Konjac gliukomanano ir hidroksipropilmetilceliuliozės junginių sistemos reologinio elgesio tyrimas

Tyrimo objektu buvo imtasi konjac gliukomanano (KGM) ir hidroksipropilmetilceliuliozės (HPMC) sudėtinės sistemos, o sukamuoju reometru buvo atlikti pastovios būsenos šlyties, dažnio ir temperatūros šlyties testai. Ištirta tirpalo masės dalies ir junginių santykio įtaka KGM/HPMC junginių sistemos klampumui ir reologinėms savybėms. Rezultatai rodo, kad KGM/HPMC junginių sistema yra ne Niutono skystis, o masės dalies ir KGM kiekio padidėjimas sistemoje sumažina junginio tirpalo sklandumą ir padidina klampumą. Solinėje būsenoje KGM ir HPMC molekulinės grandinės sudaro kompaktiškesnę struktūrą dėl hidrofobinių sąveikų. Sistemos masės dalies ir KGM kiekio didinimas padeda išlaikyti konstrukcijos stabilumą. Mažos masės frakcijos sistemoje KGM kiekio didinimas yra naudingas termotropinių gelių susidarymui; o didelės masės frakcijos sistemoje HPMC kiekio padidėjimas skatina termotropinių gelių susidarymą.

Pagrindiniai žodžiai:konjac gliukomananas; hidroksipropilmetilceliuliozė; junginys; reologinis elgesys

Natūralūs polisacharidai yra plačiai naudojami maisto pramonėje dėl savo tirštinimo, emulsinimo ir želė savybių. Konjac gliukomananas (KGM) yra natūralus augalinis polisacharidas, sudarytas išβ-D-gliukozės irβ-D-manozė santykiu 1,6:1, abu yra susietiβ-1,4 glikozidinės jungtys, C- 6 padėtyje yra nedidelis acetilo kiekis (maždaug 1 acetilas kiekvienam 17 likučių). Tačiau didelis KGM vandeninio tirpalo klampumas ir prastas sklandumas riboja jo naudojimą gamyboje. Hidroksipropilmetilceliuliozė (HPMC) yra metilceliuliozės propilenglikolio eteris, priklausantis nejoniniam celiuliozės eteriui. HPMC yra plėvelę formuojantis, tirpus vandenyje ir atsinaujinantis. HPMC turi mažą klampumą ir gelio stiprumą žemoje temperatūroje, o apdorojimo efektyvumas yra gana prastas, tačiau aukštoje temperatūroje gali susidaryti gana klampus, kietos formos gelis, todėl daugelis gamybos procesų turi būti vykdomi aukštoje temperatūroje, todėl gamybai sunaudojama daug energijos. Gamybos kaštai yra dideli. Literatūra rodo, kad nepakeistas manozės vienetas KGM molekulinėje grandinėje gali sudaryti silpnai susietą hidrofobinę asociacijos sritį su hidrofobine grupe HPMC molekulinėje grandinėje per hidrofobinę sąveiką. Ši struktūra gali atidėti ir iš dalies užkirsti kelią HPMC terminei geliacijai ir sumažinti HPMC gelio temperatūrą. Be to, atsižvelgiant į mažo klampumo HPMC savybes esant santykinai žemai temperatūrai, prognozuojama, kad jo sumaišymas su KGM gali pagerinti KGM didelio klampumo savybes ir pagerinti jo apdorojimo efektyvumą. Todėl šiame darbe bus sukurta KGM/HPMC junginių sistema, skirta tirti tirpalo masės dalies ir junginių santykio įtaką KGM/HPMC sistemos reologinėms savybėms, ir pateikti teorinę nuorodą, kaip taikyti KGM/HPMC junginių sistemą maisto pramonė.

1. Medžiagos ir metodai

1.1 Medžiagos ir reagentai

Hidroksipropilmetilceliuliozė, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, masės dalis 2%, klampumas 6 mPa·s; metoksi masės dalis 28% ~ 30%; hidroksipropilo masės dalis 7,0% ~ 12% .

Konjac gliukomananas, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 masės % vandeninio tirpalo klampumas≥28 000 mPa·s.

1.2 Prietaisai ir įranga

MCR92 rotacinis reometras, Anton Paar Co., Ltd., Austrija; UPT-II-10T itin gryno vandens mašina, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektroniniai analitiniai svarstyklės, Šveicarijos Mette įmonė; LHS-150HC pastovios temperatūros vandens vonia, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 elektrinis maišytuvas, Jintano medicinos prietaisų gamykla, Jiangsu provincija.

1.3 Sudėtinio tirpalo ruošimas

Pasverkite HPMC ir KGM miltelius tam tikru mišinio santykiu (masės santykis: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), lėtai įpilkite į dejonizuotą vandenį 60°C vandens vonioje ir maišykite 1,5-2 valandas, kad jis tolygiai pasiskirstytų, ir paruoškite 5 rūšių gradiento tirpalus, kurių bendra kietosios masės frakcija yra atitinkamai 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% ir 1,50%.

1.4 Junginio tirpalo reologinių savybių tyrimas

Pastovios būsenos šlyties bandymas: KGM/HPMC junginio tirpalo reologinė kreivė buvo išmatuota naudojant CP50 kūgį ir plokštelę, tarpas tarp viršutinės ir apatinės plokštelių buvo fiksuotas 0,1 mm, matavimo temperatūra buvo 25 °C.°C, o šlyties greičio diapazonas buvo nuo 0,1 iki 100 s-1.

Įtempimų nuskaitymas (linijinės klampos srities nustatymas): naudokite PP50 plokštelę, kad išmatuotų KGM/HPMC junginio tirpalo linijinę klampumo sritį ir modulio kitimo dėsnį, nustatykite 1 000 mm atstumą, fiksuotą dažnį iki 1 Hz ir matavimo temperatūrą iki 25°C. Įtempimo diapazonas yra 0,1% ~ 100%.

Dažnio matavimas: naudokite PP50 plokštelę, kad išmatuotų KGM/HPMC junginio tirpalo modulio pokytį ir priklausomybę nuo dažnio. Atstumas nustatytas 1000 mm, deformacija 1%, matavimo temperatūra 25°C, o dažnių diapazonas yra 0,1-100 Hz.

Temperatūros nuskaitymas: KGM/HPMC junginio tirpalo modulis ir jo priklausomybė nuo temperatūros buvo išmatuotas naudojant PP50 plokštę, nustatytas 1000 mm atstumas, fiksuotas dažnis 1 Hz, deformacija 1%, temperatūra nuo 25 iki 90°C.

2. Rezultatai ir analizė

2.1 KGM/HPMC junginių sistemos srauto kreivės analizė

KGM/HPMC tirpalų su skirtingais mišinio santykiais skirtingose ​​masės frakcijose klampumo ir šlyties greičio kreivės. Skysčiai, kurių klampumas yra tiesinė šlyties greičio funkcija, vadinami Niutono skysčiais, kitaip jie vadinami neniutono skysčiais. Iš kreivės matyti, kad KGM tirpalo ir KGM/HPMC junginio tirpalo klampumas mažėja didėjant šlyties greičiui; kuo didesnis KGM kiekis, tuo didesnė sistemos masės dalis ir ryškesnis tirpalo šlyties plonėjimo reiškinys. Tai rodo, kad KGM ir KGM / HPMC junginių sistema yra ne Niutono skysčiai, o KGM / HPMC junginių sistemos skysčio tipą daugiausia lemia KGM.

Iš KGM/HPMC tirpalų su skirtingomis masės dalimis ir skirtingu junginių santykiu srauto indekso ir klampos koeficiento matyti, kad KGM, HPMC ir KGM/HPMC junginių sistemų n reikšmės yra mažesnės nei 1, o tai rodo, kad tirpalai yra visų pseudoplastinių skysčių. KGM/HPMC junginių sistemoje sistemos masės dalies padidėjimas sukels įsipainiojimą ir kitas sąveikas tarp HPMC ir KGM molekulinių grandinių tirpale, o tai sumažins molekulinių grandinių mobilumą ir taip sumažins n reikšmę. sistema. Tuo pačiu metu, didėjant KGM kiekiui, sustiprėja KGM molekulinių grandinių sąveika KGM/HPMC sistemoje, todėl sumažėja jo mobilumas ir sumažėja n reikšmė. Priešingai, KGM/HPMC junginio tirpalo K vertė nuolat didėja didėjant tirpalo masės daliai ir KGM kiekiui, o tai daugiausia lemia sistemos masės dalies ir KGM kiekio padidėjimas, kurie abu didina hidrofilinės grupės sistemoje. , didinant molekulinę sąveiką molekulinėje grandinėje ir tarp grandinių, taip padidinant molekulės hidrodinaminį spindulį, todėl mažiau tikėtina, kad ji bus orientuota veikiant išorinei šlyties jėgai ir padidina klampumą.

KGM/HPMC junginių sistemos nulinio šlyties klampos teorinė vertė gali būti apskaičiuojama pagal aukščiau pateiktą logaritminės sumavimo principą, o eksperimentinė vertė gali būti gauta naudojant Carren pritaikymo klampumo ir šlyties greičio kreivės ekstrapoliaciją. Palyginus nulinės šlyties klampos KGM/HPMC junginių sistemos su skirtingomis masės dalimis ir skirtingais mišinio santykiais prognozuojamą vertę su eksperimentine verte, matyti, kad tikroji KGM/HPMC junginio klampos šlyties nulinės vertės vertė. sprendimas yra mažesnis nei teorinė vertė. Tai parodė, kad sudėtingoje KGM ir HPMC sistemoje susidarė naujas tankios struktūros mazgas. Esami tyrimai parodė, kad nepakeisti manozės vienetai KGM molekulinėje grandinėje gali sąveikauti su HPMC molekulinės grandinės hidrofobinėmis grupėmis ir sudaryti silpnai susietą hidrofobinės asociacijos sritį. Spėjama, kad naujoji santykinai tankios struktūros surinkimo struktūra daugiausia susidaro dėl hidrofobinių sąveikų. Kai KGM santykis yra mažas (HPMC > 50%), tikroji KGM/HPMC sistemos nulinio šlyties klampos vertė yra mažesnė už teorinę vertę, o tai rodo, kad esant mažam KGM kiekiui, daugiau molekulių dalyvauja tankesnėje naujoje. struktūra. Formuojant , sistemos klampumas be šlyties dar labiau sumažėja.

2.2. KGM/HPMC junginių sistemos deformacijos bangavimo kreivių analizė

Iš KGM/HPMC tirpalų su skirtingomis masės dalimis ir skirtingu mišinio santykiu modulio ir šlyties deformacijų santykio kreivių matyti, kad kai šlyties deformacija yra mažesnė nei 10%, G.′ir G″junginių sistemos iš esmės nepadidėja šlyties įtempimu. Tačiau tai rodo, kad šiame šlyties deformacijos diapazone junginių sistema gali reaguoti į išorinius dirgiklius, pakeisdama molekulinės grandinės konformaciją, o junginių sistemos struktūra nėra pažeista. Kai šlyties deformacija yra > 10%, išorinė Veikiant šlyties jėgai, molekulinių grandinių išskyrimo greitis kompleksinėje sistemoje yra didesnis nei įsipainiojimo greitis, G′ir G″pradeda mažėti, ir sistema patenka į netiesinę viskoelastinę sritį. Todėl vėlesniame dinaminio dažnio bandyme šlyties deformacijos parametras buvo pasirinktas kaip 1%.

2.3 KGM/HPMC junginių sistemos dažnio braukimo kreivės analizė

Saugojimo modulio ir nuostolių modulio kitimo kreivės su dažniu KGM/HPMC tirpalams su skirtingais mišinio santykiais esant skirtingoms masės dalims. Saugojimo modulis G' reiškia energiją, kurią galima susigrąžinti po laikino saugojimo bandymo metu, o nuostolių modulis G“ reiškia energiją, reikalingą pradiniam srautui, kuris yra negrįžtamas nuostolis ir galiausiai paverčiamas šlyties šiluma. Galima pastebėti, kad, didėjant virpesių dažniui, nuostolių modulis G″visada yra didesnis nei saugojimo modulis G′, rodantis skystą elgesį. Bandymo dažnių diapazone saugojimo modulis G' ir nuostolių modulis G“ didėja didėjant virpesių dažniui. Taip yra daugiausia dėl to, kad padidėjus virpesių dažniui, molekulinės grandinės segmentai sistemoje nespėja per trumpą laiką atsigauti iki deformacijos, buvusios ankstesnėje būsenoje, taip parodydami reiškinį, kad gali būti sukaupta daugiau energijos ( didesnis G′) arba reikia pamesti (G″).

Didėjant virpesių dažniui, sistemos saugojimo modulis staiga krinta, o didėjant sistemos masės daliai ir KGM kiekiui, staigaus kritimo dažnio taškas palaipsniui didėja. Staigus kritimas gali atsirasti dėl kompaktiškos struktūros, susidariusios dėl KGM ir HPMC hidrofobinio susiejimo sistemoje, sunaikinimo dėl išorinio kirpimo. Be to, sistemos masės dalies ir KGM kiekio padidėjimas yra naudingas norint išlaikyti tankios struktūros stabilumą ir padidina išorinio dažnio vertę, kuri ardo struktūrą.

2.4 KGM/HPMC sudėtinės sistemos temperatūros skenavimo kreivės analizė

Iš KGM/HPMC tirpalų, turinčių skirtingas masės dalis ir skirtingus mišinio santykius, saugojimo modulio ir nuostolių modulio kreivių matyti, kad kai sistemos masės dalis yra 0,50 %, G.′ir G″HPMC tirpalo kiekis beveik nesikeičia priklausomai nuo temperatūros. , ir G″>G′, dominuoja sistemos klampumas; kai masės dalis didėja, G′HPMC tirpalo dalis iš pradžių lieka nepakitusi, o paskui smarkiai padidėja, o G′ir G″susikerta apie 70°C (susikirtimo taško temperatūra yra gelio taškas), o sistema šiuo metu sudaro gelį, tai rodo, kad HPMC yra termiškai sukeltas gelis. KGM tirpalui, kai sistemos masės dalis yra 0,50% ir 0,75%, G′ir G sistemos „rodo mažėjimo tendenciją; kai masės dalis didėja, KGM tirpalo G' ir G" pirmiausia sumažėja, o tada žymiai padidėja, o tai rodo, kad KGM tirpalas pasižymi gelio savybėmis esant didelėms masės dalims ir aukštai temperatūrai.

Kylant temperatūrai, G′ir G″KGM/HPMC kompleksinės sistemos dalis pirmiausia sumažėjo, o vėliau žymiai padidėjo, o G′ir G″atsirado susikirtimo taškai, o sistema suformavo gelį. Kai HPMC molekulės yra žemoje temperatūroje, tarp molekulinės grandinės hidrofilinių grupių ir vandens molekulių susidaro vandenilinis ryšys, o kylant temperatūrai, taikoma šiluma sunaikina vandenilinius ryšius, susidariusius tarp HPMC ir vandens molekulių, todėl susidaro HPMC makromolekulės. grandines. Paviršiuje esančios hidrofobinės grupės išryškėja, atsiranda hidrofobinis susiejimas ir susidaro termotropinis gelis. Mažos masės frakcijos sistemoje daugiau KGM gali sudaryti gelį; didelės masės frakcijos sistemoje daugiau HPMC kiekio gali sudaryti gelį. Mažos masės frakcijos sistemoje (0,50%) KGM molekulių buvimas sumažina vandenilinių ryšių susidarymo tarp HPMC molekulių tikimybę, todėl padidėja hidrofobinių grupių poveikio HPMC molekulėse galimybė, o tai skatina termotropinių gelių susidarymą. Didelės masės frakcijos sistemoje, jei KGM kiekis yra per didelis, sistemos klampumas yra didelis, o tai nėra palanki hidrofobiniam HPMC ir KGM molekulių ryšiui, kuris nėra palankus termogeninio gelio susidarymui.

3. Išvada

Šiame darbe tiriama KGM ir HPMC junginių sistemos reologinė elgsena. Rezultatai rodo, kad KGM / HPMC sudėtinė sistema yra ne Niutono skystis, o KGM / HPMC sudėtinės sistemos skysčio tipą daugiausia lemia KGM. Sistemos masės dalies ir KGM kiekio padidinimas sumažino junginio tirpalo sklandumą ir padidino jo klampumą. Solinėje būsenoje KGM ir HPMC molekulinės grandinės sudaro tankesnę struktūrą dėl hidrofobinių sąveikų. Sistemos struktūra sunaikinama dėl išorinio kirpimo, todėl staiga sumažėja sistemos saugojimo modulis. Sistemos masės dalies ir KGM kiekio padidėjimas yra naudingas norint išlaikyti tankios struktūros stabilumą ir padidinti išorinio dažnio reikšmę, kuri ardo struktūrą. Mažos masės frakcijos sistemoje didesnis KGM kiekis skatina gelio susidarymą; didelės masės frakcijos sistemoje didesnis HPMC kiekis skatina gelio susidarymą.