Badanie zachowania reologicznego układu związków glukomannanu konjac i hydroksypropylometylocelulozy

Za obiekt badań przyjęto złożony układ konjac glukomannanu (KGM) i hydroksypropylometylocelulozy (HPMC), a na tym złożonym układzie przeprowadzono badania ścinania w stanie ustalonym, częstotliwości i zmiany temperatury za pomocą reometru rotacyjnego. Przeanalizowano wpływ udziału masowego roztworu i proporcji związków na lepkość i właściwości reologiczne układu związków KGM/HPMC. Wyniki pokazują, że układ związków KGM/HPMC jest płynem nienewtonowskim, a wzrost udziału masowego i zawartości KGM w układzie zmniejsza płynność roztworu związku i zwiększa lepkość. W stanie zolowym łańcuchy molekularne KGM i HPMC tworzą bardziej zwartą strukturę poprzez oddziaływania hydrofobowe. Zwiększenie udziału masowego układu i zawartości KGM sprzyja zachowaniu stabilności konstrukcji. W układzie o niskim ułamku masowym zwiększenie zawartości KGM korzystnie wpływa na powstawanie żeli termotropowych; natomiast w układzie o dużej frakcji masowej zwiększenie zawartości HPMC sprzyja tworzeniu się żeli termotropowych.

Słowa kluczowe:konjac glukomannan; hydroksypropylometyloceluloza; mieszanina; zachowanie reologiczne

Naturalne polisacharydy znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym ze względu na swoje właściwości zagęszczające, emulgujące i żelujące. Konjac glukomannan (KGM) to naturalny polisacharyd roślinny, składający się zβ-D-glukoza iβ-D-mannoza w stosunku 1,6:1, oba są połączoneβ-1,4 wiązania glikozydowe w C- W pozycji 6 znajduje się niewielka ilość acetylu (około 1 acetylu na każde 17 reszt). Jednakże wysoka lepkość i słaba płynność wodnego roztworu KGM ograniczają jego zastosowanie w produkcji. Hydroksypropylometyloceluloza (HPMC) to eter glikolu propylenowego metylocelulozy, należący do niejonowego eteru celulozy. HPMC jest błonotwórczy, rozpuszczalny w wodzie i odnawialny. HPMC ma niską lepkość i wytrzymałość żelu w niskich temperaturach oraz stosunkowo słabą wydajność przetwarzania, ale może tworzyć stosunkowo lepki żel przypominający ciało stałe w wysokich temperaturach, dlatego wiele procesów produkcyjnych musi być przeprowadzanych w wysokich temperaturach, co powoduje wysokie zużycie energii w produkcji. Koszty produkcji są wysokie. Z literatury wynika, że ​​niepodstawiona jednostka mannozy w łańcuchu molekularnym KGM może tworzyć słabo usieciowany hydrofobowy region asocjacyjny z grupą hydrofobową w łańcuchu molekularnym HPMC poprzez oddziaływania hydrofobowe. Struktura ta może opóźniać i częściowo zapobiegać żelowaniu termicznemu HPMC oraz obniżać temperaturę żelu HPMC. Ponadto, biorąc pod uwagę właściwości HPMC o niskiej lepkości w stosunkowo niskich temperaturach, przewiduje się, że jego zmieszanie z KGM może poprawić właściwości KGM o wysokiej lepkości i poprawić jego wydajność przetwarzania. Dlatego w tym artykule skonstruowany zostanie układ związków KGM/HPMC w celu zbadania wpływu udziału masowego roztworu i proporcji związków na właściwości reologiczne układu KGM/HPMC oraz zapewni teoretyczne odniesienie do zastosowania układu związków KGM/HPMC w przemysł spożywczy.

1. Materiały i metody

1.1 Materiały i odczynniki

Hydroksypropylometyloceluloza, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, udział masowy 2%, lepkość 6 mPa·S; udział masowy metoksy 28% ~ 30%; frakcja masowa hydroksypropylu 7,0% ~ 12%.

Konjac glukomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1% wag., lepkość roztworu wodnego≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumenty i sprzęt

Reometr rotacyjny MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Maszyna do wody ultraczystej UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektroniczna waga analityczna AB-50, szwajcarskiej firmy Mette; Łaźnia wodna o stałej temperaturze LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Mieszadło elektryczne JJ-1, fabryka instrumentów medycznych Jintan, prowincja Jiangsu.

1.3 Przygotowanie roztworu związku

Odważyć proszki HPMC i KGM w określonym stosunku składników (stosunek masowy: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), powoli dodać je do wody dejonizowanej w temperaturze 60°C łaźnię wodną i mieszaj przez 1,5 ~ 2 godziny, aby równomiernie się rozproszyć, i przygotuj 5 rodzajów roztworów gradientowych o całkowitym udziale masowym substancji stałych odpowiednio 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% i 1,50%.

1.4 Badanie właściwości reologicznych roztworu związku

Test ścinania w stanie ustalonym: Krzywą reologiczną roztworu związku KGM/HPMC mierzono przy użyciu stożka i płytki CP50, szczelinę pomiędzy górną i dolną płytką ustalono na 0,1 mm, temperatura pomiaru wynosiła 25°C.°C, a zakres szybkości ścinania wynosił od 0,1 do 100 s-1.

Skanowanie odkształcenia (wyznaczanie liniowego obszaru lepkosprężystego): Użyj płytki PP50 do pomiaru liniowego obszaru lepkosprężystego i prawa zmiany modułu roztworu związku KGM/HPMC, ustaw odstęp na 1000 mm, stałą częstotliwość na 1 Hz i temperaturę pomiaru na 25°C. Zakres odkształcenia wynosi 0,1% ~ 100%.

Przemiatanie częstotliwości: Użyj płytki PP50 do pomiaru zmiany modułu i zależności częstotliwościowej roztworu związku KGM/HPMC. Rozstaw ustawiony na 1.000 mm, odkształcenie 1%, temperatura pomiaru 25°C, a zakres częstotliwości wynosi 0,1-100 Hz.

Skanowanie temperaturowe: Zmierzono moduł i jego zależność temperaturową roztworu związku KGM/HPMC przy użyciu płytki PP50, odstęp ustawiono na 1000 mm, stała częstotliwość wynosiła 1 Hz, odkształcenie wynosiło 1%, a temperatura wynosiła od 25°C. do 90°C.

2. Wyniki i analiza

2.1 Analiza krzywej płynięcia układu złożonego KGM/HPMC

Krzywe lepkości w funkcji szybkości ścinania roztworów KGM/HPMC o różnych proporcjach mieszania i różnych ułamkach masowych. Płyny, których lepkość jest liniową funkcją szybkości ścinania, nazywane są płynami newtonowskimi, w przeciwnym razie nazywane są płynami nienewtonowskimi. Z krzywej widać, że lepkość roztworu KGM i roztworu związku KGM/HPMC maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania; im wyższa zawartość KGM, tym wyższy udział masowy układu i tym bardziej oczywiste jest zjawisko rozrzedzania roztworu pod wpływem ścinania. Pokazuje to, że układy złożone KGM i KGM/HPMC są płynami nienewtonowskimi, a rodzaj płynu w układzie złożonym KGM/HPMC jest determinowany głównie przez KGM.

Ze wskaźnika płynięcia i współczynnika lepkości roztworów KGM/HPMC o różnych ułamkach masowych i różnych proporcjach związków można zauważyć, że wartości n układów złożonych KGM, HPMC i KGM/HPMC są mniejsze niż 1, co wskazuje, że roztwory są wszystkie płyny pseudoplastyczne. W przypadku układu złożonego KGM/HPMC wzrost udziału masowego układu spowoduje splątanie i inne interakcje pomiędzy łańcuchami molekularnymi HPMC i KGM w roztworze, co zmniejszy ruchliwość łańcuchów molekularnych, zmniejszając w ten sposób wartość n system. Jednocześnie wraz ze wzrostem zawartości KGM zwiększa się interakcja pomiędzy łańcuchami molekularnymi KGM w układzie KGM/HPMC, zmniejszając w ten sposób jego ruchliwość i skutkując spadkiem wartości n. Przeciwnie, wartość K roztworu związku KGM/HPMC wzrasta w sposób ciągły wraz ze wzrostem udziału masowego roztworu i zawartości KGM, co wynika głównie ze wzrostu udziału masowego układu i zawartości KGM, które zwiększają zawartość grupy hydrofilowe w układzie. , zwiększając interakcję molekularną w łańcuchu molekularnym i pomiędzy łańcuchami, zwiększając w ten sposób promień hydrodynamiczny cząsteczki, zmniejszając prawdopodobieństwo jej zorientowania pod działaniem zewnętrznej siły ścinającej i zwiększając lepkość.

Teoretyczną wartość lepkości przy zerowym ścinaniu układu złożonego KGM/HPMC można obliczyć zgodnie z powyższą zasadą sumowania logarytmicznego, a jej wartość eksperymentalną można otrzymać poprzez ekstrapolację Carrena krzywej lepkość-szybkość ścinania. Porównując przewidywaną wartość lepkości przy zerowym ścinaniu układu związku KGM/HPMC przy różnych ułamkach masowych i różnych proporcjach mieszania z wartością eksperymentalną, można zauważyć, że rzeczywista wartość lepkości przy zerowym ścinaniu związku KGM/HPMC rozwiązanie jest mniejsze niż wartość teoretyczna. Wskazywało to, że w złożonym układzie KGM i HPMC powstał nowy zespół o gęstej strukturze. Istniejące badania wykazały, że niepodstawione jednostki mannozy w łańcuchu molekularnym KGM mogą oddziaływać z grupami hydrofobowymi w łańcuchu molekularnym HPMC, tworząc słabo usieciowany region asocjacji hydrofobowej. Spekuluje się, że nowa struktura zespołu o stosunkowo gęstej strukturze powstaje głównie w wyniku oddziaływań hydrofobowych. Gdy stosunek KGM jest niski (HPMC > 50%), rzeczywista wartość lepkości przy zerowym ścinaniu układu KGM/HPMC jest niższa od wartości teoretycznej, co wskazuje, że przy niskiej zawartości KGM więcej cząsteczek uczestniczy w gęstszym nowym struktura. Podczas tworzenia lepkość układu przy zerowym ścinaniu ulega dalszemu zmniejszeniu.

2.2 Analiza krzywych odkształcenia układu złożonego KGM/HPMC

Z krzywych zależności modułu i odkształcenia przy ścinaniu roztworów KGM/HPMC o różnych ułamkach masowych i różnych stosunkach mieszania można zauważyć, że gdy odkształcenie przy ścinaniu jest mniejsze niż 10%, G′i G″układu złożonego zasadniczo nie zwiększają się wraz z odkształceniem ścinającym. Pokazuje jednak, że w tym zakresie odkształceń ścinających układ złożony może reagować na bodźce zewnętrzne poprzez zmianę konformacji łańcucha molekularnego, a struktura układu złożonego nie ulega uszkodzeniu. Gdy odkształcenie ścinające wynosi >10%, zewnętrzne Pod wpływem siły ścinającej prędkość rozplątywania łańcuchów molekularnych w układzie złożonym jest większa niż prędkość splątania G′i G″zaczynają się zmniejszać, a układ wchodzi w nieliniowy obszar lepkosprężysty. Dlatego też w kolejnym badaniu częstotliwości dynamicznej do badania wybrano parametr odkształcenia przy ścinaniu na poziomie 1%.

2.3 Analiza krzywej przemiatania częstotliwości układu złożonego KGM/HPMC

Krzywe zmienności modułu zachowawczego i modułu stratności z częstotliwością dla roztworów KGM/HPMC o różnych proporcjach mieszania przy różnych ułamkach masowych. Moduł zachowawczy G' reprezentuje energię, którą można odzyskać po czasowym przechowywaniu w badaniu, a moduł stratności G' oznacza energię wymaganą do początkowego przepływu, która jest stratą nieodwracalną i ostatecznie przekształca się w ciepło ścinania. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji moduł stratności G″jest zawsze większy niż moduł zachowawczy G′, pokazując zachowanie cieczy. W badanym zakresie częstotliwości moduł zachowawczy G' i moduł stratności G' rosną wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji. Dzieje się tak głównie dlatego, że wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji segmenty łańcucha molekularnego w układzie nie mają czasu na powrót do odkształcenia w krótkim czasie. Stan poprzedni, pokazując tym samym zjawisko, że można zmagazynować więcej energii ( większe G′) lub musi zostać utracony (G″).

Wraz ze wzrostem częstotliwości oscylacji moduł zachowawczy układu gwałtownie maleje, a wraz ze wzrostem udziału masowego i zawartości KGM w układzie punkt częstotliwości nagłego spadku stopniowo wzrasta. Nagły spadek może wynikać z zniszczenia zwartej struktury utworzonej przez hydrofobowe połączenie pomiędzy KGM i HPMC w układzie w wyniku zewnętrznego ścinania. Co więcej, zwiększenie udziału masowego układu i zawartości KGM jest korzystne dla utrzymania stabilności gęstej struktury i zwiększa wartość częstotliwości zewnętrznej, która niszczy strukturę.

2.4 Analiza krzywej skanowania temperatury układu kompozytowego KGM/HPMC

Z krzywych modułu zachowawczego i modułu stratności roztworów KGM/HPMC o różnych ułamkach masowych i różnych stosunkach mieszania można zauważyć, że gdy udział masowy układu wynosi 0,50%, G′i G″roztworu HPMC prawie nie zmienia się wraz z temperaturą. i G″>G′, dominuje lepkość układu; gdy udział masowy wzrasta, G′rozwiązania HPMC najpierw pozostaje niezmieniona, a następnie gwałtownie rośnie, a G′i G″przecinają się w okolicach 70°C (temperatura punktu przecięcia to punkt żelowania) i w tym czasie układ tworzy żel, co wskazuje, że HPMC jest żelem indukowanym termicznie. W przypadku rozwiązania KGM, gdy udział masowy układu wynosi 0,50% i 0,75%, G′i G systemu „wykazuje tendencję spadkową; gdy udział masowy wzrasta, G' i G' roztworu KGM najpierw zmniejszają się, a następnie znacznie zwiększają, co wskazuje, że roztwór KGM wykazuje właściwości żelopodobne przy dużych ułamkach masowych i wysokich temperaturach.

Wraz ze wzrostem temperatury G′i G″kompleksu KGM/HPMC najpierw spadła, a następnie znacznie wzrosła, a G′i G″pojawiły się punkty przecięcia, a układ utworzył żel. Kiedy cząsteczki HPMC mają niską temperaturę, wiązania wodorowe powstają pomiędzy grupami hydrofilowymi w łańcuchu molekularnym a cząsteczkami wody, a gdy temperatura wzrasta, zastosowane ciepło niszczy wiązania wodorowe utworzone pomiędzy HPMC i cząsteczkami wody, powodując utworzenie makrocząsteczek HPMC więzy. Grupy hydrofobowe na powierzchni zostają odsłonięte, następuje asocjacja hydrofobowa i powstaje termotropowy żel. W przypadku układu o niskim ułamku masowym większa zawartość KGM może tworzyć żel; w przypadku układu o dużej frakcji masowej większa zawartość HPMC może tworzyć żel. W układzie o niskim ułamku masowym (0,50%) obecność cząsteczek KGM zmniejsza prawdopodobieństwo utworzenia wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami HPMC, zwiększając tym samym możliwość ekspozycji grup hydrofobowych w cząsteczkach HPMC, co sprzyja tworzeniu się żeli termotropowych. W układzie o dużej frakcji masowej, jeśli zawartość KGM jest zbyt duża, lepkość układu jest wysoka, co nie sprzyja hydrofobowemu asocjacji pomiędzy cząsteczkami HPMC i KGM, co nie sprzyja tworzeniu się żelu termogenicznego.

3. Wniosek

W artykule zbadano zachowanie reologiczne układu złożonego KGM i HPMC. Wyniki pokazują, że układ złożony KGM/HPMC jest płynem nienewtonowskim, a rodzaj płynu układu złożonego KGM/HPMC jest determinowany głównie przez KGM. Zwiększanie udziału masowego układu i zawartości KGM zarówno zmniejszało płynność roztworu związku, jak i zwiększało jego lepkość. W stanie zolowym łańcuchy molekularne KGM i HPMC tworzą gęstszą strukturę poprzez oddziaływania hydrofobowe. Struktura układu ulega zniszczeniu pod wpływem zewnętrznego ścinania, co powoduje nagły spadek modułu sprężystości układu. Zwiększenie udziału masowego systemu i zawartości KGM jest korzystne dla utrzymania stabilności zwartej struktury i zwiększenia wartości częstotliwości zewnętrznej, która niszczy strukturę. W przypadku układu o niskim ułamku masowym większa zawartość KGM sprzyja tworzeniu się żelu; w przypadku układu o dużej frakcji masowej większa zawartość HPMC sprzyja tworzeniu się żelu.