Etude du comportement rhéologique du système composé de glucomannane de konjac et d'hydroxypropylméthylcellulose

Le système composé de glucomannane de konjac (KGM) et d'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) a été pris comme objet de recherche, et les tests de cisaillement, de fréquence et de température en régime permanent ont été effectués sur le système composé par rhéomètre rotatif. L'influence de la fraction massique de la solution et du rapport du composé sur la viscosité et les propriétés rhéologiques du système composé KGM/HPMC a été analysée. Les résultats montrent que le système composé KGM/HPMC est un fluide non newtonien et que l'augmentation de la fraction massique et de la teneur en KGM du système réduit la fluidité de la solution composée et augmente la viscosité. À l'état sol, les chaînes moléculaires KGM et HPMC forment une structure plus compacte grâce à des interactions hydrophobes. L'augmentation de la fraction massique du système et de la teneur en KGM est propice au maintien de la stabilité de la structure. Dans le système à faible fraction massique, l’augmentation de la teneur en KGM est bénéfique à la formation de gels thermotropes ; tandis que dans le système à fraction massique élevée, l’augmentation de la teneur en HPMC est propice à la formation de gels thermotropes.

Mots clés :le glucomannane de konjac; l'hydroxypropylméthylcellulose; composé; comportement rhéologique

Les polysaccharides naturels sont largement utilisés dans l’industrie agroalimentaire en raison de leurs propriétés épaississantes, émulsifiantes et gélifiantes. Le glucomannane de konjac (KGM) est un polysaccharide végétal naturel, composé deβ-D-glucose etβ-D-mannose dans un rapport de 1,6:1, les deux sont liés parβ-1,4 liaisons glycosidiques, en C- Il y a une petite quantité d'acétyle en position 6 (environ 1 acétyle pour 17 résidus). Cependant, la viscosité élevée et la faible fluidité de la solution aqueuse KGM limitent son application en production. L'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) est un éther de propylène glycol de méthylcellulose, qui appartient à l'éther de cellulose non ionique. HPMC est filmogène, soluble dans l’eau et renouvelable. Le HPMC a une faible viscosité et une faible résistance au gel à basse température, ainsi que des performances de traitement relativement médiocres, mais peut former un gel solide relativement visqueux à haute température, de sorte que de nombreux processus de production doivent être effectués à haute température, ce qui entraîne une consommation d'énergie de production élevée. Les coûts de production sont élevés. La littérature montre que l'unité mannose non substituée sur la chaîne moléculaire KGM peut former une région d'association hydrophobe faiblement réticulée avec le groupe hydrophobe sur la chaîne moléculaire HPMC par interaction hydrophobe. Cette structure peut retarder et empêcher partiellement la gélification thermique du HPMC et abaisser la température du gel du HPMC. De plus, compte tenu des propriétés de faible viscosité du HPMC à des températures relativement basses, il est prévu que sa combinaison avec du KGM puisse améliorer les propriétés de viscosité élevée du KGM et améliorer ses performances de traitement. Par conséquent, cet article construira un système composé KGM/HPMC pour explorer l'influence de la fraction massique de la solution et du rapport du composé sur les propriétés rhéologiques du système KGM/HPMC, et fournira une référence théorique pour l'application du système composé KGM/HPMC dans l'industrie alimentaire.

1. Matériels et méthodes

1.1 Matériels et réactifs

Hydroxypropylméthylcellulose, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fraction massique 2 %, viscosité 6 mPa·s ; fraction massique méthoxy 28 % ~ 30 % ; Fraction massique d'hydroxypropyle 7,0 % ~ 12 %.

Glucomannane de konjac, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viscosité d'une solution aqueuse à 1 % en poids≥28 000 MPa·s.

1.2 Instruments et équipements

Rhéomètre rotatif MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Autriche ; Machine à eau ultrapure UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd. ; Balance analytique électronique AB-50, société Swiss Mette; Bain-marie à température constante LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd. ; Agitateur électrique JJ-1, usine d'instruments médicaux de Jintan, province du Jiangsu.

1.3 Préparation de la solution composée

Pesez les poudres HPMC et KGM avec un certain rapport de composition (rapport massique : 0 :10, 3 :7, 5 :5, 7 :3, 10 :0), ajoutez-les lentement dans de l'eau déminéralisée dans un bain de 60°Bain-marie C, et agitez pendant 1,5 à 2 h pour le disperser uniformément, et préparez 5 types de solutions dégradées avec des fractions de masse solide totale de 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % et 1,50 %, respectivement.

1.4 Test des propriétés rhéologiques de la solution composée

Test de cisaillement à l'état d'équilibre : La courbe rhéologique de la solution composée KGM/HPMC a été mesurée à l'aide d'un cône et d'une plaque CP50, l'écart entre les plaques supérieure et inférieure a été fixé à 0,1 mm, la température de mesure était de 25°C, et la plage de taux de cisaillement était de 0,1 à 100 s-1.

Balayage de déformation (détermination de la région viscoélastique linéaire) : utilisez la plaque PP50 pour mesurer la région viscoélastique linéaire et la loi de changement de module de la solution composée KGM/HPMC, réglez l'espacement à 1 000 mm, la fréquence fixe à 1 Hz et la température de mesure à 25.°C. La plage de déformation est de 0,1 % à 100 %.

Balayage de fréquence : utilisez une plaque PP50 pour mesurer le changement de module et la dépendance en fréquence de la solution composée KGM/HPMC. L'espacement est réglé à 1.000 mm, la déformation est de 1%, la température de mesure est de 25°C, et la plage de fréquences est de 0,1 à 100 Hz.

Balayage de la température : Le module et sa dépendance à la température de la solution de composé KGM/HPMC ont été mesurés à l'aide d'une plaque PP50, l'espacement a été réglé à 1 000 mm, la fréquence fixe était de 1 Hz, la déformation était de 1 % et la température était de 25 à 90°C.

2. Résultats et analyse

2.1 Analyse de la courbe de débit du système composé KGM/HPMC

Courbes de viscosité en fonction du taux de cisaillement des solutions KGM/HPMC avec différents rapports de composition à différentes fractions massiques. Les fluides dont la viscosité est une fonction linéaire du taux de cisaillement sont appelés fluides newtoniens, sinon ils sont appelés fluides non newtoniens. On peut voir sur la courbe que la viscosité de la solution KGM et de la solution composée KGM/HPMC diminue avec l'augmentation du taux de cisaillement ; plus la teneur en KGM est élevée, plus la fraction massique du système est élevée et plus le phénomène de fluidification par cisaillement de la solution est évident. Cela montre que KGM et le système composé KGM/HPMC sont des fluides non newtoniens et que le type de fluide du système composé KGM/HPMC est principalement déterminé par KGM.

À partir de l'indice d'écoulement et du coefficient de viscosité des solutions KGM/HPMC avec différentes fractions massiques et différents rapports de composés, on peut voir que les valeurs n des systèmes composés KGM, HPMC et KGM/HPMC sont toutes inférieures à 1, ce qui indique que les solutions sont tous les fluides pseudoplastiques. Pour le système composé KGM/HPMC, l'augmentation de la fraction massique du système provoquera un enchevêtrement et d'autres interactions entre les chaînes moléculaires HPMC et KGM dans la solution, ce qui réduira la mobilité des chaînes moléculaires, réduisant ainsi la valeur n de le système. Dans le même temps, avec l'augmentation de la teneur en KGM, l'interaction entre les chaînes moléculaires KGM dans le système KGM/HPMC est renforcée, réduisant ainsi sa mobilité et entraînant une diminution de la valeur n. Au contraire, la valeur K de la solution composée KGM/HPMC augmente continuellement avec l'augmentation de la fraction massique de la solution et de la teneur en KGM, ce qui est principalement dû à l'augmentation de la fraction massique du système et de la teneur en KGM, qui augmentent toutes deux la teneur en KGM. groupes hydrophiles dans le système. , augmentant l'interaction moléculaire au sein de la chaîne moléculaire et entre les chaînes, augmentant ainsi le rayon hydrodynamique de la molécule, la rendant moins susceptible d'être orientée sous l'action d'une force de cisaillement externe et augmentant la viscosité.

La valeur théorique de la viscosité sans cisaillement du système composé KGM/HPMC peut être calculée selon le principe de sommation logarithmique ci-dessus, et sa valeur expérimentale peut être obtenue par extrapolation par ajustement Carren de la courbe viscosité-taux de cisaillement. En comparant la valeur prévue de la viscosité sans cisaillement du système composé KGM/HPMC avec différentes fractions massiques et différents rapports de composition avec la valeur expérimentale, on peut voir que la valeur réelle de la viscosité sans cisaillement du composé KGM/HPMC la solution est inférieure à la valeur théorique. Cela indique qu'un nouvel assemblage avec une structure dense s'est formé dans le système complexe de KGM et HPMC. Des études existantes ont montré que les unités mannose non substituées de la chaîne moléculaire KGM peuvent interagir avec les groupes hydrophobes de la chaîne moléculaire HPMC pour former une région d'association hydrophobe faiblement réticulée. On suppose que la nouvelle structure d’assemblage avec une structure relativement dense est principalement formée par des interactions hydrophobes. Lorsque le rapport KGM est faible (HPMC > 50 %), la valeur réelle de la viscosité sans cisaillement du système KGM/HPMC est inférieure à la valeur théorique, ce qui indique qu'à faible teneur en KGM, davantage de molécules participent au nouveau plus dense. structure. Lors de la formation de , la viscosité sans cisaillement du système est encore réduite.

2.2 Analyse des courbes de balayage de déformation du système composé KGM/HPMC

À partir des courbes de relation entre le module et la déformation de cisaillement des solutions KGM/HPMC avec différentes fractions massiques et différents rapports de composition, on peut voir que lorsque la déformation de cisaillement est inférieure à 10 %, le G'et G″du système composé n’augmente fondamentalement pas avec la déformation de cisaillement. Cependant, cela montre que dans cette plage de déformation de cisaillement, le système composé peut répondre à des stimuli externes par le biais d'un changement de conformation de la chaîne moléculaire et que la structure du système composé n'est pas endommagée. Lorsque la déformation de cisaillement est > 10 %, la vitesse externe de démêlage des chaînes moléculaires dans le système complexe, sous l'action de la force de cisaillement, est supérieure à la vitesse d'enchevêtrement, G'et G″commence à diminuer et le système entre dans la région viscoélastique non linéaire. Par conséquent, lors du test de fréquence dynamique ultérieur, le paramètre de déformation en cisaillement a été sélectionné à 1 % pour le test.

2.3 Analyse de la courbe de balayage de fréquence du système composé KGM/HPMC

Courbes de variation du module de stockage et du module de perte avec fréquence pour les solutions KGM/HPMC avec différents rapports de composition sous différentes fractions massiques. Le module de stockage G' représente l'énergie qui peut être récupérée après un stockage temporaire lors de l'essai, et le module de perte G' désigne l'énergie nécessaire au flux initial, qui est une perte irréversible et est finalement transformée en chaleur de cisaillement. On peut voir que, à mesure que la fréquence d'oscillation augmente, le module de perte G″est toujours supérieur au module de stockage G', montrant un comportement liquide. Dans la plage de fréquences de test, le module de stockage G' et le module de perte G” augmentent avec l'augmentation de la fréquence d'oscillation. Cela est principalement dû au fait qu'avec l'augmentation de la fréquence d'oscillation, les segments de la chaîne moléculaire du système n'ont pas le temps de récupérer la déformation en peu de temps. L'état précédent, montrant ainsi le phénomène selon lequel plus d'énergie peut être stockée ( plus grand G') ou doit être perdu (G″).

Avec l'augmentation de la fréquence d'oscillation, le module de stockage du système chute soudainement, et avec l'augmentation de la fraction massique et de la teneur en KGM du système, le point de fréquence de la chute soudaine augmente progressivement. La chute soudaine peut être due à la destruction de la structure compacte formée par l'association hydrophobe entre KGM et HPMC dans le système par cisaillement externe. De plus, l’augmentation de la fraction massique du système et de la teneur en KGM est bénéfique pour maintenir la stabilité de la structure dense et augmente la valeur de fréquence externe qui détruit la structure.

2.4 Analyse de la courbe de balayage de température du système composite KGM/HPMC

À partir des courbes de module de stockage et de module de perte des solutions KGM/HPMC avec différentes fractions massiques et différents rapports de composition, on peut voir que lorsque la fraction massique du système est de 0,50 %, le G'et G″de la solution HPMC change à peine avec la température. , et G″>G', la viscosité du système domine ; lorsque la fraction massique augmente, le G'de la solution HPMC reste d'abord inchangé puis augmente fortement, et G'et G″se croisent vers 70°C (la température du point d'intersection est le point de gel), et le système forme un gel à ce moment, indiquant ainsi que HPMC est un gel induit thermiquement. Pour la solution KGM, lorsque la fraction massique du système est de 0,50 % et 0,75 %, le G'et G du système « montre une tendance à la baisse ; lorsque la fraction massique augmente, les G' et G” de la solution KGM diminuent d'abord puis augmentent de manière significative, ce qui indique que la solution KGM présente des propriétés semblables à celles d'un gel à des fractions massiques élevées et à des températures élevées.

Avec l'augmentation de la température, le G'et G″du système complexe KGM/HPMC a d’abord diminué puis augmenté de manière significative, et G'et G″Des points d'intersection sont apparus et le système a formé un gel. Lorsque les molécules HPMC sont à basse température, des liaisons hydrogène se produisent entre les groupes hydrophiles de la chaîne moléculaire et les molécules d'eau, et lorsque la température augmente, la chaleur appliquée détruit les liaisons hydrogène formées entre HPMC et les molécules d'eau, entraînant la formation de molécules macromoléculaires HPMC. chaînes. Les groupes hydrophobes à la surface sont exposés, une association hydrophobe se produit et un gel thermotrope se forme. Pour le système à faible fraction massique, une plus grande teneur en KGM peut former un gel ; pour les systèmes à fraction massique élevée, une plus grande teneur en HPMC peut former un gel. Dans le système à faible fraction massique (0,50 %), la présence de molécules KGM réduit la probabilité de formation de liaisons hydrogène entre les molécules HPMC, augmentant ainsi la possibilité d'exposition de groupes hydrophobes dans les molécules HPMC, ce qui favorise la formation de gels thermotropes. Dans le système à fraction massique élevée, si la teneur en KGM est trop élevée, la viscosité du système est élevée, ce qui ne favorise pas l'association hydrophobe entre les molécules HPMC et KGM, ce qui ne favorise pas la formation de gel thermogénique.

3. Conclusion

Dans cet article, le comportement rhéologique du système composé de KGM et HPMC est étudié. Les résultats montrent que le système composé de KGM/HPMC est un fluide non newtonien et que le type de fluide du système composé de KGM/HPMC est principalement déterminé par KGM. L'augmentation de la fraction massique du système et de la teneur en KGM a diminué la fluidité de la solution composée et augmenté sa viscosité. A l'état sol, les chaînes moléculaires de KGM et HPMC forment une structure plus dense grâce à des interactions hydrophobes. La structure du système est détruite par le cisaillement externe, entraînant une chute soudaine du module de stockage du système. L'augmentation de la fraction massique du système et de la teneur en KGM est bénéfique pour maintenir la stabilité de la structure dense et augmenter la valeur de fréquence externe qui détruit la structure. Pour le système à faible fraction massique, une teneur plus élevée en KGM est propice à la formation de gel ; pour le système à fraction massique élevée, une teneur plus élevée en HPMC est propice à la formation de gel.