Studim mbi sjelljen reologjike të sistemit të përbërjes konjac glucomannan dhe hidroksipropil metilcelulozë

Sistemi i përbërjes së glukomananit konjac (KGM) dhe hidroksipropil metilcelulozës (HPMC) u mor si objekt kërkimi dhe testet e prerjes së gjendjes së qëndrueshme, frekuencës dhe fshirjes së temperaturës u kryen në sistemin e përbërjes me reometër rrotullues. U analizua ndikimi i fraksionit masiv të tretësirës dhe raportit të përbërjes në viskozitetin dhe vetitë reologjike të sistemit të përbërjes KGM/HPMC. Rezultatet tregojnë se sistemi i përbërjes KGM/HPMC është një lëng jo-njutonian, dhe rritja e fraksionit masiv dhe përmbajtjes së KGM të sistemit redukton rrjedhshmërinë e tretësirës së përbërjes dhe rrit viskozitetin. Në gjendjen sol, zinxhirët molekularë KGM dhe HPMC formojnë një strukturë më kompakte përmes ndërveprimeve hidrofobike. Rritja e fraksionit masiv të sistemit dhe përmbajtjes së KGM është e favorshme për ruajtjen e stabilitetit të strukturës. Në sistemin e fraksionit me masë të ulët, rritja e përmbajtjes së KGM është e dobishme për formimin e xhelit termotropik; ndërsa në sistemin e fraksionit me masë të lartë, rritja e përmbajtjes së HPMC është e favorshme për formimin e xhelit termotropik.

Fjalët kyçe:konjac glucomannan; hidroksipropil metilcelulozë; kompleks; sjellja reologjike

Polisakaridet natyrale përdoren gjerësisht në industrinë ushqimore për shkak të vetive të tyre trashuese, emulsifikuese dhe xheluese. Konjac glucomannan (KGM) është një polisaharid natyral bimor, i përbërë ngaβ-D-glukoza dheβ-D-manoza në një raport 1.6:1, të dyja janë të lidhura meβ-1,4 lidhje glikozidike, në C- Ka një sasi të vogël acetil në pozicionin 6 (afërsisht 1 acetil për çdo 17 mbetje). Megjithatë, viskoziteti i lartë dhe rrjedhshmëria e dobët e tretësirës ujore KGM kufizojnë aplikimin e saj në prodhim. Hidroksipropil metilceluloza (HPMC) është një eter propilen glikol i metilcelulozës, i cili i përket eterit celuloz jo-jonik. HPMC është film-formues, i tretshëm në ujë dhe i rinovueshëm. HPMC ka viskozitet të ulët dhe forcë xheli në temperatura të ulëta dhe performancë relativisht të dobët të përpunimit, por mund të formojë një xhel relativisht viskoz si të ngurtë në temperatura të larta, kështu që shumë procese prodhimi duhet të kryhen në temperatura të larta, duke rezultuar në konsum të lartë të energjisë në prodhim. Kostot e prodhimit janë të larta. Literatura tregon se njësia e manozës së pazëvendësuar në zinxhirin molekular KGM mund të formojë një rajon shoqërimi hidrofobik të ndërlidhur dobët me grupin hidrofobik në zinxhirin molekular HPMC përmes ndërveprimit hidrofobik. Kjo strukturë mund të vonojë dhe parandalojë pjesërisht xhelatimin termik të HPMC dhe të ulë temperaturën e xhelit të HPMC. Përveç kësaj, në funksion të vetive me viskozitet të ulët të HPMC në temperatura relativisht të ulëta, parashikohet që përbërja e tij me KGM mund të përmirësojë vetitë me viskozitet të lartë të KGM dhe të përmirësojë performancën e tij të përpunimit. Prandaj, ky punim do të ndërtojë një sistem të përbërjes KGM/HPMC për të eksploruar ndikimin e fraksionit të masës së tretësirës dhe raportit të përbërjes në vetitë reologjike të sistemit KGM/HPMC dhe do të ofrojë një referencë teorike për aplikimin e sistemit të përbërjes KGM/HPMC në industria ushqimore.

1. Materialet dhe metodat

1.1 Materialet dhe reagentët

Hidroksipropil metilcelulozë, KIMA CHEMICAL CO., LTD, fraksioni masiv 2%, viskoziteti 6 mPa·s; fraksioni masiv metoksi 28%~30%; Pjesa masive e hidroksipropilit 7,0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viskozitet 1 wt% tretësirë ​​ujore≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrumentet dhe pajisjet

Rheometër rrotullues MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austri; Makinë me ujë ultra të pastër UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 bilanc elektronik analitik, kompania Swiss Mette; LHS-150HC banjë uji me temperaturë konstante, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Përzierëse elektrike JJ-1, Fabrika e Instrumenteve Mjekësore Jintan, Provinca Jiangsu.

1.3 Përgatitja e tretësirës së përbërë

Peshoni pluhurat HPMC dhe KGM me një raport të caktuar të përbërjes (raporti i masës: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), shtoni ngadalë në ujë të dejonizuar në 60°Bëjeni një banjë uji dhe përzieni për 1,5-2 orë për ta bërë atë të shpërndahet në mënyrë të barabartë, dhe përgatitni 5 lloje tretësish gradient me fraksione totale të masës së ngurtë përkatësisht 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% dhe 1,50%.

1.4 Prova e vetive reologjike të tretësirës së përbërjes

Testi i prerjes në gjendje të qëndrueshme: Kurba reologjike e tretësirës së përbërjes KGM/HPMC u mat duke përdorur një kon dhe pllakë CP50, hendeku midis pllakave të sipërme dhe të poshtme u fiksua në 0.1 mm, temperatura e matjes ishte 25°C, dhe diapazoni i shpejtësisë së prerjes ishte 0,1 deri në 100 s-1.

Skanimi i sforcimit (përcaktimi i rajonit viskoelastik linear): Përdorni pllakën PP50 për të matur rajonin linear viskoelastik dhe ligjin e ndryshimit të modulit të tretësirës së përbërjes KGM/HPMC, vendosni hapësirën në 1000 mm, frekuencën fikse në 1 Hz dhe temperaturën e matjes në 25°C. Gama e sforcimit është 0.1%~100%.

Fshirja e frekuencës: Përdorni një pllakë PP50 për të matur ndryshimin e modulit dhe varësinë nga frekuenca e tretësirës së përbërjes KGM/HPMC. Hapësira është vendosur në 1000 mm, tendosja është 1%, temperatura e matjes është 25°C, dhe diapazoni i frekuencës është 0,1-100 Hz.

Skanimi i temperaturës: Moduli dhe varësia e tij nga temperatura e tretësirës së përbërjes KGM/HPMC u matën duke përdorur një pllakë PP50, distanca u vendos në 1000 mm, frekuenca fikse ishte 1 Hz, deformimi ishte 1%, dhe temperatura ishte nga 25 deri në 90°C.

2. Rezultatet dhe analizat

2.1 Analiza e kurbës së rrjedhës së sistemit të përbërjes KGM/HPMC

Kurbat e viskozitetit kundrejt shpejtësisë së prerjes së tretësirave KGM/HPMC me raporte të ndryshme të përbërjes në fraksione të ndryshme masive. Lëngjet, viskoziteti i të cilëve është funksion linear i shpejtësisë së prerjes quhen lëngje njutoniane, përndryshe quhen lëngje jo njutoniane. Nga kurba shihet se viskoziteti i tretësirës KGM dhe tretësirës së përbërjes KGM/HPMC zvogëlohet me rritjen e shpejtësisë së prerjes; sa më e lartë të jetë përmbajtja e KGM, aq më i lartë është fraksioni i masës së sistemit dhe aq më i dukshëm është fenomeni i hollimit të prerjes së tretësirës. Kjo tregon se sistemi i përbërjes KGM dhe KGM/HPMC janë lëngje jo-njutoniane dhe lloji i lëngut i sistemit të përbërjes KGM/HPMC përcaktohet kryesisht nga KGM.

Nga indeksi i rrjedhjes dhe koeficienti i viskozitetit të tretësirave KGM/HPMC me fraksione të ndryshme të masës dhe raporte të ndryshme përbërësish, mund të shihet se vlerat n të sistemeve të përbërjes KGM, HPMC dhe KGM/HPMC janë të gjitha më pak se 1, duke treguar se tretësirat janë të gjithë lëngjet pseudoplastike. Për sistemin e përbërjes KGM/HPMC, rritja e fraksionit masiv të sistemit do të shkaktojë ngatërrim dhe ndërveprime të tjera midis zinxhirëve molekularë HPMC dhe KGM në tretësirë, gjë që do të zvogëlojë lëvizshmërinë e zinxhirëve molekularë, duke ulur kështu vlerën n të sistemin. Në të njëjtën kohë, me rritjen e përmbajtjes së KGM, ndërveprimi midis zinxhirëve molekularë KGM në sistemin KGM/HPMC përmirësohet, duke ulur kështu lëvizshmërinë e tij dhe duke rezultuar në një ulje të vlerës n. Përkundrazi, vlera K e tretësirës së përbërjes KGM/HPMC rritet vazhdimisht me rritjen e fraksionit masiv të tretësirës dhe përmbajtjes së KGM, e cila është kryesisht për shkak të rritjes së fraksionit masiv të sistemit dhe përmbajtjes së KGM, të cilat të dyja rrisin përmbajtjen e grupet hidrofile në sistem. , duke rritur ndërveprimin molekular brenda zinxhirit molekular dhe midis zinxhirëve, duke rritur kështu rrezen hidrodinamike të molekulës, duke e bërë më pak të ngjarë të orientohet nën veprimin e forcës së jashtme prerëse dhe duke rritur viskozitetin.

Vlera teorike e viskozitetit me prerje zero të sistemit të përbërjes KGM/HPMC mund të llogaritet sipas parimit të mbledhjes logaritmike të mësipërme dhe vlera e tij eksperimentale mund të merret nga ekstrapolimi i përshtatjes së Carren të lakores së shpejtësisë viskozitet-prerje. Duke krahasuar vlerën e parashikuar të viskozitetit me prerje zero të sistemit të përbërjes KGM/HPMC me fraksione të ndryshme masive dhe raporte të ndryshme të përbërjes me vlerën eksperimentale, mund të shihet se vlera aktuale e viskozitetit me prerje zero të përbërjes KGM/HPMC zgjidhja është më e vogël se vlera teorike. Kjo tregoi se një asamble e re me një strukturë të dendur u formua në sistemin kompleks të KGM dhe HPMC. Studimet ekzistuese kanë treguar se njësitë e manozës së pazëvendësuar në zinxhirin molekular të KGM mund të ndërveprojnë me grupet hidrofobike në zinxhirin molekular HPMC për të formuar një rajon shoqërimi hidrofobik të ndërlidhur dobët. Spekulohet se struktura e re e montimit me një strukturë relativisht të dendur është formuar kryesisht nëpërmjet ndërveprimeve hidrofobike. Kur raporti KGM është i ulët (HPMC > 50%), vlera aktuale e viskozitetit të prerjes zero të sistemit KGM/HPMC është më e ulët se vlera teorike, gjë që tregon se në përmbajtje të ulët të KGM, më shumë molekula marrin pjesë në të renë më të dendur. strukturën. Në formimin e , viskoziteti zero-prerës i sistemit zvogëlohet më tej.

2.2 Analiza e kurbave të sforcimit të sistemit të përbërjes KGM/HPMC

Nga lakoret e marrëdhënieve të modulit dhe sforcimit prerës të tretësirave KGM/HPMC me fraksione të ndryshme të masës dhe raporte të ndryshme të përbërjes, mund të shihet se kur sforcimi në prerje është më pak se 10%, G''dhe G″e sistemit të përbërë në thelb nuk rriten me sforcimin prerës. Megjithatë, ajo tregon se brenda këtij diapazoni të tendosjes prerëse, sistemi i përbërjes mund t'i përgjigjet stimujve të jashtëm përmes ndryshimit të konformacionit të zinxhirit molekular dhe struktura e sistemit të përbërjes nuk dëmtohet. Kur sforcimi i prerjes është >10%, i jashtëm Nën veprimin e forcës prerëse, shpejtësia e shkëputjes së zinxhirëve molekularë në sistemin kompleks është më e madhe se shpejtësia e ngatërrimit, G''dhe G″fillojnë të ulen, dhe sistemi hyn në rajonin viskoelastik jolinear. Prandaj, në testin e mëvonshëm të frekuencës dinamike, parametri i sforcimit në prerje u zgjodh si 1% për testim.

2.3 Analiza e kurbës së fshirjes së frekuencës së sistemit të përbërjes KGM/HPMC

Lakoret e variacionit të modulit të ruajtjes dhe modulit të humbjes me frekuencë për tretësirat KGM/HPMC me raporte të ndryshme të përbërjes nën fraksione të ndryshme masive. Moduli i ruajtjes G' përfaqëson energjinë që mund të rikuperohet pas ruajtjes së përkohshme në provë, dhe moduli i humbjes G" nënkupton energjinë e nevojshme për rrjedhën fillestare, e cila është një humbje e pakthyeshme dhe përfundimisht shndërrohet në nxehtësi prerëse. Mund të shihet se, me rritjen e frekuencës së lëkundjeve, moduli i humbjes G″është gjithmonë më i madh se moduli i ruajtjes G'', duke treguar sjellje të lëngshme. Në diapazonin e frekuencës së provës, moduli i ruajtjes G' dhe moduli i humbjes G” rriten me rritjen e frekuencës së lëkundjeve. Kjo kryesisht për faktin se me rritjen e frekuencës së lëkundjeve, segmentet e zinxhirit molekular në sistem nuk kanë kohë për t'u rikuperuar në deformim në një kohë të shkurtër Gjendja e mëparshme, duke treguar kështu fenomenin që mund të ruhet më shumë energji ( më i madh G'') ose duhet të humbet (G″).

Me rritjen e frekuencës së lëkundjeve, moduli i ruajtjes së sistemit bie papritur, dhe me rritjen e fraksionit masiv dhe përmbajtjes së KGM të sistemit, pika e frekuencës së rënies së papritur rritet gradualisht. Rënia e papritur mund të jetë për shkak të shkatërrimit të strukturës kompakte të formuar nga lidhja hidrofobike midis KGM dhe HPMC në sistem nga prerja e jashtme. Për më tepër, rritja e fraksionit të masës së sistemit dhe përmbajtjes së KGM është e dobishme për të ruajtur stabilitetin e strukturës së dendur dhe rrit vlerën e frekuencës së jashtme që shkatërron strukturën.

2.4 Analiza e kurbës së skanimit të temperaturës së sistemit të përbërë KGM/HPMC

Nga kthesat e modulit të ruajtjes dhe modulit të humbjes së tretësirave KGM/HPMC me fraksione të ndryshme masive dhe raporte të ndryshme të përbërjes, mund të shihet se kur fraksioni masiv i sistemit është 0,50%, G''dhe G″e tretësirës HPMC vështirë se ndryshon me temperaturën. , dhe G″> G'', dominon viskoziteti i sistemit; kur fraksioni masiv rritet, G''e tretësirës HPMC së pari mbetet e pandryshuar dhe më pas rritet ndjeshëm, dhe G''dhe G″kryqëzohen rreth orës 70°C (Temperatura e pikës së kryqëzimit është pika e xhelit), dhe sistemi formon një xhel në këtë kohë, duke treguar kështu që HPMC është një xhel i induktuar termikisht. Për zgjidhjen KGM, kur pjesa masive e sistemit është 0,50% dhe 0,75%, G''dhe G të sistemit “paraqitet prirje në rënie; kur fraksioni masiv rritet, G' dhe G" e tretësirës KGM fillimisht zvogëlohen dhe më pas rriten ndjeshëm, gjë që tregon se tretësira KGM shfaq veti të ngjashme me xhelin në fraksione me masë të lartë dhe temperatura të larta.

Me rritjen e temperaturës, G''dhe G″i sistemit kompleks KGM/HPMC fillimisht u ul dhe më pas u rrit ndjeshëm, dhe G''dhe G″u shfaqën pika kryqëzimi, dhe sistemi formoi një xhel. Kur molekulat HPMC janë në temperaturë të ulët, lidhja hidrogjenore ndodh midis grupeve hidrofile në zinxhirin molekular dhe molekulave të ujit, dhe kur temperatura rritet, nxehtësia e aplikuar shkatërron lidhjet hidrogjenore të formuara midis HPMC dhe molekulave të ujit, duke rezultuar në formimin e HPMC makromolekulare. zinxhirë. Grupet hidrofobike në sipërfaqe ekspozohen, ndodh shoqërimi hidrofobik dhe formohet një xhel termotropik. Për sistemin e fraksionit me masë të ulët, më shumë përmbajtje KGM mund të formojnë xhel; për sistemin e fraksionit me masë të lartë, më shumë përmbajtje HPMC mund të formojnë xhel. Në sistemin e fraksionit me masë të ulët (0.50%), prania e molekulave KGM zvogëlon probabilitetin e formimit të lidhjeve hidrogjenore midis molekulave HPMC, duke rritur kështu mundësinë e ekspozimit të grupeve hidrofobike në molekulat HPMC, gjë që është e favorshme për formimin e xhelit termotropik. Në sistemin e fraksionit me masë të lartë, nëse përmbajtja e KGM është shumë e lartë, viskoziteti i sistemit është i lartë, i cili nuk është i favorshëm për lidhjen hidrofobike midis molekulave HPMC dhe KGM, gjë që nuk është e favorshme për formimin e xhelit termogjenik.

3. Përfundim

Në këtë punim studiohet sjellja reologjike e sistemit të komponimit të KGM dhe HPMC. Rezultatet tregojnë se sistemi i përbërë i KGM/HPMC është një lëng jo-njutonian, dhe lloji i lëngut i sistemit të përbërë të KGM/HPMC përcaktohet kryesisht nga KGM. Rritja e fraksionit të masës së sistemit dhe përmbajtjes së KGM uli rrjedhshmërinë e tretësirës së përbërjes dhe rriti viskozitetin e saj. Në gjendjen sol, zinxhirët molekularë të KGM dhe HPMC formojnë një strukturë më të dendur përmes ndërveprimeve hidrofobike. Struktura në sistem shkatërrohet nga prerja e jashtme, duke rezultuar në një rënie të papritur të modulit të ruajtjes së sistemit. Rritja e fraksionit të masës së sistemit dhe përmbajtjes së KGM është e dobishme për të ruajtur qëndrueshmërinë e strukturës së dendur dhe për të rritur vlerën e frekuencës së jashtme që shkatërron strukturën. Për sistemin e fraksionit me masë të ulët, më shumë përmbajtje KGM është e favorshme për formimin e xhelit; për sistemin e fraksionit me masë të lartë, më shumë përmbajtje HPMC është e favorshme për formimin e xhelit.