Studie om reologiskt beteende hos konjakglukomannan och hydroxipropylmetylcellulosaföreningssystem

Sammansättningssystemet av konjakglukomannan (KGM) och hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC) togs som forskningsobjekt, och stationära skjuvnings-, frekvens- och temperatursveptesterna utfördes på det sammansatta systemet med rotationsreometer. Inverkan av lösningsmassfraktion och föreningsförhållande på viskositet och reologiska egenskaper hos KGM/HPMC-föreningssystem analyserades. Resultaten visar att KGM/HPMC-föreningssystemet är en icke-newtonsk vätska, och ökningen av massfraktionen och KGM-innehållet i systemet minskar fluiditeten hos föreningslösningen och ökar viskositeten. I soltillståndet bildar KGM- och HPMC-molekylkedjorna en mer kompakt struktur genom hydrofoba interaktioner. Att öka systemets massfraktion och KGM-innehåll bidrar till att bibehålla strukturens stabilitet. I lågmassfraktionssystemet är ökning av innehållet av KGM fördelaktigt för bildningen av termotropa geler; medan i högmassfraktionssystemet är ökning av innehållet av HPMC gynnsam för bildningen av termotropa geler.

Nyckelord:konjak glukomannan; hydroxipropylmetylcellulosa; förening; reologiskt beteende

Naturliga polysackarider används i stor utsträckning inom livsmedelsindustrin på grund av deras förtjockande, emulgerande och gelningsegenskaper. Konjak glucomannan (KGM) är en naturlig växtpolysackarid som består avβ-D-glukos ochβ-D-mannos i förhållandet 1,6:1, de två är länkade avβ-1,4 glykosidbindningar, i C- Det finns en liten mängd acetyl i position 6 (ungefär 1 acetyl för var 17:e rest). Den höga viskositeten och den dåliga flytbarheten hos KGM vattenlösning begränsar emellertid dess användning i produktionen. Hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC) är en propylenglykoleter av metylcellulosa, som tillhör nonjonisk cellulosaeter. HPMC är filmbildande, vattenlösligt och förnybart. HPMC har låg viskositet och gelstyrka vid låga temperaturer och relativt dålig bearbetningsprestanda, men kan bilda en relativt viskös fast-liknande gel vid höga temperaturer, så många produktionsprocesser måste utföras vid höga temperaturer, vilket resulterar i hög produktionsenergiförbrukning. Produktionskostnaderna är höga. Litteraturen visar att den osubstituerade mannosenheten på KGM-molekylkedjan kan bilda en svagt tvärbunden hydrofob associationsregion med den hydrofoba gruppen på HPMC-molekylkedjan genom hydrofob interaktion. Denna struktur kan fördröja och delvis förhindra den termiska gelningen av HPMC och sänka geltemperaturen för HPMC. Dessutom, med tanke på de lågviskösa egenskaperna hos HPMC vid relativt låga temperaturer, förutsägs det att dess blandning med KGM kan förbättra högviskösa egenskaperna hos KGM och förbättra dess bearbetningsprestanda. Därför kommer denna artikel att konstruera ett KGM/HPMC-föreningssystem för att utforska inverkan av lösningens massfraktion och föreningsförhållande på de reologiska egenskaperna hos KGM/HPMC-systemet, och ge en teoretisk referens för tillämpningen av KGM/HPMC-föreningssystemet i livsmedelsindustrin.

1. Material och metoder

1.1 Material och reagens

Hydroxipropylmetylcellulosa, KIMA CHEMICAL CO., LTD, massfraktion 2 %, viskositet 6 mPa·s; metoximassfraktion 28%~30%; hydroxipropylmassfraktion 7,0%~12%.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 vikt% vattenlösningens viskositet≥28 000 mPa·s.

1.2 Instrument och utrustning

MCR92 rotationsreometer, Anton Paar Co., Ltd., Österrike; UPT-II-10T ultrarent vattenmaskin, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektronisk analytisk våg, schweiziska Mette-företaget; LHS-150HC vattenbad med konstant temperatur, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 elektrisk omrörare, Jintan Medical Instrument Factory, Jiangsu-provinsen.

1.3 Beredning av sammansatt lösning

Väg upp HPMC- och KGM-pulver med ett visst blandningsförhållande (massförhållande: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), tillsätt dem långsamt i avjoniserat vatten i en 60°C vattenbad och rör om i 1,5 ~ 2 timmar för att göra det jämnt dispergerat och förbered 5 sorters gradientlösningar med totala fasta massfraktioner på 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% respektive 1,50%.

1.4 Test av reologiska egenskaper hos föreningslösning

Steady-state skjuvtest: Den reologiska kurvan för KGM/HPMC-föreningslösningen mättes med en CP50-kon och platta, gapet mellan de övre och nedre plattorna fixerades till 0,1 mm, mättemperaturen var 25°C, och skjuvhastighetsintervallet var 0,1 till 100 s-1.

Töjningsskanning (bestämning av linjär viskoelastisk region): Använd PP50-platta för att mäta den linjära viskoelastiska regionen och modulförändringslagen för KGM/HPMC-blandningslösning, ställ in avståndet till 1 000 mm, fast frekvens till 1 Hz och mättemperaturen till 25°C. Töjningsintervallet är 0,1%~100%.

Frekvenssvep: Använd en PP50-platta för att mäta modulförändringen och frekvensberoendet för KGM/HPMC-föreningslösningen. Avståndet är inställt på 1 000 mm, töjningen är 1 %, mättemperaturen är 25°C, och frekvensområdet är 0,1-100 Hz.

Temperaturavsökning: Modulen och dess temperaturberoende för KGM/HPMC-föreningslösningen mättes med en PP50-platta, avståndet sattes till 1 000 mm, den fasta frekvensen var 1 Hz, deformationen var 1 % och temperaturen var från 25 till 90°C.

2. Resultat och analys

2.1 Flödeskurvaanalys av KGM/HPMC-föreningssystem

Viskositet kontra skjuvhastighetskurvor för KGM/HPMC-lösningar med olika blandningsförhållanden vid olika massfraktioner. Vätskor vars viskositet är en linjär funktion av skjuvhastigheten kallas newtonska vätskor, annars kallas de icke-newtonska vätskor. Det kan ses från kurvan att viskositeten för KGM-lösning och KGM/HPMC-föreningslösning minskar med ökningen av skjuvhastigheten; ju högre KGM-halt, desto högre systemmassfraktion, och desto mer uppenbart är lösningens skjuvförtunningsfenomen. Detta visar att KGM- och KGM/HPMC-sammansättningssystem är icke-newtonska vätskor, och vätsketypen för KGM/HPMC-sammansättningssystem bestäms huvudsakligen av KGM.

Från flödesindex och viskositetskoefficient för KGM/HPMC-lösningar med olika massfraktioner och olika föreningsförhållanden kan man se att n-värdena för KGM-, HPMC- och KGM/HPMC-föreningssystem alla är mindre än 1, vilket indikerar att lösningarna är alla pseudoplastiska vätskor. För KGM/HPMC-föreningssystemet kommer ökningen av massfraktionen av systemet att orsaka intrassling och andra interaktioner mellan HPMC- och KGM-molekylkedjorna i lösningen, vilket kommer att minska rörligheten för molekylkedjorna och därigenom minska n-värdet av systemet. Samtidigt, med ökningen av KGM-innehåll, förbättras interaktionen mellan KGM-molekylkedjor i KGM/HPMC-systemet, vilket minskar dess rörlighet och resulterar i en minskning av n-värdet. Tvärtom ökar K-värdet för KGM/HPMC-föreningslösningen kontinuerligt med ökningen av lösningens massfraktion och KGM-halt, vilket främst beror på ökningen av systemmassfraktionen och KGM-halten, som båda ökar halten av hydrofila grupper i systemet. ökar den molekylära interaktionen inom molekylkedjan och mellan kedjorna, vilket ökar den hydrodynamiska radien för molekylen, vilket gör det mindre sannolikt att den orienteras under inverkan av yttre skjuvkraft och ökar viskositeten.

Det teoretiska värdet av nollskjuvningsviskositeten för KGM/HPMC-föreningssystemet kan beräknas enligt ovanstående logaritmiska summeringsprincip, och dess experimentella värde kan erhållas genom Carren-anpassningsextrapolering av viskositets-skjuvhastighetskurvan. Genom att jämföra det förutsagda värdet av nollskjuvningsviskositeten för KGM/HPMC-föreningssystemet med olika massfraktioner och olika blandningsförhållanden med experimentvärdet, kan det ses att det faktiska värdet av nollskjuvningsviskositeten för KGM/HPMC-föreningen lösningen är mindre än det teoretiska värdet. Detta indikerade att en ny sammansättning med en tät struktur bildades i det komplexa systemet av KGM och HPMC. Befintliga studier har visat att de osubstituerade mannosenheterna på KGM-molekylkedjan kan interagera med de hydrofoba grupperna på HPMC-molekylkedjan för att bilda en svagt tvärbunden hydrofob associationsregion. Det spekuleras i att den nya monteringsstrukturen med en relativt tät struktur huvudsakligen bildas genom hydrofoba interaktioner. När KGM-förhållandet är lågt (HPMC > 50%) är det faktiska värdet av nollskjuvningsviskositeten för KGM/HPMC-systemet lägre än det teoretiska värdet, vilket indikerar att vid lågt KGM-innehåll deltar fler molekyler i den tätare nya strukturera. Vid bildandet av , reduceras systemets nollskjuvningsviskositet ytterligare.

2.2 Analys av töjningssvepkurvor för KGM/HPMC-föreningssystem

Från sambandskurvorna för modul och skjuvtöjning för KGM/HPMC-lösningar med olika massfraktioner och olika blandningsförhållanden, kan man se att när skjuvtöjningen är mindre än 10 %, G"och G″av det sammansatta systemet ökar i princip inte med skjuvtöjningen. Det visar emellertid att inom detta skjuvtöjningsintervall kan det sammansatta systemet reagera på yttre stimuli genom förändring av molekylkedjekonformationen, och strukturen av det sammansatta systemet skadas inte. När skjuvtöjningen är >10 %, är den yttre Under inverkan av skjuvkraften är lösgöringshastigheten för molekylkedjor i det komplexa systemet större än hoptrasslingshastigheten, G"och G″börjar minska, och systemet går in i den icke-linjära viskoelastiska regionen. I det efterföljande dynamiska frekvenstestet valdes därför skjuvtöjningsparametern till 1 % för testning.

2.3 Frekvenssvepkurvaanalys av KGM/HPMC-föreningssystem

Variationskurvor för lagringsmodul och förlustmodul med frekvens för KGM/HPMC-lösningar med olika blandningsförhållanden under olika massfraktioner. Lagringsmodulen G' representerar den energi som kan återvinnas efter tillfällig lagring i testet, och förlustmodulen G" betyder den energi som krävs för det initiala flödet, vilket är en irreversibel förlust och slutligen omvandlas till skjuvvärme. Det kan ses att, med När oscillationsfrekvensen ökar, förlustmodulen G″är alltid större än lagringsmodulen G", som visar vätskebeteende. I testfrekvensområdet ökar lagringsmodulen G' och förlustmodulen G" med ökningen av oscillationsfrekvensen. Detta beror främst på det faktum att med ökningen av oscillationsfrekvensen har molekylkedjesegmenten i systemet ingen tid att återhämta sig till deformationen på kort tid. Det tidigare tillståndet, vilket visar fenomenet att mer energi kan lagras ( större G") eller behöver försvinna (G″).

Med ökningen av oscillationsfrekvensen sjunker systemets lagringsmodul plötsligt, och med ökningen av massfraktionen och KGM-innehållet i systemet ökar frekvenspunkten för det plötsliga fallet gradvis. Det plötsliga fallet kan bero på förstörelsen av den kompakta strukturen som bildas av den hydrofoba associationen mellan KGM och HPMC i systemet genom extern skjuvning. Dessutom är ökningen av systemets massfraktion och KGM-innehåll fördelaktig för att upprätthålla stabiliteten hos den täta strukturen och ökar det externa frekvensvärdet som förstör strukturen.

2.4 Temperaturskanningskurvaanalys av KGM/HPMC-kompositsystem

Från kurvorna för lagringsmodul och förlustmodul för KGM/HPMC-lösningar med olika massfraktioner och olika blandningsförhållanden, kan man se att när massfraktionen av systemet är 0,50 %, G"och G″av HPMC-lösningen förändras knappt med temperaturen. , och G″>G", systemets viskositet dominerar; när massfraktionen ökar, G"av HPMC-lösningen förblir först oförändrad och ökar sedan kraftigt, och G"och G″skära vid cirka 70°C (Skärningspunktstemperaturen är gelpunkten), och systemet bildar en gel vid denna tidpunkt, vilket således indikerar att HPMC är en termiskt inducerad gel. För KGM-lösningen, när massandelen av systemet är 0,50 % och 0,75 %, är G"och G i systemet "visar en minskande trend; när massfraktionen ökar, minskar först G' och G" för KGM-lösningen och ökar sedan avsevärt, vilket indikerar att KGM-lösningen uppvisar gelliknande egenskaper vid höga massfraktioner och höga temperaturer.

Med ökningen av temperaturen kommer G"och G″av det komplexa KGM/HPMC-systemet minskade först och ökade sedan avsevärt, och G"och G″uppträdde skärningspunkter, och systemet bildade en gel. När HPMC-molekyler är vid låg temperatur, sker vätebindning mellan de hydrofila grupperna på molekylkedjan och vattenmolekyler, och när temperaturen stiger förstör den applicerade värmen vätebindningarna som bildas mellan HPMC och vattenmolekyler, vilket resulterar i bildandet av HPMC-makromolekyler kedjor. De hydrofoba grupperna på ytan exponeras, hydrofob association uppstår och en termotrop gel bildas. För lågmassfraktionssystemet kan mer KGM-innehåll bilda gel; för system med hög massfraktion kan mer HPMC-innehåll bilda gel. I lågmassfraktionssystemet (0,50%) minskar närvaron av KGM-molekyler sannolikheten för att bilda vätebindningar mellan HPMC-molekyler, vilket ökar möjligheten för exponering av hydrofoba grupper i HPMC-molekyler, vilket bidrar till bildandet av termotropa geler. I systemet med hög massfraktion, om innehållet av KGM är för högt, är viskositeten i systemet hög, vilket inte bidrar till den hydrofoba associationen mellan HPMC och KGM-molekyler, vilket inte bidrar till bildningen av termogen gel.

3. Slutsats

I denna artikel studeras det reologiska beteendet hos sammansättningssystemet av KGM och HPMC. Resultaten visar att det sammansatta systemet av KGM/HPMC är en icke-newtonsk vätska, och vätsketypen för det sammansatta systemet av KGM/HPMC bestäms huvudsakligen av KGM. Ökning av systemmassfraktionen och KGM-innehåll minskade både fluiditeten hos föreningslösningen och ökade dess viskositet. I soltillståndet bildar molekylkedjorna av KGM och HPMC en tätare struktur genom hydrofoba interaktioner. Strukturen i systemet förstörs av extern skjuvning, vilket resulterar i ett plötsligt fall i systemets lagringsmodul. Ökningen av systemets massfraktion och KGM-innehåll är fördelaktigt för att bibehålla stabiliteten hos den täta strukturen och öka det externa frekvensvärdet som förstör strukturen. För lågmassfraktionssystemet bidrar mer KGM-innehåll till bildningen av gel; för systemet med hög massfraktion bidrar mer HPMC-innehåll till bildningen av gel.