Tutkimus konjac-glukomannaani- ja hydroksipropyylimetyyliselluloosayhdistejärjestelmän reologisesta käyttäytymisestä

Tutkimuskohteena otettiin konjac-glukomannaanin (KGM) ja hydroksipropyylimetyyliselluloosan (HPMC) yhdistelmäsysteemi, ja yhdistejärjestelmälle suoritettiin tasatilan leikkaus-, taajuus- ja lämpötilapyyhkäisytestit rotaatioreometrillä. Liuoksen massaosuuden ja yhdistesuhteen vaikutusta KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän viskositeettiin ja reologisiin ominaisuuksiin analysoitiin. Tulokset osoittavat, että KGM/HPMC-yhdistejärjestelmä on ei-newtonilainen neste, ja järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden kasvu vähentää yhdisteliuoksen juoksevuutta ja lisää viskositeettia. Soolitilassa KGM- ja HPMC-molekyyliketjut muodostavat kompaktimman rakenteen hydrofobisten vuorovaikutusten kautta. Järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden lisääminen edistää rakenteen vakauden säilyttämistä. Pienimassafraktiojärjestelmässä KGM-pitoisuuden lisääminen on hyödyllistä termotrooppisten geelien muodostumiselle; kun taas suuren massafraktion järjestelmässä HPMC-pitoisuuden lisääminen edistää termotrooppisten geelien muodostumista.

Avainsanat:konjac-glukomannaani; hydroksipropyylimetyyliselluloosa; yhdiste; reologinen käyttäytyminen

Luonnollisia polysakkarideja käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa niiden sakeuttamis-, emulgointi- ja hyytelöimisominaisuuksien vuoksi. Konjac-glukomannaani (KGM) on luonnollinen kasvipolysakkaridi, joka koostuuβ-D-glukoosi jaβ-D-mannoosi suhteessa 1,6:1, nämä kaksi yhdistääβ-1,4 glykosidisidokset, C- Asemassa 6 on pieni määrä asetyyliä (noin 1 asetyyli jokaista 17 tähdettä kohti). KGM-vesiliuoksen korkea viskositeetti ja huono juoksevuus rajoittavat kuitenkin sen käyttöä tuotannossa. Hydroksipropyylimetyyliselluloosa (HPMC) on metyyliselluloosan propyleeniglykolieetteri, joka kuuluu ei-ioniseen selluloosaeetteriin. HPMC on kalvoa muodostava, vesiliukoinen ja uusiutuva. HPMC:llä on alhainen viskositeetti ja geelin lujuus matalissa lämpötiloissa ja suhteellisen huono prosessointikyky, mutta se voi muodostaa suhteellisen viskoosin kiinteän kaltaisen geelin korkeissa lämpötiloissa, joten monet tuotantoprosessit on suoritettava korkeissa lämpötiloissa, mikä johtaa korkeaan tuotannon energiankulutukseen. Tuotantokustannukset ovat korkeat. Kirjallisuus osoittaa, että substituoimaton mannoosiyksikkö KGM-molekyyliketjussa voi muodostaa heikosti silloitetun hydrofobisen assosiaatioalueen HPMC-molekyyliketjun hydrofobisen ryhmän kanssa hydrofobisen vuorovaikutuksen kautta. Tämä rakenne voi viivyttää ja osittain estää HPMC:n lämpögeeliytymistä ja alentaa HPMC:n geelin lämpötilaa. Lisäksi, kun otetaan huomioon HPMC:n alhaiset viskositeetit suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, ennustetaan, että sen yhdistäminen KGM:n kanssa voi parantaa KGM:n korkean viskositeetin ominaisuuksia ja parantaa sen prosessointikykyä. Siksi tässä artikkelissa rakennetaan KGM/HPMC-yhdistejärjestelmä tutkimaan liuoksen massaosuuden ja yhdistesuhteen vaikutusta KGM/HPMC-järjestelmän reologisiin ominaisuuksiin ja tarjotaan teoreettinen viite KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän soveltamiseen elintarviketeollisuus.

1. Materiaalit ja menetelmät

1.1 Materiaalit ja reagenssit

Hydroksipropyylimetyyliselluloosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, massaosuus 2%, viskositeetti 6 mPa·s; metoksimassaosuus 28 % - 30 %; hydroksipropyylimassaosuus 7,0 % - 12 %.

Konjac-glukomannaani, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 paino-% vesiliuoksen viskositeetti≥28 000 mPa·s.

1.2 Välineet ja laitteet

MCR92 rotaatioreometri, Anton Paar Co., Ltd., Itävalta; UPT-II-10T ultrapuhdas vesi kone, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co, Ltd; AB-50 elektroninen analyyttinen vaaka, sveitsiläinen Mette yritys; LHS-150HC vakiolämpötilainen vesihaude, Wuxi Huaze Technology Co, Ltd; JJ-1 sähkösekoitin, Jintan Medical Instrument Factory, Jiangsun maakunta.

1.3 Yhdisteliuoksen valmistus

Punnitse HPMC- ja KGM-jauheet tietyllä sekoitussuhteella (massasuhde: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), lisää ne hitaasti deionisoituun veteen 60 asteessa.°C vesihauteessa ja sekoita 1,5 - 2 tuntia, jotta se dispergoituisi tasaisesti, ja valmista 5 erilaista gradienttiliuosta, joiden kiintoainemassaosuudet ovat vastaavasti 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % ja 1,50 %.

1.4 Yhdisteliuoksen reologisten ominaisuuksien testi

Vakaan tilan leikkauskoe: KGM/HPMC-yhdisteliuoksen reologinen käyrä mitattiin käyttämällä CP50-kartiota ja -levyä, ylä- ja alalevyjen välinen rako kiinnitettiin 0,1 mm:iin, mittauslämpötila oli 25 °C.°C, ja leikkausnopeusalue oli 0,1 - 100 s-1.

Venymäskannaus (lineaarisen viskoelastisen alueen määritys): Käytä PP50-levyä KGM/HPMC-yhdisteliuoksen lineaarisen viskoelastisen alueen ja moduulimuutoslain mittaamiseen, aseta väli 1 000 mm:iin, kiinteä taajuus 1 Hz ja mittauslämpötila 25 asteeseen.°C. Jännitysalue on 0,1 % ~ 100 %.

Taajuuspyyhkäisy: Käytä PP50-levyä KGM/HPMC-yhdisteliuoksen moduulimuutoksen ja taajuusriippuvuuden mittaamiseen. Väli on 1.000 mm, venymä on 1%, mittauslämpötila on 25°C, ja taajuusalue on 0,1-100 Hz.

Lämpötilaskannaus: KGM/HPMC-yhdisteliuoksen moduuli ja sen lämpötilariippuvuus mitattiin PP50-levyllä, väli asetettiin 1 000 mm:ksi, kiinteä taajuus oli 1 Hz, muodonmuutos 1 % ja lämpötila 25 °C:sta. 90:een°C.

2. Tulokset ja analyysi

2.1 KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän virtauskäyräanalyysi

KGM/HPMC-liuosten viskositeetti vs. leikkausnopeuskäyrät erilaisilla seostussuhteilla eri massaosuuksissa. Nesteitä, joiden viskositeetti on leikkausnopeuden lineaarinen funktio, kutsutaan newtonilaisiksi nesteiksi, muuten niitä kutsutaan ei-newtonilaisiksi nesteiksi. Käyrästä voidaan nähdä, että KGM-liuoksen ja KGM/HPMC-yhdisteliuoksen viskositeetti pienenee leikkausnopeuden kasvaessa; mitä suurempi KGM-pitoisuus, sitä suurempi on järjestelmän massaosuus ja sitä selvempi on liuoksen leikkausohenemisilmiö. Tämä osoittaa, että KGM ja KGM/HPMC-yhdistejärjestelmä ovat ei-newtonilaisia ​​nesteitä, ja KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän nestetyypin määrää pääasiassa KGM.

KGM/HPMC-liuosten virtausindeksistä ja viskositeettikertoimesta eri massaosuuksilla ja eri yhdistesuhteilla voidaan nähdä, että KGM-, HPMC- ja KGM/HPMC-yhdistejärjestelmien n-arvot ovat kaikki pienempiä kuin 1, mikä osoittaa, että liuokset ovat kaikki pseudoplastiset nesteet. KGM/HPMC-yhdistejärjestelmässä järjestelmän massaosuuden kasvu aiheuttaa kietoutumista ja muita vuorovaikutuksia liuoksessa olevien HPMC- ja KGM-molekyyliketjujen välillä, mikä vähentää molekyyliketjujen liikkuvuutta ja siten pienentää n-arvoa. järjestelmä. Samaan aikaan KGM-pitoisuuden kasvaessa KGM-molekyyliketjujen välinen vuorovaikutus KGM/HPMC-järjestelmässä lisääntyy, mikä vähentää sen liikkuvuutta ja johtaa n-arvon laskuun. Päinvastoin, KGM/HPMC-yhdisteliuoksen K-arvo kasvaa jatkuvasti liuoksen massaosuuden ja KGM-pitoisuuden kasvaessa, mikä johtuu pääasiassa järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden kasvusta, jotka molemmat lisäävät hydrofiiliset ryhmät järjestelmässä. lisäämällä molekyylien vuorovaikutusta molekyyliketjun sisällä ja ketjujen välillä, mikä lisää molekyylin hydrodynaamista sädettä, mikä tekee siitä vähemmän todennäköistä, että se orientoituu ulkoisen leikkausvoiman vaikutuksesta ja lisää viskositeettia.

KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän nolla-leikkausviskositeetin teoreettinen arvo voidaan laskea yllä olevan logaritmisen summausperiaatteen mukaisesti ja sen kokeellinen arvo voidaan saada viskositeetti-leikkausnopeuskäyrän Carren-sovituksella ekstrapoloimalla. Vertaamalla KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän nolla-leikkausviskositeetin ennustettua arvoa eri massaosuuksilla ja erilaisilla seostussuhteilla kokeelliseen arvoon, voidaan nähdä, että KGM/HPMC-yhdisteen nolla-leikkausviskositeetin todellinen arvo. ratkaisu on pienempi kuin teoreettinen arvo. Tämä osoitti, että KGM:n ja HPMC:n monimutkaisessa järjestelmässä muodostui uusi kokoonpano, jolla oli tiheä rakenne. Olemassa olevat tutkimukset ovat osoittaneet, että substituoimattomat mannoosiyksiköt KGM-molekyyliketjussa voivat olla vuorovaikutuksessa HPMC-molekyyliketjun hydrofobisten ryhmien kanssa muodostaen heikosti silloitetun hydrofobisen assosiaatioalueen. Spekuloidaan, että uusi suhteellisen tiheä rakenne muodostuu pääasiassa hydrofobisten vuorovaikutusten kautta. Kun KGM-suhde on alhainen (HPMC > 50 %), KGM/HPMC-järjestelmän nolla-leikkausviskositeetin todellinen arvo on pienempi kuin teoreettinen arvo, mikä osoittaa, että alhaisella KGM-pitoisuudella enemmän molekyylejä osallistuu tiheämpään uuteen. rakenne. Muodostettaessa järjestelmän nolla-leikkausviskositeetti pienenee edelleen.

2.2 KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän jännityspyyhkäisykäyrien analyysi

KGM/HPMC-liuosten, joissa on eri massaosuudet ja erilaiset seostussuhteet, moduulin ja leikkausvenymän suhdekäyristä voidaan nähdä, että kun leikkausjännitys on alle 10 %, G′ja G″yhdistejärjestelmän pitoisuudet eivät periaatteessa kasva leikkausjännityksen mukana. Se kuitenkin osoittaa, että tällä leikkausjännitysalueella yhdistejärjestelmä voi reagoida ulkoisiin ärsykkeisiin molekyyliketjun konformaation muutoksen kautta, eikä yhdistejärjestelmän rakenne vaurioidu. Kun leikkausjännitys on >10 %, ulkoinen leikkausvoiman vaikutuksesta molekyyliketjujen irtoamisnopeus kompleksisessa järjestelmässä on suurempi kuin takertumisnopeus, G′ja G″alkaa pienentyä, ja järjestelmä siirtyy epälineaariselle viskoelastiselle alueelle. Siksi myöhemmässä dynaamisessa taajuustestissä leikkausjännitysparametriksi valittiin testausta varten 1 %.

2.3 KGM/HPMC-yhdistejärjestelmän taajuuspyyhkäisykäyräanalyysi

Varastointimoduulin ja häviömoduulin vaihtelukäyrät taajuudella KGM/HPMC-ratkaisuille, joissa on erilaiset seostussuhteet eri massaosissa. Varastointimoduuli G' edustaa energiaa, joka voidaan ottaa talteen tilapäisen varastoinnin jälkeen testissä, ja häviömoduuli G" tarkoittaa alkuvirtaukseen tarvittavaa energiaa, joka on peruuttamaton häviö ja lopulta muuttuu leikkauslämmöksi. Voidaan nähdä, että Kun värähtelytaajuus kasvaa, häviömoduuli G″on aina suurempi kuin tallennusmoduuli G′, joka osoittaa nesteen käyttäytymistä. Testitaajuusalueella tallennusmoduuli G' ja häviömoduuli G” kasvavat värähtelytaajuuden kasvaessa. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että värähtelytaajuuden kasvaessa järjestelmän molekyyliketjusegmenteillä ei ole aikaa palautua muodonmuutokseen lyhyessä ajassa Edellisessä tilassa, mikä osoittaa ilmiön, että energiaa voidaan varastoida enemmän ( isompi G′) tai se on hävitettävä (G″).

Värähtelytaajuuden kasvaessa järjestelmän tallennusmoduuli laskee äkillisesti ja järjestelmän massaosuuden ja KGM-sisällön kasvaessa äkillisen pudotuksen taajuuspiste kasvaa vähitellen. Äkillinen pudotus voi johtua kompaktin rakenteen tuhoutumisesta, joka muodostuu KGM:n ja HPMC:n välisestä hydrofobisesta liitosta järjestelmässä ulkoisen leikkauksen seurauksena. Lisäksi järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden lisääminen on hyödyllistä ylläpitää tiheän rakenteen vakautta ja lisää ulkoista taajuusarvoa, joka tuhoaa rakenteen.

2.4 KGM/HPMC-komposiittijärjestelmän lämpötilapyyhkäisykäyräanalyysi

Eri massaosuuksilla ja eri sekoitussuhteilla olevien KGM/HPMC-liuosten varastointimoduulin ja häviömoduulin käyristä voidaan nähdä, että kun järjestelmän massaosuus on 0,50 %, G′ja G″HPMC-liuoksen määrä ei juurikaan muutu lämpötilan mukaan. ja G″>G′, järjestelmän viskositeetti hallitsee; kun massaosuus kasvaa, G′HPMC-liuoksen määrä pysyy ensin ennallaan ja kasvaa sitten jyrkästi, ja G′ja G″risteävät noin 70:ssä°C (leikkauspisteen lämpötila on geeliytymispiste), ja järjestelmä muodostaa tällä hetkellä geelin, mikä osoittaa, että HPMC on termisesti indusoitu geeli. KGM-liuokselle, kun järjestelmän massaosuus on 0,50 % ja 0,75 %, G′ja järjestelmän G "osoittaa laskevaa suuntausta; kun massaosuus kasvaa, KGM-liuoksen G' ja G" ensin pienenevät ja kasvavat sitten merkittävästi, mikä osoittaa, että KGM-liuoksella on geelimäisiä ominaisuuksia suurissa massaosissa ja korkeissa lämpötiloissa.

Lämpötilan noustessa G′ja G″KGM/HPMC-kompleksijärjestelmän osuus laski ensin ja kasvoi sitten merkittävästi, ja G′ja G″ilmestyi risteyspisteitä, ja järjestelmä muodosti geelin. Kun HPMC-molekyylit ovat alhaisessa lämpötilassa, syntyy vetysidoksia molekyyliketjun hydrofiilisten ryhmien ja vesimolekyylien välillä, ja lämpötilan noustessa käytetty lämpö tuhoaa HPMC- ja vesimolekyylien välille muodostuneet vetysidokset, mikä johtaa HPMC-makromolekyylien muodostumiseen. ketjut. Pinnalla olevat hydrofobiset ryhmät paljastuvat, tapahtuu hydrofobinen yhdistyminen ja muodostuu termotrooppinen geeli. Pienimassafraktiojärjestelmässä enemmän KGM-pitoisuutta voi muodostaa geeliä; suuren massafraktion järjestelmässä enemmän HPMC-pitoisuutta voi muodostaa geeliä. Pienimassafraktiojärjestelmässä (0,50 %) KGM-molekyylien läsnäolo vähentää vetysidosten muodostumisen todennäköisyyttä HPMC-molekyylien välille, mikä lisää todennäköisyyttä altistua hydrofobisille ryhmille HPMC-molekyyleissä, mikä edistää termotrooppisten geelien muodostumista. Jos KGM:n pitoisuus on korkea, järjestelmän viskositeetti on korkea, mikä ei edistä HPMC- ja KGM-molekyylien välistä hydrofobista yhteyttä, mikä ei edistä termogeenisen geelin muodostumista.

3. Johtopäätös

Tässä artikkelissa tutkitaan KGM:n ja HPMC:n yhdistejärjestelmän reologista käyttäytymistä. Tulokset osoittavat, että KGM/HPMC:n yhdistelmäjärjestelmä on ei-newtonilainen neste, ja KGM/HPMC:n yhdistejärjestelmän nestetyyppi määräytyy pääasiassa KGM:n mukaan. Järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden lisääminen vähensi sekä yhdisteliuoksen juoksevuutta että lisäsi sen viskositeettia. Soolitilassa KGM:n ja HPMC:n molekyyliketjut muodostavat tiheämmän rakenteen hydrofobisten vuorovaikutusten kautta. Järjestelmän rakenne tuhoutuu ulkoisen leikkauksen seurauksena, mikä johtaa järjestelmän varastointimoduulin äkilliseen laskuun. Järjestelmän massaosuuden ja KGM-pitoisuuden lisääminen on hyödyllistä ylläpitää tiheän rakenteen vakautta ja kasvattaa rakennetta tuhoavaa ulkoista taajuusarvoa. Pienimassafraktiojärjestelmässä suurempi KGM-pitoisuus edistää geelin muodostumista; suuren massafraktion järjestelmässä suurempi HPMC-pitoisuus edistää geelin muodostumista.