Studie reologického chování konjakového glukomananu a systému sloučenin hydroxypropylmethylcelulózy

Jako výzkumný objekt byl vzat směsný systém konjac glukomananu (KGM) a hydroxypropylmethylcelulózy (HPMC) a na směsném systému byly pomocí rotačního reometru provedeny testy smyku, frekvence a teploty v ustáleném stavu. Byl analyzován vliv hmotnostního podílu roztoku a poměru sloučenin na viskozitu a reologické vlastnosti systému sloučenin KGM/HPMC. Výsledky ukazují, že systém sloučenin KGM/HPMC je nenewtonská kapalina a zvýšení hmotnostního podílu a obsahu KGM v systému snižuje tekutost roztoku sloučeniny a zvyšuje viskozitu. V solovém stavu tvoří molekulární řetězce KGM a HPMC kompaktnější strukturu prostřednictvím hydrofobních interakcí. Zvýšení hmotnostního podílu systému a obsahu KGM přispívá k udržení stability konstrukce. V systému s nízkou hmotností je zvýšení obsahu KGM prospěšné pro tvorbu termotropních gelů; zatímco v systému s vysokou hmotností přispívá zvýšení obsahu HPMC k tvorbě termotropních gelů.

klíčová slova:konjac glukomannan; hydroxypropylmethylcelulóza; sloučenina; reologické chování

Přírodní polysacharidy jsou široce používány v potravinářském průmyslu díky svým zahušťovacím, emulgačním a gelujícím vlastnostem. Konjac glukomannan (KGM) je přírodní rostlinný polysacharid, složený zβ-D-glukóza aβ-D-manóza v poměru 1,6:1, obě jsou spojenyβ-1,4 glykosidické vazby, v C- V poloze 6 je malé množství acetylu (přibližně 1 acetyl na každých 17 zbytků). Vysoká viskozita a špatná tekutost vodného roztoku KGM však omezují jeho použití ve výrobě. Hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC) je propylenglykolether methylcelulózy, který patří k neiontovému éteru celulózy. HPMC je filmotvorný, ve vodě rozpustný a obnovitelný. HPMC má nízkou viskozitu a pevnost gelu při nízkých teplotách a relativně špatný výkon při zpracování, ale při vysokých teplotách může vytvářet relativně viskózní pevný gel, takže mnoho výrobních procesů musí být prováděno při vysokých teplotách, což má za následek vysokou spotřebu energie při výrobě. Výrobní náklady jsou vysoké. Literatura ukazuje, že nesubstituovaná manózová jednotka na molekulárním řetězci KGM může tvořit slabě zesíťovanou hydrofobní asociační oblast s hydrofobní skupinou na molekulárním řetězci HPMC prostřednictvím hydrofobní interakce. Tato struktura může zpomalit a částečně zabránit tepelné gelaci HPMC a snížit teplotu gelu HPMC. Kromě toho se s ohledem na vlastnosti HPMC s nízkou viskozitou při relativně nízkých teplotách předpokládá, že její smíchání s KGM může zlepšit vlastnosti KGM s vysokou viskozitou a zlepšit jeho zpracovatelskou výkonnost. Proto tento článek zkonstruuje systém sloučenin KGM/HPMC, aby prozkoumal vliv hmotnostního podílu roztoku a poměru sloučenin na reologické vlastnosti systému KGM/HPMC, a poskytne teoretický odkaz pro aplikaci systému sloučenin KGM/HPMC v potravinářský průmysl.

1. Materiály a metody

1.1 Materiály a činidla

Hydroxypropylmethylcelulóza, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, hmotnostní zlomek 2 %, viskozita 6 mPa·s; methoxy hmotnostní frakce 28 %-30 %; hydroxypropylová hmotnostní frakce 7,0 % až 12 %.

Konjac glukomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viskozita vodného roztoku 1 % hmotn.≥28 000 mPa·s.

1.2 Přístroje a vybavení

rotační reometr MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Rakousko; Stroj na ultračistou vodu UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektronické analytické váhy AB-50, švýcarská společnost Mette; LHS-150HC vodní lázeň s konstantní teplotou, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Elektrické míchadlo JJ-1, továrna na lékařské nástroje Jintan, provincie Jiangsu.

1.3 Příprava roztoku sloučeniny

Zvažte prášky HPMC a KGM s určitým poměrem složení (hmotnostní poměr: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), pomalu je přidávejte do deionizované vody v 60°C vodní lázeň a míchejte po dobu 1,5~ 2 h, aby se rovnoměrně dispergoval, a připravte 5 druhů gradientových roztoků s celkovými podíly pevné hmotnosti 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % a 1,50 %, v tomto pořadí.

1.4 Test reologických vlastností roztoku sloučeniny

Smykový test v ustáleném stavu: Reologická křivka roztoku sloučeniny KGM/HPMC byla měřena pomocí kužele a desky CP50, mezera mezi horní a spodní deskou byla fixována na 0,1 mm, teplota měření byla 25 °C.°C a rozsah smykové rychlosti byl 0,1 až 100 s-1.

Deformační skenování (určení lineární viskoelastické oblasti): Použijte desku PP50 k měření lineární viskoelastické oblasti a zákona změny modulu roztoku směsi KGM/HPMC, nastavte rozteč na 1 000 mm, pevnou frekvenci na 1 Hz a teplotu měření na 25°C. Rozsah deformace je 0,1 %~100 %.

Frekvenční rozmítání: Použijte desku PP50 k měření změny modulu a frekvenční závislosti roztoku směsi KGM/HPMC. Rozteč je nastavena na 1 000 mm, napětí je 1 %, teplota měření je 25°C a frekvenční rozsah je 0,1-100 Hz.

Teplotní skenování: Modul a jeho teplotní závislost roztoku směsi KGM/HPMC byly měřeny pomocí desky PP50, rozteč byla nastavena na 1 000 mm, pevná frekvence byla 1 Hz, deformace byla 1 % a teplota byla od 25 do 90°C.

2. Výsledky a analýza

2.1 Analýza průtokové křivky systému sloučenin KGM/HPMC

Křivky viskozity versus smyková rychlost roztoků KGM/HPMC s různými poměry složení při různých hmotnostních frakcích. Tekutiny, jejichž viskozita je lineární funkcí smykové rychlosti, se nazývají newtonské kapaliny, jinak se nazývají nenewtonské kapaliny. Z křivky je vidět, že viskozita roztoku KGM a roztoku sloučeniny KGM/HPMC klesá se zvýšením smykové rychlosti; čím vyšší je obsah KGM, tím vyšší je hmotnostní zlomek systému a tím zjevnější je fenomén smykového ztenčení roztoku. To ukazuje, že KGM a KGM/HPMC směsný systém jsou nenewtonské kapaliny a typ kapaliny KGM/HPMC směsný systém je určen hlavně KGM.

Z indexu toku a koeficientu viskozity roztoků KGM/HPMC s různými hmotnostními frakcemi a různými poměry sloučenin lze vidět, že hodnoty n systémů sloučenin KGM, HPMC a KGM/HPMC jsou všechny menší než 1, což naznačuje, že roztoky jsou všechny pseudoplastické kapaliny. U systému sloučenin KGM/HPMC způsobí zvýšení hmotnostního podílu systému zapletení a další interakce mezi molekulárními řetězci HPMC a KGM v roztoku, což sníží pohyblivost molekulárních řetězců, čímž se sníží hodnota n systému. Současně s nárůstem obsahu KGM se zvyšuje interakce mezi molekulárními řetězci KGM v systému KGM/HPMC, čímž se snižuje jeho mobilita a dochází ke snížení hodnoty n. Naopak, hodnota K roztoku sloučeniny KGM/HPMC kontinuálně roste se zvyšováním hmotnostního zlomku roztoku a obsahu KGM, což je způsobeno především nárůstem hmotnostního zlomku systému a obsahu KGM, které oba zvyšují obsah hydrofilní skupiny v systému. , což zvyšuje molekulární interakci uvnitř molekulárního řetězce a mezi řetězci, čímž se zvětšuje hydrodynamický poloměr molekuly, takže je méně pravděpodobné, že bude orientována působením vnější smykové síly a zvýší se viskozita.

Teoretická hodnota viskozity při nulovém smyku systému sloučenin KGM/HPMC může být vypočtena podle výše uvedeného principu logaritmického součtu a její experimentální hodnota může být získána extrapolací křivky viskozity-smykové rychlosti Carrenovou fitovací extrapolací. Porovnáním předpokládané hodnoty viskozity při nulovém smyku systému směsí KGM/HPMC s různými hmotnostními frakcemi a různými poměry směsi s experimentální hodnotou lze vidět, že skutečná hodnota viskozity při nulovém smyku směsi KGM/HPMC řešení je menší než teoretická hodnota. To naznačovalo, že se v komplexním systému KGM a HPMC vytvořila nová sestava s hustou strukturou. Stávající studie ukázaly, že nesubstituované manózové jednotky na molekulárním řetězci KGM mohou interagovat s hydrofobními skupinami na molekulárním řetězci HPMC za vzniku slabě zesíťované hydrofobní asociační oblasti. Spekuluje se, že nová struktura sestavy s relativně hustou strukturou je tvořena hlavně hydrofobními interakcemi. Když je poměr KGM nízký (HPMC > 50 %), je skutečná hodnota nulové smykové viskozity systému KGM/HPMC nižší než teoretická hodnota, což ukazuje, že při nízkém obsahu KGM se více molekul podílí na hustší nové struktura. Při vytváření se dále snižuje viskozita systému s nulovým smykem.

2.2 Analýza deformačních křivek systému sloučenin KGM/HPMC

Ze závislostních křivek modulu a smykové deformace roztoků KGM/HPMC s různými hmotnostními frakcemi a různými poměry míšení lze vidět, že když je smyková deformace menší než 10 %, G'a G″složeného systému se v podstatě nezvyšují se smykovým přetvořením. Ukazuje však, že v tomto rozsahu smykového napětí může systém sloučenin reagovat na vnější podněty prostřednictvím změny konformace molekulárního řetězce a struktura systému sloučenin není poškozena. Když je smykové napětí >10 %, vnější Při působení smykové síly je rychlost rozvolňování molekulárních řetězců v komplexním systému větší než rychlost zapletení, G'a G″začnou klesat a systém vstoupí do nelineární viskoelastické oblasti. Proto byl v následné dynamické frekvenční zkoušce zvolen parametr smykové deformace jako 1 % pro testování.

2.3 Analýza frekvenční rozmítací křivky systému sloučenin KGM/HPMC

Variační křivky skladovacího modulu a ztrátového modulu s frekvencí pro roztoky KGM/HPMC s různými poměry složení při různých hmotnostních zlomcích. Akumulační modul G' představuje energii, kterou lze získat zpět po dočasném uskladnění v testu, a ztrátový modul G” znamená energii potřebnou pro počáteční tok, který je nevratnou ztrátou a nakonec se přemění na smykové teplo. Je vidět, že s rostoucí frekvencí kmitání se ztrátový modul G″je vždy větší než skladovací modul G', ukazující chování kapaliny. Ve zkušebním kmitočtovém rozsahu se akumulační modul G' a ztrátový modul G” zvyšují s rostoucí frekvencí kmitání. Je to způsobeno především tím, že se zvýšením frekvence kmitů nemají segmenty molekulárního řetězce v systému čas na to, aby se v krátké době zotavily do deformace Předchozí stav, čímž se ukazuje jev, že lze uložit více energie ( větší G') nebo se musí ztratit (G″).

S nárůstem frekvence kmitů náhle klesá akumulační modul systému a s nárůstem hmotnostního zlomku a obsahu KGM v systému se postupně zvyšuje frekvenční bod náhlého poklesu. Náhlý pokles může být způsoben destrukcí kompaktní struktury vytvořené hydrofobním spojením mezi KGM a HPMC v systému vnějším střihem. Navíc zvýšení systémové hmotnostní frakce a obsahu KGM je výhodné pro udržení stability husté struktury a zvyšuje hodnotu vnější frekvence, která ničí strukturu.

2.4 Analýza teplotní skenovací křivky kompozitního systému KGM/HPMC

Z křivek skladovacího modulu a ztrátového modulu roztoků KGM/HPMC s různými hmotnostními zlomky a různými poměry složení lze vidět, že když je hmotnostní zlomek systému 0,50 %, G'a G″HPMC roztoku se s teplotou téměř nemění. a G″>G', viskozita systému dominuje; když se hmotnostní zlomek zvýší, G'roztoku HPMC nejprve zůstává nezměněn a poté se prudce zvyšuje a G'a G″protínají kolem 70°C (teplota bodu průsečíku je bod gelu) a systém v tomto okamžiku vytvoří gel, což naznačuje, že HPMC je tepelně indukovaný gel. Pro roztok KGM, kdy je hmotnostní zlomek systému 0,50 % a 0,75 %, G'a G systému „vykazuje klesající trend; když se hmotnostní zlomek zvýší, G' a G“ roztoku KGM nejprve klesají a pak se významně zvyšují, což ukazuje, že roztok KGM vykazuje gelovité vlastnosti při vysokých hmotnostních frakcích a vysokých teplotách.

S rostoucí teplotou se G'a G″komplexního systému KGM/HPMC se nejprve snížil a poté výrazně zvýšil a G'a G″objevily se průsečíky a systém vytvořil gel. Když jsou molekuly HPMC při nízké teplotě, dochází k vodíkové vazbě mezi hydrofilními skupinami na molekulárním řetězci a molekulami vody, a když teplota stoupne, aplikované teplo ničí vodíkové vazby vytvořené mezi HPMC a molekulami vody, což má za následek vznik makromolekulárních HPMC. řetězy. Odkryjí se hydrofobní skupiny na povrchu, dojde k hydrofobní asociaci a vytvoří se termotropní gel. U systému s nízkou hmotností může větší obsah KGM tvořit gel; pro systém s vysokou hmotností může větší obsah HPMC tvořit gel. V systému s nízkou hmotností (0,50 %) přítomnost molekul KGM snižuje pravděpodobnost tvorby vodíkových vazeb mezi molekulami HPMC, čímž se zvyšuje možnost expozice hydrofobních skupin v molekulách HPMC, což vede k tvorbě termotropních gelů. V systému frakcí s vysokou hmotností, pokud je obsah KGM příliš vysoký, je viskozita systému vysoká, což nepřispívá k hydrofobní asociaci mezi molekulami HPMC a KGM, což nepřispívá k tvorbě termogenního gelu.

3. Závěr

V tomto článku je studováno reologické chování systému sloučenin KGM a HPMC. Výsledky ukazují, že složený systém KGM/HPMC je nenewtonská kapalina a typ kapaliny složeného systému KGM/HPMC je určen hlavně KGM. Zvýšení hmotnostního podílu systému a obsahu KGM snížilo tekutost roztoku sloučeniny a zvýšilo jeho viskozitu. V solovém stavu tvoří molekulární řetězce KGM a HPMC hustší strukturu prostřednictvím hydrofobních interakcí. Struktura v systému je zničena vnějším střihem, což má za následek náhlý pokles akumulačního modulu systému. Zvýšení systémového hmotnostního zlomku a obsahu KGM je výhodné pro udržení stability husté struktury a zvýšení hodnoty vnější frekvence, která strukturu ničí. U systému s nízkou hmotností přispívá větší obsah KGM k tvorbě gelu; u systému s vysokou hmotností je vyšší obsah HPMC napomáhající tvorbě gelu.