Konjac glükomannán és hidroxipropil-metil-cellulóz vegyületrendszer reológiai viselkedésének vizsgálata

Kutatási célul a konjac glükomannán (KGM) és a hidroxipropil-metil-cellulóz (HPMC) vegyületrendszerét vettük, és a vegyületrendszeren rotációs reométerrel végeztük el a steady-state nyírási, frekvencia és hőmérséklet-sweep vizsgálatokat. Elemeztük az oldat tömeghányadának és a vegyületaránynak a KGM/HPMC vegyületrendszer viszkozitására és reológiai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatását. Az eredmények azt mutatják, hogy a KGM/HPMC vegyületrendszer nem newtoni folyadék, és a rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növekedése csökkenti a vegyületoldat folyékonyságát és növeli a viszkozitást. Szol állapotban a KGM és HPMC molekulaláncok hidrofób kölcsönhatások révén kompaktabb szerkezetet alkotnak. A rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növelése elősegíti a szerkezet stabilitásának megőrzését. A kis tömegű frakciós rendszerben a KGM-tartalom növelése előnyös a termotróp gélek képződésében; míg a nagy tömegű frakciós rendszerben a HPMC tartalom növelése kedvez a termotróp gélek képződésének.

Kulcsszavak:konjac glükomannán; hidroxi-propil-metil-cellulóz; összetett; reológiai viselkedés

A természetes poliszacharidokat sűrítő, emulgeáló és zselésítő tulajdonságaik miatt széles körben használják az élelmiszeriparban. A konjac glükomannán (KGM) egy természetes növényi poliszacharid, amely a következőkből állβ-D-glükóz ésβ-D-mannóz 1,6:1 arányban, a kettőt aβ-1,4 glikozidos kötések, a C-ben- A 6-os pozícióban kis mennyiségű acetil van (kb. 1 acetil minden 17 maradékhoz). A KGM vizes oldat magas viszkozitása és gyenge folyékonysága azonban korlátozza alkalmazását a gyártásban. A hidroxi-propil-metil-cellulóz (HPMC) a metil-cellulóz propilénglikol-étere, amely a nemionos cellulóz-éterhez tartozik. A HPMC filmképző, vízoldható és megújuló. A HPMC alacsony hőmérsékleten alacsony viszkozitású és gélszilárdságú, és viszonylag gyenge a feldolgozási teljesítménye, de magas hőmérsékleten viszonylag viszkózus szilárd gélt képezhet, ezért sok gyártási folyamatot magas hőmérsékleten kell végrehajtani, ami magas termelési energiafelhasználást eredményez. A termelési költségek magasak. A szakirodalom azt mutatja, hogy a KGM molekulaláncon lévő szubsztituálatlan mannóz egység hidrofób kölcsönhatás révén gyengén térhálósított hidrofób asszociációs régiót képezhet a HPMC molekulalánc hidrofób csoportjával. Ez a szerkezet késleltetheti és részben megakadályozhatja a HPMC termikus gélesedését, és csökkentheti a HPMC gél hőmérsékletét. Ezen túlmenően, tekintettel a HPMC alacsony viszkozitású tulajdonságaira viszonylag alacsony hőmérsékleten, az előrejelzések szerint a KGM-mel való összekeverése javíthatja a KGM nagy viszkozitású tulajdonságait és javíthatja feldolgozási teljesítményét. Ezért ez a cikk egy KGM/HPMC vegyületrendszert fog létrehozni, amely feltárja az oldat tömeghányadának és a vegyületaránynak a KGM/HPMC rendszer reológiai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatását, és elméleti hivatkozást ad a KGM/HPMC vegyületrendszer alkalmazásához. az élelmiszeripar.

1. Anyagok és módszerek

1.1 Anyagok és reagensek

Hidroxi-propil-metil-cellulóz, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, tömeghányad 2%, viszkozitás 6 mPa·s; metoxi tömeghányad 28-30%; hidroxi-propil tömeghányad 7,0-12%.

Konjac glükomannán, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 tömeg%-os vizes oldat viszkozitása≥28 000 mPa·s.

1.2 Műszerek és felszerelések

MCR92 rotációs reométer, Anton Paar Co., Ltd., Ausztria; UPT-II-10T ultratiszta víz gép, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektronikus analitikai mérleg, svájci Mette cég; LHS-150HC állandó hőmérsékletű vízfürdő, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 elektromos keverő, Jintan orvosi műszergyár, Jiangsu tartomány.

1.3 Összetett oldat készítése

A HPMC és a KGM porokat meghatározott keverési arány mellett (tömegarány: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0) mérjük le, és lassan öntsük 60 fokos ionmentesített vízbe.°C-os vízfürdőben, keverés közben 1,5-2 órán keresztül egyenletesen eloszlik, majd 5 féle gradiens oldatot készítünk 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% és 1,50% teljes szilárd tömeghányaddal.

1.4 A vegyületoldat reológiai tulajdonságainak vizsgálata

Állandósult állapotú nyírási teszt: A KGM/HPMC vegyület oldat reológiai görbéjét CP50 kúppal és lemezzel mértük, a felső és alsó lemez közötti rést 0,1 mm-re rögzítettük, a mérési hőmérséklet 25 °C volt.°C, és a nyírási sebesség 0,1 és 100 s-1 között volt.

Strain scanning (a lineáris viszkoelasztikus tartomány meghatározása): PP50 lemezzel mérje meg a KGM/HPMC vegyület oldat lineáris viszkoelasztikus tartományát és modulusváltozási törvényét, állítsa be a távolságot 1000 mm-re, a fix frekvenciát 1 Hz-re és a mérési hőmérsékletet 25 °C-ra.°C. Az alakváltozási tartomány 0,1% ~ 100%.

Frekvencia sweep: PP50 lemezzel mérje meg a KGM/HPMC vegyületoldat modulusváltozását és frekvenciafüggését. A távolság 1.000 mm, a nyúlás 1%, a mérési hőmérséklet 25°C, a frekvencia tartomány pedig 0,1-100 Hz.

Hőmérséklet letapogatása: A KGM/HPMC vegyület oldat modulusát és hőmérsékletfüggését PP50 lemezzel mértük, a távolságot 1000 mm-re állítottuk, a fix frekvenciát 1 Hz-re, a deformációt 1%-ra, a hőmérsékletet 25 °C-ra. 90-re°C.

2. Eredmények és elemzés

2.1 KGM/HPMC vegyületrendszer áramlási görbe elemzése

Különböző keverési arányú KGM/HPMC oldatok viszkozitás-nyírósebesség-görbéi különböző tömeghányadoknál. Azokat a folyadékokat, amelyek viszkozitása a nyírási sebesség lineáris függvénye, newtoni folyadékoknak, egyébként nem newtoni folyadékoknak nevezzük. A görbéből látható, hogy a KGM oldat és a KGM/HPMC vegyület oldat viszkozitása a nyírási sebesség növekedésével csökken; minél nagyobb a KGM-tartalom, annál nagyobb a rendszer tömeghányada, és annál nyilvánvalóbb az oldat nyírási elvékonyodása. Ez azt mutatja, hogy a KGM és a KGM/HPMC vegyületrendszer nem newtoni folyadékok, és a KGM/HPMC vegyületrendszer folyadéktípusát főként a KGM határozza meg.

A különböző tömeghányadú és eltérő vegyületarányú KGM/HPMC oldatok folyási indexéből és viszkozitási együtthatójából látható, hogy a KGM, HPMC és KGM/HPMC vegyületrendszerek n értékei mind kisebbek 1-nél, ami azt jelzi, hogy az oldatok minden pszeudoplasztikus folyadék. A KGM/HPMC vegyületrendszer esetében a rendszer tömeghányadának növekedése összefonódást és egyéb kölcsönhatásokat okoz az oldatban lévő HPMC és KGM molekulaláncok között, ami csökkenti a molekulaláncok mobilitását, ezáltal csökkenti a molekula n értékét. a rendszer. Ugyanakkor a KGM tartalom növekedésével a KGM/HPMC rendszerben felerősödik a KGM molekulaláncok közötti kölcsönhatás, ezáltal csökken a mobilitása és az n érték csökkenését eredményezi. Ezzel szemben a KGM/HPMC vegyület oldatának K értéke folyamatosan növekszik az oldat tömeghányadának és a KGM-tartalomnak a növekedésével, ami elsősorban a rendszer tömeghányadának és a KGM-tartalomnak a növekedéséből adódik, amelyek egyaránt növelik az oldat tömeghányadának és KGM-tartalmának növekedését. hidrofil csoportok a rendszerben. , növeli a molekuláris kölcsönhatást a molekulaláncon belül és a láncok között, ezáltal növeli a molekula hidrodinamikai sugarát, ezáltal kevésbé valószínű, hogy külső nyíróerő hatására orientálódni fog, és növeli a viszkozitást.

A KGM/HPMC vegyületrendszer zéró nyírási viszkozitásának elméleti értéke a fenti logaritmikus összegzési elv szerint számítható, kísérleti értéke pedig a viszkozitás-nyírási sebesség görbe Carren-illesztéses extrapolációjával kapható meg. Összehasonlítva a KGM/HPMC vegyületrendszer zéró nyírási viszkozitásának becsült értékét különböző tömeghányadokkal és különböző keverési arányokkal a kísérleti értékkel, látható, hogy a KGM/HPMC vegyület zéró nyírási viszkozitásának tényleges értéke megoldás kisebb, mint az elméleti érték. Ez azt jelezte, hogy a KGM és a HPMC komplex rendszerében egy új, sűrű szerkezetű szerelvény jött létre. A meglévő tanulmányok kimutatták, hogy a KGM molekulaláncon lévő szubsztituálatlan mannóz egységek kölcsönhatásba léphetnek a HPMC molekulalánc hidrofób csoportjaival, és gyengén térhálósított hidrofób asszociációs régiót alkotnak. A feltételezések szerint az új, viszonylag sűrű szerkezetű összeállítási struktúra elsősorban hidrofób kölcsönhatások révén jön létre. Ha a KGM arány alacsony (HPMC > 50%), a KGM/HPMC rendszer nulla nyírási viszkozitásának tényleges értéke alacsonyabb, mint az elméleti érték, ami azt jelzi, hogy alacsony KGM tartalom mellett több molekula vesz részt a sűrűbb új szerkezet. A képződés során a rendszer zéró nyírási viszkozitása tovább csökken.

2.2 A KGM/HPMC vegyületrendszer deformációs sweep görbéinek elemzése

Különböző tömeghányadú és eltérő keverési arányú KGM/HPMC oldatok modulusának és nyírási alakváltozásának kapcsolati görbéiből látható, hogy amikor a nyírófeszültség kisebb, mint 10%, a G.′és G″A vegyület rendszerének értéke alapvetően nem növekszik a nyíró igénybevétellel. Ez azonban azt mutatja, hogy ezen a nyírófeszültségi tartományon belül a vegyületrendszer a molekulalánc konformációjának változásán keresztül reagál a külső ingerekre, és a vegyületrendszer szerkezete nem sérül. Ha a nyírófeszültség >10%, a külső nyíróerő hatására a komplex rendszerben a molekulaláncok szétválási sebessége nagyobb, mint az összegabalyodási sebesség, G′és G″csökkenni kezd, és a rendszer belép a nemlineáris viszkoelasztikus tartományba. Ezért az ezt követő dinamikus frekvencia tesztben a nyírási alakváltozási paramétert 1%-ra választottuk tesztelésre.

2.3 KGM/HPMC vegyületrendszer frekvencia-sweep görbe elemzése

A tárolási modulus és a veszteségi modulus gyakorisági változási görbéi különböző keverési arányú KGM/HPMC oldatokhoz, különböző tömeghányadok mellett. A G' tárolási modulus azt az energiát jelöli, amely a vizsgálatban ideiglenes tárolás után visszanyerhető, a G” veszteségi modulus pedig a kezdeti áramláshoz szükséges energiát jelenti, amely visszafordíthatatlan veszteség, és végül nyíróhővé alakul. Látható, hogy az oszcillációs frekvencia növekedésével a G veszteségi modulus″mindig nagyobb, mint a G tárolási modulus′, folyékony viselkedést mutat. A tesztfrekvencia tartományban a G' tárolási modulus és a G” veszteségi modulus az oszcillációs frekvencia növekedésével nő. Ennek elsősorban az az oka, hogy az oszcillációs frekvencia növekedésével a rendszerben lévő molekulalánc-szakaszoknak nincs idejük arra, hogy rövid időn belül visszanyerjék a deformációt. nagyobb G′) vagy el kell veszíteni (G″).

Az oszcillációs frekvencia növekedésével a rendszer tárolási modulusa hirtelen lecsökken, a rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növekedésével pedig fokozatosan növekszik a hirtelen esés frekvenciapontja. A hirtelen leesés oka lehet, hogy a rendszerben a KGM és a HPMC közötti hidrofób asszociáció következtében létrejött kompakt szerkezet külső nyírással megsemmisült. Ezenkívül a rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növelése előnyös a sűrű szerkezet stabilitásának megőrzésében, és növeli a szerkezetet tönkretevő külső frekvenciaértéket.

2.4 KGM/HPMC kompozit rendszer hőmérsékleti pásztázó görbe elemzése

A különböző tömeghányadú és eltérő keverési arányú KGM/HPMC oldatok tárolási modulusának és veszteségmodulusának görbéiből látható, hogy ha a rendszer tömeghányada 0,50%, akkor a G.′és G″A HPMC oldat mennyisége alig változik a hőmérséklettel. , és G″>G′, a rendszer viszkozitása dominál; ha a tömeghányad növekszik, a G′A HPMC oldat értéke először változatlan marad, majd meredeken növekszik, és G′és G″70 körül metszik egymást°C (a metszéspont hőmérséklete a gélpont), és a rendszer ekkor gélt képez, jelezve, hogy a HPMC termikusan indukált gél. A KGM-oldat esetében, ha a rendszer tömeghányada 0,50% és 0,75%, a G′és a rendszer G-je „csökkenő tendenciát mutat; Amikor a tömeghányad növekszik, a KGM-oldat G' és G" értéke először csökken, majd jelentősen megnő, ami azt jelzi, hogy a KGM-oldat gélszerű tulajdonságokat mutat nagy tömegfrakcióknál és magas hőmérsékleten.

A hőmérséklet emelkedésével a G′és G″A KGM/HPMC komplex rendszer értéke először csökkent, majd jelentősen nőtt, és a G′és G″metszéspontok jelentek meg, és a rendszer gélt alkotott. Amikor a HPMC molekulák alacsony hőmérsékleten vannak, hidrogénkötés jön létre a molekulaláncon lévő hidrofil csoportok és a vízmolekulák között, és amikor a hőmérséklet emelkedik, az alkalmazott hő elpusztítja a HPMC és a vízmolekulák között létrejövő hidrogénkötéseket, ami HPMC makromolekulák képződését eredményezi. láncok. A felszínen lévő hidrofób csoportok szabaddá válnak, hidrofób asszociáció lép fel, és termotróp gél képződik. Az alacsony tömegfrakciós rendszerben több KGM tartalom tud gélt képezni; nagy tömegfrakciós rendszer esetén több HPMC tartalom tud gélt képezni. A kis tömegű frakciós rendszerben (0,50%) a KGM molekulák jelenléte csökkenti a HPMC molekulák közötti hidrogénkötések kialakulásának valószínűségét, ezáltal növeli a HPMC molekulákban lévő hidrofób csoportok expozíciójának lehetőségét, ami elősegíti a termotróp gélek kialakulását. A nagy tömegű frakciós rendszerben, ha a KGM tartalom túl magas, a rendszer viszkozitása magas, ami nem kedvez a HPMC és a KGM molekulák közötti hidrofób asszociációnak, ami nem kedvez a termogén gél képződésének.

3. Következtetés

Ebben a cikkben a KGM és a HPMC vegyületrendszerének reológiai viselkedését tanulmányozzuk. Az eredmények azt mutatják, hogy a KGM/HPMC vegyületrendszere nem newtoni folyadék, és a KGM/HPMC vegyületrendszerének folyadéktípusát elsősorban a KGM határozza meg. A rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növelése csökkentette a vegyületoldat folyékonyságát és növelte a viszkozitását. Szol állapotban a KGM és a HPMC molekulaláncai hidrofób kölcsönhatások révén sűrűbb szerkezetet alkotnak. A rendszerben lévő szerkezet külső nyírás hatására tönkremegy, ami a rendszer tárolási modulusának hirtelen csökkenését eredményezi. A rendszer tömeghányadának és KGM-tartalmának növelése előnyös a sűrű szerkezet stabilitásának megőrzésében és a szerkezetet roncsoló külső frekvenciaérték növelésében. Az alacsony tömegű frakciós rendszerben a nagyobb KGM-tartalom elősegíti a gél képződését; a nagy tömegű frakciós rendszernél több HPMC tartalom kedvez a gél képződésének.