מחקר על התנהגות ריאולוגית של קונג'אק גלוקומנן ומערכת תרכובות מתיל צלולוז הידרוקסיפרופיל

המערכת המורכבת של קונג'אק גלוקומנן (KGM) והידרוקסיפרופיל מתילצלולוזה (HPMC) נלקחה כאובייקט המחקר, ובדיקות הגזירה, התדירות והטמפרטורה במצב יציב בוצעו על מערכת התרכובת על ידי ריאומטר סיבובי. נותחה ההשפעה של חלק מסת התמיסה ויחס התרכובות על צמיגות ותכונות ריאולוגיות של מערכת תרכובת KGM/HPMC. התוצאות מראות שמערכת התרכובת KGM/HPMC היא נוזל לא ניוטוני, והעלייה בשבר המסה ותכולת KGM של המערכת מפחיתה את נזילות התמיסה התרכובת ומגבירה את הצמיגות. במצב הסול, שרשראות מולקולריות של KGM ו- HPMC יוצרות מבנה קומפקטי יותר באמצעות אינטראקציות הידרופוביות. הגדלת חלק המסה של המערכת ותכולת KGM תורמת לשמירה על יציבות המבנה. במערכת שברי המסה הנמוכה, הגדלת התוכן של KGM מועילה להיווצרות ג'לים תרמוטרופיים; בעוד שבמערכת שברי המסה הגבוהה, הגדלת התוכן של HPMC תורמת להיווצרות ג'לים תרמוטרופיים.

מילות מפתח:קונג'אק גלוקומנן; הידרוקסיפרופיל מתילצלולוזה; תִרכּוֹבֶת; התנהגות ריאולוגית

פוליסכרידים טבעיים נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית המזון בשל תכונות העיבוי, התחליב והג'ל שלהם. קונג'אק גלוקומנן (KGM) הוא פוליסכריד צמחי טבעי, המורכב ממנוβ-D-גלוקוז וβ-D-mannose ביחס של 1.6:1, השניים מקושרים על ידיβ-1,4 קשרים גליקוזידיים, ב-C- יש כמות קטנה של אצטיל בעמדה 6 (כ-1 אצטיל לכל 17 שיירים). עם זאת, הצמיגות הגבוהה והנזילות הירודה של תמיסה מימית של KGM מגבילים את היישום שלה בייצור. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) הוא אתר פרופילן גליקול של מתילצלולוזה, השייך לאתר תאית לא-יוני. HPMC הוא יוצר סרטים, מסיס במים ומתחדש. ל- HPMC יש צמיגות וחוזק ג'ל נמוכים בטמפרטורות נמוכות, וביצועי עיבוד גרועים יחסית, אך יכול ליצור ג'ל דמוי מוצק צמיג יחסית בטמפרטורות גבוהות, ולכן תהליכי ייצור רבים חייבים להתבצע בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך צריכת אנרגיה גבוהה בייצור. עלויות הייצור גבוהות. הספרות מראה שיחידת המנוז הבלתי-מוחלפת בשרשרת המולקולרית של KGM יכולה ליצור אזור קשר הידרופובי צלב חלש עם הקבוצה ההידרופובית בשרשרת המולקולרית HPMC באמצעות אינטראקציה הידרופוביה. מבנה זה יכול לעכב ולמנוע חלקית את הג'לציה התרמית של HPMC ולהוריד את טמפרטורת הג'ל של HPMC. בנוסף, לאור תכונות הצמיגות הנמוכות של HPMC בטמפרטורות נמוכות יחסית, צופים כי השילוב שלו עם KGM יכול לשפר את תכונות הצמיגות הגבוהה של KGM ולשפר את ביצועי העיבוד שלו. לכן, מאמר זה יבנה מערכת תרכובת KGM/HPMC כדי לחקור את ההשפעה של חלקי מסת התמיסה ויחס התרכובות על המאפיינים הריאולוגיים של מערכת KGM/HPMC, ויספק התייחסות תיאורטית ליישום מערכת תרכובת KGM/HPMC ב תעשיית המזון.

1. חומרים ושיטות

1.1 חומרים וריאגנטים

Hydroxypropyl methylcellulose, KIMA CHEMICAL CO., LTD, חלק מסה 2%, צמיגות 6 mPa·s; שבר מסה מתוקסי 28%~30%; חלק מסה הידרוקסיפרופיל 7.0%~12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., צמיגות תמיסה מימית של 1% משקל≥28,000 mPa·s.

1.2 מכשירים וציוד

Rheometer סיבובי MCR92, Anton Paar Co., Ltd., אוסטריה; UPT-II-10T מכונת מים טהורים במיוחד, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; מאזן אנליטי אלקטרוני AB-50, חברת Mette השוויצרית; אמבט מים בטמפרטורה קבועה LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; מערבבל חשמלי JJ-1, מפעל מכשור רפואי ג'ינטן, מחוז ג'יאנגסו.

1.3 הכנת תמיסת תרכובת

שקלו אבקות HPMC ו-KGM עם יחס תרכובות מסוים (יחס מסה: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), הוסיפו אותן באיטיות למים מפושטים ב-60°C אמבט מים, ומערבבים במשך 1.5 ~ 2 שעות כדי לפזר אותו באופן שווה, והכינו 5 סוגים של פתרונות שיפוע עם חלקי מסה מוצקים הכוללים של 0.50%, 0.75%, 1.00%, 1.25% ו-1.50%, בהתאמה.

1.4 בדיקת תכונות ריאולוגיות של תמיסת תרכובת

בדיקת גזירה במצב יציב: העקומה הריאולוגית של תמיסת התרכובת KGM/HPMC נמדדה באמצעות חרוט וצלחת CP50, הרווח בין הפלטה העליונה והתחתון נקבע ל-0.1 מ"מ, טמפרטורת המדידה הייתה 25°C, וטווח קצב הגזירה היה 0.1 עד 100 s-1.

סריקת מתח (קביעת אזור ויסקו-אלסטי ליניארי): השתמש בצלחת PP50 כדי למדוד את האזור הויסקו-אלסטי הליניארי וחוק שינוי המודול של תמיסת תרכובת KGM/HPMC, הגדר את המרווח ל-1,000 מ"מ, תדר קבוע ל-1Hz, וטמפרטורת המדידה ל-25°ג. טווח המתח הוא 0.1%~100%.

ניקוי תדרים: השתמש בצלחת PP50 כדי למדוד את שינוי המודול ותלות בתדר של תמיסת התרכובת KGM/HPMC. המרווח מוגדר ל-1.000 מ"מ, המתח הוא 1%, טמפרטורת המדידה היא 25°C, וטווח התדרים הוא 0.1-100 הרץ.

סריקת טמפרטורה: המודול ותלות הטמפרטורה שלו בתמיסת התרכובת KGM/HPMC נמדדו באמצעות לוחית PP50, המרווח נקבע ל-1.000 מ"מ, התדר הקבוע היה 1 הרץ, העיוות היה 1%, והטמפרטורה הייתה מ-25 עד 90°C.

2. תוצאות וניתוח

2.1 ניתוח עקומת זרימה של מערכת תרכובת KGM/HPMC

עקומות צמיגות לעומת קצב גזירה של פתרונות KGM/HPMC עם יחסי תרכובות שונים בשברי מסה שונים. נוזלים שצמיגותם היא פונקציה ליניארית של קצב הגזירה נקראים נוזלים ניוטונים, אחרת הם נקראים נוזלים לא ניוטונים. ניתן לראות מהעקומה שהצמיגות של תמיסת KGM ותמיסת תרכובת KGM/HPMC יורדת עם עליית קצב הגזירה; ככל שתכולת ה-KGM גבוהה יותר, כך שבר המסה של המערכת גבוה יותר, ותופעת דילול הגזירה של התמיסה ברורה יותר. זה מראה שמערכת תרכובת KGM ו-KGM/HPMC הם נוזלים שאינם ניוטונים, וסוג הנוזל של מערכת תרכובת KGM/HPMC נקבע בעיקר על ידי KGM.

ממדד הזרימה ומקדם הצמיגות של פתרונות KGM/HPMC עם שברי מסה שונים ויחסי תרכובות שונים, ניתן לראות שערכי n של מערכות תרכובות KGM, HPMC ו-KGM/HPMC הם כולם פחות מ-1, מה שמצביע על כך שהפתרונות הם כל הנוזלים הפסאודופלסטיים. עבור מערכת תרכובת KGM/HPMC, הגדלת חלק המסה של המערכת תגרום להסתבכות ואינטראקציות אחרות בין השרשראות המולקולריות HPMC ו-KGM בתמיסה, מה שיפחית את הניידות של השרשראות המולקולריות, ובכך יפחית את ערך n של המערכת. במקביל, עם העלייה בתכולת KGM, האינטראקציה בין שרשראות מולקולריות של KGM במערכת KGM/HPMC משתפרת, ובכך מפחיתה את הניידות שלה וכתוצאה מכך ירידה בערך n. להיפך, ערך K של תמיסת התרכובת KGM/HPMC עולה ברציפות עם העלייה של חלק המסה של התמיסה ותכולת ה-KGM, אשר נובעת בעיקר מהעלייה של חלק המסה של המערכת ותכולת ה-KGM, ששניהם מגדילים את התוכן של קבוצות הידרופיליות במערכת. , הגדלת האינטראקציה המולקולרית בתוך השרשרת המולקולרית ובין השרשראות, ובכך להגדיל את הרדיוס ההידרודינמי של המולקולה, מה שהופך אותה פחות לכיוון תחת פעולת כוח הגזירה החיצוני ולהגדיל את הצמיגות.

ניתן לחשב את הערך התיאורטי של צמיגות הגזירה האפסית של מערכת התרכובת KGM/HPMC על פי עקרון הסיכום הלוגריתמי הנ"ל, וניתן לקבל את הערך הניסיוני שלו על ידי אקסטרפולציה של Carren התאמה של עקומת קצב הצמיגות-גזירה. בהשוואת הערך החזוי של צמיגות הגזירה האפסית של מערכת תרכובת KGM/HPMC עם שברי מסה שונים ויחסי חיבור שונים עם הערך הניסוי, ניתן לראות שהערך האמיתי של צמיגות הגזירה האפסית של תרכובת KGM/HPMC הפתרון קטן מהערך התיאורטי. זה הצביע על כך שנוצרה מכלול חדש עם מבנה צפוף במערכת המורכבת של KGM ו- HPMC. מחקרים קיימים הראו שיחידות המנוזה הבלתי-מוחלפות בשרשרת המולקולרית של KGM יכולות לקיים אינטראקציה עם הקבוצות ההידרופוביות בשרשרת המולקולרית HPMC כדי ליצור אזור אסוציאציה הידרופובי צלב חלש. משערים שמבנה ההרכבה החדש בעל מבנה צפוף יחסית נוצר בעיקר באמצעות אינטראקציות הידרופוביות. כאשר יחס KGM נמוך (HPMC > 50%), הערך בפועל של צמיגות הגזירה האפסית של מערכת KGM/HPMC נמוך מהערך התיאורטי, מה שמצביע על כך שבתכולת KGM נמוכה, יותר מולקולות משתתפות בחדש הצפוף יותר. מִבְנֶה. בהיווצרות של, צמיגות האפס-גזירה של המערכת מופחתת עוד יותר.

2.2 ניתוח של עקומות סוויפ של מתח של מערכת תרכובת KGM/HPMC

מעקומות הקשר של מודול ומתח גזירה של תמיסות KGM/HPMC עם שברי מסה שונים ויחסי תרכובות שונים, ניתן לראות שכאשר מתח הגזירה קטן מ-10%, ה-G"ו-G″של מערכת המתחם בעצם לא גדלים עם מתח הגזירה. עם זאת, הוא מראה שבטווח מתח גזירה זה, מערכת התרכובת יכולה להגיב לגירויים חיצוניים באמצעות שינוי קונפורמציה של השרשרת המולקולרית, והמבנה של מערכת התרכובת אינו ניזוק. כאשר מתח הגזירה הוא מעל 10%, החיצוני בפעולת כוח הגזירה, מהירות ההתפרקות של שרשראות מולקולריות במערכת המורכבת גדולה ממהירות ההסתבכות, G"ו-G″מתחילים לרדת, והמערכת נכנסת לאזור הויסקואלסטי הלא ליניארי. לכן, במבחן התדר הדינמי שלאחר מכן, פרמטר מתח הגזירה נבחר כ-1% לבדיקה.

2.3 ניתוח עקומת סוויפ תדר של מערכת תרכובת KGM/HPMC

עקומות שונות של מודול אחסון ומודול אובדן עם תדירות עבור פתרונות KGM/HPMC עם יחסי הרכבה שונים תחת שברי מסה שונים. מודול האגירה G' מייצג את האנרגיה שניתן לשחזר לאחר אחסון זמני בבדיקה, ומודול ההפסד G" פירושו האנרגיה הנדרשת לזרימה הראשונית, שהיא הפסד בלתי הפיך והופכת לבסוף לחום גזירה. ניתן לראות כי כאשר תדר התנודה עולה, מודול ההפסד G″תמיד גדול ממודול האחסון G", מראה התנהגות נוזלית. בטווח תדרי הבדיקה, מודול האחסון G' ומודול ההפסד G" גדלים עם עליית תדר התנודה. זה נובע בעיקר מהעובדה שעם הגדלת תדירות התנודות, למקטעי השרשרת המולקולרית במערכת אין זמן להתאושש לעיוות תוך זמן קצר המצב הקודם, ובכך מראה את התופעה שניתן לאגור יותר אנרגיה ( G גדול יותר") או צריך ללכת לאיבוד (ז″).

עם עליית תדר התנודה, מודול האחסון של המערכת יורד בפתאומיות, ועם העלייה של שבר המסה ותכולת ה-KGM של המערכת, נקודת התדר של הירידה הפתאומית עולה בהדרגה. הירידה הפתאומית עשויה לנבוע מהרס המבנה הקומפקטי שנוצר מהקשר ההידרופובי בין KGM ל-HPMC במערכת על ידי גזירה חיצונית. יתרה מכך, העלייה של חלקי המסה של המערכת ותכולת ה-KGM מועילה לשמירה על יציבות המבנה הצפוף, ומגדילה את ערך התדר החיצוני ההורס את המבנה.

2.4 ניתוח עקומת סריקת טמפרטורה של מערכת מרוכבת KGM/HPMC

מהעקומות של מודול האחסון ומודול ההפסד של פתרונות KGM/HPMC עם שברי מסה שונים ויחסי תרכובות שונים, ניתן לראות שכאשר חלק המסה של המערכת הוא 0.50%, ה-G"ו-G″של תמיסת HPMC כמעט ולא משתנה עם הטמפרטורה. , ו-G″> ג", צמיגות המערכת שולטת; כאשר שבר המסה גדל, ה-G"של תמיסת HPMC תחילה נשאר ללא שינוי ולאחר מכן עולה בחדות, ו-G"ו-G″מצטלבים בסביבות 70°C (טמפרטורת נקודת החיתוך היא נקודת הג'ל), והמערכת יוצרת ג'ל בזמן זה, ובכך מעידה על כך ש- HPMC הוא ג'ל המושרה תרמית. עבור פתרון KGM, כאשר חלק המסה של המערכת הוא 0.50% ו-0.75%, ה-G"ו-G של המערכת "מראה מגמת ירידה; כאשר חלק המסה גדל, ה-G' ו-G" של תמיסת KGM יורדים תחילה ולאחר מכן עולים באופן משמעותי, מה שמעיד על כך שתמיסת KGM מציגה תכונות דמויות ג'ל בשברי מסה גבוהים וטמפרטורות גבוהות.

עם עליית הטמפרטורה, ה-G"ו-G″של המערכת המורכבת KGM/HPMC ירד תחילה ולאחר מכן גדל באופן משמעותי, ו-G"ו-G″הופיעו נקודות חיתוך, והמערכת יצרה ג'ל. כאשר מולקולות HPMC נמצאות בטמפרטורה נמוכה, מתרחש קשר מימן בין הקבוצות ההידרופיליות בשרשרת המולקולרית לבין מולקולות המים, וכאשר הטמפרטורה עולה, החום המופעל הורס את קשרי המימן הנוצרים בין HPMC למולקולות המים, וכתוצאה מכך נוצרים מקרומולקולרי HPMC. שרשראות. הקבוצות ההידרופוביות על פני השטח נחשפות, נוצר קשר הידרופובי ונוצר ג'ל תרמוטרופי. עבור מערכת שברי המסה הנמוכה, יותר תכולת KGM יכולה ליצור ג'ל; עבור מערכת שברי מסה גבוהה, יותר תכולת HPMC יכולה ליצור ג'ל. במערכת שברי המסה הנמוכה (0.50%), הנוכחות של מולקולות KGM מפחיתה את ההסתברות ליצירת קשרי מימן בין מולקולות HPMC, ובכך מגדילה את האפשרות לחשיפה של קבוצות הידרופוביות במולקולות HPMC, דבר התורם ליצירת ג'לים תרמוטרופיים. במערכת שברי המסה הגבוהה, אם תכולת ה-KGM גבוהה מדי, צמיגות המערכת גבוהה, מה שלא תורם לקשר ההידרופובי בין מולקולות HPMC ל-KGM, שאינו תורם ליצירת ג'ל תרמוגני.

3. מסקנה

במאמר זה נחקרת ההתנהגות הריאולוגית של מערכת התרכובות של KGM ו- HPMC. התוצאות מראות שמערכת התרכובת של KGM/HPMC היא נוזל לא ניוטוני, וסוג הנוזל של מערכת התרכובות של KGM/HPMC נקבע בעיקר על ידי KGM. הגדלת חלק המסה של המערכת ותכולת KGM הפחיתו את נזילות התמיסה התרכובת והגדילו את הצמיגות שלה. במצב הסול, השרשראות המולקולריות של KGM ו- HPMC יוצרות מבנה צפוף יותר באמצעות אינטראקציות הידרופוביות. המבנה במערכת נהרס על ידי גזירה חיצונית, וכתוצאה מכך נפילה פתאומית במודול האחסון של המערכת. העלייה במסת המערכת ותכולת KGM מועילה לשמירה על יציבות המבנה הצפוף ולהגדלת ערך התדר החיצוני שהורס את המבנה. עבור מערכת שברי המסה הנמוכה, יותר תכולת KGM תורמת להיווצרות ג'ל; עבור מערכת שברי המסה הגבוהה, יותר תכולת HPMC תורמת להיווצרות ג'ל.