Konjac glükomannaani ja hüdroksüpropüülmetüültselluloosi ühendite süsteemi reoloogilise käitumise uuring

Uurimisobjektiks võeti konjac-glükomannaani (KGM) ja hüdroksüpropüülmetüültselluloosi (HPMC) liitsüsteem ning ühendsüsteemil viidi läbi rotatsioonireomeetriga püsiseisundi nihke, sageduse ja temperatuuri pühkimiskatsed. Analüüsiti lahuse massifraktsiooni ja ühendi suhte mõju KGM/HPMC ühendisüsteemi viskoossusele ja reoloogilistele omadustele. Tulemused näitavad, et KGM/HPMC ühendite süsteem on mitte-Newtoni vedelik ning süsteemi massifraktsiooni ja KGM sisalduse suurenemine vähendab ühendi lahuse voolavust ja suurendab viskoossust. Sooli olekus moodustavad KGM ja HPMC molekulaarahelad hüdrofoobsete interaktsioonide kaudu kompaktsema struktuuri. Süsteemi massiosa ja KGM sisalduse suurendamine aitab säilitada struktuuri stabiilsust. Madala massifraktsiooni süsteemis on KGM-i sisalduse suurendamine kasulik termotroopsete geelide moodustumisel; samas kui suure massifraktsiooni süsteemis soodustab HPMC sisalduse suurendamine termotroopsete geelide moodustumist.

Võtmesõnad:konjac glükomannaan; hüdroksüpropüülmetüültselluloos; ühend; reoloogiline käitumine

Looduslikke polüsahhariide kasutatakse laialdaselt toiduainetööstuses nende paksendavate, emulgeerivate ja tarretavate omaduste tõttu. Konjac glükomannaan (KGM) on looduslik taimne polüsahhariid, mis koosnebβ-D-glükoos jaβ-D-mannoos vahekorras 1,6:1, need kaks on omavahel seotudβ-1,4 glükosiidsidemed, C- Asendis 6 on väike kogus atsetüüli (ligikaudu 1 atsetüül iga 17 jäägi kohta). Kuid KGM-i vesilahuse kõrge viskoossus ja halb voolavus piiravad selle kasutamist tootmises. Hüdroksüpropüülmetüültselluloos (HPMC) on metüültselluloosi propüleenglükooleeter, mis kuulub mitteioonse tselluloosi eetri hulka. HPMC on kilet moodustav, vees lahustuv ja taastuv. HPMC-l on madal viskoossus ja geeli tugevus madalatel temperatuuridel ning suhteliselt kehv töötlemisvõime, kuid kõrgel temperatuuril võib see moodustada suhteliselt viskoosse tahke geeli, mistõttu tuleb paljud tootmisprotsessid läbi viia kõrgel temperatuuril, mille tulemuseks on suur tootmise energiatarve. Tootmiskulud on kõrged. Kirjandus näitab, et KGM molekulaarahela asendamata mannoosiüksus võib hüdrofoobse interaktsiooni kaudu moodustada nõrgalt ristseotud hüdrofoobse assotsiatsioonipiirkonna HPMC molekulaarahela hüdrofoobse rühmaga. See struktuur võib viivitada ja osaliselt takistada HPMC termilist geelistumist ning alandada HPMC geeli temperatuuri. Lisaks, pidades silmas HPMC madala viskoossusega omadusi suhteliselt madalatel temperatuuridel, ennustatakse, et selle segamine KGM-iga võib parandada KGM kõrge viskoossusega omadusi ja parandada selle töötlemist. Seetõttu konstrueeritakse käesolevas artiklis KGM/HPMC ühendite süsteem, et uurida lahuse massifraktsiooni ja ühendi suhte mõju KGM/HPMC süsteemi reoloogilistele omadustele ning pakkuda teoreetiline viide KGM/HPMC ühendisüsteemi rakendamiseks toiduainetööstus.

1. Materjalid ja meetodid

1.1 Materjalid ja reaktiivid

Hüdroksüpropüülmetüültselluloos, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, massifraktsioon 2%, viskoossus 6 mPa·s; metoksü massifraktsioon 28% ~ 30%; hüdroksüpropüüli massifraktsioon 7,0% ~ 12%.

Konjac glükomannaan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 massiprotsenti vesilahuse viskoossus≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumendid ja seadmed

MCR92 rotatsioonireomeeter, Anton Paar Co., Ltd., Austria; UPT-II-10T ülipuhta vee masin, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektrooniline analüütiline kaal, Šveitsi Mette ettevõte; LHS-150HC konstantse temperatuuriga veevann, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 elektrisegisti, Jintani meditsiiniseadmete tehas, Jiangsu provints.

1.3 Ühendilahuse valmistamine

Kaaluge HPMC ja KGM pulbreid kindla segamissuhtega (massivahekord: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), lisage need aeglaselt deioniseeritud vette 60 kraadises.°C vesivannil ja segage 1,5-2 tundi, et see ühtlaselt hajuks, ja valmistage 5 erinevat gradiendilahust, mille tahke massi fraktsioonid on vastavalt 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% ja 1,50%.

1.4 Ühendilahuse reoloogiliste omaduste test

Püsiseisundi nihkekatse: KGM/HPMC ühendi lahuse reoloogilist kõverat mõõdeti CP50 koonuse ja plaadi abil, ülemise ja alumise plaadi vahe fikseeriti 0,1 mm, mõõtmistemperatuur oli 25 °C.°C ja nihkekiiruse vahemik oli 0,1 kuni 100 s-1.

Pingutuse skaneerimine (lineaarse viskoelastse piirkonna määramine): kasutage PP50 plaati, et mõõta KGM/HPMC ühendi lahuse lineaarset viskoelastset piirkonda ja mooduli muutuse seadust, seadke vahekauguseks 1000 mm, fikseeritud sageduseks 1 Hz ja mõõtmistemperatuuriks 25°C. Pingutuse vahemik on 0,1% ~ 100%.

Sageduspühkimine: kasutage PP50 plaati, et mõõta KGM/HPMC ühendi lahuse mooduli muutust ja sagedussõltuvust. Vahekauguseks on seatud 1000 mm, deformatsioon on 1%, mõõtetemperatuur on 25°C ja sagedusvahemik on 0,1-100 Hz.

Temperatuuri skaneerimine: KGM/HPMC ühendi lahuse moodulit ja selle sõltuvust temperatuurist mõõdeti PP50 plaadiga, vahekauguseks määrati 1000 mm, fikseeritud sageduseks 1 Hz, deformatsiooniks 1% ja temperatuur alates 25 °C. kuni 90°C.

2. Tulemused ja analüüs

2.1 KGM/HPMC ühendisüsteemi voolukõvera analüüs

Erinevate segamissuhetega KGM/HPMC lahuste viskoossuse ja nihkekiiruse kõverad erinevatel massifraktsioonidel. Vedelikke, mille viskoossus on nihkekiiruse lineaarne funktsioon, nimetatakse Newtoni vedelikeks, muidu nimetatakse neid mitte-Newtoni vedelikeks. Kõveralt on näha, et KGM lahuse ja KGM/HPMC ühendilahuse viskoossus väheneb nihkekiiruse suurenedes; mida suurem on KGM sisaldus, seda suurem on süsteemi massiosa ja seda ilmsem on lahuse nihkehõrenemise nähtus. See näitab, et KGM ja KGM/HPMC ühendisüsteem on mitte-Newtoni vedelikud ning KGM/HPMC ühendisüsteemi vedeliku tüübi määrab peamiselt KGM.

Erinevate massifraktsioonide ja erinevate ühendite vahekordadega KGM/HPMC lahuste vooluindeksist ja viskoossuskoefitsiendist on näha, et KGM, HPMC ja KGM/HPMC ühendisüsteemide n väärtused on kõik väiksemad kui 1, mis näitab, et lahused on kõik pseudoplastilised vedelikud. KGM/HPMC ühendisüsteemi puhul põhjustab süsteemi massiosa suurenemine lahuses olevate HPMC ja KGM molekulaarahelate takerdumist ja muid interaktsioone, mis vähendab molekulaarsete ahelate liikuvust, vähendades seeläbi n väärtust. süsteem. Samal ajal suureneb KGM-i sisalduse suurenemisega KGM-i molekulaarahelate interaktsioon KGM/HPMC-süsteemis, vähendades seeläbi selle liikuvust ja tulemuseks on n-väärtuse vähenemine. Vastupidi, KGM/HPMC ühendi lahuse K väärtus kasvab pidevalt lahuse massifraktsiooni ja KGM sisalduse suurenemisega, mis on peamiselt tingitud süsteemi massifraktsiooni ja KGM sisalduse suurenemisest, mis mõlemad suurendavad hüdrofiilsed rühmad süsteemis. , suurendades molekulaarset interaktsiooni molekulaarses ahelas ja ahelate vahel, suurendades seeläbi molekuli hüdrodünaamilist raadiust, muutes selle vähem tõenäoliseks, et see orienteerub välise nihkejõu mõjul ja suurendab viskoossust.

KGM/HPMC ühendisüsteemi null-nihkeviskoossuse teoreetilise väärtuse saab arvutada ülaltoodud logaritmilise liitmise põhimõtte kohaselt ja selle eksperimentaalse väärtuse saab viskoossuse-nihkekiiruse kõvera Carreni sobitamise abil. Võrreldes KGM/HPMC ühendite süsteemi nullnihkeviskoossuse prognoositud väärtust erinevate massifraktsioonide ja erinevate segamissuhetega katseväärtusega, on näha, et KGM/HPMC ühendi nullnihkeviskoossuse tegelik väärtus. lahendus on teoreetilisest väärtusest väiksem. See näitas, et KGM ja HPMC komplekssüsteemis moodustus uus tiheda struktuuriga koost. Olemasolevad uuringud on näidanud, et KGM-i molekulaarahela asendamata mannoosiüksused võivad interakteeruda HPMC molekulaarahela hüdrofoobsete rühmadega, moodustades nõrgalt ristseotud hüdrofoobse assotsiatsioonipiirkonna. Spekuleeritakse, et suhteliselt tiheda struktuuriga uus koostestruktuur tekib peamiselt hüdrofoobsete interaktsioonide kaudu. Kui KGM suhe on madal (HPMC > 50%), on KGM/HPMC süsteemi nullnihkeviskoossuse tegelik väärtus madalam teoreetilisest väärtusest, mis näitab, et madala KGM sisalduse korral osaleb tihedamas uues nihkes rohkem molekule. struktuur. Moodustamisel väheneb süsteemi nullnihke viskoossus veelgi.

2.2 KGM/HPMC ühendisüsteemi deformatsiooni kõverate analüüs

Erinevate massifraktsioonide ja erinevate segamissuhetega KGM/HPMC lahuste mooduli ja nihkejõu seoste kõveratest on näha, et kui nihkepinge on väiksem kui 10%, on G.'ja G″liitsüsteemi osa nihkejõuga põhimõtteliselt ei suurene. Siiski näitab see, et selles nihkepinge vahemikus suudab ühendisüsteem reageerida välistele stiimulitele molekulaarse ahela konformatsiooni muutumise kaudu ja ühendisüsteemi struktuur ei kahjustata. Kui nihkepinge on >10%, on väline nihkejõu toimel molekulaarsete ahelate lahtihaardumiskiirus keerulises süsteemis suurem kui takerdumiskiirus, G'ja G″hakkab vähenema ja süsteem siseneb mittelineaarsesse viskoelastsesse piirkonda. Seetõttu valiti järgnevas dünaamilises sageduskatses testimiseks nihkepinge parameetriks 1%.

2.3 KGM/HPMC ühendisüsteemi sageduse pühkimiskõvera analüüs

Säilitusmooduli ja kaomooduli variatsioonikõverad sagedusega KGM/HPMC lahuste jaoks, millel on erinevad segusuhted erinevate massifraktsioonide juures. Salvestusmoodul G' tähistab energiat, mida saab pärast katses ajutist salvestamist taastada, ja kadumoodul G" tähendab energiat, mis on vajalik esialgseks vooluks, mis on pöördumatu kadu ja muundatakse lõpuks nihkesoojuseks. On näha, et võnkesageduse kasvades suureneb kaomoodul G″on alati suurem kui salvestusmoodul G', mis näitab vedelat käitumist. Katsesagedusvahemikus suureneb mälumoodul G' ja kadumoodul G” koos võnkesageduse suurenemisega. See on peamiselt tingitud asjaolust, et võnkesageduse suurenemisega ei ole süsteemi molekulaarse ahela segmentidel aega lühikese aja jooksul deformatsioonile taastuda, näidates seega nähtust, et energiat saab salvestada rohkem ( suurem G') või tuleb ära kaotada (G″).

Võnkesageduse suurenemisega süsteemi salvestusmoodul järsult langeb ning süsteemi massiosa ja KGM sisalduse suurenemisega järsult järsu languse sageduspunkt suureneb. Järsku languse põhjuseks võib olla kompaktse struktuuri hävimine, mille moodustab süsteemis KGM ja HPMC vaheline hüdrofoobne seos välise nihkega. Lisaks on süsteemi massiosa ja KGM-i sisalduse suurendamine kasulik tiheda struktuuri stabiilsuse säilitamiseks ja suurendab struktuuri hävitavat välist sagedust.

2.4 KGM/HPMC komposiitsüsteemi temperatuuri skaneerimise kõvera analüüs

Erinevate massifraktsioonide ja erineva segamissuhtega KGM/HPMC lahuste salvestusmooduli ja kaomooduli kõveratest on näha, et kui süsteemi massiosa on 0,50%, siis G.'ja G″HPMC lahuse sisaldus temperatuuriga peaaegu ei muutu. ja G″>G', domineerib süsteemi viskoossus; kui massiosa suureneb, siis G'HPMC lahendus jääb esmalt muutumatuks ja suureneb seejärel järsult ning G'ja G″ristuvad umbes 70 juures°C (ristumispunkti temperatuur on geelipunkt) ja süsteem moodustab sel ajal geeli, mis näitab, et HPMC on termiliselt indutseeritud geel. KGM lahuse puhul, kui süsteemi massiosa on 0,50% ja 0,75%, on G'ja süsteemi G „näitab langustrendi; kui massifraktsioon suureneb, KGM lahuse G' ja G" esmalt vähenevad ja seejärel märkimisväärselt suurenevad, mis näitab, et KGM lahusel on geelitaolised omadused suurte massifraktsioonide ja kõrgete temperatuuride korral.

Temperatuuri tõusuga G'ja G″KGM / HPMC komplekssüsteemi osa vähenes esmalt ja seejärel suurenes märkimisväärselt ning G'ja G″ilmusid ristumispunktid ja süsteem moodustas geeli. Kui HPMC molekulid on madalal temperatuuril, tekib molekuliahela hüdrofiilsete rühmade ja veemolekulide vahel vesinikside ning temperatuuri tõustes hävitab rakendatud soojus HPMC ja veemolekulide vahel moodustunud vesiniksidemed, mille tulemusena moodustuvad HPMC makromolekulid. ketid. Pinnal olevad hüdrofoobsed rühmad paljastatakse, tekib hüdrofoobne seos ja moodustub termotroopne geel. Madala massifraktsiooni süsteemi puhul võib suurem KGM-sisaldus moodustada geeli; suure massifraktsiooniga süsteemi puhul võib suurem HPMC sisaldus moodustada geeli. Madala massifraktsiooni süsteemis (0,50%) vähendab KGM molekulide olemasolu HPMC molekulide vahel vesiniksidemete tekkimise tõenäosust, suurendades seeläbi hüdrofoobsete rühmade eksponeerimise võimalust HPMC molekulides, mis soodustab termotroopsete geelide moodustumist. Suure massifraktsiooniga süsteemis, kui KGM sisaldus on liiga kõrge, on süsteemi viskoossus kõrge, mis ei soodusta hüdrofoobset seost HPMC ja KGM molekulide vahel, mis ei soodusta termogeense geeli moodustumist.

3. Järeldus

Käesolevas artiklis uuritakse KGM ja HPMC liitsüsteemi reoloogilist käitumist. Tulemused näitavad, et KGM/HPMC liitsüsteem on mitte-Newtoni vedelik ja KGM/HPMC liitsüsteemi vedelikutüübi määrab peamiselt KGM. Süsteemi massifraktsiooni ja KGM sisalduse suurendamine vähendas nii ühendi lahuse voolavust kui ka suurendas selle viskoossust. Sooli olekus moodustavad KGM ja HPMC molekulaarsed ahelad hüdrofoobsete interaktsioonide kaudu tihedama struktuuri. Süsteemis olev struktuur hävib välise nihkega, mille tulemuseks on süsteemi salvestusmooduli järsk langus. Süsteemi massiosa ja KGM sisalduse suurendamine on kasulik tiheda struktuuri stabiilsuse säilitamiseks ja struktuuri hävitava välissageduse väärtuse suurendamiseks. Madala massifraktsiooni süsteemi puhul soodustab suurem KGM sisaldus geeli moodustumist; suure massifraktsiooniga süsteemi puhul soodustab suurem HPMC sisaldus geeli moodustumist.