Konjac glikomannan ve hidroksipropil metilselüloz bileşik sisteminin reolojik davranışı üzerine çalışma

Konjak glikomannan (KGM) ve hidroksipropil metilselülozdan (HPMC) oluşan bileşik sistem araştırma nesnesi olarak alınmış ve bileşik sistem üzerinde rotasyonel reometre ile kararlı durum kayma, frekans ve sıcaklık tarama testleri gerçekleştirilmiştir. Çözelti kütle fraksiyonunun ve bileşik oranının KGM/HPMC bileşik sisteminin viskozitesi ve reolojik özellikleri üzerindeki etkisi analiz edildi. Sonuçlar, KGM/HPMC bileşik sisteminin Newtonyen olmayan bir akışkan olduğunu ve sistemin kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin artmasının, bileşik çözeltisinin akışkanlığını azalttığını ve viskozitesini arttırdığını göstermektedir. Sol durumunda KGM ve HPMC moleküler zincirleri hidrofobik etkileşimler yoluyla daha kompakt bir yapı oluşturur. Sistem kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin arttırılması yapının stabilitesinin korunmasına yardımcı olur. Düşük kütle fraksiyonlu sistemde, KGM içeriğinin arttırılması termotropik jellerin oluşumu açısından faydalıdır; yüksek kütle fraksiyonlu sistemde ise HPMC içeriğinin arttırılması termotropik jellerin oluşumuna yardımcı olur.

Anahtar kelimeler:konjac glucomannan; hidroksipropil metilselüloz; birleştirmek; reolojik davranış

Doğal polisakkaritler koyulaştırıcı, emülsifiye edici ve jelleştirici özelliklerinden dolayı gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Konjac glukomannan (KGM), aşağıdakilerden oluşan doğal bir bitki polisakkaritidir.β-D-glikoz veβ1,6:1 oranında -D-mannoz, ikisi birbirine bağlıdırβ-1,4 glikosidik bağ, C- 6. pozisyonda az miktarda asetil vardır (her 17 kalıntı için yaklaşık 1 asetil). Ancak KGM sulu çözeltisinin yüksek viskozitesi ve zayıf akışkanlığı üretimdeki uygulamasını sınırlamaktadır. Hidroksipropil metilselüloz (HPMC), iyonik olmayan selüloz etere ait olan metilselülozun propilen glikol eteridir. HPMC film oluşturucudur, suda çözünür ve yenilenebilirdir. HPMC, düşük sıcaklıklarda düşük viskoziteye ve jel gücüne ve nispeten zayıf işleme performansına sahiptir, ancak yüksek sıcaklıklarda nispeten viskoz, katı benzeri bir jel oluşturabilir, bu nedenle birçok üretim işleminin yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi gerekir, bu da yüksek üretim enerji tüketimine neden olur. Üretim maliyetleri yüksektir. Literatür, KGM moleküler zincirindeki ikame edilmemiş mannoz biriminin, hidrofobik etkileşim yoluyla HPMC moleküler zincirindeki hidrofobik grupla zayıf çapraz bağlı bir hidrofobik birleşme bölgesi oluşturabildiğini göstermektedir. Bu yapı, HPMC'nin termal jelleşmesini geciktirebilir ve kısmen önleyebilir ve HPMC'nin jel sıcaklığını düşürebilir. Ek olarak, HPMC'nin nispeten düşük sıcaklıklardaki düşük viskozite özellikleri göz önüne alındığında, bunun KGM ile birleştirilmesinin KGM'nin yüksek viskozite özelliklerini geliştirebileceği ve işleme performansını iyileştirebileceği tahmin edilmektedir. Bu nedenle, bu makale çözelti kütle fraksiyonunun ve bileşik oranının KGM/HPMC sisteminin reolojik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak için bir KGM/HPMC bileşik sistemi oluşturacak ve KGM/HPMC bileşik sisteminin uygulanması için teorik bir referans sağlayacaktır. gıda endüstrisi.

1. Malzemeler ve yöntemler

1.1 Malzemeler ve reaktifler

Hidroksipropil metilselüloz, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, kütle oranı %2, viskozite 6 mPa·S; metoksi kütle oranı %28~%30; hidroksipropil kütle oranı %7.0~%12.

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., ağırlıkça %1 sulu çözelti viskozitesi≥28 000 mPa·s.

1.2 Aletler ve ekipmanlar

MCR92 rotasyonel reometre, Anton Paar Co., Ltd., Avusturya; UPT-II-10T ultra saf su makinesi, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; AB-50 elektronik analitik terazi, İsviçre Mette şirketi; LHS-150HC sabit sıcaklıkta su banyosu, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; JJ-1 Elektrikli Karıştırıcı, Jintan Tıbbi Alet Fabrikası, Jiangsu Eyaleti.

1.3 Bileşik çözeltinin hazırlanması

HPMC ve KGM tozlarını belirli bir bileşik oranıyla (kütle oranı: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0) tartın, bunları 60°C'de yavaşça deiyonize suya ekleyin.°C su banyosuna koyun ve eşit şekilde dağılmasını sağlamak için 1.5~2 saat karıştırın ve toplam katı kütle fraksiyonları sırasıyla %0.50, %0.75, %1.00, %1.25 ve %1.50 olan 5 çeşit gradyan solüsyonu hazırlayın.

1.4 Bileşik çözeltinin reolojik özelliklerinin testi

Kararlı durum kayma testi: KGM/HPMC bileşiği çözeltisinin reolojik eğrisi bir CP50 koni ve plaka kullanılarak ölçüldü, üst ve alt plakalar arasındaki boşluk 0,1 mm'de sabitlendi, ölçüm sıcaklığı 25°C idi°C ve kesme hızı aralığı 0,1 ila 100 s-1 idi.

Gerinim taraması (doğrusal viskoelastik bölgenin belirlenmesi): KGM/HPMC bileşik çözeltisinin doğrusal viskoelastik bölgesini ve modül değişim yasasını ölçmek için PP50 plakasını kullanın, aralığı 1.000 mm'ye, sabit frekansı 1Hz'e ve ölçüm sıcaklığını 25'e ayarlayın.°C. Gerinim aralığı %0,1~%100'dür.

Frekans taraması: KGM/HPMC bileşik çözümünün modül değişimini ve frekans bağımlılığını ölçmek için bir PP50 plakası kullanın. Aralık 1.000 mm'ye, gerinim %1'e, ölçüm sıcaklığı 25°C'ye ayarlanmıştır.°C ve frekans aralığı 0,1-100 Hz'dir.

Sıcaklık taraması: KGM/HPMC bileşik çözeltisinin modülü ve sıcaklık bağımlılığı bir PP50 plakası kullanılarak ölçüldü, aralık 1.000 mm'ye ayarlandı, sabit frekans 1 Hz, deformasyon %1 ve sıcaklık 25°C idi. 90'a kadar°C.

2. Sonuçlar ve Analiz

2.1 KGM/HPMC bileşik sisteminin akış eğrisi analizi

Farklı kütle fraksiyonlarında farklı bileşik oranlarına sahip KGM/HPMC çözeltilerinin viskoziteye karşı kayma hızı eğrileri. Viskozitesi kayma hızının doğrusal bir fonksiyonu olan akışkanlara Newton tipi akışkanlar, aksi halde Newton tipi olmayan akışkanlar denir. Eğriden KGM çözeltisinin ve KGM/HPMC bileşiği çözeltisinin viskozitesinin kesme hızının artmasıyla azaldığı görülebilir; KGM içeriği ne kadar yüksek olursa, sistem kütle oranı da o kadar yüksek olur ve çözeltinin kayma incelmesi olgusu o kadar belirgin olur. Bu, KGM ve KGM/HPMC bileşik sisteminin Newtonyen olmayan akışkanlar olduğunu ve KGM/HPMC bileşik sisteminin akışkan tipinin esas olarak KGM tarafından belirlendiğini göstermektedir.

Farklı kütle fraksiyonlarına ve farklı bileşik oranlarına sahip KGM/HPMC çözeltilerinin akış indeksi ve viskozite katsayısından, KGM, HPMC ve KGM/HPMC bileşik sistemlerinin n değerlerinin tamamının 1'den küçük olduğu görülebilir, bu da çözümlerin tüm psödoplastik sıvılar. KGM/HPMC bileşik sistemi için, sistemin kütle fraksiyonunun artması, çözeltideki HPMC ve KGM moleküler zincirleri arasında dolaşıklığa ve diğer etkileşimlere neden olacak, bu da moleküler zincirlerin hareketliliğini azaltacak ve dolayısıyla n değerini azaltacaktır. sistem. Aynı zamanda KGM içeriğinin artmasıyla birlikte KGM/HPMC sistemindeki KGM moleküler zincirleri arasındaki etkileşim artmakta, dolayısıyla hareketliliği azalmakta ve n değerinin azalmasına neden olmaktadır. Aksine, KGM/HPMC bileşik çözeltisinin K değeri, çözelti kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin artmasıyla sürekli olarak artar; bu, esas olarak sistem kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin artmasından kaynaklanır; bu da her ikisi de KGM içeriğini arttırır. Sistemdeki hidrofilik gruplar. Moleküler zincir içindeki ve zincirler arasındaki moleküler etkileşimi arttırır, böylece molekülün hidrodinamik yarıçapını arttırır, harici kesme kuvvetinin etkisi altında yönlendirilme olasılığını azaltır ve viskoziteyi arttırır.

KGM/HPMC bileşik sisteminin sıfır kesme viskozitesinin teorik değeri, yukarıdaki logaritmik toplama ilkesine göre hesaplanabilir ve deneysel değeri, viskozite-kesme hızı eğrisinin Carren uydurma ekstrapolasyonuyla elde edilebilir. Farklı kütle fraksiyonlarına ve farklı bileşim oranlarına sahip KGM/HPMC bileşik sisteminin sıfır kayma viskozitesinin tahmin edilen değeri deneysel değerle karşılaştırıldığında, KGM/HPMC bileşiğinin sıfır kayma viskozitesinin gerçek değerinin olduğu görülebilir. Çözüm teorik değerden küçüktür. Bu durum KGM ve HPMC'nin karmaşık sisteminde yoğun yapıya sahip yeni bir düzeneğin oluştuğunu gösterdi. Mevcut çalışmalar, KGM moleküler zinciri üzerindeki ikame edilmemiş mannoz birimlerinin, zayıf çapraz bağlı bir hidrofobik birleşme bölgesi oluşturmak üzere HPMC moleküler zinciri üzerindeki hidrofobik gruplarla etkileşime girebildiğini göstermiştir. Nispeten yoğun bir yapıya sahip yeni montaj yapısının esas olarak hidrofobik etkileşimler yoluyla oluşturulduğu tahmin edilmektedir. KGM oranı düşük olduğunda (HPMC > %50), KGM/HPMC sisteminin sıfır kayma viskozitesinin gerçek değeri teorik değerden daha düşüktür; bu, düşük KGM içeriğinde daha fazla molekülün daha yoğun yeni yapıya katıldığını gösterir. yapı. oluşumunda sistemin sıfır kayma viskozitesi daha da azalır.

2.2 KGM/HPMC bileşik sisteminin gerinim süpürme eğrilerinin analizi

Farklı kütle fraksiyonlarına ve farklı bileşik oranlarına sahip KGM/HPMC çözeltilerinin modülü ve kayma geriliminin ilişki eğrilerinden, kayma gerilimi %10'dan az olduğunda G'nin olduğu görülebilir.'ve G"Bileşik sistemin değeri temel olarak kesme gerilimi ile artmaz. Ancak bu kayma gerilimi aralığı dahilinde bileşik sistemin, moleküler zincir konformasyonunu değiştirerek dış uyaranlara yanıt verebileceğini ve bileşik sistemin yapısının zarar görmediğini göstermektedir. Kayma gerilimi >%10 olduğunda, dış kesme kuvvetinin etkisi altında, karmaşık sistemdeki moleküler zincirlerin çözülme hızı, dolaşma hızından (G) daha büyüktür.'ve G"azalmaya başlar ve sistem doğrusal olmayan viskoelastik bölgeye girer. Bu nedenle daha sonra yapılan dinamik frekans testinde kayma gerinim parametresi test için %1 olarak seçilmiştir.

2.3 KGM/HPMC bileşik sisteminin frekans tarama eğrisi analizi

Farklı kütle fraksiyonları altında farklı bileşik oranlarına sahip KGM/HPMC çözümleri için depolama modülü ve kayıp modülünün frekansla değişim eğrileri. Depolama modülü G', testte geçici depolamadan sonra geri kazanılabilecek enerjiyi temsil eder ve kayıp modülü G", geri dönüşü olmayan bir kayıp olan ve sonunda kesme ısısına dönüşen ilk akış için gereken enerjiyi ifade eder. Salınım frekansı arttıkça kayıp modülünün G olduğu görülebilir."her zaman depolama modülü G'den daha büyüktür'sıvı davranışını gösterir. Test frekansı aralığında, salınım frekansının artmasıyla depolama modülü G' ve kayıp modülü G” artar. Bunun temel nedeni, salınım frekansının artmasıyla birlikte sistemdeki moleküler zincir bölümlerinin deformasyonu kısa sürede toparlayacak zamanı olmamasıdır. Önceki durum, böylece daha fazla enerjinin depolanabileceği olgusunu göstermektedir ( daha büyük G') veya kaybolması gerekiyor (G").

Salınım frekansının artmasıyla sistemin depolama modülü aniden düşer ve sistemin kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin artmasıyla ani düşüşün frekans noktası giderek artar. Ani düşüş, sistemdeki KGM ve HPMC arasındaki hidrofobik birleşmenin oluşturduğu kompakt yapının dış kesmeyle tahrip olmasından kaynaklanabilir. Ayrıca sistem kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin artması, yoğun yapının stabilitesinin korunmasına fayda sağlar ve yapıyı tahrip eden dış frekans değerini artırır.

2.4 KGM/HPMC kompozit sisteminin sıcaklık tarama eğrisi analizi

Farklı kütle fraksiyonlarına ve farklı bileşik oranlarına sahip KGM/HPMC çözeltilerinin depolama modülü ve kayıp modülü eğrilerinden, sistemin kütle fraksiyonu %0,50 olduğunda G'nin olduğu görülebilir.'ve G"HPMC çözümünün sıcaklığı sıcaklıkla neredeyse hiç değişmez. ve G">G', sistemin viskozitesi hakimdir; kütle oranı arttığında, G'HPMC çözümünün yüzdesi önce değişmeden kalır ve daha sonra keskin bir şekilde artar ve G've G"70 civarında kesişiyor°C (Kesişme noktası sıcaklığı jel noktasıdır) ve sistem bu sırada bir jel oluşturur, böylece HPMC'nin termal olarak indüklenen bir jel olduğunu gösterir. KGM çözümü için sistemin kütle oranı %0,50 ve %0,75 olduğunda G've sistemin G'si azalan bir eğilim göstermektedir; kütle fraksiyonu arttığında, KGM çözeltisinin G' ve G”'si önce azalır ve sonra önemli ölçüde artar; bu, KGM çözümünün yüksek kütle fraksiyonlarında ve yüksek sıcaklıklarda jel benzeri özellikler sergilediğini gösterir.

Sıcaklığın artmasıyla birlikte G've G"KGM/HPMC kompleks sisteminin yüzdesi önce azaldı, sonra önemli ölçüde arttı ve G've G"kesişme noktaları ortaya çıktı ve sistem bir jel oluşturdu. HPMC molekülleri düşük sıcaklıkta olduğunda, moleküler zincirdeki hidrofilik gruplar ile su molekülleri arasında hidrojen bağı oluşur ve sıcaklık yükseldiğinde uygulanan ısı, HPMC ile su molekülleri arasında oluşan hidrojen bağlarını yok ederek HPMC makromoleküllerinin oluşmasına neden olur. zincirler. Yüzeydeki hidrofobik gruplar açığa çıkar, hidrofobik birleşme meydana gelir ve termotropik bir jel oluşur. Düşük kütleli fraksiyon sistemi için daha fazla KGM içeriği jel oluşturabilir; yüksek kütle fraksiyonlu sistem için daha fazla HPMC içeriği jel oluşturabilir. Düşük kütle fraksiyonu sisteminde (%0,50), KGM moleküllerinin varlığı, HPMC molekülleri arasında hidrojen bağları oluşturma olasılığını azaltır, böylece termotropik jellerin oluşumuna yardımcı olan HPMC moleküllerindeki hidrofobik grupların açığa çıkma olasılığını artırır. Yüksek kütle fraksiyonlu sistemde, eğer KGM içeriği çok yüksekse, sistemin viskozitesi yüksektir, bu da HPMC ve KGM molekülleri arasındaki hidrofobik ilişkiye elverişli değildir ve bu da termojenik jel oluşumuna elverişli değildir.

3. Sonuç

Bu yazıda KGM ve HPMC'nin bileşik sisteminin reolojik davranışı incelenmiştir. Sonuçlar, KGM/HPMC'nin bileşik sisteminin Newtonyen olmayan bir akışkan olduğunu ve KGM/HPMC'nin bileşik sisteminin akışkan tipinin esas olarak KGM tarafından belirlendiğini göstermektedir. Sistem kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin arttırılması, hem bileşik çözeltisinin akışkanlığını azalttı hem de viskozitesini arttırdı. Sol durumunda KGM ve HPMC'nin moleküler zincirleri hidrofobik etkileşimler yoluyla daha yoğun bir yapı oluşturur. Sistemdeki yapı dış kesme nedeniyle tahrip olur ve bunun sonucunda sistemin depolama modülünde ani bir düşüş meydana gelir. Sistem kütle fraksiyonunun ve KGM içeriğinin arttırılması, yoğun yapının stabilitesinin korunması ve yapıyı tahrip eden dış frekans değerinin arttırılması açısından faydalıdır. Düşük kütle fraksiyonlu sistem için, daha fazla KGM içeriği jel oluşumuna yardımcı olur; yüksek kütle fraksiyonlu sistem için daha fazla HPMC içeriği jel oluşumuna yardımcı olur.