Μελέτη σχετικά με τη ρεολογική συμπεριφορά του συστήματος ενώσεων konjac γλυκομαννάνης και υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνης

Το σύνθετο σύστημα γλυκομαννάνης konjac (KGM) και υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνης (HPMC) λήφθηκε ως αντικείμενο έρευνας και οι δοκιμές διάτμησης σταθερής κατάστασης, συχνότητας και θερμοκρασίας σάρωσης πραγματοποιήθηκαν στο σύστημα ένωσης με περιστροφικό ροόμετρο. Η επίδραση του κλάσματος μάζας διαλύματος και της αναλογίας ένωσης στο ιξώδες και τις ρεολογικές ιδιότητες του συστήματος ένωσης KGM/HPMC αναλύθηκε. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύστημα ένωσης KGM/HPMC είναι ένα μη Νευτώνειο ρευστό και η αύξηση του κλάσματος μάζας και της περιεκτικότητας σε KGM του συστήματος μειώνει τη ρευστότητα του διαλύματος ένωσης και αυξάνει το ιξώδες. Στην κατάσταση sol, οι μοριακές αλυσίδες KGM και HPMC σχηματίζουν μια πιο συμπαγή δομή μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Η αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος και του περιεχομένου KGM συμβάλλει στη διατήρηση της σταθερότητας της δομής. Στο σύστημα χαμηλού κλάσματος μάζας, η αύξηση της περιεκτικότητας σε KGM είναι ευεργετική για το σχηματισμό θερμοτροπικών πηκτωμάτων. ενώ στο σύστημα κλασμάτων υψηλής μάζας, η αύξηση της περιεκτικότητας σε HPMC ευνοεί τον σχηματισμό θερμοτροπικών πηκτωμάτων.

Λέξεις κλειδιά:konjac γλυκομαννάνη; υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη; χημική ένωση; ρεολογική συμπεριφορά

Οι φυσικοί πολυσακχαρίτες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων λόγω των παχυντικών, γαλακτωματοποιητικών και πηκτικών ιδιοτήτων τους. Το Konjac glucomannan (KGM) είναι ένας φυσικός φυτικός πολυσακχαρίτης, που αποτελείται απόβ-D-γλυκόζη καιβ-Δ-μαννόζη σε αναλογία 1,6:1, τα δύο συνδέονται μεταξύ τουςβ-1,4 γλυκοσιδικοί δεσμοί, στο C- Υπάρχει μια μικρή ποσότητα ακετυλίου στη θέση 6 (περίπου 1 ακετύλιο για κάθε 17 υπολείμματα). Ωστόσο, το υψηλό ιξώδες και η κακή ρευστότητα του υδατικού διαλύματος KGM περιορίζουν την εφαρμογή του στην παραγωγή. Η υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη (HPMC) είναι ένας αιθέρας προπυλενογλυκόλης της μεθυλοκυτταρίνης, ο οποίος ανήκει στον μη ιονικό αιθέρα κυτταρίνης. Το HPMC σχηματίζει φιλμ, είναι υδατοδιαλυτό και ανανεώσιμο. Το HPMC έχει χαμηλό ιξώδες και αντοχή γέλης σε χαμηλές θερμοκρασίες και σχετικά κακή απόδοση επεξεργασίας, αλλά μπορεί να σχηματίσει ένα σχετικά παχύρρευστο στερεό πήκτωμα σε υψηλές θερμοκρασίες, έτσι πολλές διαδικασίες παραγωγής πρέπει να εκτελούνται σε υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα υψηλή κατανάλωση ενέργειας παραγωγής. Το κόστος παραγωγής είναι υψηλό. Η βιβλιογραφία δείχνει ότι η μονάδα μη υποκατεστημένης μαννόζης στη μοριακή αλυσίδα KGM μπορεί να σχηματίσει μια ασθενώς διασυνδεδεμένη περιοχή υδρόφοβης σύνδεσης με την υδρόφοβη ομάδα στη μοριακή αλυσίδα HPMC μέσω υδρόφοβης αλληλεπίδρασης. Αυτή η δομή μπορεί να καθυστερήσει και να αποτρέψει εν μέρει τη θερμική ζελατινοποίηση του HPMC και να μειώσει τη θερμοκρασία γέλης του HPMC. Επιπλέον, λόγω των ιδιοτήτων χαμηλού ιξώδους του HPMC σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, προβλέπεται ότι η ανάμιξή του με KGM μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες υψηλού ιξώδους του KGM και να βελτιώσει την απόδοση επεξεργασίας του. Επομένως, αυτή η εργασία θα κατασκευάσει ένα σύστημα ένωσης KGM/HPMC για να διερευνήσει την επίδραση του κλάσματος μάζας διαλύματος και της αναλογίας ένωσης στις ρεολογικές ιδιότητες του συστήματος KGM/HPMC και θα παρέχει μια θεωρητική αναφορά για την εφαρμογή του συστήματος ενώσεων KGM/HPMC σε η βιομηχανία τροφίμων.

1. Υλικά και μέθοδοι

1.1 Υλικά και αντιδραστήρια

Υδροξυπροπυλομεθυλοκυτταρίνη, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, κλάσμα μάζας 2%, ιξώδες 6 mPa·μικρό; κλάσμα μάζας μεθοξυ 28%~30%; κλάσμα μάζας υδροξυπροπυλίου 7,0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., ιξώδες υδατικού διαλύματος 1 wt%≥28 000 mPa·s.

1.2 Όργανα και εξοπλισμός

Περιστροφικό ροόμετρο MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Αυστρία; UPT-II-10T μηχανή υπερκαθαρού νερού, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 ηλεκτρονικός αναλυτικός ζυγός, ελβετική εταιρεία Mette. LHS-150HC υδατόλουτρο σταθερής θερμοκρασίας, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Ηλεκτρικός αναδευτήρας JJ-1, Jintan Medical Instrument Factory, επαρχία Jiangsu.

1.3 Παρασκευή του σύνθετου διαλύματος

Ζυγίστε τις σκόνες HPMC και KGM με μια ορισμένη αναλογία σύνθεσης (αναλογία μάζας: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), προσθέστε τις αργά σε απιονισμένο νερό σε 60°C°Γίνετε σε υδατόλουτρο και αναδεύστε για 1,5~ 2 ώρες για να διασκορπιστεί ομοιόμορφα και παρασκευάστε 5 είδη διαλυμάτων βαθμίδωσης με ολικά κλάσματα στερεής μάζας 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% και 1,50%, αντίστοιχα.

1.4 Δοκιμή ρεολογικών ιδιοτήτων του σύνθετου διαλύματος

Δοκιμή διάτμησης σταθερής κατάστασης: Η ρεολογική καμπύλη του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC μετρήθηκε χρησιμοποιώντας κώνο και πλάκα CP50, το διάκενο μεταξύ της άνω και της κάτω πλάκας καθορίστηκε στα 0,1 mm, η θερμοκρασία μέτρησης ήταν 25°C, και το εύρος του ρυθμού διάτμησης ήταν 0,1 έως 100 s-1.

Σάρωση παραμόρφωσης (προσδιορισμός γραμμικής ιξωδοελαστικής περιοχής): Χρησιμοποιήστε την πλάκα PP50 για να μετρήσετε τη γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή και τον νόμο μεταβολής συντελεστή του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC, ρυθμίστε την απόσταση σε 1.000 mm, σταθερή συχνότητα σε 1 Hz και θερμοκρασία μέτρησης σε 25°Γ. Το εύρος παραμόρφωσης είναι 0,1%~100%.

Σάρωση συχνότητας: Χρησιμοποιήστε μια πλάκα PP50 για να μετρήσετε την αλλαγή συντελεστή και την εξάρτηση από τη συχνότητα του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC. Η απόσταση ορίζεται στα 1.000 mm, η καταπόνηση είναι 1%, η θερμοκρασία μέτρησης είναι 25°C, και το εύρος συχνοτήτων είναι 0,1-100 Hz.

Σάρωση θερμοκρασίας: Ο συντελεστής και η εξάρτησή του από τη θερμοκρασία του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας μια πλάκα PP50, η απόσταση ορίστηκε στα 1.000 mm, η σταθερή συχνότητα ήταν 1 Hz, η παραμόρφωση ήταν 1% και η θερμοκρασία ήταν από 25 έως 90°C.

2. Αποτελέσματα και Ανάλυση

2.1 Ανάλυση καμπύλης ροής συστήματος ένωσης KGM/HPMC

Καμπύλες ιξώδους έναντι ρυθμού διάτμησης διαλυμάτων KGM/HPMC με διαφορετικές αναλογίες σύνθεσης σε διαφορετικά κλάσματα μάζας. Τα ρευστά των οποίων το ιξώδες είναι γραμμική συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης ονομάζονται νευτώνεια ρευστά, διαφορετικά ονομάζονται μη νευτώνεια ρευστά. Μπορεί να φανεί από την καμπύλη ότι το ιξώδες του διαλύματος KGM και του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC μειώνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης. Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε KGM, τόσο υψηλότερο είναι το κλάσμα μάζας του συστήματος και τόσο πιο εμφανές είναι το φαινόμενο της αραίωσης διάτμησης του διαλύματος. Αυτό δείχνει ότι το σύστημα ενώσεων KGM και KGM/HPMC είναι μη νευτώνεια ρευστά και ο τύπος ρευστού του συστήματος ένωσης KGM/HPMC προσδιορίζεται κυρίως από το KGM.

Από τον δείκτη ροής και τον συντελεστή ιξώδους των διαλυμάτων KGM/HPMC με διαφορετικά κλάσματα μάζας και διαφορετικές αναλογίες ενώσεων, μπορεί να φανεί ότι οι τιμές n των σύνθετων συστημάτων KGM, HPMC και KGM/HPMC είναι όλες μικρότερες από 1, υποδεικνύοντας ότι τα διαλύματα είναι όλα τα ψευδοπλαστικά υγρά. Για το σύστημα ένωσης KGM/HPMC, η αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος θα προκαλέσει εμπλοκή και άλλες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μοριακών αλυσίδων HPMC και KGM στο διάλυμα, γεγονός που θα μειώσει την κινητικότητα των μοριακών αλυσίδων, μειώνοντας έτσι την τιμή n του το σύστημα. Ταυτόχρονα, με την αύξηση της περιεκτικότητας σε KGM, ενισχύεται η αλληλεπίδραση μεταξύ των μοριακών αλυσίδων KGM στο σύστημα KGM/HPMC, μειώνοντας έτσι την κινητικότητά του και με αποτέλεσμα τη μείωση της τιμής n. Αντίθετα, η τιμή Κ του διαλύματος ένωσης KGM/HPMC αυξάνεται συνεχώς με την αύξηση του κλάσματος μάζας του διαλύματος και της περιεκτικότητας σε KGM, η οποία οφείλεται κυρίως στην αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος και της περιεκτικότητας KGM, τα οποία και τα δύο αυξάνουν την περιεκτικότητα σε υδρόφιλες ομάδες στο σύστημα. , αυξάνοντας τη μοριακή αλληλεπίδραση εντός της μοριακής αλυσίδας και μεταξύ των αλυσίδων, αυξάνοντας έτσι την υδροδυναμική ακτίνα του μορίου, καθιστώντας λιγότερο πιθανό να προσανατολιστεί υπό τη δράση της εξωτερικής διατμητικής δύναμης και αυξάνοντας το ιξώδες.

Η θεωρητική τιμή του ιξώδους μηδενικής διάτμησης του σύνθετου συστήματος KGM/HPMC μπορεί να υπολογιστεί σύμφωνα με την παραπάνω αρχή λογαριθμικής άθροισης και η πειραματική του τιμή μπορεί να ληφθεί με προσαρμογή Carren της καμπύλης ρυθμού ιξώδους-διάτμησης. Συγκρίνοντας την προβλεπόμενη τιμή του ιξώδους μηδενικής διάτμησης του συστήματος ένωσης KGM/HPMC με διαφορετικά κλάσματα μάζας και διαφορετικούς λόγους σύνθεσης με την πειραματική τιμή, μπορεί να φανεί ότι η πραγματική τιμή του ιξώδους μηδενικής διάτμησης της ένωσης KGM/HPMC η λύση είναι μικρότερη από τη θεωρητική τιμή. Αυτό έδειξε ότι ένα νέο συγκρότημα με πυκνή δομή σχηματίστηκε στο σύνθετο σύστημα των KGM και HPMC. Υπάρχουσες μελέτες έχουν δείξει ότι οι μονάδες μη υποκατεστημένης μαννόζης στη μοριακή αλυσίδα KGM μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τις υδρόφοβες ομάδες στη μοριακή αλυσίδα HPMC για να σχηματίσουν μια ασθενώς διασυνδεδεμένη περιοχή υδρόφοβης σύνδεσης. Εικάζεται ότι η νέα δομή συναρμολόγησης με σχετικά πυκνή δομή σχηματίζεται κυρίως μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Όταν η αναλογία KGM είναι χαμηλή (HPMC > 50%), η πραγματική τιμή του ιξώδους μηδενικής διάτμησης του συστήματος KGM/HPMC είναι χαμηλότερη από τη θεωρητική τιμή, γεγονός που δείχνει ότι σε χαμηλή περιεκτικότητα σε KGM, περισσότερα μόρια συμμετέχουν στο πιο πυκνό νέο δομή. Κατά το σχηματισμό του , το ιξώδες μηδενικής διάτμησης του συστήματος μειώνεται περαιτέρω.

2.2 Ανάλυση των καμπυλών σάρωσης παραμορφώσεων του συστήματος ένωσης KGM/HPMC

Από τις καμπύλες σχέσης συντελεστή και διατμητική τάση διαλυμάτων KGM/HPMC με διαφορετικά κλάσματα μάζας και διαφορετικές αναλογίες σύνθεσης, μπορεί να φανεί ότι όταν η διατμητική τάση είναι μικρότερη από 10%, το G''και Γ″του σύνθετου συστήματος βασικά δεν αυξάνονται με τη διατμητική τάση. Ωστόσο, δείχνει ότι μέσα σε αυτό το εύρος διατμητικής παραμόρφωσης, το σύνθετο σύστημα μπορεί να ανταποκριθεί σε εξωτερικά ερεθίσματα μέσω της αλλαγής της διαμόρφωσης της μοριακής αλυσίδας και η δομή του σύνθετου συστήματος δεν καταστρέφεται. Όταν η διατμητική τάση είναι >10%, η εξωτερική Υπό τη δράση της δύναμης διάτμησης, η ταχύτητα αποσύμπλεξης των μοριακών αλυσίδων στο σύνθετο σύστημα είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα εμπλοκής, G''και Γ″αρχίζουν να μειώνονται και το σύστημα εισέρχεται στη μη γραμμική ιξωδοελαστική περιοχή. Επομένως, στην επακόλουθη δοκιμή δυναμικής συχνότητας, η παράμετρος διατμητικής τάσης επιλέχθηκε ως 1% για δοκιμή.

2.3 Ανάλυση καμπύλης σάρωσης συχνότητας του συστήματος ένωσης KGM/HPMC

Καμπύλες μεταβολής του συντελεστή αποθήκευσης και του συντελεστή απώλειας με συχνότητα για διαλύματα KGM/HPMC με διαφορετικές αναλογίες σύνθεσης κάτω από διαφορετικά κλάσματα μάζας. Ο συντελεστής αποθήκευσης G' αντιπροσωπεύει την ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί μετά την προσωρινή αποθήκευση στη δοκιμή, και ο συντελεστής απώλειας G» σημαίνει την ενέργεια που απαιτείται για την αρχική ροή, η οποία είναι μη αναστρέψιμη απώλεια και τελικά μετατρέπεται σε θερμότητα διάτμησης. Μπορεί να φανεί ότι, με Καθώς η συχνότητα ταλάντωσης αυξάνεται, ο συντελεστής απώλειας G″είναι πάντα μεγαλύτερο από το μέτρο αποθήκευσης G'', που δείχνει συμπεριφορά υγρού. Στο εύρος συχνοτήτων δοκιμής, ο συντελεστής αποθήκευσης G' και ο συντελεστής απώλειας G" αυξάνονται με την αύξηση της συχνότητας ταλάντωσης. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι με την αύξηση της συχνότητας ταλάντωσης, τα τμήματα της μοριακής αλυσίδας στο σύστημα δεν έχουν χρόνο να επανέλθουν στην παραμόρφωση σε σύντομο χρονικό διάστημα Η προηγούμενη κατάσταση, δείχνοντας έτσι το φαινόμενο ότι μπορεί να αποθηκευτεί περισσότερη ενέργεια ( μεγαλύτερο Γ'') ή πρέπει να χαθεί (Γ″).

Με την αύξηση της συχνότητας ταλάντωσης, ο συντελεστής αποθήκευσης του συστήματος πέφτει ξαφνικά και με την αύξηση του κλάσματος μάζας και του περιεχομένου KGM του συστήματος, το σημείο συχνότητας της απότομης πτώσης σταδιακά αυξάνεται. Η ξαφνική πτώση μπορεί να οφείλεται στην καταστροφή της συμπαγούς δομής που σχηματίζεται από την υδρόφοβη σύνδεση μεταξύ KGM και HPMC στο σύστημα με εξωτερική διάτμηση. Επιπλέον, η αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος και του περιεχομένου KGM είναι ευεργετική για τη διατήρηση της σταθερότητας της πυκνής δομής και αυξάνει την τιμή της εξωτερικής συχνότητας που καταστρέφει τη δομή.

2.4 Ανάλυση καμπύλης σάρωσης θερμοκρασίας σύνθετου συστήματος KGM/HPMC

Από τις καμπύλες του συντελεστή αποθήκευσης και του συντελεστή απώλειας διαλυμάτων KGM/HPMC με διαφορετικά κλάσματα μάζας και διαφορετικές αναλογίες σύνθεσης, μπορεί να φανεί ότι όταν το κλάσμα μάζας του συστήματος είναι 0,50%, το G''και Γ″του διαλύματος HPMC σχεδόν δεν αλλάζει με τη θερμοκρασία. , και Γ″>Γ'', το ιξώδες του συστήματος κυριαρχεί. όταν το κλάσμα μάζας αυξάνεται, το G''του διαλύματος HPMC αρχικά παραμένει αμετάβλητο και στη συνέχεια αυξάνεται απότομα και το G''και Γ″τέμνονται γύρω στο 70°C (Η θερμοκρασία του σημείου τομής είναι το σημείο γέλης) και το σύστημα σχηματίζει μια γέλη αυτή τη στιγμή, υποδεικνύοντας έτσι ότι το HPMC είναι ένα θερμικά επαγόμενο πήκτωμα. Για το διάλυμα KGM, όταν το κλάσμα μάζας του συστήματος είναι 0,50% και 0,75%, το G''και G του συστήματος «εμφανίζει πτωτική τάση. όταν το κλάσμα μάζας αυξάνεται, τα G' και G" του διαλύματος KGM αρχικά μειώνονται και στη συνέχεια αυξάνονται σημαντικά, γεγονός που δείχνει ότι το διάλυμα KGM παρουσιάζει ιδιότητες που μοιάζουν με γέλη σε κλάσματα υψηλής μάζας και υψηλές θερμοκρασίες.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας το Γ''και Γ″του σύνθετου συστήματος KGM/HPMC αρχικά μειώθηκε και στη συνέχεια αυξήθηκε σημαντικά και ο G''και Γ″εμφανίστηκαν σημεία τομής και το σύστημα σχημάτισε μια γέλη. Όταν τα μόρια HPMC βρίσκονται σε χαμηλή θερμοκρασία, δημιουργείται δεσμός υδρογόνου μεταξύ των υδρόφιλων ομάδων της μοριακής αλυσίδας και των μορίων νερού, και όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η εφαρμοζόμενη θερμότητα καταστρέφει τους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ HPMC και μορίων νερού, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μακρομοριακού HPMC αλυσίδες. Οι υδρόφοβες ομάδες στην επιφάνεια εκτίθενται, λαμβάνει χώρα υδρόφοβη σύνδεση και σχηματίζεται ένα θερμοτροπικό πήκτωμα. Για το σύστημα χαμηλού κλάσματος μάζας, περισσότερη περιεκτικότητα σε KGM μπορεί να σχηματίσει γέλη. για σύστημα κλασμάτων υψηλής μάζας, περισσότερη περιεκτικότητα HPMC μπορεί να σχηματίσει γέλη. Στο σύστημα κλάσματος χαμηλής μάζας (0,50%), η παρουσία μορίων KGM μειώνει την πιθανότητα σχηματισμού δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων HPMC, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα έκθεσης υδρόφοβων ομάδων στα μόρια HPMC, η οποία ευνοεί τον σχηματισμό θερμοτροπικών πηκτωμάτων. Στο σύστημα κλασμάτων υψηλής μάζας, εάν η περιεκτικότητα σε KGM είναι πολύ υψηλή, το ιξώδες του συστήματος είναι υψηλό, το οποίο δεν ευνοεί την υδρόφοβη σύνδεση μεταξύ των μορίων HPMC και KGM, η οποία δεν ευνοεί τον σχηματισμό θερμογόνου γέλης.

3. Συμπέρασμα

Σε αυτή την εργασία μελετάται η ρεολογική συμπεριφορά του σύνθετου συστήματος KGM και HPMC. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύνθετο σύστημα KGM/HPMC είναι ένα μη νευτώνειο ρευστό και ο τύπος ρευστού του σύνθετου συστήματος KGM/HPMC προσδιορίζεται κυρίως από το KGM. Η αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος και της περιεκτικότητας σε KGM μείωσε τη ρευστότητα του διαλύματος ένωσης και αύξησε το ιξώδες του. Στην κατάσταση κολλοειδούς διαλύματος, οι μοριακές αλυσίδες των KGM και HPMC σχηματίζουν μια πιο πυκνή δομή μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων. Η δομή στο σύστημα καταστρέφεται από εξωτερική διάτμηση, με αποτέλεσμα την απότομη πτώση του συντελεστή αποθήκευσης του συστήματος. Η αύξηση του κλάσματος μάζας του συστήματος και του περιεχομένου KGM είναι ευεργετική για τη διατήρηση της σταθερότητας της πυκνής δομής και την αύξηση της τιμής της εξωτερικής συχνότητας που καταστρέφει τη δομή. Για το σύστημα χαμηλού κλάσματος μάζας, περισσότερη περιεκτικότητα σε KGM ευνοεί τον σχηματισμό γέλης. Για το σύστημα κλασμάτων υψηλής μάζας, περισσότερη περιεκτικότητα HPMC ευνοεί τον σχηματισμό γέλης.