Дослідження реологічної поведінки глюкоманнану конжаку та системи сполук гідроксипропілметилцелюлози

Комбінована система конжак глюкоманнану (KGM) і гідроксипропілметилцелюлози (HPMC) була взята як об’єкт дослідження, і стаціонарні випробування на зсув, частоту та температуру були проведені на цій системі за допомогою ротаційного реометра. Проаналізовано вплив масової частки розчину та співвідношення сполуки на в’язкість та реологічні властивості системи сполук KGM/HPMC. Результати показують, що система сполук KGM/HPMC є неньютонівською рідиною, а збільшення масової частки та вмісту KGM у системі зменшує текучість розчину сполуки та підвищує в’язкість. У стані золю молекулярні ланцюги KGM і HPMC утворюють більш компактну структуру завдяки гідрофобним взаємодіям. Збільшення масової частки системи та вмісту КГМ сприяє збереженню стабільності структури. У системі з низькою масовою часткою збільшення вмісту KGM є сприятливим для утворення термотропних гелів; тоді як у системі з високою масовою часткою збільшення вмісту ГПМЦ сприяє утворенню термотропних гелів.

Ключові слова:конжак глюкоманнан; гідроксипропілметилцелюлоза; складний; реологічна поведінка

Природні полісахариди широко застосовуються в харчовій промисловості завдяки своїм властивостям загущувати, емульгувати та гелеутворювати. Конжак глюкоманнан (KGM) - природний рослинний полісахарид, що складається зβ-D-глюкоза іβ-D-маноза у співвідношенні 1,6:1, обидва зв'язаніβ-1,4 глікозидних зв'язків, у C- У положенні 6 є невелика кількість ацетилу (приблизно 1 ацетил на кожні 17 залишків). Однак висока в'язкість і низька плинність водного розчину КГМ обмежують його застосування у виробництві. Гідроксипропілметилцелюлоза (HPMC) - це пропіленгліколевий ефір метилцелюлози, який належить до неіонного ефіру целюлози. HPMC є плівкоутворюючим, водорозчинним і відновлюваним. HPMC має низьку в'язкість і міцність гелю при низьких температурах і відносно низьку продуктивність обробки, але може утворювати відносно в'язкий твердий гель при високих температурах, тому багато виробничих процесів повинні проводитися при високих температурах, що призводить до високого споживання енергії. Витрати на виробництво високі. У літературі показано, що незаміщена одиниця манози в молекулярному ланцюзі KGM може утворювати слабко зшиту гідрофобну асоціативну область з гідрофобною групою в молекулярному ланцюзі HPMC через гідрофобну взаємодію. Ця структура може затримувати і частково запобігати термічне гелеутворення HPMC і знижувати температуру гелю HPMC. Крім того, з огляду на властивості низької в’язкості ГПМЦ при відносно низьких температурах, передбачається, що його змішування з КГМ може покращити властивості високої в’язкості КГМ і підвищити продуктивність його обробки. Таким чином, у цій статті буде створено систему сполук KGM/HPMC для дослідження впливу масової частки розчину та співвідношення сполуки на реологічні властивості системи KGM/HPMC, а також надано теоретичну довідку для застосування системи сполук KGM/HPMC у харчова промисловість.

1. Матеріали та методи

1.1 Матеріали та реактиви

Гідроксипропілметилцелюлоза, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, масова частка 2%, в'язкість 6 мПа·s; масова частка метокси 28%~30%; масова частка гідроксипропілу 7,0%~12% .

Konjac glucomannan, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., в'язкість водного розчину 1 мас.%≥28 000 мПа·s.

1.2 Прилади та обладнання

Ротаційний реометр MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Австрія; Машина надчистої води UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; ваги електронні аналітичні АВ-50 швейцарської фірми Mette; Водяна баня з постійною температурою LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Електрична мішалка JJ-1, Jintan Medical Instrument Factory, провінція Цзянсу.

1.3 Приготування розчину сполуки

Зважте порошки HPMC і KGM з певним співвідношенням суміші (масове співвідношення: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), повільно додайте їх у деіонізовану воду в 60°C на водяній бані та перемішуйте протягом 1,5–2 годин, щоб рівномірно розподілити, і приготуйте 5 видів градієнтних розчинів із загальною масовою часткою твердої речовини 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% та 1,50% відповідно.

1.4 Дослідження реологічних властивостей розчину сполуки

Стаціонарний тест на зсув: реологічну криву розчину сполуки KGM/HPMC вимірювали за допомогою конуса та пластини CP50, зазор між верхньою та нижньою пластинами фіксували на рівні 0,1 мм, температура вимірювання становила 25°С.°C, а діапазон швидкості зсуву становив від 0,1 до 100 с-1.

Сканування деформації (визначення лінійної в’язкопружної області): використовуйте пластину PP50 для вимірювання лінійної в’язкопружної області та закону зміни модуля розчину сполуки KGM/HPMC, встановіть відстань 1000 мм, фіксовану частоту 1 Гц і температуру вимірювання 25°C. Діапазон деформації становить 0,1% ~ 100%.

Розгортка частоти: використовуйте пластину PP50 для вимірювання зміни модуля та частотної залежності розчину сполуки KGM/HPMC. Відстань встановлено на 1000 мм, деформація 1%, температура вимірювання 25°С, а діапазон частот 0,1-100 Гц.

Температурне сканування: модуль і його температурну залежність розчину сполуки KGM/HPMC вимірювали за допомогою пластини PP50, відстань була встановлена ​​на 1000 мм, фіксована частота становила 1 Гц, деформація становила 1%, а температура була від 25 до 90°C.

2. Результати та аналіз

2.1 Аналіз кривої потоку компаундної системи KGM/HPMC

Криві залежності в’язкості від швидкості зсуву розчинів KGM/HPMC з різними співвідношеннями суміші при різних масових частках. Рідини, в’язкість яких є лінійною функцією швидкості зсуву, називаються ньютонівськими рідинами, інакше їх називають неньютонівськими рідинами. З кривої видно, що в’язкість розчину KGM і розчину сполуки KGM/HPMC зменшується зі збільшенням швидкості зсуву; чим вищий вміст KGM, тим вище масова частка системи, і тим очевидніше явище розрідження розчину при зсуві. Це показує, що складові системи KGM і KGM/HPMC є неньютонівськими рідинами, а тип рідини складової системи KGM/HPMC в основному визначається KGM.

З індексу текучості та коефіцієнта в’язкості розчинів KGM/HPMC з різними масовими частками та різними співвідношеннями сполук можна побачити, що значення n систем сполук KGM, HPMC та KGM/HPMC менші за 1, що вказує на те, що розчини є всі псевдопластичні рідини. Для системи сполук KGM/HPMC збільшення масової частки системи призведе до заплутування та інших взаємодій між молекулярними ланцюгами HPMC та KGM у розчині, що зменшить рухливість молекулярних ланцюгів, тим самим зменшуючи значення n для система. Водночас із збільшенням вмісту КГМ посилюється взаємодія між молекулярними ланцюгами КГМ у системі КГМ/ГПМС, що зменшує її рухливість і призводить до зменшення значення n. Навпаки, значення K розчину сполуки KGM/HPMC безперервно зростає зі збільшенням масової частки розчину та вмісту KGM, що в основному пов’язано зі збільшенням масової частки системи та вмісту KGM, які обидва збільшують вміст гідрофільні групи в системі. , збільшуючи молекулярну взаємодію всередині молекулярного ланцюга та між ланцюгами, тим самим збільшуючи гідродинамічний радіус молекули, зменшуючи ймовірність її орієнтації під дією зовнішньої сили зсуву та збільшуючи в’язкість.

Теоретичне значення в’язкості при нульовому зсуві системи сполук KGM/HPMC можна розрахувати згідно з наведеним вище принципом логарифмічного підсумовування, а його експериментальне значення можна отримати шляхом екстраполяції за Карреном кривої в’язкість-швидкість зсуву. Порівнюючи прогнозоване значення в’язкості при нульовому зсуві системи компаундів KGM/HPMC з різними масовими частками та різними співвідношеннями компаундування з експериментальним значенням, можна побачити, що фактичне значення в’язкості при нульовому зсуві компаунду KGM/HPMC розчину менше теоретичного значення. Це свідчило про те, що в складній системі КГМ і ГПМК утворилася нова збірка зі щільною структурою. Існуючі дослідження показали, що незаміщені одиниці манози в молекулярному ланцюзі KGM можуть взаємодіяти з гідрофобними групами в молекулярному ланцюзі HPMC, утворюючи слабозшиту гідрофобну асоціативну область. Існує припущення, що нова складальна структура з відносно щільною структурою в основному утворюється завдяки гідрофобним взаємодіям. Коли коефіцієнт KGM низький (HPMC > 50%), фактичне значення в’язкості при нульовому зсуві системи KGM/HPMC є нижчим за теоретичне значення, що вказує на те, що при низькому вмісті KGM більше молекул бере участь у більш щільному новому структура. При утворенні , в'язкість системи при нульовому зсуві ще більше знижується.

2.2 Аналіз кривих розгортки деформації компаундної системи KGM/HPMC

З кривих залежності модуля та деформації зсуву розчинів KGM/HPMC з різними масовими частками та різними співвідношеннями суміші можна побачити, що коли деформація зсуву становить менше 10%, G′і Г″складної системи в основному не збільшуються з деформацією зсуву. Однак це показує, що в межах цього діапазону деформації зсуву система сполук може реагувати на зовнішні подразники через зміну конформації молекулярного ланцюга, і структура системи сполук не пошкоджується. Коли зсувна деформація становить >10%, зовнішня Під дією зсувної сили швидкість розплутування молекулярних ланцюгів у складній системі є більшою за швидкість заплутування, G′і Г″починають зменшуватися, і система потрапляє в нелінійну в’язкопружну область. Тому в наступному динамічному частотному випробуванні параметр деформації зсуву був обраний як 1% для випробування.

2.3 Аналіз кривої частотної розгортки складової системи KGM/HPMC

Криві зміни модуля накопичення та модуля втрат із частотою для розчинів KGM/HPMC з різними співвідношеннями компаундування при різних масових частках. Модуль накопичення G' являє собою енергію, яка може бути відновлена ​​після тимчасового зберігання під час випробування, а модуль втрат G” означає енергію, необхідну для початкового потоку, який є незворотною втратою і, нарешті, перетворюється на тепло зсуву. Видно, що зі збільшенням частоти коливань модуль втрат G″завжди більше модуля зберігання G′, показуючи поведінку рідини. У досліджуваному діапазоні частот модуль накопичення G' і модуль втрат G” зростають зі збільшенням частоти коливань. Це головним чином пов’язано з тим, що зі збільшенням частоти коливань сегменти молекулярного ланцюга в системі не встигають відновитися до деформації за короткий час. Попередній стан, таким чином показуючи явище, що більше енергії може зберігатися ( більший Г′) або потрібно втратити (G″).

Зі збільшенням частоти коливань модуль накопичення системи раптово падає, а зі збільшенням масової частки та вмісту KGM у системі частотна точка раптового падіння поступово зростає. Раптове падіння може бути наслідком руйнування компактної структури, утвореної гідрофобною асоціацією між KGM і HPMC в системі зовнішнім зсувом. Крім того, збільшення масової частки системи та вмісту KGM є корисним для підтримки стабільності щільної структури та збільшує значення зовнішньої частоти, що руйнує структуру.

2.4 Аналіз кривої температурного сканування композитної системи KGM/HPMC

З кривих модуля зберігання та модуля втрат розчинів KGM/HPMC з різними масовими частками та різними співвідношеннями компаундування можна побачити, що коли масова частка системи становить 0,50%, G′і Г″розчину HPMC майже не змінюється з температурою. і Г″>Г′, домінує в’язкість системи; при збільшенні масової частки Г′розчину ГПМЦ спочатку залишається незмінним, а потім різко зростає, а G′і Г″перетинаються приблизно на 70°C (температура точки перетину є точкою гелю), і в цей час система утворює гель, таким чином вказуючи на те, що HPMC є термічно індукованим гелем. Для розчину KGM, коли масова частка системи становить 0,50% та 0,75%, G′і G системи «показує тенденцію до зменшення; коли масова частка збільшується, G' і G” розчину KGM спочатку зменшуються, а потім значно зростають, що вказує на те, що розчин KGM проявляє гелеподібні властивості при високих масових частках і високих температурах.

З підвищенням температури Г′і Г″комплексної системи KGM/HPMC спочатку знизився, а потім значно збільшився, а G′і Г″з'явилися точки перетину, і система утворила гель. Коли молекули ГПМЦ знаходяться при низькій температурі, між гідрофільними групами молекулярного ланцюга та молекулами води виникають водневі зв’язки, а коли температура підвищується, прикладене тепло руйнує водневі зв’язки, утворені між ГПМЦ і молекулами води, що призводить до утворення макромолекулярних ГПМЦ ланцюги. Гідрофобні групи на поверхні оголюються, відбувається гідрофобна асоціація і утворюється термотропний гель. Для системи з низькою масовою часткою більше вмісту KGM може утворювати гель; для системи з високою масовою часткою більший вміст HPMC може утворювати гель. У системі з низькою масовою часткою (0,50%) присутність молекул KGM знижує ймовірність утворення водневих зв’язків між молекулами HPMC, тим самим збільшуючи можливість експонування гідрофобних груп у молекулах HPMC, що сприяє утворенню термотропних гелів. У системі з високою масовою часткою, якщо вміст KGM занадто високий, в’язкість системи є високою, що не сприяє гідрофобній асоціації між молекулами HPMC і KGM, що не сприяє утворенню термогенного гелю.

3. Висновок

У цій статті досліджено реологічну поведінку системи сполук KGM та HPMC. Результати показують, що складна система KGM/HPMC є неньютонівською рідиною, а тип рідини складної системи KGM/HPMC в основному визначається KGM. Збільшення масової частки системи та вмісту КГМ зменшувало плинність розчину сполуки та збільшувало його в’язкість. У стані золю молекулярні ланцюги KGM і HPMC утворюють більш щільну структуру завдяки гідрофобним взаємодіям. Структура в системі руйнується зовнішнім зсувом, що призводить до раптового падіння модуля зберігання системи. Збільшення масової частки системи та вмісту KGM є корисним для підтримки стабільності щільної структури та збільшення значення зовнішньої частоти, яка руйнує структуру. Для системи з низькою масовою часткою більший вміст KGM сприяє утворенню гелю; для системи з високою масовою часткою більший вміст HPMC сприяє утворенню гелю.