Studie zum rheologischen Verhalten des Konjak-Glucomannan- und Hydroxypropylmethylcellulose-Verbindungssystems

Das Verbundsystem aus Konjak-Glucomannan (KGM) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) wurde als Forschungsobjekt verwendet und die stationären Scher-, Frequenz- und Temperaturdurchlauftests wurden an dem Verbundsystem mit einem Rotationsrheometer durchgeführt. Der Einfluss des Lösungsmassenanteils und des Mischungsverhältnisses auf die Viskosität und die rheologischen Eigenschaften des KGM/HPMC-Verbindungssystems wurde analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das KGM/HPMC-Verbindungssystem eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit ist und die Erhöhung des Massenanteils und des KGM-Gehalts des Systems die Fließfähigkeit der Verbindungslösung verringert und die Viskosität erhöht. Im Solzustand bilden KGM- und HPMC-Molekülketten durch hydrophobe Wechselwirkungen eine kompaktere Struktur. Die Erhöhung des Systemmassenanteils und des KGM-Gehalts trägt zur Aufrechterhaltung der Stabilität der Struktur bei. Im System mit geringem Massenanteil wirkt sich die Erhöhung des KGM-Gehalts positiv auf die Bildung thermotroper Gele aus; während im System mit hohem Massenanteil die Erhöhung des HPMC-Gehalts die Bildung thermotroper Gele begünstigt.

Schlüsselwörter:Konjak-Glucomannan; Hydroxypropylmethylcellulose; Verbindung; rheologisches Verhalten

Natürliche Polysaccharide werden aufgrund ihrer verdickenden, emulgierenden und gelierenden Eigenschaften häufig in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Konjak-Glucomannan (KGM) ist ein natürliches pflanzliches Polysaccharid, bestehend ausβ-D-Glucose undβ-D-Mannose im Verhältnis 1,6:1, die beiden sind miteinander verbundenβ-1,4 glykosidische Bindungen, im C- An Position 6 befindet sich eine kleine Menge Acetyl (ungefähr 1 Acetyl pro 17 Reste). Allerdings schränken die hohe Viskosität und die schlechte Fließfähigkeit der wässrigen KGM-Lösung ihre Anwendung in der Produktion ein. Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) ist ein Propylenglykolether der Methylcellulose, der zu den nichtionischen Celluloseethern gehört. HPMC ist filmbildend, wasserlöslich und erneuerbar. HPMC hat bei niedrigen Temperaturen eine niedrige Viskosität und Gelfestigkeit sowie eine relativ schlechte Verarbeitungsleistung, kann jedoch bei hohen Temperaturen ein relativ viskoses, feststoffartiges Gel bilden, sodass viele Produktionsprozesse bei hohen Temperaturen durchgeführt werden müssen, was zu einem hohen Energieverbrauch bei der Produktion führt. Die Produktionskosten sind hoch. Die Literatur zeigt, dass die unsubstituierte Mannoseeinheit an der KGM-Molekülkette durch hydrophobe Wechselwirkung eine schwach vernetzte hydrophobe Assoziationsregion mit der hydrophoben Gruppe an der HPMC-Molekülkette bilden kann. Diese Struktur kann die thermische Gelierung von HPMC verzögern und teilweise verhindern und die Geltemperatur von HPMC senken. Darüber hinaus wird angesichts der niedrigen Viskositätseigenschaften von HPMC bei relativ niedrigen Temperaturen vorhergesagt, dass seine Compoundierung mit KGM die hochviskosen Eigenschaften von KGM verbessern und seine Verarbeitungsleistung verbessern kann. Daher wird in diesem Artikel ein KGM/HPMC-Verbindungssystem konstruiert, um den Einfluss des Lösungsmassenanteils und des Verbindungsverhältnisses auf die rheologischen Eigenschaften des KGM/HPMC-Systems zu untersuchen und eine theoretische Referenz für die Anwendung des KGM/HPMC-Verbindungssystems bereitzustellen der Lebensmittelindustrie.

1. Materialien und Methoden

1.1 Materialien und Reagenzien

Hydroxypropylmethylcellulose, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, Massenanteil 2 %, Viskosität 6 mPa·S; Methoxy-Massenanteil 28 % ~ 30 %; Hydroxypropyl-Massenanteil 7,0 % ~ 12 %.

Konjac-Glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 Gew.-% wässrige Lösungsviskosität≥28.000 mPa·s.

1.2 Instrumente und Ausrüstung

Rotationsrheometer MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Österreich; UPT-II-10T Reinstwassermaschine, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektronische Analysenwaage AB-50, Schweizer Unternehmen Mette; LHS-150HC Wasserbad mit konstanter Temperatur, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 Elektrorührer, Jintan Medical Instrument Factory, Provinz Jiangsu.

1.3 Vorbereitung der Verbindungslösung

Wiegen Sie HPMC- und KGM-Pulver mit einem bestimmten Mischungsverhältnis (Massenverhältnis: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0) ab und geben Sie sie langsam in einem 60-Grad-Gemisch in entionisiertes Wasser°Wasserbad mit etwa 40 °C und 1,5 bis 2 Stunden lang gerührt, um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen, und 5 Arten von Gradientenlösungen mit Gesamtfeststoffmassenanteilen von 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % bzw. 1,50 % herzustellen.

1.4 Prüfung der rheologischen Eigenschaften der Verbundlösung

Steady-State-Schertest: Die rheologische Kurve der KGM/HPMC-Verbindungslösung wurde mit einem CP50-Kegel und einer CP50-Platte gemessen, der Spalt zwischen der oberen und unteren Platte wurde auf 0,1 mm festgelegt, die Messtemperatur betrug 25 °C°C, und der Schergeschwindigkeitsbereich betrug 0,1 bis 100 s-1.

Dehnungsscan (Bestimmung des linearen viskoelastischen Bereichs): Verwenden Sie eine PP50-Platte, um den linearen viskoelastischen Bereich und das Moduländerungsgesetz der KGM/HPMC-Verbindungslösung zu messen, stellen Sie den Abstand auf 1.000 mm, die feste Frequenz auf 1 Hz und die Messtemperatur auf 25 °C ein°C. Der Dehnungsbereich liegt zwischen 0,1 % und 100 %.

Frequenzdurchlauf: Verwenden Sie eine PP50-Platte, um die Moduländerung und die Frequenzabhängigkeit der KGM/HPMC-Verbindungslösung zu messen. Der Abstand ist auf 1.000 mm eingestellt, die Dehnung beträgt 1 %, die Messtemperatur beträgt 25°C, und der Frequenzbereich beträgt 0,1-100 Hz.

Temperaturscan: Der Modul und seine Temperaturabhängigkeit der KGM/HPMC-Verbindungslösung wurden mit einer PP50-Platte gemessen, der Abstand war auf 1.000 mm eingestellt, die feste Frequenz betrug 1 Hz, die Verformung betrug 1 % und die Temperatur lag bei 25 °C bis 90°C.

2. Ergebnisse und Analyse

2.1 Fließkurvenanalyse des KGM/HPMC-Verbundsystems

Viskositäts-Scherraten-Kurven von KGM/HPMC-Lösungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen bei unterschiedlichen Massenanteilen. Flüssigkeiten, deren Viskosität eine lineare Funktion der Schergeschwindigkeit ist, werden Newtonsche Flüssigkeiten genannt, andernfalls werden sie Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten genannt. Aus der Kurve ist ersichtlich, dass die Viskosität der KGM-Lösung und der KGM/HPMC-Verbindungslösung mit zunehmender Schergeschwindigkeit abnimmt; Je höher der KGM-Gehalt, desto höher der Systemmassenanteil und desto offensichtlicher ist das Scherverdünnungsphänomen der Lösung. Dies zeigt, dass KGM und das KGM/HPMC-Verbindungssystem nicht-Newtonsche Flüssigkeiten sind und der Flüssigkeitstyp des KGM/HPMC-Verbindungssystems hauptsächlich durch KGM bestimmt wird.

Aus dem Fließindex und dem Viskositätskoeffizienten von KGM/HPMC-Lösungen mit unterschiedlichen Massenanteilen und unterschiedlichen Verbindungsverhältnissen ist ersichtlich, dass die n-Werte der KGM-, HPMC- und KGM/HPMC-Verbindungssysteme alle kleiner als 1 sind, was darauf hinweist, dass die Lösungen dies sind alle pseudoplastischen Flüssigkeiten. Für das KGM/HPMC-Verbindungssystem führt die Erhöhung des Massenanteils des Systems zu einer Verschränkung und anderen Wechselwirkungen zwischen den HPMC- und KGM-Molekülketten in der Lösung, was die Beweglichkeit der Molekülketten verringert und dadurch den n-Wert verringert das System. Gleichzeitig wird mit der Erhöhung des KGM-Gehalts die Wechselwirkung zwischen den KGM-Molekülketten im KGM/HPMC-System verstärkt, wodurch dessen Mobilität verringert wird und der n-Wert sinkt. Im Gegenteil, der K-Wert der KGM/HPMC-Verbindungslösung steigt kontinuierlich mit der Zunahme des Lösungsmassenanteils und des KGM-Gehalts, was hauptsächlich auf die Zunahme des Systemmassenanteils und des KGM-Gehalts zurückzuführen ist, die beide den Gehalt an erhöhen hydrophile Gruppen im System. , wodurch die molekulare Wechselwirkung innerhalb der Molekülkette und zwischen den Ketten erhöht wird, wodurch der hydrodynamische Radius des Moleküls vergrößert wird, es weniger wahrscheinlich wird, dass es sich unter der Wirkung äußerer Scherkräfte orientiert, und die Viskosität erhöht wird.

Der theoretische Wert der Null-Scherviskosität des KGM/HPMC-Verbindungssystems kann nach dem oben genannten logarithmischen Summationsprinzip berechnet werden, und sein experimenteller Wert kann durch Carren-Anpassungsextrapolation der Viskosität-Schergeschwindigkeits-Kurve erhalten werden. Vergleicht man den vorhergesagten Wert der Null-Scherviskosität des KGM/HPMC-Verbindungssystems mit unterschiedlichen Massenanteilen und unterschiedlichen Mischungsverhältnissen mit dem experimentellen Wert, kann man erkennen, dass der tatsächliche Wert der Null-Scherviskosität des KGM/HPMC-Verbindungssystems der Fall ist Die Lösung ist kleiner als der theoretische Wert. Dies deutete darauf hin, dass sich im komplexen System aus KGM und HPMC eine neue Anordnung mit dichter Struktur gebildet hatte. Vorhandene Studien haben gezeigt, dass die unsubstituierten Mannoseeinheiten an der KGM-Molekülkette mit den hydrophoben Gruppen an der HPMC-Molekülkette interagieren können, um eine schwach vernetzte hydrophobe Assoziationsregion zu bilden. Es wird spekuliert, dass die neue Anordnungsstruktur mit einer relativ dichten Struktur hauptsächlich durch hydrophobe Wechselwirkungen entsteht. Wenn das KGM-Verhältnis niedrig ist (HPMC > 50 %), ist der tatsächliche Wert der Nullviskosität des KGM/HPMC-Systems niedriger als der theoretische Wert, was darauf hindeutet, dass bei niedrigem KGM-Gehalt mehr Moleküle an der dichteren Neustruktur beteiligt sind Struktur. Bei der Bildung von wird die Nullviskosität des Systems weiter verringert.

2.2 Analyse der Dehnungskurven des KGM/HPMC-Verbundsystems

Aus den Beziehungskurven von Modul und Scherdehnung von KGM/HPMC-Lösungen mit unterschiedlichen Massenanteilen und unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ist ersichtlich, dass bei einer Scherdehnung von weniger als 10 % der G'und G″des Verbundsystems nehmen grundsätzlich nicht mit der Scherbeanspruchung zu. Es zeigt jedoch, dass das Verbundsystem innerhalb dieses Scherspannungsbereichs auf äußere Reize durch eine Änderung der Konformation der Molekülkette reagieren kann und die Struktur des Verbundsystems nicht beschädigt wird. Wenn die Scherspannung > 10 % beträgt, ist die äußere Untereinwirkung der Scherkraft die Entflechtungsgeschwindigkeit der Molekülketten im komplexen System größer als die Verschränkungsgeschwindigkeit G'und G″beginnen abzunehmen und das System tritt in den nichtlinearen viskoelastischen Bereich ein. Daher wurde im anschließenden dynamischen Frequenztest der Scherdehnungsparameter für die Prüfung mit 1 % gewählt.

2.3 Frequenz-Sweep-Kurvenanalyse des KGM/HPMC-Verbundsystems

Variationskurven des Speichermoduls und des Verlustmoduls mit der Frequenz für KGM/HPMC-Lösungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen und unterschiedlichen Massenanteilen. Der Speichermodul G‘ stellt die Energie dar, die nach der Zwischenspeicherung im Test zurückgewonnen werden kann, und der Verlustmodul G‘ bezeichnet die Energie, die für den anfänglichen Fluss benötigt wird, der ein irreversibler Verlust ist und schließlich in Scherwärme umgewandelt wird. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender Schwingungsfrequenz der Verlustmodul G zunimmt″ist immer größer als der Speichermodul G', zeigt flüssiges Verhalten. Im Testfrequenzbereich steigen der Speichermodul G' und der Verlustmodul G'' mit zunehmender Schwingfrequenz. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass mit zunehmender Schwingungsfrequenz die Molekülkettensegmente im System keine Zeit haben, sich in kurzer Zeit wieder in den vorherigen Zustand zu verformen, was das Phänomen zeigt, dass mehr Energie gespeichert werden kann ( größeres G') oder verloren gehen muss (G″).

Mit zunehmender Schwingungsfrequenz sinkt der Speichermodul des Systems plötzlich, und mit zunehmendem Massenanteil und KGM-Gehalt des Systems nimmt der Frequenzpunkt des plötzlichen Abfalls allmählich zu. Der plötzliche Abfall kann auf die Zerstörung der kompakten Struktur zurückzuführen sein, die durch die hydrophobe Verbindung zwischen KGM und HPMC im System durch äußere Scherung gebildet wird. Darüber hinaus ist die Erhöhung des Systemmassenanteils und des KGM-Gehalts vorteilhaft für die Aufrechterhaltung der Stabilität der dichten Struktur und erhöht den externen Frequenzwert, der die Struktur zerstört.

2.4 Analyse der Temperatur-Scankurve des KGM/HPMC-Verbundsystems

Aus den Kurven des Speichermoduls und Verlustmoduls von KGM/HPMC-Lösungen mit unterschiedlichen Massenanteilen und unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ist ersichtlich, dass bei einem Massenanteil des Systems von 0,50 % der G'und G″der HPMC-Lösung ändern sich kaum mit der Temperatur. , und G″>G', die Viskosität des Systems dominiert; Wenn der Massenanteil zunimmt, wird G'der HPMC-Lösung bleibt zunächst unverändert und steigt dann stark an, und G'und G″kreuzen sich bei etwa 70°C (Die Schnittpunkttemperatur ist der Gelpunkt) und das System bildet zu diesem Zeitpunkt ein Gel, was darauf hinweist, dass HPMC ein thermisch induziertes Gel ist. Wenn für die KGM-Lösung der Massenanteil des Systems 0,50 % und 0,75 % beträgt, ist G'und G des Systems „zeigt einen abnehmenden Trend; Wenn der Massenanteil zunimmt, nehmen G' und G“ der KGM-Lösung zunächst ab und steigen dann deutlich an, was darauf hindeutet, dass die KGM-Lösung bei hohen Massenanteilen und hohen Temperaturen gelartige Eigenschaften aufweist.

Mit steigender Temperatur steigt der G'und G″des KGM/HPMC-Komplexsystems nahm zunächst ab und stieg dann deutlich an, und G'und G″Es erschienen Schnittpunkte und das System bildete ein Gel. Wenn sich HPMC-Moleküle bei niedriger Temperatur befinden, kommt es zu Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den hydrophilen Gruppen an der Molekülkette und den Wassermolekülen, und wenn die Temperatur ansteigt, zerstört die angewandte Wärme die zwischen HPMC und Wassermolekülen gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen, was zur Bildung makromolekularer HPMC-Moleküle führt Ketten. Die hydrophoben Gruppen auf der Oberfläche werden freigelegt, es kommt zu einer hydrophoben Assoziation und es entsteht ein thermotropes Gel. Beim System mit geringem Massenanteil kann ein höherer KGM-Gehalt zur Gelbildung führen; Bei einem System mit hohem Massenanteil kann ein höherer HPMC-Gehalt zur Gelbildung führen. Im System mit geringem Massenanteil (0,50 %) verringert das Vorhandensein von KGM-Molekülen die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen HPMC-Molekülen und erhöht dadurch die Möglichkeit der Freilegung hydrophober Gruppen in HPMC-Molekülen, was die Bildung thermotroper Gele begünstigt. Wenn im System mit hohem Massenanteil der Gehalt an KGM zu hoch ist, ist die Viskosität des Systems hoch, was der hydrophoben Assoziation zwischen HPMC- und KGM-Molekülen nicht förderlich ist, was der Bildung eines thermogenen Gels nicht förderlich ist.

3. Fazit

In dieser Arbeit wird das rheologische Verhalten des Verbundsystems aus KGM und HPMC untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verbundsystem KGM/HPMC eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit ist und der Flüssigkeitstyp des Verbundsystems KGM/HPMC hauptsächlich durch KGM bestimmt wird. Durch die Erhöhung des Systemmassenanteils und des KGM-Gehalts verringerte sich sowohl die Fließfähigkeit der Verbindungslösung als auch ihre Viskosität. Im Solzustand bilden die Molekülketten von KGM und HPMC durch hydrophobe Wechselwirkungen eine dichtere Struktur. Die Struktur im System wird durch äußere Scherung zerstört, was zu einem plötzlichen Abfall des Speichermoduls des Systems führt. Die Erhöhung des Systemmassenanteils und des KGM-Gehalts ist vorteilhaft, um die Stabilität der dichten Struktur aufrechtzuerhalten und den externen Frequenzwert zu erhöhen, der die Struktur zerstört. Bei Systemen mit geringem Massenanteil begünstigt ein höherer KGM-Gehalt die Gelbildung; Für das System mit hohem Massenanteil begünstigt ein höherer HPMC-Gehalt die Gelbildung.