Undersøgelse af rheologisk opførsel af konjac glucomannan og hydroxypropylmethylcelluloseforbindelsessystem

Det sammensatte system af konjac glucomannan (KGM) og hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) blev taget som forskningsobjekt, og steady-state shear-, frekvens- og temperatursweep-testene blev udført på det sammensatte system ved hjælp af rotationsreometer. Indflydelsen af ​​opløsningsmassefraktion og forbindelsesforhold på viskositet og rheologiske egenskaber af KGM/HPMC-forbindelsessystem blev analyseret. Resultaterne viser, at KGM/HPMC-forbindelsessystemet er en ikke-newtonsk væske, og stigningen i massefraktionen og KGM-indholdet i systemet reducerer fluiditeten af ​​den sammensatte opløsning og øger viskositeten. I soltilstanden danner KGM og HPMC molekylære kæder en mere kompakt struktur gennem hydrofobe interaktioner. Forøgelse af systemets massefraktion og KGM-indhold er befordrende for at opretholde strukturens stabilitet. I lavmassefraktionssystemet er en forøgelse af indholdet af KGM gavnlig for dannelsen af ​​termotropiske geler; mens en forøgelse af indholdet af HPMC i højmassefraktionssystemet er befordrende for dannelsen af ​​termotropiske geler.

Nøgleord:konjac glucomannan; hydroxypropylmethylcellulose; forbindelse; reologisk adfærd

Naturlige polysaccharider er meget udbredt i fødevareindustrien på grund af deres fortykkende, emulgerende og gelerende egenskaber. Konjac glucomannan (KGM) er et naturligt plantepolysaccharid, sammensat afβ-D-glukose ogβ-D-mannose i forholdet 1,6:1, de to er forbundet medβ-1,4 glykosidbindinger, i C- Der er en lille mængde acetyl i position 6 (ca. 1 acetyl for hver 17 rester). Imidlertid begrænser den høje viskositet og dårlige fluiditet af KGM-vandopløsning dens anvendelse i produktionen. Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) er en propylenglycolether af methylcellulose, som tilhører ikke-ionisk celluloseether. HPMC er filmdannende, vandopløseligt og fornybart. HPMC har lav viskositet og gelstyrke ved lave temperaturer og relativt dårlig forarbejdningsydelse, men kan danne en relativt tyktflydende faststoflignende gel ved høje temperaturer, så mange produktionsprocesser skal udføres ved høje temperaturer, hvilket resulterer i et højt produktionsenergiforbrug. Produktionsomkostningerne er høje. Litteraturen viser, at den usubstituerede mannoseenhed på KGM-molekylkæden kan danne en svagt tværbundet hydrofob associationsregion med den hydrofobe gruppe på HPMC-molekylkæden gennem hydrofob interaktion. Denne struktur kan forsinke og delvist forhindre den termiske gelering af HPMC og sænke geltemperaturen af ​​HPMC. I lyset af HPMC's lavviskositetsegenskaber ved relativt lave temperaturer forudsiges det desuden, at dets blanding med KGM kan forbedre højviskositetsegenskaberne af KGM og forbedre dets behandlingsydelse. Derfor vil denne artikel konstruere et KGM/HPMC-forbindelsessystem for at udforske indflydelsen af ​​opløsningsmassefraktion og forbindelsesforhold på de rheologiske egenskaber af KGM/HPMC-systemet og give en teoretisk reference til anvendelsen af ​​KGM/HPMC-forbindelsessystemet i fødevareindustrien.

1. Materialer og metoder

1.1 Materialer og reagenser

Hydroxypropylmethylcellulose, KIMA CHEMICAL CO., LTD, massefraktion 2%, viskositet 6 mPa·s; methoxymassefraktion 28%~30%; hydroxypropylmassefraktion 7,0%~12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 vægt% vandig opløsningsviskositet≥28.000 mPa·s.

1.2 Instrumenter og udstyr

MCR92 rotationsrheometer, Anton Paar Co., Ltd., Østrig; UPT-II-10T ultrarent vand maskine, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co, Ltd; AB-50 elektronisk analytisk vægt, schweizisk Mette selskab; LHS-150HC konstant temperatur vandbad, Wuxi Huaze Technology Co, Ltd; JJ-1 elektrisk omrører, Jintan Medical Instrument Factory, Jiangsu-provinsen.

1.3 Fremstilling af sammensat opløsning

Vej HPMC- og KGM-pulvere med et bestemt blandingsforhold (masseforhold: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), tilsæt dem langsomt i deioniseret vand i en 60°C°C vandbad, og omrør i 1,5 ~ 2 timer for at gøre det fordelt jævnt, og tilbered 5 slags gradientopløsninger med samlede faste massefraktioner på henholdsvis 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% og 1,50%.

1.4 Test af rheologiske egenskaber af forbindelsesopløsning

Steady-state forskydningstest: Den rheologiske kurve for KGM/HPMC-forbindelsesopløsningen blev målt under anvendelse af en CP50-kegle og plade, mellemrummet mellem de øvre og nedre plader blev fastsat til 0,1 mm, måletemperaturen var 25°C, og forskydningshastighedsområdet var 0,1 til 100 s-1.

Deformationsscanning (bestemmelse af lineært viskoelastisk område): Brug PP50-plade til at måle det lineære viskoelastiske område og modulændringsloven for KGM/HPMC-forbindelsesopløsning, indstil afstanden til 1.000 mm, fast frekvens til 1Hz og måletemperaturen til 25°C. Deformationsområdet er 0,1%~100%.

Frekvenssweep: Brug en PP50-plade til at måle modulændringen og frekvensafhængigheden af ​​KGM/HPMC-forbindelsesopløsningen. Afstanden er indstillet til 1.000 mm, belastningen er 1%, måletemperaturen er 25°C, og frekvensområdet er 0,1-100 Hz.

Temperaturscanning: Modulet og dets temperaturafhængighed af KGM/HPMC-forbindelsesopløsningen blev målt ved hjælp af en PP50-plade, afstanden blev sat til 1.000 mm, den faste frekvens var 1 Hz, deformationen var 1 %, og temperaturen var fra 25 til 90°C.

2. Resultater og analyse

2.1 Flowkurveanalyse af KGM/HPMC-forbindelsessystem

Viskositet versus forskydningshastighedskurver for KGM/HPMC-opløsninger med forskellige blandingsforhold ved forskellige massefraktioner. Væsker, hvis viskositet er en lineær funktion af forskydningshastigheden, kaldes newtonske væsker, ellers kaldes de ikke-newtonske væsker. Det kan ses af kurven, at viskositeten af ​​KGM-opløsning og KGM/HPMC-forbindelsesopløsning falder med stigningen i forskydningshastigheden; jo højere KGM-indhold, jo højere er systemmassefraktionen, og jo mere tydeligt er opløsningens forskydningsfortyndingsfænomen. Dette viser, at KGM- og KGM/HPMC-forbindelsessystem er ikke-newtonske væsker, og væsketypen af ​​KGM/HPMC-forbindelsessystem bestemmes hovedsageligt af KGM.

Fra flowindekset og viskositetskoefficienten for KGM/HPMC-opløsninger med forskellige massefraktioner og forskellige forbindelsesforhold kan det ses, at n-værdierne for KGM-, HPMC- og KGM/HPMC-forbindelsessystemer alle er mindre end 1, hvilket indikerer, at opløsningerne er alle pseudoplastiske væsker. For KGM/HPMC-forbindelsessystemet vil stigningen i massefraktionen af ​​systemet forårsage sammenfiltring og andre interaktioner mellem HPMC- og KGM-molekylkæderne i opløsningen, hvilket vil reducere mobiliteten af ​​molekylekæderne og derved reducere n-værdien af systemet. Samtidig, med stigningen af ​​KGM-indhold, forbedres interaktionen mellem KGM-molekylkæder i KGM/HPMC-systemet, hvilket reducerer dets mobilitet og resulterer i et fald i n-værdi. Tværtimod stiger K-værdien af ​​KGM/HPMC-forbindelsesopløsningen kontinuerligt med stigningen af ​​opløsningens massefraktion og KGM-indhold, hvilket hovedsageligt skyldes stigningen af ​​systemmassefraktionen og KGM-indholdet, som begge øger indholdet af hydrofile grupper i systemet. , hvilket øger den molekylære interaktion inden for molekylkæden og mellem kæderne, hvorved den hydrodynamiske radius af molekylet øges, hvilket gør det mindre sandsynligt, at det bliver orienteret under påvirkning af ekstern forskydningskraft og øger viskositeten.

Den teoretiske værdi af nul-forskydningsviskositeten af ​​KGM/HPMC-forbindelsessystemet kan beregnes i overensstemmelse med ovenstående logaritmiske summeringsprincip, og dens eksperimentelle værdi kan opnås ved Carren-tilpasningsekstrapolation af viskositets-forskydningshastighedskurven. Ved at sammenligne den forudsagte værdi af nul-forskydningsviskositeten af ​​KGM/HPMC-forbindelsessystemet med forskellige massefraktioner og forskellige blandingsforhold med den eksperimentelle værdi, kan det ses, at den faktiske værdi af nul-forskydningsviskositeten af ​​KGM/HPMC-forbindelsen løsning er mindre end den teoretiske værdi. Dette indikerede, at en ny samling med en tæt struktur blev dannet i det komplekse system af KGM og HPMC. Eksisterende undersøgelser har vist, at de usubstituerede mannoseenheder på KGM-molekylkæden kan interagere med de hydrofobe grupper på HPMC-molekylkæden for at danne et svagt tværbundet hydrofobt associationsområde. Det spekuleres i, at den nye samlingsstruktur med en relativt tæt struktur hovedsageligt er dannet gennem hydrofobe interaktioner. Når KGM-forholdet er lavt (HPMC > 50%), er den faktiske værdi af nulforskydningsviskositeten af ​​KGM/HPMC-systemet lavere end den teoretiske værdi, hvilket indikerer, at ved lavt KGM-indhold deltager flere molekyler i den tættere nye struktur. Ved dannelsen af ​​, reduceres systemets nul-forskydningsviskositet yderligere.

2.2 Analyse af strain sweep-kurver for KGM/HPMC-forbindelsessystem

Fra sammenhængskurverne for modul og forskydningstøjning af KGM/HPMC-opløsninger med forskellige massefraktioner og forskellige blandingsforhold, kan det ses, at når forskydningsdeformationen er mindre end 10 %, er G"og G″af det sammensatte system stiger stort set ikke med forskydningsbelastningen. Det viser imidlertid, at inden for dette forskydningsspændingsområde kan det sammensatte system reagere på eksterne stimuli gennem ændringen af ​​molekylær kædekonformation, og strukturen af ​​det sammensatte system er ikke beskadiget. Når forskydningsdeformationen er >10%, er den ydre Under påvirkning af forskydningskraft er molekylekædernes adskillelseshastighed større end sammenfiltringshastigheden, G"og G″begynder at falde, og systemet går ind i det ikke-lineære viskoelastiske område. Derfor, i den efterfølgende dynamiske frekvenstest, blev forskydningstøjningsparameteren valgt som 1 % til test.

2.3 Frekvenssweep-kurveanalyse af KGM/HPMC-forbindelsessystem

Variationskurver for lagermodul og tabsmodul med frekvens for KGM/HPMC-opløsninger med forskellige blandingsforhold under forskellige massefraktioner. Lagringsmodulet G' repræsenterer den energi, der kan genvindes efter midlertidig lagring i testen, og tabsmodulet G" betyder den energi, der kræves til det indledende flow, som er et irreversibelt tab og til sidst omdannes til forskydningsvarme. Det kan ses, at med As oscillationsfrekvensen stiger, tabsmodulet G″er altid større end lagermodulet G", der viser væskeadfærd. I testfrekvensområdet stiger lagringsmodulet G' og tabsmodulet G" med stigningen af ​​oscillationsfrekvensen. Dette skyldes hovedsageligt det faktum, at med stigningen af ​​oscillationsfrekvensen, har de molekylære kædesegmenter i systemet ikke tid til at komme sig til deformationen på kort tid. Den tidligere tilstand, hvilket viser fænomenet, at mere energi kan lagres ( større G") eller skal gå tabt (G″).

Med stigningen af ​​oscillationsfrekvensen falder systemets lagringsmodul pludseligt, og med stigningen af ​​massefraktionen og KGM-indholdet i systemet stiger frekvenspunktet for det pludselige fald gradvist. Det pludselige fald kan skyldes ødelæggelsen af ​​den kompakte struktur dannet af den hydrofobe association mellem KGM og HPMC i systemet ved ekstern forskydning. Desuden er stigningen af ​​systemmassefraktion og KGM-indhold gavnlig for at opretholde stabiliteten af ​​den tætte struktur og øger den eksterne frekvensværdi, der ødelægger strukturen.

2.4 Temperaturscanningskurveanalyse af KGM/HPMC-kompositsystem

Ud fra kurverne for lagringsmodul og tabsmodul for KGM/HPMC-opløsninger med forskellige massefraktioner og forskellige blandingsforhold kan det ses, at når massefraktionen af ​​systemet er 0,50 %, er G"og G″af HPMC-opløsningen ændres næsten ikke med temperaturen. , og G″>G", systemets viskositet dominerer; når massefraktionen stiger, er G"af HPMC-opløsningen forbliver først uændret og stiger derefter kraftigt, og G"og G″skære ved omkring 70°C (Skæringspunktstemperaturen er gelpunktet), og systemet danner en gel på dette tidspunkt, hvilket indikerer, at HPMC er en termisk induceret gel. For KGM-løsningen, når massefraktionen af ​​systemet er 0,50% og 0,75%, er G"og G af systemet "viser en faldende tendens; når massefraktionen stiger, falder G' og G" af KGM-opløsningen først og stiger derefter betydeligt, hvilket indikerer, at KGM-opløsningen udviser gel-lignende egenskaber ved høje massefraktioner og høje temperaturer.

Med stigningen i temperaturen vil G"og G″af KGM/HPMC-komplekssystemet faldt først og steg derefter betydeligt, og G"og G″dukkede skæringspunkter op, og systemet dannede en gel. Når HPMC-molekyler er ved lav temperatur, sker der hydrogenbinding mellem de hydrofile grupper på molekylkæden og vandmolekyler, og når temperaturen stiger, ødelægger den påførte varme de hydrogenbindinger, der dannes mellem HPMC og vandmolekyler, hvilket resulterer i dannelsen af ​​HPMC-makromolekyler kæder. De hydrofobe grupper på overfladen blotlægges, hydrofob association opstår, og der dannes en termotrop gel. For lavmassefraktionssystemet kan mere KGM-indhold danne gel; for system med høj massefraktion kan mere HPMC-indhold danne gel. I lavmassefraktionssystemet (0,50%) reducerer tilstedeværelsen af ​​KGM-molekyler sandsynligheden for at danne hydrogenbindinger mellem HPMC-molekyler, hvorved muligheden for eksponering af hydrofobe grupper i HPMC-molekyler øges, hvilket er befordrende for dannelsen af ​​termotropiske geler. I højmassefraktionssystemet, hvis indholdet af KGM er for højt, er viskositeten af ​​systemet høj, hvilket ikke er befordrende for den hydrofobe association mellem HPMC og KGM molekyler, som ikke er befordrende for dannelsen af ​​termogen gel.

3. Konklusion

I dette papir studeres den rheologiske opførsel af det sammensatte system af KGM og HPMC. Resultaterne viser, at det sammensatte system af KGM/HPMC er en ikke-newtonsk væske, og væsketypen af ​​det sammensatte system af KGM/HPMC er hovedsageligt bestemt af KGM. Forøgelse af systemmassefraktionen og KGM-indhold reducerede både fluiditeten af ​​den sammensatte opløsning og øgede dens viskositet. I soltilstanden danner de molekylære kæder af KGM og HPMC en tættere struktur gennem hydrofobe interaktioner. Strukturen i systemet ødelægges af ekstern forskydning, hvilket resulterer i et pludseligt fald i systemets lagermodul. Forøgelsen af ​​systemmassefraktion og KGM-indhold er gavnlig for at opretholde stabiliteten af ​​den tætte struktur og øge den eksterne frekvensværdi, der ødelægger strukturen. For lavmassefraktionssystemet er mere KGM-indhold befordrende for dannelsen af ​​gel; for højmassefraktionssystemet er mere HPMC-indhold befordrende for dannelsen af ​​gel.