Kajian tentang kelakuan reologi sistem konjac glukomanan dan hidroksipropil metilselulosa

Sistem kompaun konjac glukomanan (KGM) dan hidroksipropil metilselulosa (HPMC) telah diambil sebagai objek kajian, dan ujian ricih keadaan mantap, kekerapan dan sapuan suhu telah dijalankan ke atas sistem kompaun dengan rheometer putaran. Pengaruh pecahan jisim larutan dan nisbah kompaun terhadap kelikatan dan sifat reologi sistem kompaun KGM/HPMC telah dianalisis. Keputusan menunjukkan bahawa sistem kompaun KGM/HPMC adalah cecair bukan Newtonian, dan peningkatan dalam pecahan jisim dan kandungan KGM sistem mengurangkan kecairan larutan kompaun dan meningkatkan kelikatan. Dalam keadaan sol, rantai molekul KGM dan HPMC membentuk struktur yang lebih padat melalui interaksi hidrofobik. Meningkatkan pecahan jisim sistem dan kandungan KGM adalah kondusif untuk mengekalkan kestabilan struktur. Dalam sistem pecahan jisim rendah, meningkatkan kandungan KGM bermanfaat kepada pembentukan gel termotropik; manakala dalam sistem pecahan jisim tinggi, peningkatan kandungan HPMC adalah kondusif untuk pembentukan gel termotropik.

Kata kunci:konjac glukomanan; hidroksipropil metilselulosa; kompaun; tingkah laku reologi

Polisakarida semulajadi digunakan secara meluas dalam industri makanan kerana sifat pemekat, pengemulsi dan pengegelannya. Konjac glucomannan (KGM) ialah polisakarida tumbuhan semulajadi, terdiri daripadaβ-D-glukosa danβ-D-mannose dalam nisbah 1.6:1, kedua-duanya dikaitkan denganβ-1,4 ikatan glikosidik, dalam C- Terdapat sejumlah kecil asetil pada kedudukan 6 (kira-kira 1 asetil untuk setiap 17 sisa). Walau bagaimanapun, kelikatan yang tinggi dan kecairan yang lemah bagi larutan akueus KGM mengehadkan penggunaannya dalam pengeluaran. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) ialah eter propilena glikol metilselulosa, yang tergolong dalam eter selulosa bukan ionik. HPMC adalah pembentuk filem, larut air dan boleh diperbaharui. HPMC mempunyai kelikatan dan kekuatan gel yang rendah pada suhu rendah, dan prestasi pemprosesan yang agak lemah, tetapi boleh membentuk gel seperti pepejal yang agak likat pada suhu tinggi, jadi banyak proses pengeluaran mesti dijalankan pada suhu tinggi, mengakibatkan penggunaan tenaga pengeluaran yang tinggi. Kos pengeluaran adalah tinggi. Kesusasteraan menunjukkan bahawa unit mannose yang tidak tersubstitusi pada rantai molekul KGM boleh membentuk kawasan persatuan hidrofobik silang yang lemah dengan kumpulan hidrofobik pada rantai molekul HPMC melalui interaksi hidrofobik. Struktur ini boleh melambatkan dan sebahagiannya menghalang penggelapan haba HPMC dan menurunkan suhu gel HPMC. Di samping itu, memandangkan sifat kelikatan rendah HPMC pada suhu yang agak rendah, adalah diramalkan bahawa pengkompaunannya dengan KGM boleh meningkatkan sifat kelikatan tinggi KGM dan meningkatkan prestasi pemprosesannya. Oleh itu, kertas kerja ini akan membina sistem kompaun KGM/HPMC untuk meneroka pengaruh pecahan jisim larutan dan nisbah kompaun ke atas sifat reologi sistem KGM/HPMC, dan menyediakan rujukan teori untuk aplikasi sistem kompaun KGM/HPMC dalam industri makanan.

1. Bahan dan kaedah

1.1 Bahan dan reagen

Hydroxypropyl methylcellulose, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, pecahan jisim 2%, kelikatan 6 mPa·s; pecahan jisim metoksi 28%~30%; pecahan jisim hidroksipropil 7.0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 wt% kelikatan larutan akueus≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumen dan peralatan

Rheometer putaran MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Mesin air ultratulen UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Baki analisis elektronik AB-50, syarikat Swiss Mette; mandian air suhu malar LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Pengacau Elektrik JJ-1, Kilang Alat Perubatan Jintan, Wilayah Jiangsu.

1.3 Penyediaan larutan sebatian

Timbang serbuk HPMC dan KGM dengan nisbah sebatian tertentu (nisbah jisim: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), masukkan perlahan-lahan ke dalam air ternyahion dalam 60°mandi air C, dan kacau selama 1.5~ 2 jam untuk menjadikannya tersebar secara sekata, dan sediakan 5 jenis larutan kecerunan dengan jumlah pecahan jisim pepejal masing-masing 0.50%, 0.75%, 1.00%, 1.25%, dan 1.50%.

1.4 Ujian sifat reologi larutan sebatian

Ujian ricih keadaan mantap: Lengkung reologi larutan kompaun KGM/HPMC diukur menggunakan kon dan plat CP50, jurang antara plat atas dan bawah ditetapkan pada 0.1 mm, suhu pengukuran ialah 25°C, dan julat kadar ricih ialah 0.1 hingga 100 s-1.

Pengimbasan terikan (penentuan kawasan viskoelastik linear): Gunakan plat PP50 untuk mengukur kawasan viskoelastik linear dan undang-undang perubahan modulus larutan kompaun KGM/HPMC, tetapkan jarak kepada 1.000 mm, frekuensi tetap kepada 1Hz, dan suhu pengukuran kepada 25°C. Julat terikan ialah 0.1%~100%.

Sapuan frekuensi: Gunakan plat PP50 untuk mengukur perubahan modulus dan pergantungan frekuensi larutan kompaun KGM/HPMC. Jarak ditetapkan kepada 1.000 mm, terikan ialah 1%, suhu pengukuran ialah 25°C, dan julat frekuensi ialah 0.1-100 Hz.

Pengimbasan suhu: Modulus dan pergantungan suhu larutan kompaun KGM/HPMC diukur menggunakan plat PP50, jarak ditetapkan kepada 1.000 mm, frekuensi tetap ialah 1 Hz, ubah bentuk ialah 1%, dan suhu adalah dari 25 kepada 90°C.

2. Keputusan dan Analisis

2.1 Analisis keluk aliran sistem kompaun KGM/HPMC

Kelikatan berbanding keluk kadar ricih penyelesaian KGM/HPMC dengan nisbah sebatian yang berbeza pada pecahan jisim yang berbeza. Bendalir yang kelikatannya adalah fungsi linear kadar ricih dipanggil cecair Newtonian, sebaliknya ia dipanggil cecair bukan Newtonian. Ia boleh dilihat dari lengkung bahawa kelikatan larutan KGM dan larutan kompaun KGM/HPMC berkurangan dengan peningkatan kadar ricih; semakin tinggi kandungan KGM, semakin tinggi pecahan jisim sistem, dan semakin jelas fenomena penipisan ricih penyelesaian. Ini menunjukkan bahawa sistem kompaun KGM dan KGM/HPMC adalah cecair bukan Newtonian, dan jenis bendalir sistem kompaun KGM/HPMC ditentukan terutamanya oleh KGM.

Daripada indeks aliran dan pekali kelikatan larutan KGM/HPMC dengan pecahan jisim yang berbeza dan nisbah sebatian yang berbeza, dapat dilihat bahawa nilai n bagi sistem kompaun KGM, HPMC dan KGM/HPMC semuanya kurang daripada 1, menunjukkan bahawa penyelesaian adalah semua cecair pseudoplastik. Bagi sistem kompaun KGM/HPMC, peningkatan pecahan jisim sistem akan menyebabkan keterjeratan dan interaksi lain antara rantai molekul HPMC dan KGM dalam larutan, yang akan mengurangkan mobiliti rantai molekul, dengan itu mengurangkan nilai n bagi sistem tersebut. Pada masa yang sama, dengan peningkatan kandungan KGM, interaksi antara rantai molekul KGM dalam sistem KGM/HPMC dipertingkatkan, dengan itu mengurangkan mobilitinya dan mengakibatkan penurunan nilai n. Sebaliknya, nilai K larutan kompaun KGM/HPMC meningkat secara berterusan dengan peningkatan pecahan jisim larutan dan kandungan KGM, yang terutamanya disebabkan oleh peningkatan pecahan jisim sistem dan kandungan KGM, yang kedua-duanya meningkatkan kandungan kumpulan hidrofilik dalam sistem. , meningkatkan interaksi molekul dalam rantai molekul dan antara rantai, dengan itu meningkatkan jejari hidrodinamik molekul, menjadikannya kurang cenderung untuk berorientasikan di bawah tindakan daya ricih luaran dan meningkatkan kelikatan.

Nilai teori bagi kelikatan ricih sifar sistem kompaun KGM/HPMC boleh dikira mengikut prinsip penjumlahan logaritma di atas, dan nilai eksperimennya boleh diperolehi dengan ekstrapolasi pemasangan Carren bagi keluk kadar ricih kelikatan. Membandingkan nilai ramalan kelikatan ricih sifar sistem sebatian KGM/HPMC dengan pecahan jisim yang berbeza dan nisbah sebatian yang berbeza dengan nilai eksperimen, dapat dilihat bahawa nilai sebenar kelikatan sifar ricih sebatian KGM/HPMC penyelesaian adalah lebih kecil daripada nilai teori. Ini menunjukkan bahawa pemasangan baru dengan struktur padat telah dibentuk dalam sistem kompleks KGM dan HPMC. Kajian sedia ada telah menunjukkan bahawa unit mannose yang tidak diganti pada rantai molekul KGM boleh berinteraksi dengan kumpulan hidrofobik pada rantai molekul HPMC untuk membentuk rantau persatuan hidrofobik silang yang lemah. Adalah berspekulasi bahawa struktur pemasangan baru dengan struktur yang agak padat terutamanya terbentuk melalui interaksi hidrofobik. Apabila nisbah KGM rendah (HPMC > 50%), nilai sebenar kelikatan sifar ricih sistem KGM/HPMC adalah lebih rendah daripada nilai teori, yang menunjukkan bahawa pada kandungan KGM rendah, lebih banyak molekul mengambil bahagian dalam baru yang lebih tumpat. struktur. Dalam pembentukan , kelikatan sifar ricih sistem dikurangkan lagi.

2.2 Analisis lengkung sapuan terikan sistem kompaun KGM/HPMC

Daripada lengkung hubungan modulus dan terikan ricih larutan KGM/HPMC dengan pecahan jisim yang berbeza dan nisbah sebatian yang berbeza, dapat dilihat bahawa apabila terikan ricih kurang daripada 10%, G'dan G″sistem kompaun pada asasnya tidak meningkat dengan terikan ricih. Walau bagaimanapun, ia menunjukkan bahawa dalam julat terikan ricih ini, sistem kompaun boleh bertindak balas terhadap rangsangan luar melalui perubahan konformasi rantai molekul, dan struktur sistem kompaun tidak rosak. Apabila terikan ricih adalah >10%, luaran Di bawah tindakan daya ricih, kelajuan penguraian rantai molekul dalam sistem kompleks adalah lebih besar daripada kelajuan belitan, G'dan G″mula berkurangan, dan sistem memasuki kawasan viskoelastik tak linear. Oleh itu, dalam ujian frekuensi dinamik seterusnya, parameter terikan ricih dipilih sebagai 1% untuk ujian.

2.3 Analisis keluk sapuan frekuensi sistem kompaun KGM/HPMC

Keluk variasi modulus storan dan modulus kehilangan dengan kekerapan untuk penyelesaian KGM/HPMC dengan nisbah pengkompaunan berbeza di bawah pecahan jisim yang berbeza. Modulus storan G' mewakili tenaga yang boleh dipulihkan selepas penyimpanan sementara dalam ujian, dan modulus kehilangan G” bermaksud tenaga yang diperlukan untuk aliran awal, yang merupakan kehilangan tak boleh balik dan akhirnya diubah menjadi haba ricih. Ia boleh dilihat bahawa, dengan Apabila kekerapan ayunan meningkat, modulus kehilangan G″sentiasa lebih besar daripada modulus storan G', menunjukkan tingkah laku cair. Dalam julat kekerapan ujian, modulus storan G' dan modulus kehilangan G” meningkat dengan peningkatan frekuensi ayunan. Ini disebabkan terutamanya oleh fakta bahawa dengan peningkatan frekuensi ayunan, segmen rantai molekul dalam sistem tidak mempunyai masa untuk pulih kepada ubah bentuk dalam masa yang singkat Keadaan sebelumnya, dengan itu menunjukkan fenomena bahawa lebih banyak tenaga boleh disimpan ( lebih besar G') atau perlu hilang (G″).

Dengan peningkatan kekerapan ayunan, modulus storan sistem jatuh secara tiba-tiba, dan dengan peningkatan pecahan jisim dan kandungan KGM sistem, titik kekerapan penurunan mendadak secara beransur-ansur meningkat. Penurunan secara tiba-tiba mungkin disebabkan oleh kemusnahan struktur padat yang dibentuk oleh persatuan hidrofobik antara KGM dan HPMC dalam sistem oleh ricih luaran. Selain itu, peningkatan pecahan jisim sistem dan kandungan KGM adalah bermanfaat untuk mengekalkan kestabilan struktur padat, dan meningkatkan nilai frekuensi luaran yang memusnahkan struktur.

2.4 Analisis lengkung pengimbasan suhu sistem komposit KGM/HPMC

Daripada lengkung modulus penyimpanan dan modulus kehilangan penyelesaian KGM/HPMC dengan pecahan jisim yang berbeza dan nisbah pengkompaunan yang berbeza, dapat dilihat bahawa apabila pecahan jisim sistem ialah 0.50%, G'dan G″daripada larutan HPMC hampir tidak berubah dengan suhu. , dan G″>G', kelikatan sistem mendominasi; apabila pecahan jisim bertambah, G'daripada penyelesaian HPMC mula-mula kekal tidak berubah dan kemudian meningkat dengan mendadak, dan G'dan G″bersilang sekitar 70°C (Suhu titik persilangan ialah titik gel), dan sistem membentuk gel pada masa ini, dengan itu menunjukkan bahawa HPMC ialah gel teraruh haba. Untuk penyelesaian KGM, apabila pecahan jisim sistem ialah 0.50% dan 0.75%, G'dan G sistem “menunjukkan arah aliran menurun; apabila pecahan jisim bertambah, G' dan G” larutan KGM mula-mula berkurangan dan kemudian meningkat dengan ketara, yang menunjukkan bahawa larutan KGM mempamerkan sifat seperti gel pada pecahan jisim tinggi dan suhu tinggi .

Dengan peningkatan suhu, G'dan G″sistem kompleks KGM/HPMC mula-mula menurun dan kemudian meningkat dengan ketara, dan G'dan G″muncul titik persilangan, dan sistem membentuk gel. Apabila molekul HPMC berada pada suhu rendah, ikatan hidrogen berlaku antara kumpulan hidrofilik pada rantai molekul dan molekul air, dan apabila suhu meningkat, haba yang digunakan memusnahkan ikatan hidrogen yang terbentuk antara HPMC dan molekul air, mengakibatkan pembentukan makromolekul HPMC. rantai. Kumpulan hidrofobik di permukaan terdedah, persatuan hidrofobik berlaku, dan gel termotropik terbentuk. Untuk sistem pecahan jisim rendah, lebih banyak kandungan KGM boleh membentuk gel; untuk sistem pecahan jisim tinggi, lebih banyak kandungan HPMC boleh membentuk gel. Dalam sistem pecahan jisim rendah (0.50%), kehadiran molekul KGM mengurangkan kebarangkalian pembentukan ikatan hidrogen antara molekul HPMC, dengan itu meningkatkan kemungkinan pendedahan kumpulan hidrofobik dalam molekul HPMC, yang kondusif untuk pembentukan gel termotropik. Dalam sistem pecahan jisim tinggi, jika kandungan KGM terlalu tinggi, kelikatan sistem adalah tinggi, yang tidak kondusif kepada persatuan hidrofobik antara molekul HPMC dan KGM, yang tidak kondusif untuk pembentukan gel termogenik.

3. Kesimpulan

Dalam makalah ini, kelakuan reologi sistem kompaun KGM dan HPMC dikaji. Keputusan menunjukkan bahawa sistem kompaun KGM/HPMC adalah bendalir bukan Newtonian, dan jenis bendalir sistem kompaun KGM/HPMC ditentukan terutamanya oleh KGM. Meningkatkan pecahan jisim sistem dan kandungan KGM kedua-duanya mengurangkan kecairan larutan kompaun dan meningkatkan kelikatannya. Dalam keadaan sol, rantai molekul KGM dan HPMC membentuk struktur yang lebih padat melalui interaksi hidrofobik. Struktur dalam sistem dimusnahkan oleh ricih luaran, mengakibatkan penurunan mendadak dalam modulus storan sistem. Peningkatan pecahan jisim sistem dan kandungan KGM adalah berfaedah untuk mengekalkan kestabilan struktur tumpat dan meningkatkan nilai frekuensi luaran yang memusnahkan struktur. Untuk sistem pecahan jisim rendah, lebih banyak kandungan KGM kondusif untuk pembentukan gel; untuk sistem pecahan jisim tinggi, lebih banyak kandungan HPMC kondusif untuk pembentukan gel.