació del compost sobre la viscositat i les propietats reològiques del sistema compost KGM/HPMC. Els resultats mostren que el sistema compost KGM/HPMC és un fluid no newtonià, i l'augment de la fracció de massa i el contingut de KGM del sistema redueix la fluïdesa de la solució composta i augmenta la viscositat. En estat sol, les cadenes moleculars KGM i HPMC formen una estructura més compacta mitjançant interaccions hidrofòbiques. Augmentar la fracció de massa del sistema i el contingut de KGM és propici per mantenir l'estabilitat de l'estructura. En el sistema de fraccions de massa baixa, augmentar el contingut de KGM és beneficiós per a la formació de gels termotròpics; mentre que en el sistema de fraccions d'alta massa, augmentar el contingut de HPMC és propici per a la formació de gels termotròpics.

Paraules clau:konjac glucomanan; hidroxipropil metilcel·lulosa; compost; comportament reològic

Els polisacàrids naturals són molt utilitzats en la indústria alimentària per les seves propietats espessidores, emulsionants i gelificants. Konjac glucomannan (KGM) és un polisacàrid vegetal natural, compost perβ-D-glucosa iβ-D-manosa en una proporció d'1,6:1, les dues estan enllaçades perβ-1,4 enllaços glicosídics, a la C- Hi ha una petita quantitat d'acetil a la posició 6 (aproximadament 1 acetil per cada 17 residus). Tanmateix, l'alta viscositat i la poca fluïdesa de la solució aquosa KGM limiten la seva aplicació en la producció. La hidroxipropil metilcelulosa (HPMC) és un èter de propilenglicol de metilcel·lulosa, que pertany a l'èter de cel·lulosa no iònic. HPMC és pel·lícula, soluble en aigua i renovable. HPMC té una viscositat baixa i una resistència del gel a baixes temperatures i un rendiment de processament relativament pobre, però pot formar un gel semblant a un sòlid relativament viscós a altes temperatures, de manera que molts processos de producció s'han de dur a terme a altes temperatures, donant lloc a un alt consum d'energia de producció. Els costos de producció són elevats. La literatura mostra que la unitat de manosa no substituïda de la cadena molecular KGM pot formar una regió d'associació hidrofòbica feblement reticulada amb el grup hidrofòbic de la cadena molecular HPMC mitjançant una interacció hidrofòbica. Aquesta estructura pot retardar i prevenir parcialment la gelificació tèrmica de HPMC i reduir la temperatura del gel de HPMC. A més, tenint en compte les propietats de baixa viscositat de l'HPMC a temperatures relativament baixes, es preveu que la seva combinació amb KGM pugui millorar les propietats d'alta viscositat de KGM i millorar el seu rendiment de processament. Per tant, aquest article construirà un sistema compost KGM/HPMC per explorar la influència de la fracció de massa de la solució i la proporció de compostos sobre les propietats reològiques del sistema KGM/HPMC i proporcionarà una referència teòrica per a l'aplicació del sistema compost KGM/HPMC en la indústria alimentària.

1. Materials i mètodes

1.1 Materials i reactius

Hidroxipropil metilcel·lulosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fracció de massa 2%, viscositat 6 mPa·s; fracció de massa metoxi 28% ~ 30%; fracció de massa hidroxipropil 7,0% ~ 12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1% en pes de viscositat de solució aquosa≥28 000 mPa·s.

1.2 Instruments i equipaments

Reòmetre rotacional MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Àustria; Màquina d'aigua ultrapura UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Balança analítica electrònica AB-50, empresa suïssa Mette; LHS-150HC bany d'aigua a temperatura constant, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Agitador elèctric JJ-1, fàbrica d'instruments mèdics Jintan, província de Jiangsu.

1.3 Preparació de la solució composta

Peseu les pols HPMC i KGM amb una determinada proporció de compostos (relació de massa: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), afegiu-les lentament a l'aigua desionitzada en un 60°C bany d'aigua i remenar durant 1,5 ~ 2 h per dispersar-lo de manera uniforme i preparar 5 tipus de solucions de gradient amb fraccions de massa sòlida total del 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% i 1,50%, respectivament.

1.4 Assaig de propietats reològiques de la solució composta

Prova de cisalla en estat estacionari: la corba reològica de la solució composta KGM/HPMC es va mesurar mitjançant un con i una placa CP50, el buit entre les plaques superior i inferior es va fixar a 0,1 mm, la temperatura de mesura va ser de 25°C, i el rang de velocitat de cisalla va ser de 0,1 a 100 s-1.

Escaneig de tensió (determinació de la regió viscoelàstica lineal): utilitzeu la placa PP50 per mesurar la regió viscoelàstica lineal i la llei de canvi de mòdul de la solució composta KGM/HPMC, establiu l'espaiat a 1.000 mm, la freqüència fixa a 1 Hz i la temperatura de mesura a 25°C. El rang de tensió és del 0,1% ~ 100%.

Escombrat de freqüència: utilitzeu una placa PP50 per mesurar el canvi de mòdul i la dependència de freqüència de la solució composta KGM/HPMC. L'espaiat s'estableix a 1.000 mm, la tensió és de l'1%, la temperatura de mesura és de 25°C i el rang de freqüència és de 0,1 a 100 Hz.

Escaneig de temperatura: el mòdul i la seva dependència de la temperatura de la solució composta KGM/HPMC es van mesurar mitjançant una placa PP50, l'espaiat es va establir a 1.000 mm, la freqüència fixa era d'1 Hz, la deformació era de l'1% i la temperatura era de 25 a 90°C.

2. Resultats i anàlisi

2.1 Anàlisi de la corba de flux del sistema compost KGM/HPMC

Corbes de viscositat versus velocitat de cisalla de solucions KGM/HPMC amb diferents proporcions de composició a diferents fraccions de massa. Els fluids la viscositat dels quals és una funció lineal de la velocitat de cisalla s'anomenen fluids newtonians, en cas contrari s'anomenen fluids no newtonians. A la corba es pot veure que la viscositat de la solució KGM i la solució composta KGM/HPMC disminueix amb l'augment de la velocitat de cisalla; com més gran sigui el contingut de KGM, més gran serà la fracció de massa del sistema i més evident és el fenomen d'aprimament per cisalla de la solució. Això mostra que el sistema compost KGM i KGM/HPMC són fluids no newtonians, i el tipus de fluid del sistema compost KGM/HPMC està determinat principalment per KGM.

A partir de l'índex de flux i el coeficient de viscositat de les solucions KGM/HPMC amb diferents fraccions de massa i diferents proporcions de compostos, es pot veure que els valors n dels sistemes compostos KGM, HPMC i KGM/HPMC són tots inferiors a 1, cosa que indica que les solucions són tots els fluids pseudoplàstics. Per al sistema compost KGM/HPMC, l'augment de la fracció de massa del sistema provocarà l'entrellat i altres interaccions entre les cadenes moleculars HPMC i KGM a la solució, cosa que reduirà la mobilitat de les cadenes moleculars, reduint així el valor n de el sistema. Al mateix temps, amb l'augment del contingut de KGM, es millora la interacció entre les cadenes moleculars de KGM en el sistema KGM/HPMC, reduint així la seva mobilitat i donant lloc a una disminució del valor n. Per contra, el valor K de la solució composta KGM/HPMC augmenta contínuament amb l'augment de la fracció de massa de la solució i el contingut de KGM, que es deu principalment a l'augment de la fracció de massa del sistema i el contingut de KGM, que augmenten ambdós el contingut de grups hidròfils del sistema. , augmentant la interacció molecular dins de la cadena molecular i entre les cadenes, augmentant així el radi hidrodinàmic de la molècula, fent que sigui menys probable que estigui orientada sota l'acció de la força de cisalla externa i augmentant la viscositat.

El valor teòric de la viscositat de cisalla zero del sistema compost KGM/HPMC es pot calcular segons el principi de suma logarítmica anterior, i el seu valor experimental es pot obtenir mitjançant l'extrapolació d'ajust de Carren de la corba de velocitat de cisalla viscositat. Comparant el valor previst de la viscositat de cisalla zero del sistema compost KGM/HPMC amb diferents fraccions de massa i diferents relacions de compostatge amb el valor experimental, es pot veure que el valor real de la viscositat de cisalla zero del compost KGM/HPMC solució és menor que el valor teòric. Això va indicar que es va formar un nou conjunt amb una estructura densa en el complex sistema de KGM i HPMC. Els estudis existents han demostrat que les unitats de manosa no substituïdes de la cadena molecular KGM poden interactuar amb els grups hidrofòbics de la cadena molecular HPMC per formar una regió d'associació hidrofòbica feblement reticulada. S'especula que la nova estructura de conjunt amb una estructura relativament densa es forma principalment mitjançant interaccions hidrofòbiques. Quan la proporció de KGM és baixa (HPMC> 50%), el valor real de la viscositat de cisalla zero del sistema KGM/HPMC és inferior al valor teòric, la qual cosa indica que amb un contingut baix de KGM, més molècules participen en el nou més dens. estructura. En la formació de , la viscositat de cisalla zero del sistema es redueix encara més.

2.2 Anàlisi de les corbes d'escombrat de deformació del sistema compost KGM/HPMC

A partir de les corbes de relació del mòdul i la deformació de cisalla de les solucions KGM/HPMC amb diferents fraccions de massa i diferents relacions de compostatge, es pot veure que quan la deformació de cisalla és inferior al 10%, la G′i G″del sistema compost bàsicament no augmenten amb la deformació de cisalla. Tanmateix, mostra que dins d'aquest rang de tensió de cisalla, el sistema compost pot respondre a estímuls externs mitjançant el canvi de conformació de la cadena molecular i l'estructura del sistema compost no es fa malbé. Quan la tensió de cisalla és > 10%, l'externa Sota l'acció de la força de cisalla, la velocitat de desenganxament de les cadenes moleculars en el sistema complex és més gran que la velocitat d'entrellament, G′i G″comença a disminuir i el sistema entra a la regió viscoelàstica no lineal. Per tant, a la prova de freqüència dinàmica posterior, el paràmetre de tensió de cisalla es va seleccionar com a 1% per a la prova.

2.3 Anàlisi de la corba d'escombrat de freqüència del sistema compost KGM/HPMC

Corbes de variació del mòdul d'emmagatzematge i del mòdul de pèrdua amb freqüència per a solucions KGM/HPMC amb diferents proporcions de compostatge sota diferents fraccions de massa. El mòdul d'emmagatzematge G' representa l'energia que es pot recuperar després de l'emmagatzematge temporal a la prova, i el mòdul de pèrdua G” significa l'energia necessària per al flux inicial, que és una pèrdua irreversible i finalment es transforma en calor de cisalla. Es pot veure que, amb A mesura que augmenta la freqüència d'oscil·lació, el mòdul de pèrdua G″sempre és més gran que el mòdul d'emmagatzematge G′, mostrant un comportament líquid. En el rang de freqüències de prova, el mòdul d'emmagatzematge G' i el mòdul de pèrdua G” augmenten amb l'augment de la freqüència d'oscil·lació. Això es deu principalment al fet que amb l'augment de la freqüència d'oscil·lació, els segments de la cadena molecular del sistema no tenen temps per recuperar la deformació en poc temps L'estat anterior, mostrant així el fenomen que es pot emmagatzemar més energia ( més gran G′) o s'ha de perdre (G″).

Amb l'augment de la freqüència d'oscil·lació, el mòdul d'emmagatzematge del sistema cau sobtadament, i amb l'augment de la fracció de massa i el contingut de KGM del sistema, el punt de freqüència de la caiguda sobtada augmenta gradualment. La caiguda sobtada pot ser deguda a la destrucció de l'estructura compacta formada per l'associació hidrofòbica entre KGM i HPMC al sistema per cisalla externa. A més, l'augment de la fracció de massa del sistema i el contingut de KGM és beneficiós per mantenir l'estabilitat de l'estructura densa i augmenta el valor de la freqüència externa que destrueix l'estructura.

2.4 Anàlisi de la corba d'exploració de temperatura del sistema compost KGM/HPMC

A partir de les corbes de mòdul d'emmagatzematge i mòdul de pèrdua de solucions KGM/HPMC amb diferents fraccions de massa i diferents proporcions de compostatge, es pot veure que quan la fracció de massa del sistema és del 0,50%, la G′i G″de la solució HPMC gairebé no canvia amb la temperatura. , i G″> G′, domina la viscositat del sistema; quan la fracció de massa augmenta, la G′de la solució HPMC primer es manté sense canvis i després augmenta bruscament, i G′i G″es creuen al voltant dels 70°C (la temperatura del punt d'intersecció és el punt de gel) i el sistema forma un gel en aquest moment, indicant així que HPMC és un gel induït tèrmicament. Per a la solució KGM, quan la fracció de massa del sistema és del 0,50% i del 0,75%, la G′i G del sistema “mostra una tendència decreixent; quan la fracció de massa augmenta, el G' i G" de la solució KGM primer disminueixen i després augmenten significativament, cosa que indica que la solució KGM presenta propietats semblants a un gel a fraccions de massa elevades i temperatures elevades.

Amb l'augment de la temperatura, el G′i G″del sistema complex KGM/HPMC primer va disminuir i després va augmentar significativament, i G′i G″van aparèixer punts d'intersecció, i el sistema va formar un gel. Quan les molècules d'HPMC es troben a baixa temperatura, es produeix un enllaç d'hidrogen entre els grups hidròfils de la cadena molecular i les molècules d'aigua, i quan la temperatura augmenta, la calor aplicada destrueix els enllaços d'hidrogen formats entre l'HPMC i les molècules d'aigua, donant lloc a la formació de macromoleculars HPMC. cadenes. Els grups hidrofòbics de la superfície queden exposats, es produeix una associació hidrofòbica i es forma un gel termotròpic. Per al sistema de fraccions de massa baixa, més contingut de KGM pot formar gel; per al sistema de fraccions de massa elevada, més contingut d'HPMC pot formar gel. En el sistema de fraccions de massa baixa (0,50%), la presència de molècules KGM redueix la probabilitat de formar enllaços d'hidrogen entre molècules HPMC, augmentant així la possibilitat d'exposició de grups hidròfobs en molècules HPMC, la qual cosa afavoreix la formació de gels termotròpics. En el sistema de fraccions de massa alta, si el contingut de KGM és massa alt, la viscositat del sistema és alta, cosa que no afavoreix l'associació hidrofòbica entre les molècules HPMC i KGM, que no afavoreix la formació de gel termogènic.

3. Conclusió

En aquest article s'estudia el comportament reològic del sistema compost de KGM i HPMC. Els resultats mostren que el sistema compost de KGM/HPMC és un fluid no newtonià i el tipus de fluid del sistema compost de KGM/HPMC està determinat principalment per KGM. L'augment de la fracció de massa del sistema i el contingut de KGM va disminuir la fluïdesa de la solució composta i va augmentar la seva viscositat. En estat sol, les cadenes moleculars de KGM i HPMC formen una estructura més densa mitjançant interaccions hidrofòbiques. L'estructura del sistema es destrueix per un cisallament extern, donant lloc a una caiguda sobtada del mòdul d'emmagatzematge del sistema. L'augment de la fracció de massa del sistema i el contingut de KGM és beneficiós per mantenir l'estabilitat de l'estructura densa i augmentar el valor de la freqüència externa que destrueix l'estructura. Per al sistema de fraccions de massa baixa, més contingut de KGM és propici per a la formació de gel; per al sistema de fraccions d'alta massa, més contingut d'HPMC és propici per a la formació de gel.