Pētījums par konjac glikomannāna un hidroksipropilmetilcelulozes savienojumu sistēmas reoloģisko uzvedību

Par izpētes objektu tika ņemta konjac glikomannāna (KGM) un hidroksipropilmetilcelulozes (HPMC) saliktā sistēma, un ar rotācijas reometru tika veikti līdzsvara stāvokļa bīdes, frekvences un temperatūras slaucīšanas testi. Tika analizēta šķīduma masas daļas un savienojumu attiecības ietekme uz KGM/HPMC savienojumu sistēmas viskozitāti un reoloģiskajām īpašībām. Rezultāti liecina, ka KGM/HPMC savienojumu sistēma ir neņūtona šķidrums, un masas daļas un KGM satura palielināšanās sistēmā samazina savienojuma šķīduma plūstamību un palielina viskozitāti. Sola stāvoklī KGM un HPMC molekulārās ķēdes veido kompaktāku struktūru, izmantojot hidrofobisku mijiedarbību. Sistēmas masas daļas un KGM satura palielināšana veicina struktūras stabilitātes saglabāšanu. Zemas masas frakcijas sistēmā KGM satura palielināšana ir labvēlīga termotropu želeju veidošanai; savukārt augstas masas frakcijas sistēmā HPMC satura palielināšana veicina termotropu gēlu veidošanos.

Atslēgas vārdi:konjac glikomannāns; hidroksipropilmetilceluloze; savienojums; reoloģiskā uzvedība

Dabiskie polisaharīdi tiek plaši izmantoti pārtikas rūpniecībā, pateicoties to biezinošajām, emulģētajām un želējošām īpašībām. Konjac glikomannāns (KGM) ir dabisks augu polisaharīds, kas sastāv noβ-D-glikoze unβ-D-mannoze attiecībā 1,6:1, abus savienoβ-1,4 glikozīdiskās saites, C- 6. pozīcijā ir neliels acetilgrupas daudzums (apmēram 1 acetils uz katriem 17 atlikumiem). Tomēr KGM ūdens šķīduma augstā viskozitāte un slikta plūstamība ierobežo tā izmantošanu ražošanā. Hidroksipropilmetilceluloze (HPMC) ir metilcelulozes propilēnglikola ēteris, kas pieder pie nejonu celulozes ētera. HPMC ir plēvi veidojošs, ūdenī šķīstošs un atjaunojams. HPMC ir zema viskozitāte un gēla stiprība zemās temperatūrās, kā arī salīdzinoši slikta apstrādes veiktspēja, taču augstās temperatūrās var izveidoties salīdzinoši viskozs cietai līdzīgai želejai, tāpēc daudzi ražošanas procesi jāveic augstā temperatūrā, kā rezultātā ražošanas enerģijas patēriņš ir augsts. Ražošanas izmaksas ir augstas. Literatūra liecina, ka neaizvietotā mannozes vienība KGM molekulārajā ķēdē var veidot vāji šķērssaistītu hidrofobu asociācijas reģionu ar hidrofobo grupu HPMC molekulārajā ķēdē, izmantojot hidrofobu mijiedarbību. Šī struktūra var aizkavēt un daļēji novērst HPMC termisko želeju un pazemināt HPMC gēla temperatūru. Turklāt, ņemot vērā HPMC zemās viskozitātes īpašības salīdzinoši zemās temperatūrās, tiek prognozēts, ka tā savienošana ar KGM var uzlabot KGM augstas viskozitātes īpašības un uzlabot tā apstrādes veiktspēju. Tāpēc šajā rakstā tiks izveidota KGM/HPMC savienojumu sistēma, lai izpētītu šķīduma masas daļas un savienojumu attiecības ietekmi uz KGM/HPMC sistēmas reoloģiskajām īpašībām un sniegtu teorētisku atsauci KGM/HPMC savienojumu sistēmas pielietošanai. pārtikas rūpniecība.

1. Materiāli un metodes

1.1 Materiāli un reaģenti

Hidroksipropilmetilceluloze, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, masas daļa 2%, viskozitāte 6 mPa·s; metoksi masas daļa 28% ~ 30%; hidroksipropil masas daļa 7,0% ~ 12% .

Konjac glikomannāns, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 masas % ūdens šķīduma viskozitāte≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumenti un aprīkojums

MCR92 rotācijas reometrs, Anton Paar Co., Ltd., Austrija; UPT-II-10T īpaši tīra ūdens iekārta, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektroniskie analītiskie svari, Šveices uzņēmums Mette; LHS-150HC nemainīgas temperatūras ūdens vanna, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Elektriskais maisītājs JJ-1, Jintanas medicīnas instrumentu rūpnīca, Dzjansu province.

1.3. Savienojuma šķīduma pagatavošana

Nosver HPMC un KGM pulverus ar noteiktu maisījuma attiecību (masas attiecība: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), lēnām pievieno tos dejonizētā ūdenī 60 grādos.°C ūdens vannā un maisa 1,5–2 stundas, lai tas vienmērīgi izkliedētos, un sagatavo 5 veidu gradienta šķīdumus ar kopējo cietās masas daļu attiecīgi 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% un 1,50%.

1.4. Savienojuma šķīduma reoloģisko īpašību pārbaude

Līdzsvara stāvokļa bīdes tests: KGM/HPMC savienojuma šķīduma reoloģiskā līkne tika mērīta, izmantojot CP50 konusu un plāksni, atstarpe starp augšējo un apakšējo plāksni tika fiksēta 0,1 mm, mērīšanas temperatūra bija 25°C, un bīdes ātruma diapazons bija no 0,1 līdz 100 s-1.

Deformācijas skenēšana (lineārā viskoelastīgā apgabala noteikšana): izmantojiet PP50 plāksni, lai izmērītu KGM/HPMC savienojuma šķīduma lineāro viskoelastīgo apgabalu un moduļa maiņas likumu, iestatiet atstarpi uz 1000 mm, fiksētu frekvenci uz 1 Hz un mērīšanas temperatūru uz 25°C. deformācijas diapazons ir 0,1% ~ 100%.

Frekvences slaucīšana: izmantojiet PP50 plāksni, lai izmērītu KGM/HPMC savienojuma šķīduma moduļa izmaiņas un frekvences atkarību. Atstatums ir iestatīts uz 1000 mm, deformācija ir 1%, mērīšanas temperatūra ir 25°C, un frekvenču diapazons ir 0,1-100 Hz.

Temperatūras skenēšana: KGM/HPMC savienojuma šķīduma modulis un tā atkarība no temperatūras tika mērīts, izmantojot PP50 plāksni, atstatums tika iestatīts uz 1000 mm, fiksētā frekvence bija 1 Hz, deformācija bija 1%, un temperatūra bija no 25 līdz 90°C.

2. Rezultāti un analīze

2.1. KGM/HPMC savienojumu sistēmas plūsmas līknes analīze

KGM/HPMC šķīdumu viskozitātes un bīdes ātruma līknes ar dažādām maisījuma attiecībām dažādās masas daļās. Šķidrumus, kuru viskozitāte ir lineāra bīdes ātruma funkcija, sauc par Ņūtona šķidrumiem, pretējā gadījumā tos sauc par neņūtona šķidrumiem. No līknes var redzēt, ka KGM šķīduma un KGM/HPMC savienojuma šķīduma viskozitāte samazinās, palielinoties bīdes ātrumam; jo lielāks ir KGM saturs, jo lielāka ir sistēmas masas daļa un jo acīmredzamāka ir šķīduma bīdes retināšanas parādība. Tas parāda, ka KGM un KGM/HPMC savienojumu sistēma nav Ņūtona šķidrumi, un KGM/HPMC savienojumu sistēmas šķidruma veidu galvenokārt nosaka KGM.

No plūsmas indeksa un viskozitātes koeficienta KGM/HPMC šķīdumiem ar dažādām masas daļām un dažādām savienojumu attiecībām var redzēt, ka KGM, HPMC un KGM/HPMC savienojumu sistēmu n vērtības visas ir mazākas par 1, kas norāda, ka šķīdumi ir visi pseidoplastiskie šķidrumi. KGM/HPMC savienojumu sistēmai sistēmas masas daļas palielināšanās izraisīs sapīšanos un citas mijiedarbības starp HPMC un KGM molekulārajām ķēdēm šķīdumā, kas samazinās molekulāro ķēžu mobilitāti, tādējādi samazinot n vērtību. sistēma. Tajā pašā laikā, palielinoties KGM saturam, tiek pastiprināta mijiedarbība starp KGM molekulārajām ķēdēm KGM/HPMC sistēmā, tādējādi samazinot tā mobilitāti un kā rezultātā samazinās n vērtība. Gluži pretēji, KGM/HPMC savienojuma šķīduma K vērtība nepārtraukti palielinās, palielinoties šķīduma masas daļai un KGM saturam, kas galvenokārt ir saistīts ar sistēmas masas daļas un KGM satura pieaugumu, kas abi palielina šķīduma masas daļu un KGM saturu. hidrofilās grupas sistēmā. , palielinot molekulāro mijiedarbību molekulārajā ķēdē un starp ķēdēm, tādējādi palielinot molekulas hidrodinamisko rādiusu, padarot to mazāk orientētu ārējā bīdes spēka iedarbībā un palielinot viskozitāti.

KGM/HPMC savienojumu sistēmas nulles bīdes viskozitātes teorētisko vērtību var aprēķināt saskaņā ar iepriekš minēto logaritmiskās summēšanas principu, un tās eksperimentālo vērtību var iegūt, ekstrapolējot viskozitātes-bīdes ātruma līkni, izmantojot Kerena montāžas metodi. Salīdzinot KGM/HPMC savienojumu sistēmas nulles bīdes viskozitātes prognozēto vērtību ar dažādām masas daļām un dažādām sajaukšanas attiecībām ar eksperimentālo vērtību, redzams, ka KGM/HPMC savienojuma nulles bīdes viskozitātes faktiskā vērtība. risinājums ir mazāks par teorētisko vērtību. Tas norādīja, ka sarežģītajā KGM un HPMC sistēmā izveidojās jauns mezgls ar blīvu struktūru. Esošie pētījumi ir parādījuši, ka neaizvietotās mannozes vienības KGM molekulārajā ķēdē var mijiedarboties ar HPMC molekulārās ķēdes hidrofobām grupām, veidojot vāji šķērssaistītu hidrofobu asociācijas reģionu. Tiek spekulēts, ka jaunā montāžas struktūra ar salīdzinoši blīvu struktūru galvenokārt veidojas hidrofobās mijiedarbības rezultātā. Kad KGM koeficients ir zems (HPMC > 50%), KGM/HPMC sistēmas nulles bīdes viskozitātes faktiskā vērtība ir zemāka par teorētisko vērtību, kas norāda, ka pie zema KGM satura blīvākā jaunā veidošanā piedalās vairāk molekulu. struktūra. Veidojot , sistēmas nulles bīdes viskozitāte tiek vēl vairāk samazināta.

2.2. KGM/HPMC savienojumu sistēmas deformācijas līkņu analīze

No moduļa un bīdes deformācijas attiecību līknēm KGM/HPMC šķīdumiem ar dažādām masas daļām un dažādām savienojuma attiecībām var redzēt, ka, ja bīdes deformācija ir mazāka par 10%, G′un G″saliktās sistēmas daļa būtībā nepalielinās līdz ar bīdes deformāciju. Tomēr tas parāda, ka šajā bīdes deformācijas diapazonā savienojumu sistēma var reaģēt uz ārējiem stimuliem, mainot molekulārās ķēdes konformāciju, un savienojuma sistēmas struktūra netiek bojāta. Ja bīdes deformācija ir >10%, ārējais Bīdes spēka iedarbībā molekulāro ķēžu atdalīšanas ātrums kompleksajā sistēmā ir lielāks par sapīšanās ātrumu, G′un G″sāk samazināties, un sistēma nonāk nelineārajā viskoelastīgajā reģionā. Tāpēc turpmākajā dinamiskās frekvences testā bīdes deformācijas parametrs testēšanai tika izvēlēts kā 1%.

2.3. KGM/HPMC savienojumu sistēmas frekvences slaucīšanas līknes analīze

Uzglabāšanas moduļa un zudumu moduļa ar frekvenci variācijas līknes KGM/HPMC šķīdumiem ar dažādām maisījuma attiecībām dažādās masas daļās. Uzglabāšanas modulis G' ir enerģija, ko var atgūt pēc pagaidu uzglabāšanas testā, un zudumu modulis G” ir enerģija, kas nepieciešama sākotnējai plūsmai, kas ir neatgriezenisks zudums un beidzot tiek pārveidots bīdes siltumā. Var redzēt, ka, palielinoties svārstību frekvencei, zudumu modulis G″vienmēr ir lielāks par uzglabāšanas moduli G′, parāda šķidruma uzvedību. Pārbaudes frekvenču diapazonā uzglabāšanas modulis G' un zuduma modulis G” palielinās, palielinoties svārstību frekvencei. Tas galvenokārt ir saistīts ar faktu, ka, palielinoties svārstību frekvencei, molekulārās ķēdes segmentiem sistēmā nav laika īsā laikā atgūties līdz deformācijai, kas bija iepriekšējais stāvoklis, tādējādi parādot parādību, ka var uzglabāt vairāk enerģijas ( lielāks G′) vai ir jāpazaudē (G″).

Palielinoties svārstību frekvencei, sistēmas uzglabāšanas modulis pēkšņi samazinās, un, palielinoties sistēmas masas daļai un KGM saturam, pēkšņa krituma frekvences punkts pakāpeniski palielinās. Pēkšņs kritums var būt saistīts ar kompaktās struktūras iznīcināšanu, ko veido hidrofobā saistība starp KGM un HPMC sistēmā ar ārēju bīdi. Turklāt sistēmas masas daļas un KGM satura palielināšana ir izdevīga, lai saglabātu blīvās struktūras stabilitāti, un palielinās ārējās frekvences vērtība, kas iznīcina struktūru.

2.4. KGM/HPMC saliktās sistēmas temperatūras skenēšanas līknes analīze

No uzglabāšanas moduļa un zudumu moduļa līknēm KGM/HPMC šķīdumiem ar dažādām masas daļām un dažādām maisījuma attiecībām var redzēt, ka, ja sistēmas masas daļa ir 0,50%, G′un G″HPMC šķīduma daudzums gandrīz nemainās līdz ar temperatūru. , un G″> G′, dominē sistēmas viskozitāte; kad masas daļa palielinās, G′HPMC šķīduma daļa vispirms paliek nemainīga un pēc tam strauji palielinās, un G′un G″krustojas ap 70°C (krustpunkta temperatūra ir želejas punkts), un sistēma šajā laikā veido želeju, tādējādi norādot, ka HPMC ir termiski inducēts gēls. KGM šķīdumam, kad sistēmas masas daļa ir 0,50% un 0,75%, G′un sistēmas G “uzrāda samazināšanās tendenci; kad masas daļa palielinās, KGM šķīduma G' un G” vispirms samazinās un pēc tam ievērojami palielinās, kas norāda, ka KGM šķīdumam piemīt želejveida īpašības pie lielām masas daļām un augstām temperatūrām.

Paaugstinoties temperatūrai, G′un G″KGM/HPMC kompleksās sistēmas daļa vispirms samazinājās un pēc tam ievērojami palielinājās, un G′un G″parādījās krustošanās punkti, un sistēma veidoja želeju. Kad HPMC molekulas ir zemā temperatūrā, starp molekulārās ķēdes hidrofilajām grupām un ūdens molekulām notiek ūdeņraža saite, un, temperatūrai paaugstinoties, pielietotais siltums iznīcina ūdeņraža saites, kas veidojas starp HPMC un ūdens molekulām, kā rezultātā veidojas HPMC makromolekulāra. ķēdes. Hidrofobās grupas uz virsmas tiek pakļautas, notiek hidrofobā asociācija un veidojas termotrops gēls. Zemas masas frakcijas sistēmai lielāks KGM saturs var veidot želeju; lielas masas frakcijas sistēmām lielāks HPMC saturs var veidot želeju. Zemas masas frakcijas sistēmā (0,50%) KGM molekulu klātbūtne samazina ūdeņraža saišu veidošanās iespējamību starp HPMC molekulām, tādējādi palielinot HPMC molekulu hidrofobo grupu iedarbības iespējamību, kas veicina termotropo gēlu veidošanos. Augstas masas frakcijas sistēmā, ja KGM saturs ir pārāk augsts, sistēmas viskozitāte ir augsta, kas neveicina hidrofobu saistību starp HPMC un KGM molekulām, kas neveicina termogēna gēla veidošanos.

3. Secinājums

Šajā rakstā ir pētīta KGM un HPMC savienojumu sistēmas reoloģiskā uzvedība. Rezultāti liecina, ka KGM/HPMC saliktā sistēma ir neņūtona šķidrums, un KGM/HPMC saliktās sistēmas šķidruma tipu galvenokārt nosaka KGM. Sistēmas masas daļas un KGM satura palielināšana samazināja savienojuma šķīduma plūstamību un palielināja tā viskozitāti. Sola stāvoklī KGM un HPMC molekulārās ķēdes veido blīvāku struktūru, izmantojot hidrofobisku mijiedarbību. Sistēmas struktūra tiek iznīcināta ārējās bīdes rezultātā, kā rezultātā pēkšņi samazinās sistēmas uzglabāšanas modulis. Sistēmas masas daļas un KGM satura palielināšana ir izdevīga, lai saglabātu blīvās struktūras stabilitāti un palielinātu ārējās frekvences vērtību, kas iznīcina struktūru. Zemas masas frakcijas sistēmai lielāks KGM saturs veicina želejas veidošanos; lielas masas frakcijas sistēmai lielāks HPMC saturs veicina želejas veidošanos.