Studio sul comportamento reologico del sistema composto di glucomannano konjac e idrossipropilmetilcellulosa

Il sistema composto di konjac glucomannano (KGM) e idrossipropilmetilcellulosa (HPMC) è stato preso come oggetto di ricerca e i test di taglio, frequenza e temperatura allo stato stazionario sono stati eseguiti sul sistema composto mediante reometro rotazionale. È stata analizzata l'influenza della frazione di massa della soluzione e del rapporto del composto sulla viscosità e sulle proprietà reologiche del sistema composto KGM/HPMC. I risultati mostrano che il sistema composto KGM/HPMC è un fluido non newtoniano e l'aumento della frazione di massa e del contenuto di KGM del sistema riduce la fluidità della soluzione del composto e aumenta la viscosità. Nello stato sol, le catene molecolari KGM e HPMC formano una struttura più compatta attraverso interazioni idrofobiche. L’aumento della frazione di massa del sistema e del contenuto di KGM è favorevole al mantenimento della stabilità della struttura. Nel sistema con frazioni a massa ridotta, l'aumento del contenuto di KGM è vantaggioso per la formazione di gel termotropici; mentre nel sistema con frazioni ad alta massa, l'aumento del contenuto di HPMC favorisce la formazione di gel termotropici.

Parole chiave:glucomannano di konjac; idrossipropilmetilcellulosa; composto; comportamento reologico

I polisaccaridi naturali sono ampiamente utilizzati nell'industria alimentare grazie alle loro proprietà addensanti, emulsionanti e gelificanti. Il glucomannano di Konjac (KGM) è un polisaccaride vegetale naturale, composto daβ-D-glucosio eβ-D-mannosio in un rapporto di 1,6:1, i due sono collegati daβ-1,4 legami glicosidici, nel C- C'è una piccola quantità di acetile in posizione 6 (circa 1 acetile ogni 17 residui). Tuttavia, l'elevata viscosità e la scarsa fluidità della soluzione acquosa KGM ne limitano l'applicazione in produzione. L'idrossipropilmetilcellulosa (HPMC) è un glicole propilenico etere della metilcellulosa, che appartiene all'etere di cellulosa non ionico. HPMC è filmogeno, solubile in acqua e rinnovabile. HPMC ha bassa viscosità e resistenza del gel a basse temperature e prestazioni di lavorazione relativamente scarse, ma può formare un gel solido relativamente viscoso ad alte temperature, quindi molti processi di produzione devono essere eseguiti ad alte temperature, con conseguente elevato consumo energetico di produzione. I costi di produzione sono elevati. La letteratura mostra che l'unità di mannosio non sostituita sulla catena molecolare KGM può formare una regione di associazione idrofobica debolmente reticolata con il gruppo idrofobico sulla catena molecolare HPMC attraverso l'interazione idrofobica. Questa struttura può ritardare e parzialmente impedire la gelificazione termica dell'HPMC e abbassare la temperatura del gel dell'HPMC. Inoltre, in considerazione delle proprietà di bassa viscosità dell'HPMC a temperature relativamente basse, si prevede che la sua combinazione con KGM possa migliorare le proprietà di alta viscosità del KGM e migliorare le sue prestazioni di lavorazione. Pertanto, questo documento costruirà un sistema composto KGM/HPMC per esplorare l'influenza della frazione di massa della soluzione e del rapporto del composto sulle proprietà reologiche del sistema KGM/HPMC e fornirà un riferimento teorico per l'applicazione del sistema composto KGM/HPMC in l'industria alimentare.

1. Materiali e metodi

1.1 Materiali e reagenti

Idrossipropilmetilcellulosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, frazione di massa 2%, viscosità 6 mPa·S; frazione di massa metossi 28%~30%; frazione di massa idrossipropilica 7,0%~12%.

Konjac glucomannano, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1% in peso di viscosità della soluzione acquosa≥28.000 mPa·s.

1.2 Strumenti e attrezzature

Reometro rotazionale MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Macchina per acqua ultrapura UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Bilancia analitica elettronica AB-50, ditta svizzera Mette; Bagnomaria a temperatura costante LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Agitatore elettrico JJ-1, fabbrica di strumenti medici Jintan, provincia di Jiangsu.

1.3 Preparazione della soluzione composta

Pesare le polveri HPMC e KGM con un determinato rapporto di composizione (rapporto di massa: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), aggiungerle lentamente in acqua deionizzata in un recipiente da 60°C bagnomaria e agitare per 1,5~2 ore per disperderlo uniformemente e preparare 5 tipi di soluzioni gradiente con frazioni di massa solida totale rispettivamente di 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% e 1,50%.

1.4 Test delle proprietà reologiche della soluzione composta

Test di taglio allo stato stazionario: la curva reologica della soluzione del composto KGM/HPMC è stata misurata utilizzando un cono e una piastra CP50, lo spazio tra le piastre superiore e inferiore è stato fissato a 0,1 mm, la temperatura di misurazione era 25°C e l'intervallo della velocità di taglio era compreso tra 0,1 e 100 s-1.

Scansione della deformazione (determinazione della regione viscoelastica lineare): utilizzare la piastra PP50 per misurare la regione viscoelastica lineare e la legge di variazione del modulo della soluzione composta KGM/HPMC, impostare la spaziatura su 1.000 mm, la frequenza fissa su 1 Hz e la temperatura di misurazione su 25°C. L'intervallo di deformazione è 0,1%~100%.

Scansione di frequenza: utilizzare una piastra PP50 per misurare la variazione del modulo e la dipendenza dalla frequenza della soluzione composta KGM/HPMC. La spaziatura è impostata su 1.000 mm, la deformazione è 1%, la temperatura di misurazione è 25°C e la gamma di frequenza è 0,1-100 Hz.

Scansione della temperatura: il modulo e la sua dipendenza dalla temperatura della soluzione del composto KGM/HPMC sono stati misurati utilizzando una piastra PP50, la spaziatura è stata impostata su 1.000 mm, la frequenza fissa era 1 Hz, la deformazione era 1% e la temperatura era da 25 a 90°C.

2. Risultati e analisi

2.1 Analisi della curva di flusso del sistema composto KGM/HPMC

Curve di viscosità rispetto alla velocità di taglio delle soluzioni KGM/HPMC con diversi rapporti di composizione a diverse frazioni di massa. I fluidi la cui viscosità è una funzione lineare della velocità di taglio sono detti fluidi newtoniani, altrimenti sono detti fluidi non newtoniani. Dalla curva si può vedere che la viscosità della soluzione KGM e della soluzione del composto KGM/HPMC diminuisce con l'aumento della velocità di taglio; maggiore è il contenuto di KGM, maggiore è la frazione di massa del sistema e più evidente il fenomeno di assottigliamento della soluzione. Ciò dimostra che il sistema composto KGM e KGM/HPMC sono fluidi non newtoniani e il tipo di fluido del sistema composto KGM/HPMC è determinato principalmente dal KGM.

Dall'indice di flusso e dal coefficiente di viscosità delle soluzioni KGM/HPMC con diverse frazioni di massa e diversi rapporti di composto, si può vedere che i valori n dei sistemi composti KGM, HPMC e KGM/HPMC sono tutti inferiori a 1, indicando che le soluzioni sono tutti i fluidi pseudoplastici. Per il sistema composto KGM/HPMC, l'aumento della frazione di massa del sistema causerà entanglement e altre interazioni tra le catene molecolari HPMC e KGM nella soluzione, che ridurranno la mobilità delle catene molecolari, riducendo così il valore n di il sistema. Allo stesso tempo, con l’aumento del contenuto di KGM, l’interazione tra le catene molecolari KGM nel sistema KGM/HPMC viene migliorata, riducendone così la mobilità e determinando una diminuzione del valore n. Al contrario, il valore K della soluzione del composto KGM/HPMC aumenta continuamente con l'aumento della frazione di massa della soluzione e del contenuto di KGM, il che è dovuto principalmente all'aumento della frazione di massa del sistema e del contenuto di KGM, che aumentano entrambi il contenuto di gruppi idrofili nel sistema. , aumentando l'interazione molecolare all'interno della catena molecolare e tra le catene, aumentando così il raggio idrodinamico della molecola, rendendola meno probabile che venga orientata sotto l'azione della forza di taglio esterna e aumentando la viscosità.

Il valore teorico della viscosità a taglio zero del sistema composto KGM/HPMC può essere calcolato secondo il principio della somma logaritmica di cui sopra, e il suo valore sperimentale può essere ottenuto estrapolando l'adattamento di Carren della curva di velocità di viscosità-taglio. Confrontando il valore previsto della viscosità a taglio zero del sistema di mescola KGM/HPMC con diverse frazioni di massa e diversi rapporti di mescolazione con il valore sperimentale, si può vedere che il valore effettivo della viscosità a taglio zero del composto KGM/HPMC la soluzione è inferiore al valore teorico. Ciò indicava che nel complesso sistema di KGM e HPMC si era formato un nuovo assieme con una struttura densa. Studi esistenti hanno dimostrato che le unità di mannosio non sostituite sulla catena molecolare KGM possono interagire con i gruppi idrofobici sulla catena molecolare HPMC per formare una regione di associazione idrofobica debolmente reticolata. Si ipotizza che la nuova struttura di assemblaggio con una struttura relativamente densa sia formata principalmente attraverso interazioni idrofobiche. Quando il rapporto KGM è basso (HPMC > 50%), il valore effettivo della viscosità a taglio zero del sistema KGM/HPMC è inferiore al valore teorico, il che indica che a basso contenuto di KGM, più molecole partecipano al nuovo rapporto più denso struttura. Nella formazione di , la viscosità a taglio zero del sistema viene ulteriormente ridotta.

2.2 Analisi delle curve di deformazione del sistema composto KGM/HPMC

Dalle curve di relazione tra modulo e deformazione al taglio di soluzioni KGM/HPMC con diverse frazioni di massa e diversi rapporti di composizione, si può vedere che quando la deformazione al taglio è inferiore al 10%, la G'e G"del sistema composto sostanzialmente non aumentano con la deformazione di taglio. Tuttavia, mostra che all’interno di questo intervallo di deformazione di taglio, il sistema composto può rispondere a stimoli esterni attraverso il cambiamento della conformazione della catena molecolare e la struttura del sistema composto non viene danneggiata. Quando la deformazione di taglio è >10%, l'esterno Sotto l'azione della forza di taglio, la velocità di districamento delle catene molecolari nel sistema complesso è maggiore della velocità di entanglement, G'e G"iniziano a diminuire e il sistema entra nella regione viscoelastica non lineare. Pertanto, nel successivo test di frequenza dinamica, il parametro di deformazione di taglio è stato selezionato pari all'1% per il test.

2.3 Analisi della curva di scansione in frequenza del sistema composto KGM/HPMC

Curve di variazione del modulo di accumulo e del modulo di perdita con frequenza per soluzioni KGM/HPMC con diversi rapporti di capitalizzazione sotto diverse frazioni di massa. Il modulo di accumulo G' rappresenta l'energia che può essere recuperata dopo lo stoccaggio temporaneo nella prova, mentre il modulo di perdita G” indica l'energia richiesta per il flusso iniziale, che è una perdita irreversibile e viene infine trasformato in calore di taglio. Si può notare che, all’aumentare della frequenza di oscillazione, il modulo di perdita G"è sempre maggiore del modulo di accumulo G', mostrando un comportamento liquido. Nell'intervallo di frequenza di prova, il modulo di accumulo G' e il modulo di perdita G” aumentano con l'aumento della frequenza di oscillazione. Ciò è dovuto principalmente al fatto che con l'aumento della frequenza di oscillazione, i segmenti della catena molecolare nel sistema non hanno il tempo di recuperare in breve tempo la deformazione dello stato precedente, dimostrando così il fenomeno che può essere immagazzinata più energia ( più grande G') o deve andare perduto (G").

Con l'aumento della frequenza di oscillazione, il modulo di immagazzinamento del sistema diminuisce improvvisamente e con l'aumento della frazione di massa e del contenuto di KGM del sistema, il punto di frequenza della caduta improvvisa aumenta gradualmente. L'improvviso calo potrebbe essere dovuto alla distruzione della struttura compatta formata dall'associazione idrofobica tra KGM e HPMC nel sistema mediante taglio esterno. Inoltre, l’aumento della frazione di massa del sistema e del contenuto di KGM è vantaggioso per mantenere la stabilità della struttura densa e aumenta il valore della frequenza esterna che distrugge la struttura.

2.4 Analisi della curva di scansione della temperatura del sistema composito KGM/HPMC

Dalle curve del modulo di accumulo e del modulo di perdita delle soluzioni KGM/HPMC con diverse frazioni di massa e diversi rapporti di capitalizzazione, si può vedere che quando la frazione di massa del sistema è 0,50%, la G'e G"della soluzione HPMC difficilmente cambia con la temperatura. , e G">G', prevale la viscosità del sistema; quando la frazione di massa aumenta, la G'della soluzione HPMC prima rimane invariata e poi aumenta bruscamente, e G'e G"si intersecano intorno ai 70°C (la temperatura del punto di intersezione è il punto di gelificazione) e in questo momento il sistema forma un gel, indicando così che HPMC è un gel indotto termicamente. Per la soluzione KGM, quando la frazione di massa del sistema è 0,50% e 0,75%, il G'e G del sistema “presenta un trend decrescente; quando la frazione di massa aumenta, G' e G” della soluzione KGM prima diminuiscono e poi aumentano in modo significativo, il che indica che la soluzione KGM presenta proprietà gelatinose a frazioni di massa elevate e temperature elevate.

Con l'aumento della temperatura, il G'e G"del sistema complesso KGM/HPMC dapprima diminuì e poi aumentò significativamente, e G'e G"apparvero punti di intersezione e il sistema formò un gel. Quando le molecole HPMC sono a bassa temperatura, si verifica un legame idrogeno tra i gruppi idrofili sulla catena molecolare e le molecole d'acqua e quando la temperatura aumenta, il calore applicato distrugge i legami idrogeno formati tra HPMC e le molecole d'acqua, con conseguente formazione di molecole macromolecolari HPMC catene. I gruppi idrofobici sulla superficie vengono esposti, si verifica un'associazione idrofobica e si forma un gel termotropico. Per il sistema di frazioni a massa ridotta, un contenuto maggiore di KGM può formare gel; per il sistema di frazioni ad alta massa, un contenuto maggiore di HPMC può formare gel. Nel sistema di frazione a bassa massa (0,50%), la presenza di molecole KGM riduce la probabilità di formazione di legami idrogeno tra le molecole HPMC, aumentando così la possibilità di esposizione di gruppi idrofobici nelle molecole HPMC, che favorisce la formazione di gel termotropici. Nel sistema a frazione di massa elevata, se il contenuto di KGM è troppo elevato, la viscosità del sistema è elevata, il che non favorisce l'associazione idrofobica tra le molecole HPMC e KGM, che non favorisce la formazione di gel termogenico.

3. Conclusione

In questo articolo viene studiato il comportamento reologico del sistema composto di KGM e HPMC. I risultati mostrano che il sistema composto di KGM/HPMC è un fluido non newtoniano e il tipo di fluido del sistema composto di KGM/HPMC è determinato principalmente da KGM. L'aumento della frazione di massa del sistema e del contenuto di KGM ha diminuito la fluidità della soluzione del composto e ne ha aumentato la viscosità. Nello stato sol, le catene molecolari di KGM e HPMC formano una struttura più densa attraverso interazioni idrofobiche. La struttura del sistema viene distrutta da un taglio esterno, con conseguente caduta improvvisa del modulo di accumulo del sistema. L'aumento della frazione di massa del sistema e del contenuto di KGM è vantaggioso per mantenere la stabilità della struttura densa e aumentare il valore della frequenza esterna che distrugge la struttura. Per il sistema con frazioni a massa ridotta, un contenuto maggiore di KGM favorisce la formazione di gel; per il sistema con frazioni ad alta massa, un maggiore contenuto di HPMC favorisce la formazione di gel.