곤약 글루코만난과 히드록시프로필 메틸셀룰로오스 복합계의 유변학적 거동에 관한 연구

곤약 글루코만난(KGM)과 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)의 복합 시스템을 연구 대상으로 삼고 회전 레오미터를 사용하여 복합 시스템에 대해 정상 상태 전단, 주파수 및 온도 스윕 테스트를 수행했습니다. KGM/HPMC 화합물 시스템의 점도 및 유변학적 특성에 대한 용액 질량 분율 및 화합물 비율의 영향을 분석했습니다. 결과는 KGM/HPMC 복합 시스템이 비뉴턴 유체이며 시스템의 질량 분율과 KGM 함량이 증가하면 복합 용액의 유동성이 감소하고 점도가 증가한다는 것을 보여줍니다. 졸 상태에서는 KGM과 HPMC 분자 사슬이 소수성 상호작용을 통해 더욱 조밀한 구조를 형성합니다. 시스템 질량 분율과 KGM 함량을 늘리면 구조의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 낮은 질량 분율 시스템에서는 KGM 함량을 늘리는 것이 열방성 겔 형성에 유리합니다. 높은 질량 분율 시스템에서는 HPMC 함량을 늘리면 열방성 겔 형성에 도움이 됩니다.

핵심 단어:곤약 글루코만난; 히드록시프로필 메틸셀룰로오스; 화합물; 유변학적 거동

천연 다당류는 농축, 유화 및 겔화 특성으로 인해 식품 산업에서 널리 사용됩니다. 곤약 글루코만난(KGM)은 천연 식물 다당류로 구성되어 있습니다.β-D-포도당 및β-D-만노스를 1.6:1 비율로, 이 둘은 다음과 같이 연결됩니다.β-1,4 글리코시드 결합, C- 위치 6에 소량의 아세틸이 있습니다(잔기 17개마다 약 1개의 아세틸). 그러나 KGM 수용액은 점도가 높고 유동성이 좋지 않아 생산에 적용하는 데 제한이 있습니다. 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)는 비이온성 셀룰로오스 에테르에 속하는 메틸셀룰로오스의 프로필렌 글리콜 에테르입니다. HPMC는 필름을 형성하고 수용성이며 재생 가능합니다. HPMC는 저온에서 점도와 겔 강도가 낮고 가공 성능이 상대적으로 열악하지만 고온에서는 상대적으로 점성이 있는 고체형 겔을 형성할 수 있으므로 많은 생산 공정을 고온에서 수행해야 하므로 생산 에너지 소비가 높습니다. 생산 비용이 높습니다. 문헌에서는 KGM 분자 사슬의 비치환된 만노스 단위가 소수성 상호작용을 통해 HPMC 분자 사슬의 소수기와 약하게 가교된 소수성 결합 영역을 형성할 수 있음을 보여줍니다. 이 구조는 HPMC의 열 겔화를 지연 및 부분적으로 방지하고 HPMC의 겔 온도를 낮출 수 있습니다. 또한 상대적으로 낮은 온도에서 HPMC의 저점도 특성을 고려하여 KGM과의 컴파운딩을 통해 KGM의 고점도 특성을 향상시키고 가공성능을 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다. 따라서 본 논문에서는 KGM/HPMC 시스템의 유변학적 특성에 대한 용액의 질량 분율과 화합물 비율의 영향을 탐색하기 위해 KGM/HPMC 화합물 시스템을 구축하고, KGM/HPMC 화합물 시스템의 적용을 위한 이론적 참고 자료를 제공할 것이다. 식품 산업.

1. 재료 및 방법

1.1 재료 및 시약

하이드록시프로필 메틸셀룰로오스, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, 질량분율 2%, 점도 6mPa·에스; 메톡시 질량 분율 28%~30%; 히드록시프로필 질량 분율 7.0%~12%.

곤약글루코만난, 우한존슨곤약식품유한회사, 1wt% 수용액 점도≥28,000mPa·s.

1.2 기기 및 장비

MCR92 회전식 레오미터(오스트리아 소재 Anton Paar Co., Ltd.); UPT-II-10T 초순수 기계, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 전자 분석 저울, 스위스 메테(Swiss Mette)사; LHS-150HC 항온 수조, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 전기 교반기, 장쑤성 진탄 의료 기기 공장.

1.3 복합용액의 제조

HPMC와 KGM 분말을 일정한 배합 비율(질량비: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0)로 계량하고 60°C에서 탈이온수에 천천히 첨가합니다.°C 수욕조에서 1.5~2시간 동안 저어 균일하게 분산되도록 하고 총 고형분율이 각각 0.50%, 0.75%, 1.00%, 1.25%, 1.50%인 5가지 구배 용액을 준비합니다.

1.4 복합용액의 유변학적 성질 시험

정상상태 전단시험 : CP50 콘앤플레이트를 이용하여 KGM/HPMC 복합용액의 유변곡선을 측정하였으며, 상판과 하판의 간격은 0.1mm로 고정하였고, 측정온도는 25℃로 하였다.°C, 전단율 범위는 0.1 ~ 100 s-1이었습니다.

스트레인 스캐닝(선형 점탄성 영역 결정): PP50 플레이트를 사용하여 KGM/HPMC 복합 용액의 선형 점탄성 영역 및 모듈러스 변화 법칙을 측정하고 간격을 1.000mm, 고정 주파수를 1Hz, 측정 온도를 25로 설정합니다.°C. 변형률 범위는 0.1%~100%입니다.

주파수 스윕: PP50 플레이트를 사용하여 KGM/HPMC 복합 용액의 계수 변화와 주파수 의존성을 측정합니다. 간격은 1.000mm, 변형률은 1%, 측정 온도는 25°C로 설정되었습니다.°C, 주파수 범위는 0.1-100Hz입니다.

온도 스캐닝: PP50 플레이트를 사용하여 KGM/HPMC 복합 용액의 모듈러스 및 온도 의존성을 측정했으며, 간격은 1.000mm, 고정 주파수는 1Hz, 변형은 1%, 온도는 25°C부터였습니다. 90까지°C.

2. 결과 및 분석

2.1 KGM/HPMC 복합계의 흐름곡선 분석

다양한 질량 분율에서 다양한 혼합 비율을 갖는 KGM/HPMC 용액의 점도 대 전단율 곡선. 점도가 전단율의 선형 함수인 유체를 뉴턴 유체라고 하며, 그렇지 않으면 비뉴턴 유체라고 합니다. 곡선에서 볼 수 있듯이 KGM 용액과 KGM/HPMC 복합 용액의 점도는 전단 속도가 증가함에 따라 감소합니다. KGM 함량이 높을수록 시스템 질량 분율이 높아지고 용액의 전단 담화 현상이 더욱 분명해집니다. 이는 KGM과 KGM/HPMC 복합 시스템이 비뉴턴 유체이고 KGM/HPMC 복합 시스템의 유체 유형이 주로 KGM에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다.

질량 분율과 화합물 비율이 다른 KGM/HPMC 용액의 유동 지수 및 점도 계수에서 KGM, HPMC 및 KGM/HPMC 화합물 시스템의 n 값이 모두 1보다 작다는 것을 알 수 있습니다. 모든 유사가소성 유체. KGM/HPMC 복합 시스템의 경우 시스템의 질량 분율이 증가하면 용액 내 HPMC와 KGM 분자 사슬 사이의 얽힘 및 기타 상호 작용이 발생하여 분자 사슬의 이동성이 감소하여 n 값이 감소합니다. 시스템. 동시에 KGM 함량이 증가함에 따라 KGM/HPMC 시스템에서 KGM 분자 사슬 간의 상호 작용이 향상되어 이동성이 감소하고 n 값이 감소합니다. 반대로, KGM/HPMC 복합 용액의 K 값은 용액 질량 분율과 KGM 함량이 증가함에 따라 지속적으로 증가하는데, 이는 주로 시스템 질량 분율과 KGM 함량이 증가하기 때문입니다. 시스템의 친수성 그룹. , 분자 사슬 내 및 사슬 사이의 분자 상호 작용을 증가시켜 분자의 유체 역학적 반경을 증가시켜 외부 전단력의 작용 하에서 배향될 가능성을 줄이고 점도를 증가시킵니다.

KGM/HPMC 복합계의 제로 전단 점도의 이론값은 위의 대수 합산 원리에 따라 계산할 수 있으며, 점도-전단율 곡선의 카렌 피팅 외삽을 통해 실험값을 얻을 수 있습니다. 질량 분율과 배합비가 다른 KGM/HPMC 복합계의 제로 전단 점도 예측값을 실험값과 비교하면, KGM/HPMC 화합물의 제로 전단 점도의 실제 값을 알 수 있다. 솔루션은 이론적인 값보다 작습니다. 이는 KGM과 HPMC의 복잡한 시스템에서 치밀한 구조의 새로운 어셈블리가 형성되었음을 나타냅니다. 기존 연구에 따르면 KGM 분자 사슬의 치환되지 않은 만노스 단위는 HPMC 분자 사슬의 소수성 그룹과 상호 작용하여 약하게 가교된 소수성 결합 영역을 형성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 상대적으로 치밀한 구조를 갖는 새로운 조립구조는 주로 소수성 상호작용을 통해 형성되는 것으로 추측된다. KGM 비율이 낮을 때(HPMC > 50%) KGM/HPMC 시스템의 제로 전단 점도의 실제 값은 이론 값보다 낮습니다. 이는 낮은 KGM 함량에서 더 많은 분자가 밀도가 높은 새로운 시스템에 참여함을 나타냅니다. 구조. 의 형성에서 시스템의 제로 전단 점도는 더욱 감소됩니다.

2.2 KGM/HPMC 복합계의 변형률 스윕 곡선 분석

질량 분율과 배합 비율이 다른 KGM/HPMC 용액의 계수와 전단 변형률의 관계 곡선에서 전단 변형률이 10% 미만일 때 G가′그리고 G″복합 시스템의 전단 변형률은 기본적으로 증가하지 않습니다. 그러나 이 전단 변형률 범위 내에서는 분자 사슬 형태의 변화를 통해 복합계가 외부 자극에 반응할 수 있고, 복합계의 구조가 손상되지 않음을 보여줍니다. 전단 변형률이 >10%일 때 외부 전단력의 작용 하에서 복잡한 시스템에서 분자 사슬의 풀림 속도는 얽힘 속도 G보다 빠릅니다.′그리고 G″감소하기 시작하고 시스템은 비선형 점탄성 영역으로 들어갑니다. 따라서 이후의 동진동수 시험에서는 전단변형률 변수를 1%로 선정하여 시험하였다.

2.3 KGM/HPMC 화합물 시스템의 주파수 스윕 곡선 분석

다양한 질량 분율에서 다양한 혼합 비율을 갖는 KGM/HPMC 솔루션의 주파수에 따른 저장 탄성률 및 손실 탄성률의 변화 곡선. 저장계수 G'는 시험에서 임시저장 후 회복할 수 있는 에너지를 나타내고, 손실계수 G'는 비가역적 손실이며 최종적으로 전단열로 변환되는 초기 유동에 필요한 에너지를 의미한다. 발진 주파수가 증가함에 따라 손실 계수 G″항상 저장 탄성률 G보다 큽니다.′, 액체 거동을 보여줍니다. 테스트 주파수 범위에서 저장 탄성률 G'와 손실 탄성률 G”는 발진 주파수가 증가함에 따라 증가합니다. 이는 주로 진동 주파수가 증가함에 따라 시스템의 분자 사슬 세그먼트가 짧은 시간에 이전 상태의 변형으로 회복할 시간이 없기 때문에 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 현상을 나타냅니다( 더 큰 G′) 또는 분실해야 하는 경우(G″).

진동 주파수가 증가함에 따라 시스템의 저장 탄성률이 갑자기 떨어지고 시스템의 질량 분율과 KGM 함량이 증가함에 따라 급격한 저하의 주파수 지점이 점차 증가합니다. 급격한 하락은 외부 전단에 의한 시스템 내 KGM과 HPMC 사이의 소수성 결합에 의해 형성된 조밀한 구조의 파괴로 인한 것일 수 있습니다. 또한, 시스템 질량 분율과 KGM 함량의 증가는 치밀한 구조의 안정성을 유지하는 데 유리하며 구조를 파괴하는 외부 주파수 값을 증가시킵니다.

2.4 KGM/HPMC 복합 시스템의 온도 주사 곡선 분석

다양한 질량 분율과 다양한 혼합 비율을 갖는 KGM/HPMC 용액의 저장 모듈러스 및 손실 모듈러스 곡선에서 시스템의 질량 분율이 0.50%일 때 G′그리고 G″HPMC 용액은 온도에 따라 거의 변하지 않습니다. 및 G″>G′, 시스템의 점도가 지배적입니다. 질량 분율이 증가하면 G′HPMC 용액의 처음에는 변화가 없었다가 급격히 증가하고 G는′그리고 G″70쯤에서 교차°C(교차점 온도가 겔점)이며 이때 시스템이 겔을 형성하므로 HPMC가 열유도 겔임을 나타냅니다. KGM 솔루션의 경우 시스템의 질량 분율이 0.50%와 0.75%일 때 G′시스템의 G는 “감소 추세를 보여줍니다. 질량 분율이 증가하면 KGM 용액의 G' 및 G”가 먼저 감소한 다음 크게 증가합니다. 이는 KGM 용액이 높은 질량 분율과 고온에서 겔과 같은 특성을 나타냄을 나타냅니다.

온도가 상승함에 따라 G′그리고 G″KGM/HPMC 복합 시스템의 처음에는 감소한 후 크게 증가했으며, G′그리고 G″교차점이 나타나고 시스템이 겔을 형성했습니다. HPMC 분자가 낮은 온도에 있을 때 분자 사슬의 친수성기와 물 분자 사이에 수소 결합이 일어나고, 온도가 상승하면 가해진 열에 의해 HPMC와 물 분자 사이에 형성된 수소 결합이 파괴되어 HPMC 고분자가 형성됩니다. 쇠사슬. 표면의 소수성기가 노출되어 소수성 결합이 일어나 열방성 겔이 형성됩니다. 낮은 질량 분율 시스템의 경우 더 많은 KGM 함량이 겔을 형성할 수 있습니다. 높은 질량 분율 시스템의 경우 더 많은 HPMC 함량이 겔을 형성할 수 있습니다. 낮은 질량 분율 시스템(0.50%)에서 KGM 분자의 존재는 HPMC 분자 사이에 수소 결합을 형성할 가능성을 감소시켜 HPMC 분자의 소수성 그룹이 노출될 가능성을 증가시키며 이는 열방성 겔의 형성에 도움이 됩니다. 높은 질량 분율 시스템에서 KGM의 함량이 너무 높으면 시스템의 점도가 높아 HPMC와 KGM 분자 사이의 소수성 결합에 도움이 되지 않으며 이는 열 발생 겔의 형성에 도움이 되지 않습니다.

3. 결론

본 논문에서는 KGM과 HPMC의 화합물 시스템의 유변학적 거동을 연구합니다. 결과는 KGM/HPMC의 복합 시스템이 비뉴턴 유체이며 KGM/HPMC의 복합 시스템의 유체 유형은 주로 KGM에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. 시스템 질량 분율과 KGM 함량을 높이면 화합물 용액의 유동성이 감소하고 점도가 증가합니다. 졸 상태에서 KGM과 HPMC의 분자 사슬은 소수성 상호작용을 통해 더 조밀한 구조를 형성합니다. 시스템의 구조는 외부 전단에 의해 파괴되어 시스템의 저장 탄성률이 갑자기 떨어집니다. 시스템 질량분율과 KGM 함량의 증가는 치밀한 구조의 안정성을 유지하고 구조를 파괴하는 외부 주파수 값을 증가시키는 데 유리합니다. 낮은 질량 분율 시스템의 경우 더 많은 KGM 함량이 겔 형성에 도움이 됩니다. 높은 질량 분율 시스템의 경우 더 많은 HPMC 함량이 겔 형성에 도움이 됩니다.