こんにゃくグルコマンナンとヒドロキシプロピルメチルセルロース化合物系のレオロジー挙動に関する研究

こんにゃくグルコマンナン(KGM)とヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)の化合物系を研究対象として,回転レオメータにより定常状態せん断,周波数及び温度掃引試験を化合物系に対して実施した。 KGM/HPMC化合物系の粘度およびレオロジー特性に及ぼす溶液の質量分率と化合物比の影響を分析した。結果は、KGM/HPMC 化合物系が非ニュートン流体であり、系の質量分率と KGM 含有量の増加により化合物溶液の流動性が低下し、粘度が増加することを示しています。ゾル状態では、KGM および HPMC 分子鎖は疎水性相互作用によりより緻密な構造を形成します。システムの質量分率と KGM 含有量を増やすと、構造の安定性を維持できます。低質量分率システムでは、KGM の含有量を増やすとサーモトロピック ゲルの形成に有益です。一方、高質量分率システムでは、HPMC の含有量を増やすとサーモトロピック ゲルの形成が促進されます。

キーワード:こんにゃくグルコマンナン。ヒドロキシプロピルメチルセルロース;化合物;レオロジー挙動

天然多糖類は、増粘、乳化、ゲル化の特性があるため、食品業界で広く使用されています。こんにゃくグルコマンナン (KGM) は、天然の植物多糖類であり、以下で構成されています。β-D-グルコースとβ-D-マンノースは1.6:1の比率で結合しており、この2つはβ-C に 1,4 グリコシド結合- 6 位に少量のアセチルがあります (17 残基ごとに約 1 アセチル)。しかし、KGM 水溶液は粘度が高く、流動性が低いため、生産における用途が制限されます。ヒドロキシプロピルメチルセルロース（HPMC）は、メチルセルロースのプロピレングリコールエーテルであり、非イオン性セルロースエーテルに属します。 HPMC は膜形成性があり、水溶性であり、再生可能です。 HPMC は、低温では粘度が低く、ゲル強度が低く、加工性能が比較的劣りますが、高温では比較的粘性の高い固体状のゲルを形成するため、多くの製造プロセスを高温で実行する必要があり、製造エネルギー消費量が高くなります。生産コストが高い。文献は、KGM 分子鎖上の非置換マンノース単位が、疎水性相互作用を通じて HPMC 分子鎖上の疎水性基と弱く架橋された疎水性結合領域を形成できることを示しています。この構造は、HPMC の熱ゲル化を遅らせて部分的に防止し、HPMC のゲル温度を下げることができます。さらに、HPMC は比較的低温での低粘度特性を考慮すると、KGM と配合することで KGM の高粘度特性が改善され、処理性能が向上すると予測されます。したがって、この論文では、KGM/HPMC 複合システムを構築して、溶液の質量分率と化合物比が KGM/HPMC システムのレオロジー特性に及ぼす影響を調査し、KGM/HPMC 複合システムを応用するための理論的参考資料を提供します。食品業界。

1. 材料と方法

1.1 材料と試薬

ヒドロキシプロピルメチルセルロース、キマ化学株式会社、質量分率２％、粘度６ｍＰａ·s;メトキシ質量分率 28%~30%;ヒドロキシプロピル質量分率 7.0%~12%。

こんにゃくグルコマンナン、武漢ジョンソンこんにゃく食品株式会社、1 wt% 水溶液粘度≥28,000mPa·s.

1.2 機器と装置

ＭＣＲ９２回転レオメーター、アントンパール社、オーストリア； UPT-II-10T 超純水装置、Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 電子分析天びん、スイス メッテ社; LHS-150HC 恒温水槽、Wuxi Huaze Technology Co., Ltd. JJ-1 電気撹拌機、江蘇省金丹医療機器工場。

1.3 化合物溶液の調製

一定の配合比（質量比：0:10、3:7、5:5、7:3、10:0）のHPMCとKGMの粉末を秤量し、60℃の脱イオン水にゆっくりと加えます。°均一に分散させるために 1.5 ～ 2 時間撹拌し、総固形分率がそれぞれ 0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50% の 5 種類のグラジエント溶液を調製します。

1.4 化合物溶液のレオロジー特性の試験

定常状態せん断試験: KGM/HPMC 複合溶液のレオロジー曲線は、CP50 コーンとプレートを使用して測定されました。上部プレートと下部プレートの間のギャップは 0.1 mm に固定され、測定温度は 25 ℃でした。°温度はＣ、せん断速度範囲は０．１～１００ｓ －１ であった。

ひずみスキャン (線形粘弾性領域の決定): PP50 プレートを使用して、KGM/HPMC 複合溶液の線形粘弾性領域と弾性率変化則を測定します。間隔を 1.000 mm、固定周波数を 1Hz、測定温度を 25 に設定します。°ひずみ範囲は0.1%～100%です。

周波数掃引: PP50 プレートを使用して、KGM/HPMC 複合溶液の弾性率変化と周波数依存性を測定します。間隔は1.000mm、ひずみは1%、測定温度は25℃です。°C、周波数範囲は 0.1 ～ 100 Hz です。

温度スキャン: KGM/HPMC 複合溶液の弾性率とその温度依存性は、PP50 プレートを使用して測定されました。間隔は 1.000 mm に設定され、固定周波数は 1 Hz、変形は 1%、温度は 25 ℃から 25 ℃でした。 90まで°C.

2. 結果と分析

2.1 KGM/HPMC複合系の流動曲線解析

異なる質量分率で異なる配合比を使用した KGM/HPMC 溶液の粘度対せん断速度曲線。粘度がせん断速度の一次関数である流体はニュートン流体と呼ばれ、そうでない場合は非ニュートン流体と呼ばれます。この曲線から、KGM 溶液および KGM/HPMC 複合溶液の粘度は、せん断速度の増加とともに低下することがわかります。 KGM 含有量が高くなるほど、システムの質量分率が高くなり、溶液のせん断減粘現象がより顕著になります。これは、KGM および KGM/HPMC 複合系が非ニュートン流体であり、KGM/HPMC 複合系の流体タイプは主に KGM によって決定されることを示しています。

異なる質量分率および異なる化合物比を有する KGM/HPMC 溶液のフローインデックスと粘度係数から、KGM、HPMC、および KGM/HPMC 複合系の n 値はすべて 1 未満であることがわかり、溶液がすべての擬塑性流体。 KGM/HPMC 複合系の場合、系の質量分率が増加すると、溶液中で HPMC と KGM の分子鎖間に絡み合いやその他の相互作用が生じ、分子鎖の移動性が低下し、それによって分子鎖の n 値が減少します。システム。同時に、KGM 含有量の増加に伴い、KGM/HPMC 系における KGM 分子鎖間の相互作用が強化され、その移動性が低下し、n 値が減少します。反対に、KGM/HPMC 複合溶液の K 値は、溶液の質量分率と KGM 含有量の増加に伴って連続的に増加します。これは主に、系の質量分率と KGM 含有量の増加により、両方とも含有量が増加するためです。システム内の親水基。 、分子鎖内および分子鎖間の分子相互作用が増加し、それによって分子の流体力学的半径が増加し、外部せん断力の作用下で分子が配向しにくくなり、粘度が増加します。

KGM/HPMC 複合系のゼロせん断粘度の理論値は、上記の対数和原理に従って計算でき、その実験値は、粘度-せん断速度曲線の Carren フィッティング外挿によって得ることができます。異なる質量分率および異なる配合比の KGM/HPMC 複合システムのゼロせん断粘度の予測値を実験値と比較すると、KGM/HPMC 複合システムのゼロせん断粘度の実際の値が解が理論値より小さい。これは、KGMとHPMCの複雑な系において、緻密な構造を有する新たな集合体が形成されたことを示した。既存の研究では、KGM 分子鎖上の非置換マンノース単位が HPMC 分子鎖上の疎水性基と相互作用して、弱く架橋された疎水性結合領域を形成できることが示されています。比較的緻密な構造を有する新たな集合構造は、主に疎水性相互作用によって形成されると推測される。 KGM 比率が低い場合 (HPMC > 50%)、KGM/HPMC システムのゼロせん断粘度の実際の値は理論値よりも低くなります。これは、KGM 含有量が低いと、より多くの分子がより高密度の新しい粘度に参加することを示しています。構造。の形成では、システムのゼロせん断粘度はさらに低下します。

2.2 KGM/HPMC複合系のひずみスイープ曲線の解析

異なる質量分率および異なる配合比の KGM/HPMC 溶液の弾性率とせん断ひずみの関係曲線から、せん断ひずみが 10% 未満の場合、G』とG”複合系のせん断ひずみは基本的に増加しません。しかし、このせん断ひずみの範囲内では、化合物システムは分子鎖の立体構造の変化を通じて外部刺激に応答でき、化合物システムの構造は損傷を受けないことが示されています。せん断ひずみが 10% を超える場合、外部せん断力の作用下で、複雑なシステム内の分子鎖のもつれが解ける速度は、もつれの速度 G よりも大きくなります。』とG”が減少し始め、系は非線形粘弾性領域に入ります。したがって、その後の動的周波数テストでは、せん断ひずみパラメータを 1% として選択してテストしました。

2.3 KGM/HPMC複合システムの周波数掃引曲線解析

異なる質量分率で異なる配合比を有する KGM/HPMC 溶液の周波数による貯蔵弾性率と損失弾性率の変化曲線。貯蔵弾性率G'は試験で一時的に貯蔵した後に回収できるエネルギーを表し、損失弾性率G”は初期流動に必要なエネルギーを意味し、不可逆損失であり最終的にせん断熱に変換されます。発振周波数が増加するにつれて、損失弾性率 G が増加することがわかります。”常に貯蔵弾性率 G より大きい』、液体の挙動を示します。試験周波数範囲では、発振周波数の増加に伴って貯蔵弾性率 G' と損失弾性率 G” が増加します。これは主に、振動周波数の増加に伴い、系内の分子鎖セグメントが短時間で以前の状態の変形に回復する時間がなくなり、より多くのエネルギーを蓄えることができる現象を示しているという事実によるものです(大きいG』) または紛失する必要がある (G”).

振動周波数の増加に伴い、系の貯蔵弾性率は急激に低下し、系の質量分率と KGM 含有量の増加に伴い、急激に低下する周波数点は徐々に増加します。この突然の低下は、系内の KGM と HPMC 間の疎水性結合によって形成された緻密な構造が外部せん断によって破壊されたためである可能性があります。さらに、システムの質量分率と KGM 含有量の増加は、緻密な構造の安定性を維持するのに有益であり、構造を破壊する外部周波数値を増加させます。

2.4 KGM/HPMC複合システムの温度走査曲線解析

異なる質量分率および異なる配合比を有する KGM/HPMC 溶液の貯蔵弾性率と損失弾性率の曲線から、系の質量分率が 0.50% の場合、G』とG”HPMC 溶液の濃度は温度によってほとんど変化しません。 、G”>G』、系の粘度が支配的です。質量分率が増加すると、G』HPMC 溶液の は、最初は変化しないままで、その後急激に増加し、G』とG”70度くらいで交わる°このとき系はゲルを形成するため、HPMC が熱誘起ゲルであることがわかります。 KGM 溶液の場合、系の質量分率が 0.50% と 0.75% の場合、G』システムの G は「減少傾向を示しています。質量分率が増加すると、KGM 溶液の G' と G'' は最初に減少し、その後大幅に増加します。これは、KGM 溶液が高い質量分率および高温でゲル状の特性を示すことを示しています。

温度が上昇すると、G』とG”KGM/HPMC 複合システムの は最初に減少し、その後大幅に増加し、G』とG”交点が現れ、系はゲルを形成した。 HPMC分子が低温の場合、分子鎖上の親水基と水分子との間に水素結合が発生し、温度が上昇すると、加えられた熱によりHPMCと水分子との間に形成された水素結合が破壊され、HPMC高分子が形成されます。鎖。表面の疎水基が露出し、疎水結合が起こり、サーモトロピックゲルが形成されます。低質量分率システムの場合、KGM 含有量が増えるとゲルが形成される可能性があります。高質量分率システムの場合、より多くの HPMC 含有量がゲルを形成する可能性があります。低質量分率システム (0.50%) では、KGM 分子の存在により HPMC 分子間に水素結合が形成される確率が低下し、それによって HPMC 分子内の疎水基が露出する可能性が高まり、サーモトロピック ゲルの形成が促進されます。高質量分率系では、KGM の含有量が高すぎると系の粘度が高くなり、HPMC 分子と KGM 分子間の疎水性会合が促進されず、熱発生性ゲルの形成が促進されなくなります。

3. 結論

この論文では,KGMとHPMCの化合物系のレオロジー挙動を研究した。結果は,KGM/HPMCの複合系が非ニュートン流体であり,KGM/HPMCの複合系の流体タイプは主にKGMによって決定されることを示した。システムの質量分率と KGM 含有量を増やすと、化合物溶液の流動性が低下し、粘度が増加します。ゾル状態では、KGM と HPMC の分子鎖は疎水性相互作用によりより緻密な構造を形成します。システム内の構造は外部せん断によって破壊され、その結果システムの貯蔵弾性率が突然低下します。システムの質量分率と KGM 含有量の増加は、緻密な構造の安定性を維持し、構造を破壊する外部周波数値を増加させるのに有益です。低質量分率システムの場合、KGM 含有量が多いとゲルの形成が促進されます。高質量分率システムの場合、HPMC 含有量が多いとゲルの形成が促進されます。