Studiu asupra comportamentului reologic al sistemului de compuși de konjac glucomanan și hidroxipropil metilceluloză

Sistemul compus de konjac glucomanan (KGM) și hidroxipropil metilceluloză (HPMC) a fost luat ca obiect de cercetare, iar testele de forfecare, frecvență și temperatură la starea de echilibru au fost efectuate pe sistemul compus prin reometru rotativ. A fost analizată influența fracției de masă a soluției și a raportului de compus asupra vâscozității și proprietăților reologice ale sistemului compus KGM/HPMC. Rezultatele arată că sistemul compus KGM/HPMC este un fluid non-newtonian, iar creșterea fracției de masă și a conținutului de KGM al sistemului reduce fluiditatea soluției de compus și crește vâscozitatea. În starea sol, lanțurile moleculare KGM și HPMC formează o structură mai compactă prin interacțiuni hidrofobe. Creșterea fracției de masă a sistemului și a conținutului de KGM este favorabilă menținerii stabilității structurii. În sistemul de fracțiuni cu masă mică, creșterea conținutului de KGM este benefică pentru formarea gelurilor termotrope; în timp ce în sistemul cu fracțiuni de masă mare, creșterea conținutului de HPMC este favorabilă formării gelurilor termotrope.

Cuvinte cheie:konjac glucomanan; hidroxipropil metilceluloză; compus; comportament reologic

Polizaharidele naturale sunt utilizate pe scară largă în industria alimentară datorită proprietăților lor de îngroșare, emulsionare și gelificare. Konjac glucomannan (KGM) este o polizaharidă naturală din plante, compusă dinβ-D-glucoza siβ-D-manoză într-un raport de 1,6:1, cele două sunt legate prinβ-1,4 legături glicozidice, în C- Există o cantitate mică de acetil în poziţia 6 (aproximativ 1 acetil la fiecare 17 reziduuri). Cu toate acestea, vâscozitatea ridicată și fluiditatea slabă a soluției apoase KGM limitează aplicarea acesteia în producție. Hidroxipropil metilceluloza (HPMC) este un eter propilenglicol al metilcelulozei, care aparține eterului de celuloză neionic. HPMC este filmogenă, solubilă în apă și regenerabilă. HPMC are vâscozitate scăzută și rezistență a gelului la temperaturi scăzute și performanță de procesare relativ slabă, dar poate forma un gel asemănător solid relativ vâscos la temperaturi ridicate, așa că multe procese de producție trebuie efectuate la temperaturi ridicate, ceea ce duce la un consum mare de energie de producție. Costurile de producție sunt mari. Literatura de specialitate arată că unitatea de manoză nesubstituită de pe lanțul molecular KGM poate forma o regiune de asociere hidrofobă slab reticulat cu gruparea hidrofobă de pe lanțul molecular HPMC prin interacțiune hidrofobă. Această structură poate întârzia și împiedica parțial gelificarea termică a HPMC și poate scădea temperatura gelului HPMC. În plus, având în vedere proprietățile de vâscozitate scăzută ale HPMC la temperaturi relativ scăzute, se prevede că combinarea sa cu KGM poate îmbunătăți proprietățile de vâscozitate ridicată ale KGM și poate îmbunătăți performanța de procesare a acestuia. Prin urmare, această lucrare va construi un sistem compus KGM/HPMC pentru a explora influența fracției de masă a soluției și a raportului de compus asupra proprietăților reologice ale sistemului KGM/HPMC și va oferi o referință teoretică pentru aplicarea sistemului de compus KGM/HPMC în industria alimentară.

1. Materiale și metode

1.1 Materiale și reactivi

Hidroxipropil metilceluloză, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fracție de masă 2%, vâscozitate 6 mPa·s; fracție de masă metoxi 28%~30%; fracție de masă hidroxipropil 7,0%~12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1% în greutate vâscozitate soluție apoasă≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumente și echipamente

Reometru rotativ MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; UPT-II-10T mașină de apă ultrapură, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Balanta electronica analitica AB-50, firma Swiss Mette; LHS-150HC baie de apă cu temperatură constantă, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Agitator electric JJ-1, fabrica de instrumente medicale Jintan, provincia Jiangsu.

1.3 Prepararea soluției compuse

Se cântăresc pulberile HPMC și KGM cu un anumit raport de amestec (raport de masă: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), adăugați-le încet în apă deionizată într-un 60°C baie de apă și se agită timp de 1,5 ~ 2 ore pentru a se dispersa uniform și se prepară 5 tipuri de soluții de gradient cu fracțiuni totale de masă solidă de 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% și, respectiv, 1,50%.

1.4 Testarea proprietăților reologice ale soluției compuse

Test de forfecare la starea de echilibru: Curba reologică a soluției de compus KGM/HPMC a fost măsurată folosind un con și o placă CP50, spațiul dintre plăcile superioare și inferioare a fost fixat la 0,1 mm, temperatura de măsurare a fost de 25°C, iar intervalul de viteză de forfecare a fost de la 0,1 la 100 s-1.

Scanarea deformarii (determinarea regiunii vâscoelastice liniare): Folosiți placa PP50 pentru a măsura regiunea vâscoelastică liniară și legea de modificare a modulului soluției compuse KGM/HPMC, setați distanța la 1.000 mm, frecvența fixă ​​la 1 Hz și temperatura de măsurare la 25°C. Intervalul de deformare este de 0,1%~100%.

Măturarea frecvenței: Folosiți o placă PP50 pentru a măsura modificarea modulului și dependența de frecvență a soluției compuse KGM/HPMC. Distanța este setată la 1.000 mm, deformarea este de 1%, temperatura de măsurare este de 25°C, iar intervalul de frecvență este 0,1-100 Hz.

Scanarea temperaturii: Modulul și dependența sa de temperatură a soluției compuse KGM/HPMC au fost măsurate folosind o placă PP50, distanța a fost setată la 1.000 mm, frecvența fixă ​​a fost de 1 Hz, deformarea a fost de 1% și temperatura a fost de la 25 la 90°C.

2. Rezultate și Analiză

2.1 Analiza curbei de curgere a sistemului compus KGM/HPMC

Curbele de vâscozitate față de viteză de forfecare ale soluțiilor KGM/HPMC cu rapoarte de amestecare diferite la diferite fracțiuni de masă. Fluidele a căror vâscozitate este o funcție liniară a vitezei de forfecare se numesc fluide newtoniene, altfel sunt numite fluide non-newtoniene. Din curbă se poate observa că vâscozitatea soluției KGM și a soluției de compus KGM/HPMC scade odată cu creșterea vitezei de forfecare; cu cât este mai mare conținutul de KGM, cu atât este mai mare fracția de masă a sistemului și cu atât este mai evident fenomenul de subțiere prin forfecare al soluției. Acest lucru arată că sistemul KGM și KGM/HPMC sunt fluide non-newtoniene, iar tipul de fluid al sistemului KGM/HPMC este determinat în principal de KGM.

Din indicele de curgere și coeficientul de vâscozitate al soluțiilor KGM/HPMC cu fracții de masă diferite și rapoarte diferite ale compușilor, se poate observa că valorile n ale sistemelor de compuși KGM, HPMC și KGM/HPMC sunt toate mai mici decât 1, indicând faptul că soluțiile sunt toate fluidele pseudoplastice. Pentru sistemul compus KGM/HPMC, creșterea fracției de masă a sistemului va provoca încurcare și alte interacțiuni între lanțurile moleculare HPMC și KGM din soluție, ceea ce va reduce mobilitatea lanțurilor moleculare, reducând astfel valoarea n a sistemul. În același timp, odată cu creșterea conținutului de KGM, interacțiunea dintre lanțurile moleculare KGM din sistemul KGM/HPMC este îmbunătățită, reducând astfel mobilitatea acestuia și rezultând o scădere a valorii n. Dimpotrivă, valoarea K a soluției de compus KGM/HPMC crește continuu odată cu creșterea fracției de masă a soluției și a conținutului de KGM, ceea ce se datorează în principal creșterii fracției de masă a sistemului și a conținutului de KGM, ambele crescând conținutul de grupări hidrofile din sistem. , crescând interacțiunea moleculară în cadrul lanțului molecular și între lanțuri, crescând astfel raza hidrodinamică a moleculei, făcând-o mai puțin probabil să fie orientată sub acțiunea forței de forfecare externă și creșterea vâscozității.

Valoarea teoretică a vâscozității cu forfecare zero a sistemului compus KGM/HPMC poate fi calculată conform principiului de însumare logaritmică de mai sus, iar valoarea sa experimentală poate fi obținută prin extrapolarea cu ajustarea Carren a curbei viscozitate-viteză de forfecare. Comparând valoarea prezisă a vâscozității cu forfecare zero a sistemului compus KGM/HPMC cu diferite fracțiuni de masă și diferite rapoarte de amestecare cu valoarea experimentală, se poate observa că valoarea reală a vâscozității cu forfecare zero a compusului KGM/HPMC soluția este mai mică decât valoarea teoretică. Acest lucru a indicat că un nou ansamblu cu o structură densă a fost format în sistemul complex KGM și HPMC. Studiile existente au arătat că unitățile de manoză nesubstituite de pe lanțul molecular KGM pot interacționa cu grupările hidrofobe de pe lanțul molecular HPMC pentru a forma o regiune de asociere hidrofobă slab reticulat. Se speculează că noua structură de ansamblu cu o structură relativ densă se formează în principal prin interacțiuni hidrofobe. Atunci când raportul KGM este scăzut (HPMC > 50%), valoarea reală a vâscozității cu forfecare zero a sistemului KGM/HPMC este mai mică decât valoarea teoretică, ceea ce indică faptul că la un conținut scăzut de KGM, mai multe molecule participă la noul nou mai dens. structura. La formarea , vâscozitatea la forfecare zero a sistemului este mai mult redusă.

2.2 Analiza curbelor de deformare a sistemului compus KGM/HPMC

Din curbele de relație dintre modul și deformarea de forfecare ale soluțiilor KGM/HPMC cu fracții de masă diferite și rapoarte de amestecare diferite, se poate observa că atunci când deformarea de forfecare este mai mică de 10%, G′si G″a sistemului compus practic nu cresc cu deformarea de forfecare. Cu toate acestea, arată că în acest interval de forfecare, sistemul compus poate răspunde la stimuli externi prin modificarea conformației lanțului molecular, iar structura sistemului compus nu este deteriorată. Când deformarea de forfecare este > 10%, externă. Sub acțiunea forței de forfecare, viteza de descompunere a lanțurilor moleculare din sistemul complex este mai mare decât viteza de încurcare, G′si G″începe să scadă, iar sistemul intră în regiunea vâscoelastică neliniară. Prin urmare, în testul de frecvență dinamică ulterioară, parametrul deformarii de forfecare a fost selectat ca 1% pentru testare.

2.3 Analiza curbei de baleiaj de frecvență a sistemului compus KGM/HPMC

Curbe de variație a modulului de stocare și a modulului de pierdere cu frecvența pentru soluții KGM/HPMC cu diferite rapoarte de amestecare în diferite fracțiuni de masă. Modulul de stocare G’ reprezintă energia care poate fi recuperată după stocarea temporară în test, iar modulul de pierdere G” înseamnă energia necesară pentru debitul inițial, care este o pierdere ireversibilă și se transformă în final în căldură de forfecare. Se poate observa că, pe măsură ce frecvența de oscilație crește, modulul de pierdere G″este întotdeauna mai mare decât modulul de stocare G′, prezentând comportament lichid. În intervalul de frecvență de testare, modulul de stocare G’ și modulul de pierdere G” cresc odată cu creșterea frecvenței de oscilație. Acest lucru se datorează în principal faptului că, odată cu creșterea frecvenței de oscilație, segmentele de lanț molecular din sistem nu au timp să revină la deformare într-un timp scurt. Starea anterioară, arătând astfel fenomenul că poate fi stocată mai multă energie ( mai mare G′) sau trebuie pierdut (G″).

Odată cu creșterea frecvenței de oscilație, modulul de stocare al sistemului scade brusc, iar odată cu creșterea fracției de masă și a conținutului KGM al sistemului, punctul de frecvență al căderii bruște crește treptat. Scăderea bruscă se poate datora distrugerii structurii compacte formate prin asocierea hidrofobă dintre KGM și HPMC în sistem prin forfecare externă. Mai mult, creșterea fracției de masă a sistemului și a conținutului de KGM este benefică pentru a menține stabilitatea structurii dense și crește valoarea frecvenței externe care distruge structura.

2.4 Analiza curbei de scanare a temperaturii a sistemului compozit KGM/HPMC

Din curbele modulului de stocare și modulului de pierdere ale soluțiilor KGM/HPMC cu diferite fracții de masă și diferite rapoarte de combinare, se poate observa că atunci când fracția de masă a sistemului este de 0,50%, G′si G″a soluției HPMC se modifică cu greu cu temperatura. , și G″>G′, domină vâscozitatea sistemului; când fracția de masă crește, G′soluția HPMC rămâne mai întâi neschimbată și apoi crește brusc, iar G′si G″se intersectează pe la 70°C (Temperatura punctului de intersecție este punctul de gel), iar sistemul formează un gel în acest moment, indicând astfel că HPMC este un gel indus termic. Pentru soluția KGM, când fracția de masă a sistemului este de 0,50% și 0,75%, G′iar G al sistemului „arata o tendinta descrescatoare; când fracția de masă crește, G’ și G” ale soluției KGM scad mai întâi și apoi cresc semnificativ, ceea ce indică faptul că soluția KGM prezintă proprietăți asemănătoare gelului la fracțiuni de masă mari și temperaturi ridicate.

Odată cu creșterea temperaturii, G′si G″a sistemului complex KGM/HPMC a scăzut mai întâi și apoi a crescut semnificativ, iar G′si G″au apărut puncte de intersecție, iar sistemul a format un gel. Când moleculele HPMC sunt la temperatură scăzută, se produce legături de hidrogen între grupările hidrofile de pe lanțul molecular și moleculele de apă, iar când temperatura crește, căldura aplicată distruge legăturile de hidrogen formate între HPMC și moleculele de apă, ducând la formarea macromoleculare HPMC. lanţuri. Grupările hidrofobe de la suprafață sunt expuse, apare asocierea hidrofobă și se formează un gel termotrop. Pentru sistemul cu fracțiuni cu masă mică, mai mult conținut de KGM poate forma gel; pentru sistemul cu fracțiuni de masă mare, mai mult conținut de HPMC poate forma gel. În sistemul cu fracțiuni cu masă mică (0,50%), prezența moleculelor KGM reduce probabilitatea formării legăturilor de hidrogen între moleculele HPMC, crescând astfel posibilitatea de expunere a grupărilor hidrofobe în moleculele HPMC, ceea ce este favorabil formării gelurilor termotrope. În sistemul cu fracțiuni de masă mare, dacă conținutul de KGM este prea mare, vâscozitatea sistemului este ridicată, ceea ce nu conduce la asocierea hidrofobă între moleculele HPMC și KGM, ceea ce nu conduce la formarea gelului termogenic.

3. Concluzie

În această lucrare este studiat comportamentul reologic al sistemului compus al KGM și HPMC. Rezultatele arată că sistemul compus al KGM/HPMC este un fluid non-newtonian, iar tipul de fluid al sistemului compus al KGM/HPMC este determinat în principal de KGM. Creșterea fracției de masă a sistemului și a conținutului de KGM a scăzut fluiditatea soluției de compus și a crescut vâscozitatea acesteia. În starea sol, lanțurile moleculare ale KGM și HPMC formează o structură mai densă prin interacțiuni hidrofobe. Structura din sistem este distrusă prin forfecare externă, rezultând o scădere bruscă a modulului de stocare al sistemului. Creșterea fracției de masă a sistemului și a conținutului de KGM este benefică pentru a menține stabilitatea structurii dense și pentru a crește valoarea frecvenței externe care distruge structura. Pentru sistemul cu fracțiuni cu masă mică, un conținut mai mare de KGM este favorabil formării gelului; pentru sistemul cu fracțiuni de masă mare, un conținut mai mare de HPMC este favorabil formării gelului.