Studija o reološkom ponašanju konjac glukomanana i sustava spojeva hidroksipropil metilceluloze

Kao predmet istraživanja uzet je sustav spojeva konjac glukomanana (KGM) i hidroksipropil metilceluloze (HPMC), a na sustavu spojeva rotacijskim reometrom provedena su ispitivanja smicanja u stacionarnom stanju, frekvencije i temperature. Analiziran je utjecaj masenog udjela otopine i omjera spojeva na viskoznost i reološka svojstva sustava spojeva KGM/HPMC. Rezultati pokazuju da je sustav spojeva KGM/HPMC ne-Newtonov fluid, a povećanje masenog udjela i sadržaja KGM u sustavu smanjuje fluidnost otopine spoja i povećava viskoznost. U stanju sol, KGM i HPMC molekularni lanci tvore kompaktniju strukturu kroz hidrofobne interakcije. Povećanje masenog udjela sustava i sadržaja KGM-a pogoduje održavanju stabilnosti strukture. U sustavu niskog masenog udjela, povećanje sadržaja KGM-a je korisno za stvaranje termotropnih gelova; dok u sustavu s visokim udjelom mase povećanje sadržaja HPMC-a pogoduje stvaranju termotropnih gelova.

Ključne riječi:konjak glukomanan; hidroksipropil metilceluloza; spoj; reološko ponašanje

Prirodni polisaharidi naširoko se koriste u prehrambenoj industriji zbog svojih svojstava zgušnjavanja, emulgiranja i želiranja. Konjac glukomanan (KGM) je prirodni biljni polisaharid, sastavljen odβ-D-glukoza iβ-D-manoza u omjeru 1,6:1, njih dvoje je povezanoβ-1,4 glikozidne veze, u C- Postoji mala količina acetila na položaju 6 (otprilike 1 acetil na svakih 17 ostataka). Međutim, visoka viskoznost i slaba fluidnost KGM vodene otopine ograničavaju njegovu primjenu u proizvodnji. Hidroksipropil metilceluloza (HPMC) je propilen glikol eter metilceluloze, koji spada u neionske celulozne etere. HPMC stvara film, topiv je u vodi i obnovljiv je. HPMC ima nisku viskoznost i čvrstoću gela na niskim temperaturama i relativno slabe performanse obrade, ali može formirati relativno viskozan gel nalik krutini na visokim temperaturama, tako da se mnogi proizvodni procesi moraju provoditi na visokim temperaturama, što rezultira velikom potrošnjom energije u proizvodnji. Troškovi proizvodnje su visoki. Literatura pokazuje da nesupstituirana jedinica manoze na KGM molekularnom lancu može hidrofobnom interakcijom formirati slabo umreženu hidrofobnu asocijacijsku regiju s hidrofobnom skupinom na HPMC molekularnom lancu. Ova struktura može odgoditi i djelomično spriječiti toplinsko geliranje HPMC-a i sniziti temperaturu gela HPMC-a. Osim toga, s obzirom na svojstva niske viskoznosti HPMC-a na relativno niskim temperaturama, predviđa se da njegovo miješanje s KGM-om može poboljšati svojstva visoke viskoznosti KGM-a i poboljšati njegovu preradbenu izvedbu. Stoga će ovaj rad konstruirati sustav spojeva KGM/HPMC kako bi se istražio utjecaj masenog udjela otopine i omjera spoja na reološka svojstva sustava KGM/HPMC i pružiti teoretsku referencu za primjenu sustava spojeva KGM/HPMC u prehrambenoj industriji.

1. Materijali i metode

1.1 Materijali i reagensi

Hidroksipropil metilceluloza, KIMA CHEMICAL CO., LTD, maseni udio 2%, viskoznost 6 mPa·s; metoksi maseni udio 28%~30%; hidroksipropil maseni udio 7.0%~12% .

Konjac glukomanan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viskoznost vodene otopine 1 wt %≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumenti i oprema

MCR92 rotacijski reometar, Anton Paar Co., Ltd., Austrija; UPT-II-10T stroj za ultračistu vodu, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektronska analitička vaga AB-50, švicarska tvrtka Mette; LHS-150HC vodena kupelj konstantne temperature, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 električna mješalica, Jintan tvornica medicinskih instrumenata, provincija Jiangsu.

1.3 Priprema otopine spoja

Izvažite HPMC i KGM prahove s određenim omjerom smjese (omjer mase: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), polako ih dodajte u deioniziranu vodu u 60°C vodenoj kupelji i miješati 1,5~ 2 h da se ravnomjerno rasprši i pripremiti 5 vrsta gradijentnih otopina s ukupnim masenim udjelima krute tvari od 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25%, odnosno 1,50%.

1.4 Ispitivanje reoloških svojstava otopine spoja

Test smicanja u stabilnom stanju: reološka krivulja otopine spoja KGM/HPMC izmjerena je pomoću CP50 konusa i ploče, razmak između gornje i donje ploče fiksiran je na 0,1 mm, temperatura mjerenja bila je 25°C, a raspon brzine smicanja bio je od 0,1 do 100 s-1.

Skeniranje naprezanja (određivanje linearnog viskoelastičnog područja): Upotrijebite PP50 ploču za mjerenje linearnog viskoelastičnog područja i zakona promjene modula otopine spoja KGM/HPMC, postavite razmak na 1.000 mm, fiksnu frekvenciju na 1Hz i temperaturu mjerenja na 25°C. Raspon deformacije je 0,1%~100%.

Frekvencijski pregled: Koristite PP50 ploču za mjerenje promjene modula i ovisnosti o frekvenciji otopine spoja KGM/HPMC. Razmak je postavljen na 1.000 mm, deformacija je 1%, temperatura mjerenja je 25°C, a frekvencijski raspon je 0,1-100 Hz.

Temperaturno skeniranje: Modul i njegova temperaturna ovisnost otopine spoja KGM/HPMC izmjereni su pomoću PP50 ploče, razmak je postavljen na 1.000 mm, fiksna frekvencija je bila 1 Hz, deformacija je bila 1%, a temperatura je bila od 25 do 90°C.

2. Rezultati i analiza

2.1 Analiza krivulje protoka spojenog sustava KGM/HPMC

Krivulje viskoznosti u odnosu na brzinu smicanja KGM/HPMC otopina s različitim omjerima smjese pri različitim masenim udjelima. Tekućine čija je viskoznost linearna funkcija brzine smicanja nazivaju se Newtonove tekućine, inače se nazivaju ne-Newtonove tekućine. Iz krivulje se može vidjeti da viskoznost otopine KGM i otopine spoja KGM/HPMC opada s povećanjem brzine smicanja; što je veći sadržaj KGM-a, to je veći maseni udio sustava i očitiji je fenomen smičnog stanjivanja otopine. To pokazuje da su KGM i KGM/HPMC složeni sustav ne-Newtonovske tekućine, a tip fluida KGM/HPMC složenog sustava uglavnom je određen KGM-om.

Iz indeksa protoka i koeficijenta viskoznosti KGM/HPMC otopina s različitim masenim udjelima i različitim omjerima spojeva, može se vidjeti da su n vrijednosti KGM, HPMC i KGM/HPMC sustava spojeva sve manje od 1, što ukazuje da su otopine sve pseudoplastične tekućine. Za sustav spojeva KGM/HPMC, povećanje masenog udjela sustava uzrokovat će ispreplitanje i druge interakcije između HPMC i KGM molekularnih lanaca u otopini, što će smanjiti pokretljivost molekularnih lanaca, čime se smanjuje vrijednost n za sustav. Istodobno, s povećanjem udjela KGM-a, pojačava se interakcija između molekularnih lanaca KGM-a u KGM/HPMC sustavu, čime se smanjuje njegova pokretljivost i rezultira smanjenjem vrijednosti n. Naprotiv, vrijednost K otopine spoja KGM/HPMC kontinuirano raste s povećanjem masenog udjela otopine i sadržaja KGM, što je uglavnom posljedica povećanja masenog udjela sustava i sadržaja KGM, koji povećavaju sadržaj hidrofilne skupine u sustavu. , povećavajući molekularnu interakciju unutar molekularnog lanca i između lanaca, čime se povećava hidrodinamički radijus molekule, čineći manje vjerojatno da će biti usmjerena pod djelovanjem vanjske sile smicanja i povećanjem viskoznosti.

Teorijska vrijednost viskoznosti bez smicanja sustava spojeva KGM/HPMC može se izračunati prema gore navedenom principu logaritamskog zbrajanja, a njezina eksperimentalna vrijednost može se dobiti ekstrapolacijom Carren fittinga krivulje brzine smicanja viskoznosti. Uspoređujući predviđenu vrijednost viskoznosti bez smicanja sustava spojeva KGM/HPMC s različitim masenim udjelima i različitim omjerima smjese s eksperimentalnom vrijednošću, može se vidjeti da je stvarna vrijednost viskoznosti bez smicanja spoja KGM/HPMC rješenje je manje od teorijske vrijednosti. To je pokazalo da je u složenom sustavu KGM i HPMC formiran novi sklop guste strukture. Postojeće studije su pokazale da nesupstituirane jedinice manoze na KGM molekularnom lancu mogu djelovati s hidrofobnim skupinama na HPMC molekularnom lancu i formirati slabo umreženu hidrofobnu asocijacijsku regiju. Nagađa se da je nova struktura sklopa s relativno gustom strukturom uglavnom nastala kroz hidrofobne interakcije. Kada je omjer KGM nizak (HPMC > 50%), stvarna vrijednost viskoznosti bez smicanja KGM/HPMC sustava niža je od teorijske vrijednosti, što ukazuje da pri niskom sadržaju KGM više molekula sudjeluje u gušćem novom struktura. U formiranju, viskoznost sustava bez smicanja se dodatno smanjuje.

2.2 Analiza deformacijskih krivulja KGM/HPMC spojnog sustava

Iz krivulja odnosa modula i smične deformacije KGM/HPMC otopina s različitim masenim udjelima i različitim omjerima smjese, može se vidjeti da kada je smična deformacija manja od 10%, G′i G″složenog sustava u osnovi se ne povećavaju s posmičnom deformacijom. Međutim, pokazuje da unutar ovog raspona smičnih deformacija sustav spojeva može odgovoriti na vanjske podražaje promjenom konformacije molekularnog lanca, a struktura sustava spojeva nije oštećena. Kada je posmična deformacija >10%, vanjska Pod djelovanjem posmične sile, brzina odvajanja molekularnih lanaca u složenom sustavu veća je od brzine zapetljavanja, G′i G″početi smanjivati, a sustav ulazi u nelinearno viskoelastično područje. Stoga je u naknadnom ispitivanju dinamičke frekvencije parametar posmične deformacije odabran kao 1% za ispitivanje.

2.3 Analiza frekvencijske krivulje KGM/HPMC složenog sustava

Varijacijske krivulje modula skladištenja i modula gubitka s frekvencijom za KGM/HPMC otopine s različitim omjerima smjese pod različitim masenim udjelima. Modul pohrane G' predstavlja energiju koja se može povratiti nakon privremenog pohranjivanja u ispitivanju, a modul gubitka G” znači energiju potrebnu za početni protok, koji je nepovratan gubitak i na kraju se pretvara u toplinu smicanja. Može se vidjeti da, s povećanjem frekvencije osciliranja, modul gubitka G″je uvijek veći od modula skladištenja G′, pokazujući ponašanje tekućine. U ispitnom frekvencijskom području modul pohrane G' i modul gubitka G” rastu s porastom frekvencije osciliranja. To je uglavnom zbog činjenice da s povećanjem frekvencije oscilacija, segmenti molekularnog lanca u sustavu nemaju vremena oporaviti se do deformacije u kratkom vremenu prethodnog stanja, pokazujući tako fenomen da se može pohraniti više energije ( veći G′) ili treba biti izgubljen (G″).

S porastom frekvencije osciliranja, memorijski modul sustava naglo opada, a s porastom masenog udjela i sadržaja KGM sustava postupno se povećava frekvencijska točka naglog pada. Nagli pad može biti posljedica razaranja kompaktne strukture nastale hidrofobnom asocijacijom između KGM i HPMC u sustavu vanjskim smicanjem. Štoviše, povećanje masenog udjela sustava i sadržaja KGM-a korisno je za održavanje stabilnosti guste strukture i povećava vrijednost vanjske frekvencije koja uništava strukturu.

2.4 Analiza krivulje temperaturnog skeniranja KGM/HPMC kompozitnog sustava

Iz krivulja modula skladištenja i modula gubitka KGM/HPMC otopina s različitim masenim udjelima i različitim omjerima kompaundiranja, može se vidjeti da kada je maseni udio sustava 0,50%, G′i G″HPMC otopine gotovo se ne mijenja s temperaturom. i G″>G′, dominira viskoznost sustava; kada se maseni udio poveća, G′otopine HPMC prvo ostaje nepromijenjen, a zatim naglo raste, a G′i G″sijeku se oko 70°C (temperatura točke presjeka je točka geliranja), a sustav u to vrijeme formira gel, što ukazuje da je HPMC toplinski inducirani gel. Za otopinu KGM, kada je maseni udio sustava 0,50% i 0,75%, G′i G sustava “pokazuje trend pada; kada se maseni udio povećava, G' i G” otopine KGM prvo se smanjuju, a zatim značajno povećavaju, što ukazuje da otopina KGM pokazuje svojstva slična gelu pri visokim masenim udjelima i visokim temperaturama.

S porastom temperature, G′i G″kompleksnog sustava KGM/HPMC prvo se smanjio, a zatim značajno povećao, a G′i G″pojavile su se točke sjecišta, a sustav je formirao gel. Kada su HPMC molekule na niskoj temperaturi, dolazi do vodikovih veza između hidrofilnih skupina na molekularnom lancu i molekula vode, a kada temperatura poraste, primijenjena toplina uništava vodikove veze stvorene između HPMC i molekula vode, što rezultira stvaranjem HPMC makromolekula lanci. Hidrofobne skupine na površini su izložene, dolazi do hidrofobne asocijacije i formira se termotropni gel. Za sustav s niskim udjelom mase, više KGM sadržaja može formirati gel; za sustav s visokim udjelom mase, više HPMC sadržaja može stvoriti gel. U sustavu niskog masenog udjela (0,50%), prisutnost KGM molekula smanjuje vjerojatnost stvaranja vodikovih veza između HPMC molekula, čime se povećava mogućnost izloženosti hidrofobnih skupina u HPMC molekulama, što pogoduje stvaranju termotropnih gelova. U sustavu s visokim masenim udjelom, ako je sadržaj KGM-a previsok, viskoznost sustava je visoka, što ne pogoduje hidrofobnoj povezanosti između HPMC i KGM molekula, što ne pogoduje stvaranju termogenog gela.

3. Zaključak

U ovom radu proučava se reološko ponašanje sustava spojeva KGM i HPMC. Rezultati pokazuju da je složeni sustav KGM/HPMC ne-Newtonov fluid, a tip fluida složenog sustava KGM/HPMC uglavnom je određen KGM-om. Povećanje masenog udjela sustava i sadržaja KGM-a smanjilo je fluidnost otopine spoja i povećalo njenu viskoznost. U stanju sol, molekularni lanci KGM i HPMC tvore gušću strukturu kroz hidrofobne interakcije. Struktura u sustavu je uništena vanjskim smicanjem, što rezultira naglim padom modula skladištenja sustava. Povećanje masenog udjela sustava i sadržaja KGM-a korisno je za održavanje stabilnosti guste strukture i povećanje vrijednosti vanjske frekvencije koja uništava strukturu. Za sustav s malim udjelom mase, više sadržaja KGM-a pogoduje stvaranju gela; za sustav s visokim udjelom mase, više HPMC sadržaja pogoduje stvaranju gela.