Pag-aaral sa rheological behavior ng konjac glucomannan at hydroxypropyl methylcellulose compound system

Ang compound system ng konjac glucomannan (KGM) at hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) ay kinuha bilang research object, at ang steady-state shear, frequency at temperature sweep test ay isinagawa sa compound system sa pamamagitan ng rotational rheometer. Nasuri ang impluwensya ng solution mass fraction at compound ratio sa lagkit at rheological na katangian ng KGM/HPMC compound system. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang KGM/HPMC compound system ay isang non-Newtonian fluid, at ang pagtaas sa mass fraction at KGM content ng system ay binabawasan ang fluidity ng compound solution at pinatataas ang lagkit. Sa estado ng sol, ang mga molecular chain ng KGM at HPMC ay bumubuo ng isang mas compact na istraktura sa pamamagitan ng hydrophobic na pakikipag-ugnayan. Ang pagtaas ng sistema ng mass fraction at KGM na nilalaman ay nakakatulong sa pagpapanatili ng katatagan ng istraktura. Sa mababang sistema ng mass fraction, ang pagtaas ng nilalaman ng KGM ay kapaki-pakinabang sa pagbuo ng mga thermotropic gels; habang sa sistema ng mataas na mass fraction, ang pagtaas ng nilalaman ng HPMC ay nakakatulong sa pagbuo ng mga thermotropic gel.

Susing salita:konjac glucomannan; hydroxypropyl methylcellulose; tambalan; rheological na pag-uugali

Ang mga likas na polysaccharides ay malawakang ginagamit sa industriya ng pagkain dahil sa kanilang pampalapot, emulsifying at gelling properties. Ang Konjac glucomannan (KGM) ay isang natural na polysaccharide ng halaman, na binubuo ngβ-D-glucose atβ-D-mannose sa isang ratio na 1.6:1, ang dalawa ay naka-link ngβ-1,4 glycosidic bond, sa C- Mayroong maliit na halaga ng acetyl sa posisyon 6 (humigit-kumulang 1 acetyl para sa bawat 17 nalalabi). Gayunpaman, ang mataas na lagkit at mahinang pagkalikido ng KGM aqueous solution ay nililimitahan ang aplikasyon nito sa produksyon. Ang Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) ay isang propylene glycol ether ng methylcellulose, na kabilang sa non-ionic cellulose eter. Ang HPMC ay bumubuo ng pelikula, nalulusaw sa tubig, at nababago. Ang HPMC ay may mababang lagkit at lakas ng gel sa mababang temperatura, at medyo mahina ang pagganap ng pagproseso, ngunit maaaring bumuo ng medyo malapot na solid-like na gel sa mataas na temperatura, kaya maraming mga proseso ng produksyon ang dapat isagawa sa mataas na temperatura, na nagreresulta sa mataas na pagkonsumo ng enerhiya sa produksyon. Mataas ang gastos sa produksyon. Ang panitikan ay nagpapakita na ang unsubstituted mannose unit sa KGM molecular chain ay maaaring bumuo ng mahinang cross-linked hydrophobic association region kasama ang hydrophobic group sa HPMC molecular chain sa pamamagitan ng hydrophobic interaction. Ang istrakturang ito ay maaaring maantala at bahagyang maiwasan ang thermal gelation ng HPMC at babaan ang gel temperature ng HPMC. Bilang karagdagan, dahil sa mababang lagkit na katangian ng HPMC sa medyo mababang temperatura, hinuhulaan na ang pagsasama nito sa KGM ay maaaring mapabuti ang mataas na lagkit na katangian ng KGM at mapabuti ang pagganap ng pagproseso nito. Samakatuwid, ang papel na ito ay gagawa ng isang KGM/HPMC compound system upang tuklasin ang impluwensya ng solution mass fraction at compound ratio sa rheological properties ng KGM/HPMC system, at magbibigay ng teoretikal na sanggunian para sa aplikasyon ng KGM/HPMC compound system sa industriya ng pagkain.

1. Mga materyales at pamamaraan

1.1 Mga materyales at reagents

Hydroxypropyl methylcellulose, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, mass fraction 2%, lagkit 6 mPa·s; methoxy mass fraction 28%~30%; hydroxypropyl mass fraction 7.0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., 1 wt% aqueous solution lagkit≥28 000 mPa·s.

1.2 Mga instrumento at kagamitan

MCR92 rotational rheometer, Anton Paar Co., Ltd., Austria; UPT-II-10T ultrapure water machine, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 electronic analytical balance, kumpanya ng Swiss Mette; LHS-150HC pare-pareho ang temperatura na paliguan ng tubig, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 Electric Stirrer, Jintan Medical Instrument Factory, Jiangsu Province.

1.3 Paghahanda ng tambalang solusyon

Timbangin ang HPMC at KGM powder na may partikular na compounding ratio (mass ratio: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), dahan-dahang idagdag ang mga ito sa deionized na tubig sa isang 60°C water bath, at haluin ng 1.5~ 2 h upang gawin itong magkalat nang pantay, at maghanda ng 5 uri ng gradient solution na may kabuuang solidong mass fraction na 0.50%, 0.75%, 1.00%, 1.25%, at 1.50%, ayon sa pagkakabanggit.

1.4 Pagsubok ng mga rheological na katangian ng tambalang solusyon

Steady-state shear test: Ang rheological curve ng KGM/HPMC compound solution ay sinusukat gamit ang CP50 cone at plate, ang agwat sa pagitan ng upper at lower plates ay naayos sa 0.1 mm, ang temperatura ng pagsukat ay 25°C, at ang saklaw ng shear rate ay 0.1 hanggang 100 s-1.

Strain scanning (pagtukoy ng linear viscoelastic region): Gumamit ng PP50 plate para sukatin ang linear viscoelastic region at modulus change law ng KGM/HPMC compound solution, itakda ang spacing sa 1.000 mm, fixed frequency sa 1Hz, at measurement temperature sa 25°C. Ang hanay ng strain ay 0.1%~100%.

Frequency sweep: Gumamit ng PP50 plate para sukatin ang modulus change at frequency dependence ng KGM/HPMC compound solution. Ang spacing ay nakatakda sa 1.000 mm, ang strain ay 1%, ang temperatura ng pagsukat ay 25°C, at ang frequency range ay 0.1-100 Hz.

Pag-scan sa temperatura: Ang modulus at ang pagdepende sa temperatura nito ng KGM/HPMC compound solution ay sinusukat gamit ang PP50 plate, ang spacing ay itinakda sa 1.000 mm, ang fixed frequency ay 1 Hz, ang deformation ay 1%, at ang temperatura ay mula sa 25 hanggang 90°C.

2. Mga Resulta at Pagsusuri

2.1 Pagsusuri ng curve ng daloy ng KGM/HPMC compound system

Viscosity versus shear rate curves ng KGM/HPMC solution na may iba't ibang compounding ratios sa iba't ibang mass fraction. Ang mga likido na ang lagkit ay isang linear na function ng shear rate ay tinatawag na Newtonian fluid, kung hindi man ay tinatawag silang non-Newtonian fluid. Makikita mula sa curve na ang lagkit ng KGM solution at KGM/HPMC compound solution ay bumababa sa pagtaas ng shear rate; mas mataas ang nilalaman ng KGM, mas mataas ang mass fraction ng system, at mas malinaw ang shear thinning phenomenon ng solusyon. Ipinapakita nito na ang KGM at KGM/HPMC compound system ay mga non-Newtonian fluid, at ang uri ng fluid ng KGM/HPMC compound system ay pangunahing tinutukoy ng KGM.

Mula sa flow index at viscosity coefficient ng KGM/HPMC solution na may iba't ibang mass fraction at iba't ibang compound ratio, makikita na ang n value ng KGM, HPMC at KGM/HPMC compound system ay mas mababa sa 1, na nagpapahiwatig na ang mga solusyon ay lahat ng pseudoplastic fluid. Para sa sistema ng tambalang KGM/HPMC, ang pagtaas ng mass fraction ng system ay magdudulot ng pagkagambala at iba pang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molecular chain ng HPMC at KGM sa solusyon, na magbabawas sa mobility ng mga molecular chain, at sa gayon ay mababawasan ang n value ng ang sistema. Kasabay nito, sa pagtaas ng nilalaman ng KGM, ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga molecular chain ng KGM sa sistema ng KGM/HPMC ay pinahusay, sa gayon ay binabawasan ang kadaliang kumilos at nagreresulta sa pagbaba ng halaga ng n. Sa kabilang banda, ang K value ng KGM/HPMC compound solution ay patuloy na tumataas sa pagtaas ng mass fraction ng solusyon at KGM content, na higit sa lahat ay dahil sa pagtaas ng mass fraction ng system at KGM content, na parehong nagpapataas ng content ng hydrophilic group sa system. , pagtaas ng molecular interaction sa loob ng molecular chain at sa pagitan ng mga chain, at sa gayon ay tumataas ang hydrodynamic radius ng molekula, na ginagawang mas malamang na maging oriented sa ilalim ng pagkilos ng panlabas na puwersa ng paggugupit at pagtaas ng lagkit.

Ang teoretikal na halaga ng zero-shear viscosity ng KGM/HPMC compound system ay maaaring kalkulahin ayon sa logarithmic summation na prinsipyo sa itaas, at ang pang-eksperimentong halaga nito ay maaaring makuha sa pamamagitan ng Carren fitting extrapolation ng viscosity-shear rate curve. Ang paghahambing ng hinulaang halaga ng zero-shear viscosity ng KGM/HPMC compound system na may iba't ibang mass fraction at iba't ibang compounding ratios sa experimental value, makikita na ang aktwal na halaga ng zero-shear viscosity ng KGM/HPMC compound ang solusyon ay mas maliit kaysa sa teoretikal na halaga. Ipinapahiwatig nito na ang isang bagong pagpupulong na may siksik na istraktura ay nabuo sa kumplikadong sistema ng KGM at HPMC. Ipinakita ng mga umiiral na pag-aaral na ang mga unsubstituted mannose unit sa KGM molecular chain ay maaaring makipag-ugnayan sa mga hydrophobic group sa HPMC molecular chain upang makabuo ng mahinang cross-linked hydrophobic association region. Ipinapalagay na ang bagong istraktura ng pagpupulong na may medyo siksik na istraktura ay pangunahing nabuo sa pamamagitan ng hydrophobic na pakikipag-ugnayan. Kapag mababa ang ratio ng KGM (HPMC > 50%), ang aktwal na halaga ng zero-shear viscosity ng KGM/HPMC system ay mas mababa kaysa sa teoretikal na halaga, na nagpapahiwatig na sa mababang nilalaman ng KGM, mas maraming molekula ang lumalahok sa mas siksik na bago. istraktura. Sa pagbuo ng , ang zero-shear viscosity ng system ay higit na nabawasan.

2.2 Pagsusuri ng strain sweep curves ng KGM/HPMC compound system

Mula sa mga curve ng relasyon ng modulus at shear strain ng KGM/HPMC solution na may iba't ibang mass fraction at iba't ibang compounding ratios, makikita na kapag ang shear strain ay mas mababa sa 10%, ang G'at G″ng compound system talaga ay hindi tumataas sa shear strain. Gayunpaman, ipinapakita nito na sa loob ng saklaw ng shear strain na ito, ang compound system ay maaaring tumugon sa panlabas na stimuli sa pamamagitan ng pagbabago ng molecular chain conformation, at ang istraktura ng compound system ay hindi nasira. Kapag ang shear strain ay >10%, ang panlabas Sa ilalim ng pagkilos ng shear force, ang disentanglement speed ng molecular chain sa complex system ay mas malaki kaysa sa entanglement speed, G'at G″magsimulang bumaba, at ang sistema ay pumapasok sa nonlinear viscoelastic na rehiyon. Samakatuwid, sa kasunod na pagsubok ng dynamic na dalas, ang parameter ng shear strain ay pinili bilang 1% para sa pagsubok.

2.3 Pagsusuri ng frequency sweep curve ng KGM/HPMC compound system

Variation curve ng storage modulus at loss modulus na may frequency para sa KGM/HPMC solution na may iba't ibang compounding ratios sa ilalim ng iba't ibang mass fraction. Ang imbakan modulus G' ay kumakatawan sa enerhiya na maaaring mabawi pagkatapos ng pansamantalang imbakan sa pagsubok, at ang pagkawala modulus G" ay nangangahulugang ang enerhiya na kinakailangan para sa paunang daloy, na kung saan ay isang hindi maibabalik na pagkawala at sa wakas ay nagiging shear heat. Makikita na, habang tumataas ang dalas ng oscillation, ang pagkawala ng modulus G″ay palaging mas malaki kaysa sa modulus ng imbakan G', na nagpapakita ng likidong pag-uugali. Sa hanay ng dalas ng pagsubok, tumataas ang modulus ng imbakan G' at ang modulus ng pagkawala G” sa pagtaas ng dalas ng oscillation. Ito ay higit sa lahat dahil sa ang katunayan na sa pagtaas ng dalas ng oscillation, ang mga segment ng molecular chain sa system ay walang oras upang mabawi sa pagpapapangit sa isang maikling panahon Ang nakaraang estado, kaya nagpapakita ng hindi pangkaraniwang bagay na mas maraming enerhiya ang maaaring maimbak ( mas malaki G') o kailangang mawala (G″).

Sa pagtaas ng dalas ng oscillation, ang modulus ng imbakan ng system ay biglang bumaba, at sa pagtaas ng mass fraction at KGM na nilalaman ng system, ang frequency point ng biglaang pagbaba ay unti-unting tumataas. Ang biglaang pagbaba ay maaaring dahil sa pagkasira ng compact structure na nabuo ng hydrophobic association sa pagitan ng KGM at HPMC sa system sa pamamagitan ng external shearing. Bukod dito, ang pagtaas ng sistema ng mass fraction at KGM na nilalaman ay kapaki-pakinabang upang mapanatili ang katatagan ng siksik na istraktura, at pinatataas ang panlabas na halaga ng dalas na sumisira sa istraktura.

2.4 Pagsusuri ng curve ng pag-scan ng temperatura ng KGM/HPMC composite system

Mula sa mga curve ng storage modulus at loss modulus ng KGM/HPMC solution na may iba't ibang mass fraction at iba't ibang compounding ratios, makikita na kapag ang mass fraction ng system ay 0.50%, ang G'at G″ng solusyon sa HPMC ay halos hindi nagbabago sa temperatura. , at G″>G', nangingibabaw ang lagkit ng system; kapag tumaas ang mass fraction, ang G'ng solusyon sa HPMC ay nananatiling hindi nagbabago at pagkatapos ay tumataas nang husto, at si G'at G″bumalandra sa paligid ng 70°C (Ang temperatura ng intersection point ay ang gel point), at ang system ay bumubuo ng isang gel sa oras na ito, kaya nagpapahiwatig na ang HPMC ay isang thermally induced gel. Para sa KGM solution, kapag ang mass fraction ng system ay 0.50% at 0.75%, ang G'at G ng sistema ay “nagpapakita ng bumababang kalakaran; kapag tumaas ang mass fraction, ang G' at G” ng KGM solution ay unang bumababa at pagkatapos ay tumaas nang malaki, na nagpapahiwatig na ang KGM solution ay nagpapakita ng mga katangiang tulad ng gel sa mataas na mass fraction at mataas na temperatura .

Sa pagtaas ng temperatura, ang G'at G″ng KGM/HPMC complex system ay unang bumaba at pagkatapos ay tumaas nang malaki, at si G'at G″lumitaw ang mga intersection point, at ang sistema ay bumuo ng isang gel. Kapag ang mga molekula ng HPMC ay nasa mababang temperatura, ang pagbubuklod ng hydrogen ay nangyayari sa pagitan ng mga hydrophilic na grupo sa molecular chain at mga molekula ng tubig, at kapag tumaas ang temperatura, sinisira ng inilapat na init ang mga hydrogen bond na nabuo sa pagitan ng HPMC at mga molekula ng tubig, na nagreresulta sa pagbuo ng HPMC macromolecular mga tanikala. Ang mga hydrophobic group sa ibabaw ay nakalantad, ang hydrophobic association ay nangyayari, at isang thermotropic gel ay nabuo. Para sa mababang mass fraction system, mas maraming KGM content ang maaaring bumuo ng gel; para sa mataas na mass fraction system, mas maraming nilalaman ng HPMC ang maaaring bumuo ng gel. Sa mababang sistema ng mass fraction (0.50%), ang pagkakaroon ng mga molekula ng KGM ay binabawasan ang posibilidad ng pagbuo ng mga bono ng hydrogen sa pagitan ng mga molekula ng HPMC, at sa gayon ay pinapataas ang posibilidad ng pagkakalantad ng mga hydrophobic na grupo sa mga molekula ng HPMC, na nakakatulong sa pagbuo ng mga thermotropic gel. Sa mataas na mass fraction system, kung ang nilalaman ng KGM ay masyadong mataas, ang lagkit ng system ay mataas, na hindi nakakatulong sa hydrophobic association sa pagitan ng HPMC at KGM molecules, na hindi nakakatulong sa pagbuo ng thermogenic gel.

3. Konklusyon

Sa papel na ito, pinag-aaralan ang rheological behavior ng compound system ng KGM at HPMC. Ipinapakita ng mga resulta na ang compound system ng KGM/HPMC ay isang non-Newtonian fluid, at ang uri ng fluid ng compound system ng KGM/HPMC ay pangunahing tinutukoy ng KGM. Ang pagtaas ng sistema ng mass fraction at KGM na nilalaman ay parehong nagpababa sa pagkalikido ng tambalang solusyon at nagpapataas ng lagkit nito. Sa estado ng sol, ang mga molecular chain ng KGM at HPMC ay bumubuo ng isang mas siksik na istraktura sa pamamagitan ng hydrophobic na pakikipag-ugnayan. Ang istraktura sa system ay nawasak sa pamamagitan ng panlabas na paggugupit, na nagreresulta sa isang biglaang pagbaba sa modulus ng imbakan ng system. Ang pagtaas ng sistema ng mass fraction at KGM na nilalaman ay kapaki-pakinabang upang mapanatili ang katatagan ng siksik na istraktura at dagdagan ang panlabas na halaga ng dalas na sumisira sa istraktura. Para sa mababang sistema ng mass fraction, mas maraming KGM na nilalaman ang nakakatulong sa pagbuo ng gel; para sa mataas na mass fraction system, mas maraming nilalaman ng HPMC ang nakakatulong sa pagbuo ng gel.