Исследование реологического поведения системы соединений конжакового глюкоманнана и гидроксипропилметилцеллюлозы

В качестве объекта исследования была выбрана составная система конжакового глюкоманнана (KGM) и гидроксипропилметилцеллюлозы (HPMC), и с помощью ротационного реометра были проведены испытания на сдвиг, частоту и температуру в установившемся режиме на этой составной системе. Проанализировано влияние массовой доли раствора и соотношения соединений на вязкость и реологические свойства компаундной системы КГМ/ГПМЦ. Результаты показывают, что система соединения КГМ/ГПМЦ представляет собой неньютоновскую жидкость, а увеличение массовой доли и содержания КГМ в системе снижает текучесть раствора соединения и увеличивает вязкость. В зольном состоянии молекулярные цепи КГМ и ГПМЦ образуют более компактную структуру за счет гидрофобных взаимодействий. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ способствует сохранению стабильности структуры. В системе с низкой массовой долей увеличение содержания КГМ способствует образованию термотропных гелей; в то время как в системе с высокой массовой долей увеличение содержания ГПМЦ способствует образованию термотропных гелей.

Ключевые слова:конжак глюкоманнан; гидроксипропилметилцеллюлоза; сложный; реологическое поведение

Природные полисахариды широко используются в пищевой промышленности благодаря своим загущающим, эмульгирующим и гелеобразующим свойствам. Коньяк глюкоманнан (KGM) представляет собой природный растительный полисахарид, состоящий изβ-D-глюкоза иβ-D-манноза в соотношении 1,6:1, они связаны между собойβ-1,4 гликозидные связи, в С- имеется небольшое количество ацетила в положении 6 (примерно 1 ацетил на каждые 17 остатков). Однако высокая вязкость и плохая текучесть водного раствора КГМ ограничивают его применение в производстве. Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) представляет собой пропиленгликольовый эфир метилцеллюлозы, который относится к неионным эфирам целлюлозы. ГПМЦ является пленкообразующим, водорастворимым и возобновляемым материалом. HPMC имеет низкую вязкость и прочность геля при низких температурах, а также относительно низкую производительность обработки, но может образовывать относительно вязкий твердый гель при высоких температурах, поэтому многие производственные процессы должны выполняться при высоких температурах, что приводит к высокому потреблению энергии для производства. Затраты на производство высоки. В литературе показано, что незамещенное маннозное звено в молекулярной цепи КГМ может образовывать слабосшитую гидрофобную область ассоциации с гидрофобной группой в молекулярной цепи ГПМЦ посредством гидрофобного взаимодействия. Эта структура может задерживать и частично предотвращать термическое гелеобразование ГПМЦ и снижать температуру геля ГПМЦ. Кроме того, ввиду низковязких свойств ГПМЦ при относительно низких температурах прогнозируется, что его соединение с КГМ может улучшить высоковязкие свойства КГМ и повысить производительность его обработки. Таким образом, в этой статье будет создана система соединений KGM/HPMC для изучения влияния массовой доли раствора и соотношения соединений на реологические свойства системы KGM/HPMC, а также предоставлена ​​теоретическая справочная информация по применению системы соединений KGM/HPMC в пищевая промышленность.

1. Материалы и методы.

1.1 Материалы и реагенты

Гидроксипропилметилцеллюлоза, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, массовая доля 2%, вязкость 6 мПа·с; массовая доля метокси 28~30%; Массовая доля гидроксипропила 7,0%~12%.

Конжак-глюкоманнан, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., вязкость водного раствора 1 мас. %≥28 000 МПа·s.

1.2 Приборы и оборудование

ротационный реометр MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Австрия; Машина для получения сверхчистой воды UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Электронные аналитические весы АБ-50, швейцарская компания Mette; Водяная баня постоянной температуры LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Электрическая мешалка JJ-1, Цзиньтанский завод медицинских инструментов, провинция Цзянсу.

1.3 Приготовление раствора соединения

Взвесьте порошки HPMC и KGM с определенным соотношением ингредиентов (массовое соотношение: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), медленно добавьте их в деионизированную воду в 60-градусном сосуде.°C на водяной бане и перемешивайте в течение 1,5–2 часов, чтобы он диспергировался равномерно, и приготовьте 5 видов градиентных растворов с общей массовой долей твердых веществ 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% и 1,50% соответственно.

1.4 Испытание реологических свойств раствора соединения

Испытание на сдвиг в установившемся режиме: реологическую кривую раствора соединения KGM/HPMC измеряли с использованием конуса и пластины CP50, зазор между верхней и нижней пластинами фиксировали на уровне 0,1 мм, температура измерения составляла 25°С.°C, а диапазон скорости сдвига составлял от 0,1 до 100 с-1.

Сканирование деформации (определение линейной вязкоупругой области): используйте пластину PP50 для измерения линейной вязкоупругой области и закона изменения модуля раствора соединения KGM/HPMC, установите расстояние 1000 мм, фиксированную частоту 1 Гц и температуру измерения 25°С.°C. Диапазон деформации составляет 0,1%~100%.

Развертка по частоте: используйте пластину PP50 для измерения изменения модуля и частотной зависимости раствора соединения KGM/HPMC. Расстояние установлено 1000 мм, деформация 1%, температура измерения 25°С.°С, а диапазон частот 0,1-100 Гц.

Температурное сканирование: модуль и его температурная зависимость раствора соединения КГМ/ГПМЦ измерялись с использованием пластины ПП50, расстояние между ними было установлено 1000 мм, фиксированная частота - 1 Гц, деформация - 1%, температура - от 25°С. до 90°C.

2. Результаты и анализ

2.1 Анализ кривой потока системы соединений KGM/HPMC

Кривые зависимости вязкости от скорости сдвига растворов KGM/HPMC с разными соотношениями компаундов и разными массовыми долями. Жидкости, вязкость которых является линейной функцией скорости сдвига, называются ньютоновскими жидкостями, иначе их называют неньютоновскими жидкостями. Из кривой видно, что вязкость раствора КГМ и раствора соединения КГМ/ГПМЦ снижается с увеличением скорости сдвига; чем выше содержание КГМ, тем выше массовая доля системы и тем очевиднее явление разжижения раствора при сдвиге. Это показывает, что система соединений KGM и KGM/HPMC является неньютоновскими жидкостями, а тип жидкости системы соединений KGM/HPMC в основном определяется KGM.

Из индекса текучести и коэффициента вязкости растворов KGM/HPMC с различными массовыми долями и различными соотношениями соединений видно, что значения n для составных систем KGM, HPMC и KGM/HPMC меньше 1, что указывает на то, что растворы все псевдопластические жидкости. Для системы соединений КГМ/ГПМЦ увеличение массовой доли системы приведет к перепутыванию и другим взаимодействиям между молекулярными цепями ГПМЦ и КГМ в растворе, что уменьшит подвижность молекулярных цепей, тем самым уменьшив значение n система. В то же время с увеличением содержания КГМ усиливается взаимодействие между молекулярными цепями КГМ в системе КГМ/ГПМЦ, что снижает его подвижность и приводит к уменьшению значения n. Напротив, значение K раствора соединения КГМ/ГПМЦ непрерывно увеличивается с увеличением массовой доли раствора и содержания КГМ, что в основном связано с увеличением массовой доли системы и содержания КГМ, которые оба увеличивают содержание гидрофильные группы в системе. , увеличивая молекулярное взаимодействие внутри молекулярной цепи и между цепями, тем самым увеличивая гидродинамический радиус молекулы, уменьшая вероятность ее ориентации под действием внешней силы сдвига и увеличивая вязкость.

Теоретическое значение вязкости при нулевом сдвиге составной системы KGM/HPMC может быть рассчитано в соответствии с вышеуказанным принципом логарифмического суммирования, а его экспериментальное значение может быть получено путем экстраполяции аппроксимации Каррена кривой вязкость-скорость сдвига. Сравнивая прогнозируемое значение вязкости при нулевом сдвиге системы компаунда КГМ/ГПМЦ с различными массовыми долями и разными соотношениями компаундирования с экспериментальным значением, можно видеть, что фактическое значение вязкости при нулевом сдвиге соединения КГМ/ГПМЦ решение меньше теоретического значения. Это свидетельствовало о том, что в сложной системе КГМ и ГПМЦ образовалась новая сборка с плотной структурой. Существующие исследования показали, что незамещенные звенья маннозы в молекулярной цепи KGM могут взаимодействовать с гидрофобными группами в молекулярной цепи HPMC, образуя слабосшитую гидрофобную ассоциативную область. Предполагается, что новая сборочная структура с относительно плотной структурой формируется в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Когда соотношение KGM низкое (HPMC > 50%), фактическое значение вязкости при нулевом сдвиге системы KGM/HPMC ниже теоретического значения, что указывает на то, что при низком содержании KGM больше молекул участвует в более плотной новой структура. При образовании вязкость системы при нулевом сдвиге еще больше снижается.

2.2 Анализ кривых развертки деформации составной системы КГМ/ГПМЦ

Из кривых зависимости модуля и деформации сдвига растворов КГМ/ГПМЦ с разными массовыми долями и разными соотношениями рецептур видно, что при деформации сдвига менее 10% G'и Г″составной системы в основном не увеличиваются с ростом деформации сдвига. Однако это показывает, что в этом диапазоне деформации сдвига сложная система может реагировать на внешние стимулы посредством изменения конформации молекулярной цепи, и структура сложной системы не повреждается. При сдвиговой деформации >10 % внешняя под действием сдвиговой силы скорость распутывания молекулярных цепей в сложной системе превышает скорость перепутывания G'и Г″начинают уменьшаться, и система переходит в нелинейно-вязкоупругую область. Поэтому при последующем частотно-динамическом испытании параметр деформации сдвига был выбран для испытаний равным 1%.

2.3 Анализ кривой развертки частоты системы соединений KGM/HPMC

Кривые изменения модуля упругости и модуля потерь от частоты для растворов КГМ/ГПМЦ с разными соотношениями компаундирования при разных массовых долях. Модуль накопления G' представляет собой энергию, которая может быть восстановлена ​​после временного хранения в ходе испытания, а модуль потерь G' означает энергию, необходимую для начального потока, который представляет собой необратимую потерю и в конечном итоге преобразуется в теплоту сдвига. Видно, что с ростом частоты колебаний модуль потерь G″всегда больше модуля упругости G', демонстрируя поведение жидкости. В тестовом диапазоне частот модуль упругости G' и модуль потерь G” увеличиваются с увеличением частоты колебаний. В основном это связано с тем, что с увеличением частоты колебаний сегменты молекулярной цепи в системе не успевают за короткое время восстановиться до деформации предыдущего состояния, тем самым показывая явление, что можно сохранить больше энергии ( больше G') или его нужно потерять (G″).

С увеличением частоты колебаний модуль упругости системы внезапно падает, а с увеличением массовой доли и содержания КГМ в системе частотная точка внезапного падения постепенно увеличивается. Резкое падение может быть связано с разрушением компактной структуры, образованной гидрофобной ассоциацией между КГМ и ГПМЦ в системе, в результате внешнего сдвига. Более того, увеличение массовой доли системы и содержания КГМ выгодно для поддержания стабильности плотной структуры и увеличивает значение внешней частоты, разрушающей структуру.

2.4 Анализ кривой температурного сканирования композитной системы KGM/HPMC

Из кривых модуля упругости и модуля потерь растворов КГМ/ГПМЦ с разными массовыми долями и разными соотношениями рецептур видно, что при массовой доле системы 0,50 % G'и Г″раствора ГПМЦ практически не меняются с температурой. и Г″>Г', вязкость системы преобладает; при увеличении массовой доли G'раствора HPMC сначала остается неизменным, а затем резко возрастает, а G'и Г″пересекаются на отметке 70°C (Температура точки пересечения является точкой гелеобразования), и в это время система образует гель, что указывает на то, что ГПМЦ представляет собой термически индуцированный гель. Для раствора КГМ при массовой доле системы 0,50% и 0,75% G'и G системы «демонстрирует тенденцию к снижению; при увеличении массовой доли G’ и G” раствора КГМ сначала уменьшаются, а затем значительно возрастают, что свидетельствует о том, что раствор КГМ проявляет гелеобразные свойства при высоких массовых долях и высоких температурах.

С повышением температуры G'и Г″комплексной системы КГМ/HPMC сначала снизилась, а затем значительно возросла, а G'и Г″появились точки пересечения, и система образовала гель. Когда молекулы ГПМЦ находятся при низкой температуре, между гидрофильными группами молекулярной цепи и молекулами воды возникает водородная связь, а при повышении температуры приложенное тепло разрушает водородные связи, образующиеся между ГПМЦ и молекулами воды, что приводит к образованию макромолекулярных молекул ГПМЦ. цепи. Обнажаются гидрофобные группы на поверхности, происходит гидрофобная ассоциация и образуется термотропный гель. В системе с низкой массовой долей большее содержание KGM может образовывать гель; в системе с высокой массовой долей большее количество ГПМЦ может образовывать гель. В системе с низкой массовой долей (0,50%) присутствие молекул КГМ снижает вероятность образования водородных связей между молекулами ГПМЦ, тем самым увеличивая возможность обнажения гидрофобных групп в молекулах ГПМЦ, что способствует образованию термотропных гелей. В системе с высокой массовой долей, если содержание КГМ слишком велико, вязкость системы высока, что не способствует гидрофобной ассоциации между молекулами ГПМЦ и КГМ, что не способствует образованию термогенного геля.

3. Заключение

В данной работе изучено реологическое поведение сложной системы КГМ и ГПМЦ. Результаты показывают, что составная система KGM/HPMC представляет собой неньютоновскую жидкость, а тип жидкости составной системы KGM/HPMC в основном определяется KGM. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ приводит как к снижению текучести раствора соединения, так и к увеличению его вязкости. В зольном состоянии молекулярные цепи КГМ и ГПМЦ образуют более плотную структуру за счет гидрофобных взаимодействий. Структура системы разрушается в результате внешнего сдвига, что приводит к внезапному падению модуля упругости системы. Увеличение массовой доли системы и содержания КГМ выгодно для сохранения устойчивости плотной структуры и увеличения значения внешней частоты, разрушающей структуру. Для системы с низкой массовой долей большее содержание КГМ способствует образованию геля; для системы с высокой массовой долей большее содержание ГПМЦ способствует образованию геля.