Kajian perilaku reologi sistem senyawa konjak glukomanan dan hidroksipropil metilselulosa

Sistem senyawa konjak glukomanan (KGM) dan hidroksipropil metilselulosa (HPMC) diambil sebagai objek penelitian, dan uji geser, frekuensi, dan sapuan suhu tunak dilakukan pada sistem senyawa dengan rheometer rotasi. Pengaruh fraksi massa larutan dan rasio senyawa terhadap viskositas dan sifat reologi sistem senyawa KGM/HPMC dianalisis. Hasilnya menunjukkan bahwa sistem senyawa KGM/HPMC adalah fluida non-Newtonian, dan peningkatan fraksi massa dan kandungan KGM sistem mengurangi fluiditas larutan senyawa dan meningkatkan viskositas. Dalam keadaan sol, rantai molekul KGM dan HPMC membentuk struktur yang lebih kompak melalui interaksi hidrofobik. Peningkatan fraksi massa sistem dan kandungan KGM kondusif untuk menjaga stabilitas struktur. Pada sistem fraksi massa rendah, peningkatan kandungan KGM bermanfaat bagi pembentukan gel termotropik; sedangkan pada sistem fraksi massa tinggi, peningkatan kandungan HPMC kondusif bagi pembentukan gel termotropik.

Kata kunci:konjak glukomanan; hidroksipropil metilselulosa; menggabungkan; perilaku reologi

Polisakarida alami banyak digunakan dalam industri makanan karena sifat pengental, pengemulsi dan pembentuk gelnya. Konjak glukomanan (KGM) adalah polisakarida tumbuhan alami, terdiri dariβ-D-glukosa danβ-D-mannose dengan perbandingan 1,6:1, keduanya dihubungkan olehβ-1,4 ikatan glikosidik, pada C- Terdapat sejumlah kecil asetil pada posisi 6 (kira-kira 1 asetil untuk setiap 17 residu). Namun, viskositas yang tinggi dan fluiditas yang buruk dari larutan air KGM membatasi penerapannya dalam produksi. Hidroksipropil metilselulosa (HPMC) adalah propilen glikol eter dari metilselulosa, yang termasuk dalam selulosa eter non-ionik. HPMC bersifat pembentuk film, larut dalam air, dan terbarukan. HPMC memiliki viskositas dan kekuatan gel yang rendah pada suhu rendah, dan kinerja pemrosesan yang relatif buruk, tetapi dapat membentuk gel padat yang relatif kental pada suhu tinggi, sehingga banyak proses produksi harus dilakukan pada suhu tinggi, sehingga mengakibatkan konsumsi energi produksi yang tinggi. Biaya produksi tinggi. Literatur menunjukkan bahwa unit manosa yang tidak tersubstitusi pada rantai molekul KGM dapat membentuk daerah asosiasi hidrofobik berikatan silang lemah dengan gugus hidrofobik pada rantai molekul HPMC melalui interaksi hidrofobik. Struktur ini dapat menunda dan mencegah sebagian gelasi termal HPMC dan menurunkan suhu gel HPMC. Selain itu, mengingat sifat viskositas HPMC yang rendah pada suhu yang relatif rendah, diperkirakan bahwa penggabungannya dengan KGM dapat meningkatkan sifat viskositas tinggi KGM dan meningkatkan kinerja pemrosesannya. Oleh karena itu, makalah ini akan membangun sistem senyawa KGM/HPMC untuk mengeksplorasi pengaruh fraksi massa larutan dan rasio senyawa terhadap sifat reologi sistem KGM/HPMC, dan memberikan referensi teoritis untuk penerapan sistem senyawa KGM/HPMC di industri makanan.

1. Bahan dan metode

1.1 Bahan dan reagen

Hidroksipropil metilselulosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fraksi massa 2%, viskositas 6 mPa·S; fraksi massa metoksi 28%~30%; fraksi massa hidroksipropil 7,0%~12% .

Konjak glukomanan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1% berat viskositas larutan berair≥28.000 mPa·s.

1.2 Instrumen dan perlengkapan

Rheometer rotasi MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Mesin air ultra murni UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Timbangan analitik elektronik AB-50, perusahaan Swiss Mette; Pemandian air suhu konstan LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Pengaduk Listrik JJ-1, Pabrik Alat Medis Jintan, Provinsi Jiangsu.

1.3 Persiapan larutan majemuk

Timbang serbuk HPMC dan KGM dengan perbandingan peracikan tertentu (perbandingan massa: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), tambahkan perlahan ke dalam air deionisasi dalam suhu 60°C penangas air, dan aduk selama 1,5~ 2 jam agar terdispersi secara merata, dan siapkan 5 jenis larutan gradien dengan fraksi massa total padat masing-masing 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25%, dan 1,50%.

1.4 Uji sifat reologi larutan senyawa

Uji geser keadaan tunak: Kurva reologi larutan senyawa KGM/HPMC diukur menggunakan kerucut dan pelat CP50, jarak antara pelat atas dan bawah ditetapkan sebesar 0,1 mm, suhu pengukuran 25°C, dan kisaran laju gesernya adalah 0,1 hingga 100 s-1.

Pemindaian regangan (penentuan daerah viskoelastik linier): Gunakan pelat PP50 untuk mengukur daerah viskoelastik linier dan hukum perubahan modulus larutan senyawa KGM/HPMC, atur jarak menjadi 1.000 mm, frekuensi tetap menjadi 1Hz, dan suhu pengukuran menjadi 25°C. Kisaran regangan adalah 0,1%~100%.

Sapuan frekuensi: Gunakan pelat PP50 untuk mengukur perubahan modulus dan ketergantungan frekuensi larutan senyawa KGM/HPMC. Jarak diatur ke 1.000 mm, regangan 1%, suhu pengukuran 25°C, dan rentang frekuensi 0,1-100 Hz.

Pemindaian suhu: Modulus dan ketergantungan suhu larutan senyawa KGM/HPMC diukur menggunakan pelat PP50, jarak diatur ke 1.000 mm, frekuensi tetap 1 Hz, deformasi 1%, dan suhu dari 25 ke 90°C.

2. Hasil dan Analisis

2.1 Analisis kurva aliran sistem senyawa KGM/HPMC

Kurva viskositas versus laju geser larutan KGM/HPMC dengan rasio peracikan berbeda pada fraksi massa berbeda. Fluida yang viskositasnya merupakan fungsi linier dari laju geser disebut fluida Newtonian, selain itu disebut fluida non-Newtonian. Terlihat dari kurva bahwa viskositas larutan KGM dan larutan senyawa KGM/HPMC menurun seiring dengan meningkatnya laju geser; semakin tinggi kandungan KGM, semakin tinggi fraksi massa sistem, dan semakin jelas fenomena penipisan geser larutan. Hal ini menunjukkan bahwa sistem senyawa KGM dan KGM/HPMC merupakan fluida non-Newtonian, dan jenis fluida sistem senyawa KGM/HPMC terutama ditentukan oleh KGM.

Dari indeks alir dan koefisien viskositas larutan KGM/HPMC dengan fraksi massa berbeda dan perbandingan senyawa berbeda terlihat bahwa nilai n sistem senyawa KGM, HPMC dan KGM/HPMC semuanya kurang dari 1 yang menunjukkan bahwa larutan tersebut adalah semua cairan pseudoplastik. Untuk sistem senyawa KGM/HPMC, peningkatan fraksi massa sistem akan menyebabkan belitan dan interaksi lain antara rantai molekul HPMC dan KGM dalam larutan, yang akan mengurangi mobilitas rantai molekul, sehingga mengurangi nilai n dari sistem tersebut. sistem. Pada saat yang sama, dengan meningkatnya kandungan KGM, interaksi antara rantai molekul KGM dalam sistem KGM/HPMC meningkat, sehingga mengurangi mobilitasnya dan mengakibatkan penurunan nilai n. Sebaliknya, nilai K larutan senyawa KGM/HPMC terus meningkat seiring dengan peningkatan fraksi massa larutan dan kandungan KGM, yang terutama disebabkan oleh peningkatan fraksi massa sistem dan kandungan KGM, yang keduanya meningkatkan kandungan. gugus hidrofilik dalam sistem. , meningkatkan interaksi molekul dalam rantai molekul dan antar rantai, sehingga meningkatkan jari-jari hidrodinamik molekul, sehingga cenderung tidak berorientasi pada gaya geser eksternal dan meningkatkan viskositas.

Nilai teoritis viskositas geser nol sistem senyawa KGM/HPMC dapat dihitung berdasarkan prinsip penjumlahan logaritmik di atas, dan nilai eksperimentalnya dapat diperoleh dengan ekstrapolasi penyesuaian Carren pada kurva laju geser viskositas. Membandingkan nilai prediksi viskositas geser nol sistem senyawa KGM/HPMC dengan fraksi massa berbeda dan rasio peracikan berbeda dengan nilai eksperimen, dapat diketahui bahwa nilai aktual viskositas geser nol senyawa KGM/HPMC solusinya lebih kecil dari nilai teoretisnya. Hal ini menunjukkan bahwa perakitan baru dengan struktur padat terbentuk dalam sistem kompleks KGM dan HPMC. Penelitian yang ada menunjukkan bahwa unit mannose yang tidak tersubstitusi pada rantai molekul KGM dapat berinteraksi dengan gugus hidrofobik pada rantai molekul HPMC untuk membentuk wilayah asosiasi hidrofobik yang berikatan silang lemah. Diperkirakan bahwa struktur rakitan baru dengan struktur yang relatif padat terutama terbentuk melalui interaksi hidrofobik. Ketika rasio KGM rendah (HPMC > 50%), nilai sebenarnya dari viskositas geser nol sistem KGM/HPMC lebih rendah dari nilai teoritis, yang menunjukkan bahwa pada kandungan KGM rendah, lebih banyak molekul yang berpartisipasi dalam densitas baru. struktur. Dalam pembentukan , viskositas geser nol sistem semakin berkurang.

2.2 Analisis kurva sapuan regangan sistem kompon KGM/HPMC

Dari kurva hubungan modulus dan regangan geser larutan KGM/HPMC dengan fraksi massa berbeda dan perbandingan peracikan berbeda terlihat bahwa pada regangan geser kurang dari 10% maka G'dan G″sistem gabungan pada dasarnya tidak meningkat seiring dengan regangan geser. Namun, hal ini menunjukkan bahwa dalam rentang regangan geser ini, sistem senyawa dapat merespons rangsangan eksternal melalui perubahan konformasi rantai molekul, dan struktur sistem senyawa tidak rusak. Ketika regangan geser >10%, kecepatan pelepasan rantai molekul dalam sistem kompleks oleh gaya geser eksternal lebih besar daripada kecepatan belitan, G'dan G″mulai berkurang, dan sistem memasuki daerah viskoelastik nonlinier. Oleh karena itu, dalam pengujian frekuensi dinamis berikutnya, parameter regangan geser dipilih sebesar 1% untuk pengujian.

2.3 Analisis kurva sapuan frekuensi sistem gabungan KGM/HPMC

Kurva variasi modulus penyimpanan dan modulus kerugian dengan frekuensi untuk larutan KGM/HPMC dengan rasio peracikan berbeda pada fraksi massa berbeda. Modulus penyimpanan G' mewakili energi yang dapat diperoleh kembali setelah penyimpanan sementara dalam pengujian, dan modulus kerugian G” berarti energi yang diperlukan untuk aliran awal, yang merupakan kerugian yang tidak dapat diubah dan akhirnya diubah menjadi panas geser. Dapat dilihat bahwa, dengan meningkatnya frekuensi osilasi, modulus kerugian G″selalu lebih besar dari modulus penyimpanan G', menunjukkan perilaku cair. Dalam rentang frekuensi pengujian, modulus penyimpanan G' dan modulus kerugian G” meningkat seiring dengan peningkatan frekuensi osilasi. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa dengan meningkatnya frekuensi osilasi, segmen rantai molekul dalam sistem tidak memiliki waktu untuk pulih dari deformasi dalam waktu singkat Keadaan sebelumnya, sehingga menunjukkan fenomena bahwa lebih banyak energi dapat disimpan ( G yang lebih besar') atau perlu hilang (G″).

Dengan meningkatnya frekuensi osilasi, modulus penyimpanan sistem turun secara tiba-tiba, dan dengan meningkatnya fraksi massa dan kandungan KGM sistem, titik frekuensi penurunan tiba-tiba meningkat secara bertahap. Penurunan yang tiba-tiba mungkin disebabkan oleh rusaknya struktur kompak yang dibentuk oleh asosiasi hidrofobik antara KGM dan HPMC dalam sistem akibat geseran eksternal. Selain itu, peningkatan fraksi massa sistem dan kandungan KGM bermanfaat untuk menjaga stabilitas struktur padat, dan meningkatkan nilai frekuensi eksternal yang merusak struktur.

2.4 Analisis kurva pemindaian suhu sistem komposit KGM/HPMC

Dari kurva modulus penyimpanan dan modulus kehilangan larutan KGM/HPMC dengan fraksi massa berbeda dan rasio peracikan berbeda terlihat bahwa pada fraksi massa sistem 0,50%, G'dan G″larutan HPMC hampir tidak berubah seiring suhu. , dan G″>G', viskositas sistem mendominasi; ketika fraksi massa meningkat, G'solusi HPMC mula-mula tetap tidak berubah dan kemudian meningkat tajam, dan G'dan G″berpotongan di sekitar 70°C (suhu titik potong adalah titik gel), dan sistem membentuk gel pada saat ini, sehingga menunjukkan bahwa HPMC adalah gel yang diinduksi secara termal. Untuk solusi KGM, ketika fraksi massa sistem adalah 0,50% dan 0,75%, G'dan G dari sistem “menunjukkan tren menurun; ketika fraksi massa meningkat, G' dan G” larutan KGM mula-mula berkurang dan kemudian meningkat secara signifikan, yang menunjukkan bahwa larutan KGM menunjukkan sifat seperti gel pada fraksi massa tinggi dan suhu tinggi.

Dengan meningkatnya suhu, G'dan G″sistem kompleks KGM/HPMC mula-mula menurun dan kemudian meningkat secara signifikan, dan G'dan G″muncul titik potong, dan sistem membentuk gel. Ketika molekul HPMC berada pada suhu rendah, ikatan hidrogen terjadi antara gugus hidrofilik pada rantai molekul dan molekul air, dan ketika suhu naik, panas yang diterapkan menghancurkan ikatan hidrogen yang terbentuk antara HPMC dan molekul air, sehingga terbentuk makromolekul HPMC. rantai. Gugus hidrofobik di permukaan terbuka, terjadi asosiasi hidrofobik, dan gel termotropik terbentuk. Untuk sistem fraksi massa rendah, lebih banyak kandungan KGM yang dapat membentuk gel; untuk sistem fraksi massa tinggi, semakin banyak kandungan HPMC yang dapat membentuk gel. Pada sistem fraksi massa rendah (0,50%), keberadaan molekul KGM mengurangi kemungkinan terbentuknya ikatan hidrogen antar molekul HPMC, sehingga meningkatkan kemungkinan terpapar gugus hidrofobik dalam molekul HPMC, sehingga kondusif bagi pembentukan gel termotropik. Pada sistem fraksi massa tinggi, jika kandungan KGM terlalu tinggi maka viskositas sistem akan tinggi, sehingga tidak kondusif bagi asosiasi hidrofobik antara molekul HPMC dan KGM, yang tidak kondusif bagi pembentukan gel termogenik.

3. Kesimpulan

Dalam makalah ini, perilaku reologi sistem senyawa KGM dan HPMC dipelajari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem senyawa KGM/HPMC merupakan fluida non-Newtonian, dan jenis fluida sistem senyawa KGM/HPMC terutama ditentukan oleh KGM. Peningkatan fraksi massa sistem dan kandungan KGM menurunkan fluiditas larutan senyawa dan meningkatkan viskositasnya. Dalam keadaan sol, rantai molekul KGM dan HPMC membentuk struktur yang lebih padat melalui interaksi hidrofobik. Struktur dalam sistem dihancurkan oleh geseran eksternal, mengakibatkan penurunan modulus penyimpanan sistem secara tiba-tiba. Peningkatan fraksi massa sistem dan kandungan KGM bermanfaat untuk menjaga kestabilan struktur padat dan meningkatkan nilai frekuensi eksternal yang merusak struktur. Untuk sistem fraksi massa rendah, kandungan KGM yang lebih banyak akan mendukung pembentukan gel; untuk sistem fraksi massa tinggi, kandungan HPMC yang lebih banyak kondusif untuk pembentukan gel.