Štúdia reologického správania konjakového glukomanánu a systému zlúčenín hydroxypropylmetylcelulózy

Ako výskumný objekt bol vzatý zložený systém konjac glukomanánu (KGM) a hydroxypropylmetylcelulózy (HPMC) a na zloženom systéme sa pomocou rotačného reometra uskutočnili testy šmyku, frekvencie a teploty v ustálenom stave. Analyzoval sa vplyv hmotnostnej frakcie roztoku a pomeru zlúčenín na viskozitu a reologické vlastnosti systému zlúčenín KGM/HPMC. Výsledky ukazujú, že systém zlúčenín KGM/HPMC je nenewtonovská tekutina a zvýšenie hmotnostnej frakcie a obsahu KGM v systéme znižuje tekutosť roztoku zlúčeniny a zvyšuje viskozitu. V solovom stave tvoria molekulové reťazce KGM a HPMC kompaktnejšiu štruktúru prostredníctvom hydrofóbnych interakcií. Zvýšenie hmotnostného podielu systému a obsahu KGM prispieva k udržaniu stability konštrukcie. V systéme s nízkou hmotnosťou je zvýšenie obsahu KGM prospešné pre tvorbu termotropných gélov; zatiaľ čo v systéme vysokohmotných frakcií zvýšenie obsahu HPMC prispieva k tvorbe termotropných gélov.

kľúčové slová:konjac glukomanan; hydroxypropylmetylcelulóza; zlúčenina; reologické správanie

Prírodné polysacharidy sú široko používané v potravinárskom priemysle vďaka svojim zahusťovacím, emulgačným a gélovacím vlastnostiam. Konjac glukomanan (KGM) je prírodný rastlinný polysacharid, zložený zβ-D-glukóza aβ-D-manóza v pomere 1,6:1, obe sú spojené pomocouβ-1,4 glykozidové väzby, v C- V polohe 6 je malé množstvo acetylu (približne 1 acetyl na každých 17 zvyškov). Vysoká viskozita a slabá tekutosť vodného roztoku KGM však obmedzujú jeho použitie vo výrobe. Hydroxypropylmetylcelulóza (HPMC) je propylénglykoléter metylcelulózy, ktorý patrí k neiónovým éterom celulózy. HPMC je filmotvorný, vo vode rozpustný a obnoviteľný. HPMC má nízku viskozitu a pevnosť gélu pri nízkych teplotách a relatívne slabý výkon pri spracovaní, ale pri vysokých teplotách môže vytvárať relatívne viskózny gél podobný pevnej látke, takže mnohé výrobné procesy sa musia vykonávať pri vysokých teplotách, čo vedie k vysokej spotrebe energie pri výrobe. Výrobné náklady sú vysoké. Literatúra ukazuje, že nesubstituovaná manózová jednotka na molekulovom reťazci KGM môže tvoriť slabo zosieťovanú hydrofóbnu asociačnú oblasť s hydrofóbnou skupinou na molekulovom reťazci HPMC prostredníctvom hydrofóbnej interakcie. Táto štruktúra môže oddialiť a čiastočne zabrániť tepelnému gélovaniu HPMC a znížiť teplotu gélu HPMC. Okrem toho, vzhľadom na vlastnosti HPMC s nízkou viskozitou pri relatívne nízkych teplotách sa predpokladá, že jej zmiešanie s KGM môže zlepšiť vlastnosti KGM s vysokou viskozitou a zlepšiť jeho spracovateľský výkon. Preto tento článok vytvorí systém zlúčenín KGM/HPMC na preskúmanie vplyvu hmotnostnej frakcie roztoku a pomeru zlúčenín na reologické vlastnosti systému KGM/HPMC a poskytne teoretickú referenciu pre aplikáciu systému zlúčenín KGM/HPMC v potravinársky priemysel.

1. Materiály a metódy

1.1 Materiály a činidlá

Hydroxypropylmetylcelulóza, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, hmotnostný zlomok 2%, viskozita 6 mPa·s; metoxy hmotnostný zlomok 28%-30%; hydroxypropylová hmotnostná frakcia 7,0 % až 12 %.

Konjac glukomanan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viskozita vodného roztoku 1 % hmotn.≥28 000 mPa·s.

1.2 Prístroje a vybavenie

rotačný reometer MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Rakúsko; Stroj na ultračistú vodu UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Elektronické analytické váhy AB-50, švajčiarska spoločnosť Mette; vodný kúpeľ LHS-150HC s konštantnou teplotou, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Elektrické miešadlo JJ-1, továreň na lekárske nástroje Jintan, provincia Jiangsu.

1.3 Príprava roztoku zlúčeniny

Odvážte prášky HPMC a KGM s určitým zmiešavacím pomerom (hmotnostný pomer: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), pomaly ich pridajte do deionizovanej vody v 60°C vodnom kúpeli a miešajte 1,5 až 2 hodiny, aby sa rovnomerne dispergoval, a pripravte 5 druhov gradientových roztokov s celkovými podielmi tuhej hmoty 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % a 1,50 %.

1.4 Test reologických vlastností roztoku zlúčeniny

Test šmyku v ustálenom stave: Reologická krivka roztoku zlúčeniny KGM/HPMC sa merala pomocou kužeľa a dosky CP50, medzera medzi hornou a spodnou doskou bola fixovaná na 0,1 mm, teplota merania bola 25 °C.°C a rozsah šmykovej rýchlosti bol 0,1 až 100 s-1.

Skenovanie deformácie (určenie lineárnej viskoelastickej oblasti): Použite platňu PP50 na meranie lineárnej viskoelastickej oblasti a zákona o zmene modulu roztoku zlúčeniny KGM/HPMC, nastavte rozstup na 1 000 mm, pevnú frekvenciu na 1 Hz a teplotu merania na 25°C. Rozsah deformácie je 0,1 % až 100 %.

Frekvenčný pohyb: Použite PP50 platňu na meranie zmeny modulu a frekvenčnej závislosti roztoku zlúčeniny KGM/HPMC. Rozstup je nastavený na 1000 mm, napätie je 1%, teplota merania je 25°C a frekvenčný rozsah je 0,1-100 Hz.

Teplotné skenovanie: Modul a jeho teplotná závislosť roztoku zlúčeniny KGM/HPMC sa merali pomocou dosky PP50, vzdialenosť bola nastavená na 1 000 mm, pevná frekvencia bola 1 Hz, deformácia bola 1 % a teplota bola od 25 do 90°C.

2. Výsledky a analýza

2.1 Analýza prietokovej krivky systému zlúčenín KGM/HPMC

Krivky viskozity versus šmyková rýchlosť roztokov KGM/HPMC s rôznymi pomermi zloženia pri rôznych hmotnostných frakciách. Kvapaliny, ktorých viskozita je lineárnou funkciou šmykovej rýchlosti, sa nazývajú newtonské kvapaliny, inak sa nazývajú nenewtonské kvapaliny. Z krivky je možné vidieť, že viskozita roztoku KGM a roztoku zlúčeniny KGM/HPMC klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou šmyku; čím vyšší je obsah KGM, tým vyšší je hmotnostný zlomok systému a tým zreteľnejší je jav šmykového stenčenia roztoku. To ukazuje, že systém zlúčenín KGM a KGM/HPMC sú nenewtonovské tekutiny a typ tekutiny systému zlúčenín KGM/HPMC určuje hlavne KGM.

Z indexu toku a koeficientu viskozity roztokov KGM/HPMC s rôznymi hmotnostnými frakciami a rôznymi pomermi zlúčenín je možné vidieť, že hodnoty n systémov zlúčenín KGM, HPMC a KGM/HPMC sú všetky menšie ako 1, čo naznačuje, že roztoky sú všetky pseudoplastické tekutiny. V prípade systému zlúčenín KGM/HPMC zvýšenie hmotnostnej frakcie systému spôsobí zapletenie a iné interakcie medzi molekulárnymi reťazcami HPMC a KGM v roztoku, čo zníži pohyblivosť molekulárnych reťazcov, čím sa zníži hodnota n systému. Súčasne s nárastom obsahu KGM sa zvyšuje interakcia medzi molekulovými reťazcami KGM v systéme KGM/HPMC, čím sa znižuje jeho pohyblivosť a výsledkom je zníženie hodnoty n. Naopak, hodnota K roztoku zlúčeniny KGM/HPMC sa kontinuálne zvyšuje so zvyšovaním hmotnostného podielu roztoku a obsahu KGM, čo je spôsobené najmä zvýšením systémového hmotnostného podielu a obsahu KGM, ktoré oba zvyšujú obsah hydrofilné skupiny v systéme. , čím sa zvyšuje molekulárna interakcia v rámci molekulárneho reťazca a medzi reťazcami, čím sa zväčšuje hydrodynamický polomer molekuly, čím je menej pravdepodobné, že bude orientovaná pôsobením vonkajšej šmykovej sily a zvýši sa viskozita.

Teoretická hodnota viskozity pri nulovom šmyku systému zlúčenín KGM/HPMC sa môže vypočítať podľa vyššie uvedeného princípu logaritmického súčtu a jej experimentálna hodnota sa môže získať extrapoláciou krivky viskozity a šmykovej rýchlosti podľa Carrena. Porovnaním predpokladanej hodnoty viskozity pri nulovom šmyku systému zmesí KGM/HPMC s rôznymi hmotnostnými frakciami a rôznymi pomermi zmesi s experimentálnou hodnotou je možné vidieť, že skutočná hodnota viskozity pri nulovom šmyku zmesi KGM/HPMC riešenie je menšie ako teoretická hodnota. To naznačovalo, že v komplexnom systéme KGM a HPMC sa vytvorila nová zostava s hustou štruktúrou. Existujúce štúdie ukázali, že nesubstituované manózové jednotky na molekulovom reťazci KGM môžu interagovať s hydrofóbnymi skupinami na molekulovom reťazci HPMC za vzniku slabo zosieťovanej hydrofóbnej asociačnej oblasti. Špekuluje sa, že nová štruktúra zostavy s relatívne hustou štruktúrou je tvorená hlavne hydrofóbnymi interakciami. Keď je pomer KGM nízky (HPMC > 50 %), skutočná hodnota nulovej šmykovej viskozity systému KGM/HPMC je nižšia ako teoretická hodnota, čo naznačuje, že pri nízkom obsahu KGM sa viac molekúl podieľa na hustejšom novom štruktúru. Pri vytváraní sa ďalej znižuje viskozita systému pri nulovom šmyku.

2.2 Analýza kriviek deformácie systému zlúčenín KGM/HPMC

Zo vzťahových kriviek modulu a šmykovej deformácie roztokov KGM/HPMC s rôznymi hmotnostnými frakciami a rôznymi zmiešavacími pomermi je možné vidieť, že keď je šmyková deformácia menšia ako 10 %, G'a G″zloženého systému v podstate nezvyšujú so šmykovým napätím. Ukazuje však, že v rámci tohto rozsahu šmykového napätia môže zložený systém reagovať na vonkajšie podnety prostredníctvom zmeny konformácie molekulového reťazca a štruktúra zloženého systému nie je poškodená. Keď je šmykové napätie > 10 %, vonkajšie Pri pôsobení šmykovej sily je rýchlosť rozpojenia molekulových reťazcov v komplexnom systéme väčšia ako rýchlosť zapletenia, G'a G″začnú klesať a systém vstúpi do nelineárnej viskoelastickej oblasti. Preto v následnom teste dynamickej frekvencie bol parameter šmykovej deformácie na testovanie zvolený ako 1 %.

2.3 Analýza frekvenčnej krivky systému zlúčenín KGM/HPMC

Variačné krivky skladovacieho modulu a stratového modulu s frekvenciou pre roztoky KGM/HPMC s rôznymi pomermi zloženia pri rôznych hmotnostných frakciách. Akumulačný modul G' predstavuje energiu, ktorú možno získať späť po dočasnom uskladnení v skúške a stratový modul G” znamená energiu potrebnú na počiatočný prietok, ktorý je nevratnou stratou a nakoniec sa premení na šmykové teplo. Je možné vidieť, že so zvyšujúcou sa frekvenciou oscilácií sa stratový modul G″je vždy väčší ako akumulačný modul G', ukazujúce správanie kvapaliny. V rozsahu skúšobnej frekvencie sa akumulačný modul G' a stratový modul G“ zvyšujú so zvyšujúcou sa frekvenciou kmitov. Je to spôsobené najmä skutočnosťou, že so zvyšujúcou sa frekvenciou kmitov nemajú segmenty molekulového reťazca v systéme čas na to, aby sa v krátkom čase zotavili z deformácie. Predchádzajúci stav, čím sa ukazuje jav, že je možné uložiť viac energie ( väčšie G') alebo ho treba stratiť (G″).

So zvyšovaním frekvencie kmitov akumulačný modul sústavy náhle klesá a so zvyšovaním hmotnostného podielu a obsahu KGM sústavy sa frekvenčný bod náhleho poklesu postupne zvyšuje. Náhly pokles môže byť spôsobený deštrukciou kompaktnej štruktúry vytvorenej hydrofóbnym spojením medzi KGM a HPMC v systéme vonkajším strihom. Okrem toho zvýšenie systémovej hmotnostnej frakcie a obsahu KGM je prospešné na udržanie stability hustej štruktúry a zvyšuje hodnotu vonkajšej frekvencie, ktorá ničí štruktúru.

2.4 Analýza krivky snímania teploty kompozitného systému KGM/HPMC

Z kriviek skladovacieho modulu a stratového modulu roztokov KGM/HPMC s rôznymi hmotnostnými frakciami a rôznymi pomermi zloženia je možné vidieť, že keď je hmotnostný zlomok systému 0,50 %, G'a G″HPMC roztoku sa takmer nemenia s teplotou. a G″>G'dominuje viskozita systému; keď sa hmotnostný zlomok zvýši, G'roztoku HPMC najprv zostáva nezmenený a potom sa prudko zvyšuje a G'a G″pretínajú okolo 70°C (teplota priesečníka je bod gélu) a systém v tomto čase vytvára gél, čo naznačuje, že HPMC je tepelne indukovaný gél. Pre roztok KGM, keď je hmotnostný zlomok systému 0,50 % a 0,75 %, G'a G systému „vykazuje klesajúci trend; keď sa hmotnostný zlomok zvýši, G' a G” roztoku KGM najskôr klesajú a potom sa výrazne zvyšujú, čo naznačuje, že roztok KGM vykazuje gélovité vlastnosti pri vysokých hmotnostných frakciách a vysokých teplotách.

So zvyšujúcou sa teplotou sa G'a G″komplexného systému KGM/HPMC sa najprv znížil a potom výrazne zvýšil a G'a G″sa objavili priesečníky a systém vytvoril gél. Keď sú molekuly HPMC pri nízkej teplote, dochádza k vodíkovým väzbám medzi hydrofilnými skupinami na molekulárnom reťazci a molekulami vody a keď teplota stúpne, aplikované teplo zničí vodíkové väzby vytvorené medzi HPMC a molekulami vody, čo vedie k vytvoreniu makromolekulových HPMC. reťaze. Odkryjú sa hydrofóbne skupiny na povrchu, dôjde k hydrofóbnej asociácii a vytvorí sa termotropný gél. Pre systém s nízkou hmotnosťou môže väčší obsah KGM tvoriť gél; pre systém s vysokou hmotnostnou frakciou môže väčší obsah HPMC tvoriť gél. V systéme frakcií s nízkou hmotnosťou (0,50 %) prítomnosť molekúl KGM znižuje pravdepodobnosť tvorby vodíkových väzieb medzi molekulami HPMC, čím sa zvyšuje možnosť expozície hydrofóbnych skupín v molekulách HPMC, čo vedie k tvorbe termotropných gélov. V systéme s vysokou hmotnosťou, ak je obsah KGM príliš vysoký, je viskozita systému vysoká, čo neprispieva k hydrofóbnej asociácii medzi molekulami HPMC a KGM, čo neprispieva k tvorbe termogénneho gélu.

3. Záver

V tomto článku sa študuje reologické správanie systému zlúčenín KGM a HPMC. Výsledky ukazujú, že zložený systém KGM/HPMC je nenewtonská tekutina a typ tekutiny zloženého systému KGM/HPMC je určený hlavne KGM. Zvýšenie hmotnostného podielu systému a obsahu KGM znížilo tekutosť roztoku zlúčeniny a zvýšilo jeho viskozitu. V solovom stave tvoria molekulárne reťazce KGM a HPMC hustejšiu štruktúru prostredníctvom hydrofóbnych interakcií. Štruktúra v systéme je zničená vonkajším strihom, čo má za následok náhly pokles akumulačného modulu systému. Zvýšenie systémovej hmotnostnej frakcie a obsahu KGM je prospešné na udržanie stability hustej štruktúry a zvýšenie hodnoty vonkajšej frekvencie, ktorá ničí štruktúru. V prípade systému s nízkou hmotnosťou prispieva väčší obsah KGM k tvorbe gélu; pre systém s vysokou hmotnostnou frakciou viac obsahu HPMC prispieva k tvorbe gélu.