Estudo do comportamento reolóxico do sistema de compostos de hidroxipropilmetilcelulosa e glucomanano konjac

O sistema composto de glucomanano konjac (KGM) e hidroxipropil metilcelulosa (HPMC) tomouse como obxecto de investigación e realizáronse as probas de cizallamento, frecuencia e temperatura en estado estacionario no sistema composto mediante un reómetro rotacional. Analizouse a influencia da fracción de masa da disolución e da proporción de compostos sobre a viscosidade e as propiedades reolóxicas do sistema composto KGM/HPMC. Os resultados mostran que o sistema composto KGM/HPMC é un fluído non newtoniano e o aumento da fracción de masa e o contido de KGM do sistema reduce a fluidez da solución composta e aumenta a viscosidade. No estado sol, as cadeas moleculares KGM e HPMC forman unha estrutura máis compacta mediante interaccións hidrófobas. Aumentar a fracción de masa do sistema e o contido de KGM é propicio para manter a estabilidade da estrutura. No sistema de fracción de masa baixa, aumentar o contido de KGM é beneficioso para a formación de xeles termotrópicos; mentres que no sistema de fracción de masa elevada, o aumento do contido de HPMC conduce á formación de xeles termotrópicos.

Palabras clave:glucomanano konjac; hidroxipropil metilcelulosa; composto; comportamento reolóxico

Os polisacáridos naturais son moi utilizados na industria alimentaria debido ás súas propiedades espesantes, emulsionantes e xelificantes. O glucomanano Konjac (KGM) é un polisacárido vexetal natural, composto porβ-D-glicosa eβ-D-manosa nunha proporción de 1,6:1, as dúas están ligadas porβ-1,4 enlaces glicosídicos, no C- Hai unha pequena cantidade de acetilo na posición 6 (aproximadamente 1 acetilo por cada 17 residuos). Non obstante, a alta viscosidade e a escasa fluidez da solución acuosa KGM limitan a súa aplicación na produción. A hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) é un éter de propilenglicol da metilcelulosa, que pertence ao éter de celulosa non iónico. HPMC é formador de película, soluble en auga e renovable. HPMC ten baixa viscosidade e resistencia do xel a baixas temperaturas e un rendemento de procesamento relativamente pobre, pero pode formar un xel de tipo sólido relativamente viscoso a altas temperaturas, polo que moitos procesos de produción deben levarse a cabo a altas temperaturas, o que resulta nun alto consumo de enerxía de produción. Os custos de produción son elevados. A literatura mostra que a unidade de manosa non substituída na cadea molecular KGM pode formar unha rexión de asociación hidrofóbica débilmente entrecruzada co grupo hidrófobo da cadea molecular HPMC mediante a interacción hidrófoba. Esta estrutura pode atrasar e impedir parcialmente a xelación térmica de HPMC e baixar a temperatura do xel de HPMC. Ademais, tendo en conta as propiedades de baixa viscosidade do HPMC a temperaturas relativamente baixas, prevese que a súa combinación con KGM poida mellorar as propiedades de alta viscosidade do KGM e mellorar o seu rendemento de procesamento. Polo tanto, este traballo construirá un sistema composto KGM/HPMC para explorar a influencia da fracción de masa da solución e a proporción de compostos nas propiedades reolóxicas do sistema KGM/HPMC, e proporcionará unha referencia teórica para a aplicación do sistema composto KGM/HPMC en a industria alimentaria.

1. Materiais e métodos

1.1 Materiais e reactivos

Hidroxipropilmetilcelulosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fracción de masa 2%, viscosidade 6 mPa·s; fracción de masa metoxi 28% ~ 30%; fracción de masa de hidroxipropilo 7,0% ~ 12% .

Glucomanano Konjac, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viscosidade da solución acuosa ao 1% en peso≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumentos e equipamentos

Reómetro rotacional MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Máquina de auga ultrapura UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Balanza analítica electrónica AB-50, empresa suíza Mette; LHS-150HC baño de auga a temperatura constante, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Agitador eléctrico JJ-1, fábrica de instrumentos médicos Jintan, provincia de Jiangsu.

1.3 Preparación da disolución composta

Pese os po HPMC e KGM cunha certa proporción de composición (relación de masa: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), engádeos lentamente a auga desionizada nun 60°C baño de auga, e mexa durante 1,5 ~ 2 h para que se disperse uniformemente, e prepare 5 tipos de solucións de gradiente con fraccións de masa sólida total de 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% e 1,50%, respectivamente.

1.4 Ensaio de propiedades reolóxicas da disolución do composto

Ensaio de cizallamento en estado estacionario: a curva reolóxica da solución de composto KGM/HPMC foi medida usando un cono e unha placa CP50, o espazo entre as placas superior e inferior fixouse en 0,1 mm, a temperatura de medición foi de 25°C, e o intervalo de velocidade de cizallamento foi de 0,1 a 100 s-1.

Exploración de tensión (determinación da rexión viscoelástica lineal): use a placa PP50 para medir a rexión viscoelástica lineal e a lei de cambio de módulo da solución composta KGM/HPMC, estableza o espazamento en 1.000 mm, a frecuencia fixada en 1 Hz e a temperatura de medición en 25°C. O rango de tensión é de 0,1% ~ 100%.

Varrido de frecuencia: use unha placa PP50 para medir o cambio de módulo e a dependencia da frecuencia da solución composta KGM/HPMC. A separación é de 1.000 mm, a tensión é do 1%, a temperatura de medición é de 25°C, e o rango de frecuencia é de 0,1-100 Hz.

Escaneo de temperatura: o módulo e a súa dependencia da temperatura da solución de composto KGM/HPMC foron medidos usando unha placa PP50, o espazamento foi de 1.000 mm, a frecuencia fixa foi de 1 Hz, a deformación foi do 1% e a temperatura foi de 25. ata 90°C.

2. Resultados e análise

2.1 Análise da curva de fluxo do sistema composto KGM/HPMC

Curvas de viscosidade fronte á velocidade de cizallamento das solucións KGM/HPMC con diferentes relacións de composición en diferentes fraccións de masa. Os fluídos cuxa viscosidade é unha función lineal da velocidade de cizallamento chámanse fluídos newtonianos, se non, denomínanse fluídos non newtonianos. A partir da curva pódese ver que a viscosidade da disolución de KGM e da disolución de composto KGM/HPMC diminúe co aumento da velocidade de cizallamento; canto maior sexa o contido de KGM, maior será a fracción de masa do sistema e máis evidente será o fenómeno de adelgazamento por cizallamento da solución. Isto mostra que o sistema composto KGM e KGM/HPMC son fluídos non newtonianos, e o tipo de fluído do sistema composto KGM/HPMC está determinado principalmente por KGM.

A partir do índice de fluxo e do coeficiente de viscosidade das solucións KGM/HPMC con diferentes fraccións de masa e diferentes proporcións de compostos, pódese ver que os n valores dos sistemas compostos KGM, HPMC e KGM/HPMC son todos inferiores a 1, o que indica que as solucións son todos os fluídos pseudoplásticos. Para o sistema composto KGM/HPMC, o aumento da fracción de masa do sistema provocará un enredo e outras interaccións entre as cadeas moleculares HPMC e KGM na solución, o que reducirá a mobilidade das cadeas moleculares, reducindo así o valor n de o sistema. Ao mesmo tempo, co aumento do contido de KGM, mellora a interacción entre as cadeas moleculares de KGM no sistema KGM/HPMC, reducindo así a súa mobilidade e resultando nunha diminución do valor n. Pola contra, o valor K da solución de composto KGM/HPMC aumenta continuamente co aumento da fracción de masa da solución e do contido de KGM, o que se debe principalmente ao aumento da fracción de masa do sistema e do contido de KGM, que ambos aumentan o contido de KGM. grupos hidrófilos no sistema. , aumentando a interacción molecular dentro da cadea molecular e entre as cadeas, aumentando así o radio hidrodinámico da molécula, facendo que sexa menos probable que estea orientada baixo a acción da forza de cizallamento externa e aumentando a viscosidade.

O valor teórico da viscosidade de cizallamento cero do sistema composto KGM/HPMC pódese calcular de acordo co principio de suma logarítmica anterior, e o seu valor experimental pódese obter mediante a extrapolación de axuste Carren da curva da taxa de cizallamento viscosidade. Comparando o valor previsto da viscosidade de cizallamento cero do sistema composto KGM/HPMC con diferentes fraccións de masa e diferentes relacións de composición co valor experimental, pódese ver que o valor real da viscosidade de cizallamento cero do composto KGM/HPMC solución é menor que o valor teórico. Isto indicaba que se formou un novo conxunto cunha estrutura densa no complexo sistema de KGM e HPMC. Estudos existentes demostraron que as unidades de manosa non substituídas na cadea molecular KGM poden interactuar cos grupos hidrófobos da cadea molecular HPMC para formar unha rexión de asociación hidrofóbica débilmente entrecruzada. Especúlase que a nova estrutura de ensamblaxe cunha estrutura relativamente densa fórmase principalmente mediante interaccións hidrófobas. Cando a relación KGM é baixa (HPMC > 50%), o valor real da viscosidade de cizallamento cero do sistema KGM/HPMC é menor que o valor teórico, o que indica que a baixo contido de KGM participan máis moléculas na nova densidade. estrutura. Na formación de , a viscosidade de cizallamento cero do sistema redúcese aínda máis.

2.2 Análise das curvas de varrido de deformación do sistema composto KGM/HPMC

A partir das curvas de relación de módulo e deformación cortante das solucións KGM/HPMC con diferentes fraccións de masa e diferentes relacións de composición, pódese ver que cando a deformación cortante é inferior ao 10%, o G′e G″do sistema composto basicamente non aumentan coa deformación cortante. Non obstante, mostra que dentro deste intervalo de tensión de cizallamento, o sistema composto pode responder a estímulos externos mediante o cambio da conformación da cadea molecular e a estrutura do sistema composto non está danada. Cando a deformación de cizallamento é > 10%, a forza de cizallamento externa. Baixo a acción da forza de cizallamento, a velocidade de desenredo das cadeas moleculares no sistema complexo é maior que a velocidade de entrelamento, G′e G″comeza a diminuír e o sistema entra na rexión viscoelástica non lineal. Polo tanto, na proba de frecuencia dinámica posterior, o parámetro de tensión de cizallamento seleccionouse como 1% para a proba.

2.3 Análise da curva de varrido de frecuencia do sistema composto KGM/HPMC

Curvas de variación do módulo de almacenamento e do módulo de perda con frecuencia para solucións KGM/HPMC con diferentes ratios de composición en diferentes fraccións de masa. O módulo de almacenamento G' representa a enerxía que se pode recuperar tras o almacenamento temporal na proba, e o módulo de perda G” significa a enerxía necesaria para o fluxo inicial, que é unha perda irreversible e finalmente se transforma en calor de cizallamento. Pódese ver que, a medida que aumenta a frecuencia de oscilación, o módulo de perda G″sempre é maior que o módulo de almacenamento G′, mostrando un comportamento líquido. No intervalo de frecuencias de proba, o módulo de almacenamento G' e o módulo de perda G” aumentan co aumento da frecuencia de oscilación. Isto débese principalmente ao feito de que co aumento da frecuencia de oscilación, os segmentos da cadea molecular do sistema non teñen tempo para recuperarse da deformación en pouco tempo. O estado anterior, mostrando así o fenómeno de que se pode almacenar máis enerxía ( maior G′) ou debe perderse (G″).

Co aumento da frecuencia de oscilación, o módulo de almacenamento do sistema cae de súpeto e co aumento da fracción de masa e o contido de KGM do sistema, o punto de frecuencia da caída repentina aumenta gradualmente. A caída repentina pode deberse á destrución da estrutura compacta formada pola asociación hidrofóbica entre KGM e HPMC no sistema por cizallamento externo. Ademais, o aumento da fracción de masa do sistema e do contido de KGM é beneficioso para manter a estabilidade da estrutura densa e aumenta o valor da frecuencia externa que destrúe a estrutura.

2.4 Análise da curva de exploración de temperatura do sistema composto KGM/HPMC

A partir das curvas do módulo de almacenamento e do módulo de perda das solucións KGM/HPMC con diferentes fraccións de masa e diferentes relacións de composición, pódese ver que cando a fracción de masa do sistema é do 0,50%, o G′e G″da solución de HPMC apenas cambia coa temperatura. , e G″> G′, domina a viscosidade do sistema; cando a fracción de masa aumenta, o G′da solución HPMC primeiro permanece inalterada e despois aumenta drasticamente, e G′e G″cruzan ao redor dos 70°C (A temperatura do punto de intersección é o punto de xel) e o sistema forma un xel neste momento, o que indica que HPMC é un xel inducido térmicamente. Para a solución KGM, cando a fracción de masa do sistema é 0,50% e 0,75%, o G′e G do sistema “amosa unha tendencia decrecente; cando a fracción de masa aumenta, o G' e G” da solución de KGM primeiro diminúen e despois aumentan significativamente, o que indica que a solución de KGM presenta propiedades de tipo xel a fraccións de masa elevadas e temperaturas elevadas.

Co aumento da temperatura, o G′e G″do sistema complexo KGM/HPMC primeiro diminuíu e despois aumentou significativamente, e G′e G″apareceron puntos de intersección, e o sistema formou un xel. Cando as moléculas de HPMC están a baixa temperatura, prodúcense enlaces de hidróxeno entre os grupos hidrófilos da cadea molecular e as moléculas de auga, e cando a temperatura aumenta, a calor aplicada destrúe os enlaces de hidróxeno formados entre as HPMC e as moléculas de auga, o que orixina a formación de macromoleculares HPMC. cadeas. Os grupos hidrófobos da superficie están expostos, prodúcese asociación hidrófoba e fórmase un xel termotrópico. Para o sistema de fracción de masa baixa, máis contido de KGM pode formar xel; para sistemas de fracción de masa alta, máis contido de HPMC pode formar xel. No sistema de fracción de masa baixa (0,50%), a presenza de moléculas de KGM reduce a probabilidade de formar enlaces de hidróxeno entre as moléculas de HPMC, aumentando así a posibilidade de exposición de grupos hidrófobos nas moléculas de HPMC, o que favorece a formación de xeles termotrópicos. No sistema de fracción de masa alta, se o contido de KGM é demasiado alto, a viscosidade do sistema é alta, o que non é propicio para a asociación hidrofóbica entre as moléculas de HPMC e KGM, o que non é propicio para a formación de xel termoxénico.

3. Conclusión

Neste traballo estúdase o comportamento reolóxico do sistema composto de KGM e HPMC. Os resultados mostran que o sistema composto de KGM/HPMC é un fluído non newtoniano e o tipo de fluído do sistema composto de KGM/HPMC está determinado principalmente por KGM. O aumento da fracción de masa do sistema e o contido de KGM diminuíu a fluidez da solución composta e aumentou a súa viscosidade. No estado sol, as cadeas moleculares de KGM e HPMC forman unha estrutura máis densa mediante interaccións hidrófobas. A estrutura do sistema é destruída por cizallamento externo, o que resulta nunha caída repentina do módulo de almacenamento do sistema. O aumento da fracción de masa do sistema e do contido de KGM é beneficioso para manter a estabilidade da estrutura densa e aumentar o valor da frecuencia externa que destrúe a estrutura. Para o sistema de fracción de masa baixa, máis contido de KGM favorece a formación de xel; para o sistema de fracción de masa elevada, máis contido de HPMC favorece a formación de xel.