بررسی رفتار رئولوژیکی سیستم ترکیبی کونیاک گلوکومانان و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز

سیستم ترکیبی کنجاک گلوکومانان (KGM) و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC) به عنوان هدف تحقیق در نظر گرفته شد و آزمایش‌های برشی حالت پایدار، فرکانس و دما بر روی سیستم ترکیبی توسط رئومتر چرخشی انجام شد. تاثیر کسر جرمی محلول و نسبت ترکیب بر ویسکوزیته و خواص رئولوژیکی سیستم ترکیبی KGM/HPMC مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که سیستم ترکیبی KGM/HPMC یک سیال غیر نیوتنی است و افزایش کسر جرمی و محتوای KGM سیستم باعث کاهش سیالیت محلول ترکیب و افزایش ویسکوزیته می شود. در حالت سل، زنجیره‌های مولکولی KGM و HPMC ساختار فشرده‌تری را از طریق برهمکنش‌های آبگریز تشکیل می‌دهند. افزایش کسر جرمی سیستم و محتوای KGM برای حفظ پایداری ساختار مفید است. در سیستم کسر جرمی کم، افزایش محتوای KGM برای تشکیل ژل های ترموتروپیک مفید است. در حالی که در سیستم کسر جرمی بالا، افزایش محتوای HPMC منجر به تشکیل ژل های ترموتروپیک می شود.

کلمات کلیدی:konjac glucomannan; هیدروکسی پروپیل متیل سلولز؛ مرکب رفتار رئولوژیکی

پلی ساکاریدهای طبیعی به دلیل خاصیت غلیظ کنندگی، امولسیون کنندگی و ژل کنندگی در صنایع غذایی کاربرد فراوانی دارند. Konjac glucomannan (KGM) یک پلی ساکارید گیاهی طبیعی است که ازβ-D-گلوکز وβ-D-mannose در نسبت 1.6:1، این دو با یکدیگر مرتبط هستندβ-1،4 پیوند گلیکوزیدی، در C- مقدار کمی استیل در موقعیت 6 وجود دارد (تقریباً 1 استیل برای هر 17 باقیمانده). با این حال، ویسکوزیته بالا و سیالیت ضعیف محلول آبی KGM کاربرد آن را در تولید محدود می کند. هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC) یک پروپیلن گلیکول اتر متیل سلولز است که متعلق به اتر سلولز غیریونی است. HPMC تشکیل فیلم، محلول در آب و تجدید پذیر است. HPMC دارای ویسکوزیته و استحکام ژل پایین در دماهای پایین و عملکرد پردازش نسبتاً ضعیفی است، اما می‌تواند ژل جامد مانند نسبتاً چسبناکی را در دماهای بالا تشکیل دهد، بنابراین بسیاری از فرآیندهای تولید باید در دماهای بالا انجام شوند و در نتیجه مصرف انرژی تولید بالا می‌رود. هزینه های تولید بالاست. ادبیات نشان می‌دهد که واحد مانوز جایگزین‌نشده در زنجیره مولکولی KGM می‌تواند از طریق تعامل آبگریز، یک منطقه ارتباط آبگریز با پیوند متقابل ضعیف با گروه آبگریز در زنجیره مولکولی HPMC ایجاد کند. این ساختار می تواند ژل شدن حرارتی HPMC را به تاخیر انداخته و تا حدی از آن جلوگیری کند و دمای ژل HPMC را کاهش دهد. علاوه بر این، با توجه به ویژگی‌های ویسکوزیته پایین HPMC در دماهای نسبتاً پایین، پیش‌بینی می‌شود که ترکیب آن با KGM می‌تواند خواص ویسکوزیته بالا KGM را بهبود بخشد و عملکرد پردازش آن را بهبود بخشد. بنابراین، این مقاله یک سیستم ترکیبی KGM/HPMC برای بررسی تاثیر کسر جرمی محلول و نسبت ترکیب بر روی خواص رئولوژیکی سیستم KGM/HPMC ایجاد می‌کند و یک مرجع نظری برای کاربرد سیستم ترکیبی KGM/HPMC در صنایع غذایی

1. مواد و روش ها

1.1 مواد و معرف ها

هیدروکسی پروپیل متیل سلولز، KIMA CHEMICAL CO., LTD، کسر جرمی 2٪، ویسکوزیته 6 میلی پاسکال·s; کسر جرمی متوکسی 28% ~ 30%؛ کسر جرمی هیدروکسی پروپیل 7.0٪ ~ 12٪.

Konjac glucomannan، Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd.، ویسکوزیته محلول آبی 1 درصد وزنی≥28000 میلی پاسکال·s.

1.2 ابزار و تجهیزات

رئومتر چرخشی MCR92، Anton Paar Co., Ltd., Austria; دستگاه آب فوق خالص UPT-II-10T، Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; ترازوی تحلیلی الکترونیکی AB-50، شرکت Swiss Mette; حمام آب با دمای ثابت LHS-150HC، Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; همزن برقی JJ-1، کارخانه ابزار پزشکی جینتان، استان جیانگ سو.

1.3 تهیه محلول مرکب

پودرهای HPMC و KGM را با نسبت ترکیبی معینی وزن کنید (نسبت جرمی: 0:10، 3:7، 5:5، 7:3، 10:0)، آنها را به آرامی در آب یونیزه شده در 60 اضافه کنید.°حمام آب کنید و به مدت 1.5 تا 2 ساعت هم بزنید تا به طور یکنواخت پراکنده شود و 5 نوع محلول گرادیان با کسر جرمی کل جامد به ترتیب 0.50٪، 0.75٪، 1.00٪، 1.25٪ و 1.50٪ تهیه کنید.

1.4 آزمایش خواص رئولوژیکی محلول ترکیبی

آزمایش برشی حالت پایدار: منحنی رئولوژیکی محلول ترکیبی KGM/HPMC با استفاده از مخروط و صفحه CP50 اندازه گیری شد، شکاف بین صفحات بالایی و پایینی در 0.1 میلی متر ثابت شد، دمای اندازه گیری 25 بود.°C و محدوده سرعت برش 0.1 تا 100 s-1 بود.

اسکن کرنش (تعیین ناحیه ویسکوالاستیک خطی): از صفحه PP50 برای اندازه گیری ناحیه ویسکوالاستیک خطی و قانون تغییر مدول محلول ترکیبی KGM/HPMC استفاده کنید، فاصله را روی 1000 میلی متر، فرکانس ثابت را روی 1 هرتز و دمای اندازه گیری را روی 25 تنظیم کنید.°ج. محدوده کرنش 0.1٪ ~ 100٪ است.

جارو فرکانس: از صفحه PP50 برای اندازه گیری تغییر مدول و وابستگی فرکانس محلول ترکیبی KGM/HPMC استفاده کنید. فاصله روی 1000 میلی متر تنظیم شده است، کرنش 1٪، دمای اندازه گیری 25 است.°C، و محدوده فرکانس 0.1-100 هرتز است.

اسکن دما: مدول و وابستگی دمایی محلول ترکیبی KGM/HPMC با استفاده از صفحه PP50 اندازه گیری شد، فاصله روی 1000 میلی متر تنظیم شد، فرکانس ثابت 1 هرتز، تغییر شکل 1 درصد و دما از 25 بود. تا 90°C.

2. نتایج و تجزیه و تحلیل

2.1 تجزیه و تحلیل منحنی جریان سیستم ترکیبی KGM/HPMC

ویسکوزیته در مقابل منحنی‌های سرعت برشی محلول‌های KGM/HPMC با نسبت‌های ترکیبی مختلف در کسرهای جرمی مختلف. سیالاتی که ویسکوزیته آنها تابع خطی سرعت برش است سیالات نیوتنی و در غیر این صورت سیالات غیر نیوتنی نامیده می شوند. از منحنی می توان دید که ویسکوزیته محلول KGM و محلول ترکیبی KGM/HPMC با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. هر چه محتوای KGM بیشتر باشد، کسر جرمی سیستم بالاتر است و پدیده نازک شدن برشی محلول آشکارتر است. این نشان می دهد که سیستم ترکیبی KGM و KGM/HPMC سیالات غیر نیوتنی هستند و نوع سیال سیستم ترکیبی KGM/HPMC عمدتاً توسط KGM تعیین می شود.

از شاخص جریان و ضریب ویسکوزیته محلول‌های KGM/HPMC با کسر جرمی مختلف و نسبت‌های ترکیبی مختلف، می‌توان دریافت که n مقدار سیستم‌های ترکیبی KGM، HPMC و KGM/HPMC همگی کمتر از 1 است که نشان‌دهنده این است که محلول‌ها تمام مایعات کاذب برای سیستم ترکیبی KGM/HPMC، افزایش کسر جرمی سیستم باعث درهم تنیدگی و سایر برهمکنش‌های بین زنجیره‌های مولکولی HPMC و KGM در محلول می‌شود که تحرک زنجیره‌های مولکولی را کاهش می‌دهد و در نتیجه مقدار n کاهش می‌یابد. سیستم در عین حال، با افزایش محتوای KGM، تعامل بین زنجیره‌های مولکولی KGM در سیستم KGM/HPMC افزایش می‌یابد، در نتیجه تحرک آن کاهش می‌یابد و در نتیجه مقدار n کاهش می‌یابد. برعکس، مقدار K محلول ترکیبی KGM/HPMC به طور مداوم با افزایش کسر جرمی محلول و محتوای KGM افزایش می‌یابد، که عمدتاً به دلیل افزایش کسر جرمی سیستم و محتوای KGM است که هر دو باعث افزایش محتوای گروه های آب دوست در سیستم افزایش برهمکنش مولکولی در داخل زنجیره مولکولی و بین زنجیره‌ها و در نتیجه افزایش شعاع هیدرودینامیکی مولکول، باعث می‌شود که تحت تأثیر نیروی برشی خارجی جهت‌گیری شود و ویسکوزیته افزایش یابد.

مقدار نظری ویسکوزیته برشی صفر سیستم ترکیبی KGM/HPMC را می توان با توجه به اصل جمع لگاریتمی بالا محاسبه کرد و مقدار تجربی آن را می توان با برون یابی برازش کارن از منحنی ویسکوزیته-برشی به دست آورد. با مقایسه مقدار پیش‌بینی‌شده ویسکوزیته برشی صفر سیستم ترکیبی KGM/HPMC با کسرهای جرمی مختلف و نسبت‌های ترکیبی متفاوت با مقدار تجربی، می‌توان دریافت که مقدار واقعی ویسکوزیته برشی صفر ترکیب KGM/HPMC حل کوچکتر از مقدار نظری است. این نشان داد که یک مجموعه جدید با ساختار متراکم در سیستم پیچیده KGM و HPMC شکل گرفته است. مطالعات موجود نشان داده‌اند که واحدهای مانوز جایگزین نشده در زنجیره مولکولی KGM می‌توانند با گروه‌های آبگریز در زنجیره مولکولی HPMC تعامل کنند تا یک منطقه ارتباطی آبگریز با پیوندهای ضعیف ایجاد کنند. حدس زده می شود که ساختار مونتاژ جدید با ساختار نسبتا متراکم عمدتاً از طریق فعل و انفعالات آبگریز تشکیل شده است. هنگامی که نسبت KGM پایین است (HPMC > 50%)، مقدار واقعی ویسکوزیته برشی صفر سیستم KGM/HPMC کمتر از مقدار نظری است، که نشان می‌دهد در محتوای KGM کم، مولکول‌های بیشتری در سیستم جدید متراکم‌تر شرکت می‌کنند. ساختار در تشکیل، ویسکوزیته برشی صفر سیستم بیشتر کاهش می یابد.

2.2 تجزیه و تحلیل منحنی‌های جاروب کرنش سیستم ترکیبی KGM/HPMC

از منحنی های رابطه مدول و کرنش برشی محلول های KGM/HPMC با کسرهای جرمی مختلف و نسبت های ترکیبی متفاوت، می توان دریافت که وقتی کرنش برشی کمتر از 10 درصد باشد، G"و جی"سیستم ترکیبی اساساً با کرنش برشی افزایش نمی یابد. با این حال، نشان می دهد که در این محدوده کرنش برشی، سیستم ترکیبی می تواند از طریق تغییر ساختار زنجیره مولکولی به محرک های خارجی پاسخ دهد و ساختار سیستم ترکیبی آسیب نبیند. هنگامی که کرنش برشی بیش از 10% است، خارجی تحت اثر نیروی برشی، سرعت گسستگی زنجیرهای مولکولی در سیستم پیچیده بیشتر از سرعت درهم تنیدگی است."و جی"شروع به کاهش می کند و سیستم وارد ناحیه ویسکوالاستیک غیرخطی می شود. بنابراین، در آزمون فرکانس دینامیکی بعدی، پارامتر کرنش برشی به عنوان 1 درصد برای آزمایش انتخاب شد.

2.3 تجزیه و تحلیل منحنی جاروب فرکانس سیستم ترکیبی KGM/HPMC

منحنی‌های تغییر مدول ذخیره و مدول تلفات با فرکانس برای محلول‌های KGM/HPMC با نسبت‌های ترکیبی مختلف تحت کسرهای جرمی مختلف. مدول ذخیره سازی G' نشان دهنده انرژی قابل بازیابی پس از ذخیره سازی موقت در آزمایش است و مدول تلفات G به معنای انرژی مورد نیاز برای جریان اولیه است که تلفات برگشت ناپذیر است و در نهایت به گرمای برشی تبدیل می شود. مشاهده می شود که با افزایش فرکانس نوسان، مدول تلفات G"همیشه بزرگتر از مدول ذخیره سازی G است"، رفتار مایع را نشان می دهد. در محدوده فرکانس تست، مدول ذخیره سازی G' و مدول تلفات G” با افزایش فرکانس نوسان افزایش می یابد. این عمدتاً به این دلیل است که با افزایش فرکانس نوسان، بخش های زنجیره مولکولی در سیستم زمانی برای بازگشت به تغییر شکل در یک زمان کوتاه حالت قبلی ندارند، بنابراین این پدیده نشان می دهد که می توان انرژی بیشتری را ذخیره کرد. G بزرگتر") یا باید گم شود (G").

با افزایش فرکانس نوسان، مدول ذخیره سازی سیستم به طور ناگهانی کاهش می یابد و با افزایش کسر جرمی و محتوای KGM سیستم، نقطه فرکانس افت ناگهانی به تدریج افزایش می یابد. افت ناگهانی ممکن است به دلیل تخریب ساختار فشرده ایجاد شده توسط ارتباط آبگریز بین KGM و HPMC در سیستم توسط برش خارجی باشد. علاوه بر این، افزایش کسر جرمی سیستم و محتوای KGM برای حفظ پایداری ساختار متراکم مفید است و مقدار فرکانس خارجی را افزایش می‌دهد که ساختار را تخریب می‌کند.

2.4 تجزیه و تحلیل منحنی روبشی دما سیستم کامپوزیت KGM/HPMC

از منحنی‌های مدول ذخیره و مدول تلفات محلول‌های KGM/HPMC با کسر جرمی مختلف و نسبت‌های ترکیبی متفاوت، می‌توان دریافت که وقتی کسر جرمی سیستم 0.50٪ باشد، G"و جی"محلول HPMC به سختی با دما تغییر می کند. ، و جی"> جی"ویسکوزیته سیستم غالب است. وقتی کسر جرمی افزایش می یابد، G"محلول HPMC ابتدا بدون تغییر باقی می ماند و سپس به شدت افزایش می یابد و G"و جی"تقاطع در حدود 70°C (دمای نقطه تقاطع نقطه ژل است)، و سیستم در این زمان یک ژل تشکیل می دهد، بنابراین نشان می دهد که HPMC یک ژل القایی حرارتی است. برای محلول KGM، هنگامی که کسر جرمی سیستم 0.50٪ و 0.75٪ است، G"و G سیستم "روند کاهشی را نشان می دهد. هنگامی که کسر جرمی افزایش می‌یابد، G و G” محلول KGM ابتدا کاهش می‌یابد و سپس به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد محلول KGM در کسرهای جرمی بالا و دماهای بالا خواص ژل مانندی از خود نشان می‌دهد.

با افزایش دما، G"و جی"سیستم پیچیده KGM/HPMC ابتدا کاهش و سپس به طور قابل توجهی افزایش یافت و G"و جی"نقاط تقاطع ظاهر شد و سیستم یک ژل را تشکیل داد. هنگامی که مولکول های HPMC در دمای پایین هستند، پیوند هیدروژنی بین گروه های آبدوست در زنجیره مولکولی و مولکول های آب رخ می دهد و هنگامی که دما افزایش می یابد، گرمای اعمال شده پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده بین HPMC و مولکول های آب را از بین می برد و در نتیجه ماکرومولکولی HPMC تشکیل می شود. زنجیر. گروه های آبگریز روی سطح در معرض دید قرار می گیرند، ارتباط آبگریز رخ می دهد و یک ژل ترموتروپیک تشکیل می شود. برای سیستم کسر جرمی کم، محتوای KGM بیشتر می تواند ژل را تشکیل دهد. برای سیستم کسر جرمی بالا، محتوای HPMC بیشتر می تواند ژل تشکیل دهد. در سیستم کسر جرمی کم (0.50%)، حضور مولکول‌های KGM احتمال تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های HPMC را کاهش می‌دهد و در نتیجه احتمال قرار گرفتن در معرض گروه‌های آبگریز در مولکول‌های HPMC را افزایش می‌دهد که منجر به تشکیل ژل‌های گرماگرد می‌شود. در سیستم کسر جرمی بالا، اگر محتوای KGM خیلی زیاد باشد، ویسکوزیته سیستم بالا است، که منجر به ارتباط آبگریز بین مولکول‌های HPMC و KGM نمی‌شود، که برای تشکیل ژل ترموژنیک مساعد نیست.

3. نتیجه گیری

در این مقاله، رفتار رئولوژیکی سیستم ترکیبی KGM و HPMC مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که سیستم ترکیبی KGM/HPMC یک سیال غیر نیوتنی است و نوع سیال سیستم ترکیبی KGM/HPMC عمدتاً توسط KGM تعیین می‌شود. افزایش کسر جرمی سیستم و محتوای KGM هر دو سیالیت محلول ترکیب را کاهش داد و ویسکوزیته آن را افزایش داد. در حالت سل، زنجیره‌های مولکولی KGM و HPMC ساختار متراکم‌تری را از طریق برهمکنش‌های آبگریز تشکیل می‌دهند. ساختار در سیستم توسط برش خارجی تخریب می شود و در نتیجه مدول ذخیره سازی سیستم به طور ناگهانی کاهش می یابد. افزایش کسر جرمی سیستم و محتوای KGM برای حفظ پایداری ساختار متراکم و افزایش مقدار فرکانس خارجی که ساختار را تخریب می‌کند، مفید است. برای سیستم کسر جرمی کم، محتوای KGM بیشتر منجر به تشکیل ژل می شود. برای سیستم کسر جرمی بالا، محتوای HPMC بیشتر منجر به تشکیل ژل می شود.