Studie på reologisk oppførsel av konjac glucomannan og hydroksypropylmetylcelluloseforbindelsessystem

Det sammensatte systemet av konjac glucomannan (KGM) og hydroksypropylmetylcellulose (HPMC) ble tatt som forskningsobjekt, og steady-state skjær-, frekvens- og temperatursveiptestene ble utført på det sammensatte systemet ved hjelp av rotasjonsreometer. Påvirkningen av løsningens massefraksjon og forbindelsesforhold på viskositet og reologiske egenskaper til KGM/HPMC-forbindelsessystem ble analysert. Resultatene viser at KGM/HPMC-forbindelsessystemet er en ikke-newtonsk væske, og økningen i massefraksjonen og KGM-innholdet i systemet reduserer fluiditeten til forbindelsesløsningen og øker viskositeten. I soltilstanden danner KGM- og HPMC-molekylkjeder en mer kompakt struktur gjennom hydrofobe interaksjoner. Økning av systemets massefraksjon og KGM-innhold bidrar til å opprettholde stabiliteten til strukturen. I lavmassefraksjonssystemet er økning av innholdet av KGM gunstig for dannelsen av termotropiske geler; mens i høymassefraksjonssystemet bidrar økning av innholdet av HPMC til dannelsen av termotropiske geler.

Stikkord:konjak glukomannan; hydroksypropylmetylcellulose; sammensatt; reologisk oppførsel

Naturlige polysakkarider er mye brukt i næringsmiddelindustrien på grunn av deres fortykkende, emulgerende og gelerende egenskaper. Konjac glucomannan (KGM) er et naturlig plantepolysakkarid, sammensatt avβ-D-glukose ogβ-D-mannose i forholdet 1,6:1, er de to knyttet sammen medβ-1,4 glykosidbindinger, i C- Det er en liten mengde acetyl i posisjon 6 (ca. 1 acetyl for hver 17. rest). Imidlertid begrenser den høye viskositeten og den dårlige fluiditeten til KGM vandig løsning dens anvendelse i produksjonen. Hydroksypropylmetylcellulose (HPMC) er en propylenglykoleter av metylcellulose, som tilhører ikke-ionisk celluloseeter. HPMC er filmdannende, vannløselig og fornybar. HPMC har lav viskositet og gelstyrke ved lave temperaturer, og relativt dårlig prosessytelse, men kan danne en relativt tyktflytende faststofflignende gel ved høye temperaturer, så mange produksjonsprosesser må utføres ved høye temperaturer, noe som resulterer i høyt produksjonsenergiforbruk. Produksjonskostnadene er høye. Litteraturen viser at den usubstituerte mannoseenheten på KGM-molekylkjeden kan danne en svakt tverrbundet hydrofob assosiasjonsregion med den hydrofobe gruppen på HPMC-molekylkjeden gjennom hydrofob interaksjon. Denne strukturen kan forsinke og delvis forhindre den termiske geldannelsen av HPMC og senke geltemperaturen til HPMC. I tillegg, i lys av lavviskositetsegenskapene til HPMC ved relativt lave temperaturer, er det spådd at sammensetningen med KGM kan forbedre høyviskositetsegenskapene til KGM og forbedre prosessytelsen. Derfor vil denne artikkelen konstruere et KGM/HPMC-forbindelsessystem for å utforske innflytelsen av løsningsmassefraksjon og forbindelsesforhold på de reologiske egenskapene til KGM/HPMC-systemet, og gi en teoretisk referanse for anvendelsen av KGM/HPMC-forbindelsessystemet i næringsmiddelindustrien.

1. Materialer og metoder

1.1 Materialer og reagenser

Hydroksypropylmetylcellulose, KIMA CHEMICAL CO., LTD, massefraksjon 2 %, viskositet 6 mPa·s; metoksymassefraksjon 28%~30%; hydroksypropylmassefraksjon 7,0%~12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 vekt% vandig løsningsviskositet≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumenter og utstyr

MCR92 rotasjonsreometer, Anton Paar Co., Ltd., Østerrike; UPT-II-10T ultrarent vann maskin, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co, Ltd; AB-50 elektronisk analytisk balanse, sveitsiske Mette-selskap; LHS-150HC vannbad med konstant temperatur, Wuxi Huaze Technology Co, Ltd; JJ-1 elektrisk røreverk, Jintan Medical Instrument Factory, Jiangsu-provinsen.

1.3 Fremstilling av sammensatt løsning

Vei HPMC- og KGM-pulver med et visst blandingsforhold (masseforhold: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), tilsett dem sakte i avionisert vann i en 60°C vannbad, og rør i 1,5 ~ 2 timer for å gjøre det jevnt fordelt, og lag 5 typer gradientløsninger med totale faste massefraksjoner på henholdsvis 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% og 1,50%.

1.4 Test av reologiske egenskaper til forbindelsesløsning

Steady-state skjærtest: Den reologiske kurven til KGM/HPMC-forbindelsesløsningen ble målt ved bruk av en CP50-kjegle og plate, gapet mellom øvre og nedre plate ble fastsatt til 0,1 mm, måletemperaturen var 25°C, og skjærhastighetsområdet var 0,1 til 100 s-1.

Tøyningsskanning (bestemmelse av lineært viskoelastisk område): Bruk PP50-plate for å måle det lineære viskoelastiske området og modulforandringsloven til KGM/HPMC-blandingsløsning, sett avstanden til 1 000 mm, fast frekvens til 1Hz, og måletemperaturen til 25°C. Tøyningsområdet er 0,1%~100%.

Frekvenssveip: Bruk en PP50-plate for å måle modulusendringen og frekvensavhengigheten til KGM/HPMC-forbindelsesløsningen. Avstanden er satt til 1.000 mm, tøyningen er 1 %, måletemperaturen er 25°C, og frekvensområdet er 0,1-100 Hz.

Temperaturskanning: Modulen og dens temperaturavhengighet til KGM/HPMC-forbindelsesløsningen ble målt ved bruk av en PP50-plate, avstanden ble satt til 1.000 mm, den faste frekvensen var 1 Hz, deformasjonen var 1 %, og temperaturen var fra 25 til 90°C.

2. Resultater og analyse

2.1 Strømningskurveanalyse av KGM/HPMC-forbindelsessystem

Viskositet versus skjærhastighetskurver for KGM/HPMC-løsninger med forskjellige blandingsforhold ved forskjellige massefraksjoner. Væsker hvis viskositet er en lineær funksjon av skjærhastighet kalles newtonske væsker, ellers kalles de ikke-newtonske væsker. Det kan sees fra kurven at viskositeten til KGM-løsning og KGM/HPMC-forbindelsesløsning avtar med økningen i skjærhastigheten; jo høyere KGM-innhold, jo høyere er systemmassefraksjonen, og jo mer åpenbart er skjærfortynningsfenomenet i løsningen. Dette viser at KGM og KGM/HPMC-sammensatte system er ikke-newtonske væsker, og væsketypen til KGM/HPMC-sammensatte system bestemmes hovedsakelig av KGM.

Fra strømningsindeksen og viskositetskoeffisienten til KGM/HPMC-løsninger med forskjellige massefraksjoner og forskjellige forbindelsesforhold, kan det sees at n-verdiene til KGM-, HPMC- og KGM/HPMC-forbindelsessystemer alle er mindre enn 1, noe som indikerer at løsningene er alle pseudoplastiske væsker. For KGM/HPMC-forbindelsessystemet vil økningen av massefraksjonen til systemet forårsake sammenfiltring og andre interaksjoner mellom HPMC- og KGM-molekylkjedene i løsningen, noe som vil redusere mobiliteten til molekylkjedene, og dermed redusere n-verdien til systemet. Samtidig, med økningen av KGM-innhold, forbedres interaksjonen mellom KGM-molekylkjeder i KGM/HPMC-systemet, og reduserer dermed mobiliteten og resulterer i en reduksjon i n-verdi. Tvert imot øker K-verdien til KGM/HPMC-forbindelsesløsningen kontinuerlig med økningen av løsningens massefraksjon og KGM-innhold, noe som hovedsakelig skyldes økningen av systemmassefraksjonen og KGM-innholdet, som begge øker innholdet av hydrofile grupper i systemet. , øker den molekylære interaksjonen i molekylkjeden og mellom kjedene, og øker derved den hydrodynamiske radiusen til molekylet, noe som gjør det mindre sannsynlig at det blir orientert under påvirkning av ytre skjærkraft og øker viskositeten.

Den teoretiske verdien av null-skjær-viskositeten til KGM/HPMC-forbindelsessystemet kan beregnes i henhold til ovennevnte logaritmiske summeringsprinsipp, og dens eksperimentelle verdi kan oppnås ved Carren-tilpasningsekstrapolering av viskositet-skjærhastighetskurven. Ved å sammenligne den forutsagte verdien av null-skjær-viskositeten til KGM/HPMC-forbindelsessystemet med forskjellige massefraksjoner og forskjellige blandingsforhold med den eksperimentelle verdien, kan det sees at den faktiske verdien av null-skjær-viskositeten til KGM/HPMC-forbindelsen løsningen er mindre enn den teoretiske verdien. Dette indikerte at en ny sammenstilling med en tett struktur ble dannet i det komplekse systemet til KGM og HPMC. Eksisterende studier har vist at de usubstituerte mannoseenhetene på KGM-molekylkjeden kan samhandle med de hydrofobe gruppene på HPMC-molekylkjeden for å danne en svakt tverrbundet hydrofob assosiasjonsregion. Det spekuleres i at den nye monteringsstrukturen med en relativt tett struktur hovedsakelig er dannet gjennom hydrofobe interaksjoner. Når KGM-forholdet er lavt (HPMC > 50%), er den faktiske verdien av null-skjær-viskositeten til KGM/HPMC-systemet lavere enn den teoretiske verdien, noe som indikerer at ved lavt KGM-innhold deltar flere molekyler i den tettere nye struktur. Ved dannelsen av , reduseres null-skjærviskositeten til systemet ytterligere.

2.2 Analyse av strain sweep-kurver for KGM/HPMC-forbindelsessystem

Fra forholdskurvene for modul og skjærtøyning for KGM/HPMC-løsninger med forskjellige massefraksjoner og forskjellige blandingsforhold, kan det sees at når skjærtøyningen er mindre enn 10 %, vil G"og G″av det sammensatte systemet øker i utgangspunktet ikke med skjærtøyningen. Det viser imidlertid at innenfor dette skjærtøyningsområdet kan det sammensatte systemet reagere på ytre stimuli gjennom endring av molekylkjedekonformasjonen, og strukturen til det sammensatte systemet er ikke skadet. Når skjærtøyningen er >10 %, er den ytre Under påvirkning av skjærkraft er løsrivningshastigheten til molekylkjeder i det komplekse systemet større enn sammenfiltringshastigheten, G"og G″begynner å avta, og systemet går inn i det ikke-lineære viskoelastiske området. Derfor, i den påfølgende dynamiske frekvenstesten, ble skjærtøyningsparameteren valgt som 1 % for testing.

2.3 Frekvenssveipkurveanalyse av KGM/HPMC-forbindelsessystem

Variasjonskurver for lagringsmodul og tapsmodul med frekvens for KGM/HPMC-løsninger med forskjellige blandingsforhold under forskjellige massefraksjoner. Lagringsmodulen G' representerer energien som kan gjenvinnes etter midlertidig lagring i testen, og tapsmodulen G" betyr energien som kreves for den innledende strømningen, som er et irreversibelt tap og til slutt omdannes til skjærvarme. Det kan sees at med Når oscillasjonsfrekvensen øker, tapsmodulen G″er alltid større enn lagringsmodulen G", som viser væskeadferd. I testfrekvensområdet øker lagringsmodulen G' og tapsmodulen G" med økningen av oscillasjonsfrekvensen. Dette skyldes hovedsakelig det faktum at med økningen av oscillasjonsfrekvensen, har ikke molekylkjedesegmentene i systemet tid til å gjenopprette deformasjonen på kort tid Den forrige tilstanden, og viser dermed fenomenet at mer energi kan lagres ( større G") eller må gå tapt (G″).

Med økningen av oscillasjonsfrekvensen synker lagringsmodulen til systemet plutselig, og med økningen av massefraksjonen og KGM-innholdet i systemet, øker frekvenspunktet til det plutselige fallet gradvis. Det plutselige fallet kan skyldes ødeleggelsen av den kompakte strukturen dannet av den hydrofobe assosiasjonen mellom KGM og HPMC i systemet ved ekstern skjæring. Dessuten er økningen av systemmassefraksjon og KGM-innhold fordelaktig for å opprettholde stabiliteten til den tette strukturen, og øker den eksterne frekvensverdien som ødelegger strukturen.

2.4 Temperaturskanningskurveanalyse av KGM/HPMC komposittsystem

Fra kurvene for lagringsmodul og tapsmodul for KGM/HPMC-løsninger med forskjellige massefraksjoner og forskjellige blandingsforhold, kan det sees at når massefraksjonen til systemet er 0,50 %, er G"og G″av HPMC-løsningen endres nesten ikke med temperaturen. , og G″>G", viskositeten til systemet dominerer; når massefraksjonen øker, vil G"av HPMC-løsningen forblir først uendret og øker deretter kraftig, og G"og G″krysser rundt 70°C (Skjæringspunkttemperaturen er gelpunktet), og systemet danner en gel på dette tidspunktet, og indikerer dermed at HPMC er en termisk indusert gel. For KGM-løsningen, når massefraksjonen av systemet er 0,50 % og 0,75 %, vil G"og G av systemet "viser en synkende trend; når massefraksjonen øker, reduseres først G' og G" til KGM-løsningen og øker deretter betydelig, noe som indikerer at KGM-løsningen viser gel-lignende egenskaper ved høye massefraksjoner og høye temperaturer.

Med økningen av temperaturen vil G"og G″av det komplekse KGM/HPMC-systemet ble først redusert og deretter økt betydelig, og G"og G″dukket opp skjæringspunkter, og systemet dannet en gel. Når HPMC-molekyler er ved lav temperatur, oppstår hydrogenbinding mellom de hydrofile gruppene på molekylkjeden og vannmolekyler, og når temperaturen stiger, ødelegger den påførte varmen hydrogenbindingene som dannes mellom HPMC og vannmolekyler, noe som resulterer i dannelsen av HPMC-makromolekyler. kjeder. De hydrofobe gruppene på overflaten er eksponert, hydrofob assosiasjon oppstår, og en termotrop gel dannes. For lavmassefraksjonssystemet kan mer KGM-innhold danne gel; for høymassefraksjonssystem kan mer HPMC-innhold danne gel. I lavmassefraksjonssystemet (0,50%) reduserer tilstedeværelsen av KGM-molekyler sannsynligheten for å danne hydrogenbindinger mellom HPMC-molekyler, og øker dermed muligheten for eksponering av hydrofobe grupper i HPMC-molekyler, noe som bidrar til dannelsen av termotropiske geler. I høymassefraksjonssystemet, hvis innholdet av KGM er for høyt, er viskositeten til systemet høy, noe som ikke bidrar til den hydrofobe assosiasjonen mellom HPMC og KGM-molekyler, som ikke bidrar til dannelsen av termogen gel.

3. Konklusjon

I denne artikkelen blir den reologiske oppførselen til det sammensatte systemet til KGM og HPMC studert. Resultatene viser at det sammensatte systemet til KGM/HPMC er en ikke-newtonsk væske, og væsketypen til det sammensatte systemet til KGM/HPMC bestemmes hovedsakelig av KGM. Økning av systemmassefraksjonen og KGM-innholdet reduserte både fluiditeten til den sammensatte løsningen og økte dens viskositet. I soltilstanden danner molekylkjedene til KGM og HPMC en tettere struktur gjennom hydrofobe interaksjoner. Strukturen i systemet blir ødelagt av ekstern skjæring, noe som resulterer i et plutselig fall i lagringsmodulen til systemet. Økningen av systemmassefraksjon og KGM-innhold er gunstig for å opprettholde stabiliteten til den tette strukturen og øke den eksterne frekvensverdien som ødelegger strukturen. For lavmassefraksjonssystemet bidrar mer KGM-innhold til dannelsen av gel; for høymassefraksjonssystemet bidrar mer HPMC-innhold til dannelsen av gel.