Nghiên cứu tính chất lưu biến của hệ hợp chất konjac glucomannan và hydroxypropyl methylcellulose

Hệ thống hợp chất của konjac glucomannan (KGM) và hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) được lấy làm đối tượng nghiên cứu và các thử nghiệm quét cắt, tần số và nhiệt độ ở trạng thái ổn định đã được thực hiện trên hệ thống hợp chất bằng máy đo lưu biến quay. Ảnh hưởng của phần khối lượng dung dịch và tỷ lệ hợp chất đến độ nhớt và tính chất lưu biến của hệ hợp chất KGM/HPMC đã được phân tích. Kết quả cho thấy hệ hỗn hợp KGM/HPMC là chất lỏng phi Newton và sự gia tăng phần khối lượng cũng như hàm lượng KGM của hệ thống làm giảm tính lưu động của dung dịch hỗn hợp và làm tăng độ nhớt. Ở trạng thái sol, chuỗi phân tử KGM và HPMC tạo thành cấu trúc nhỏ gọn hơn thông qua các tương tác kỵ nước. Việc tăng phần khối lượng của hệ thống và hàm lượng KGM có lợi cho việc duy trì sự ổn định của cấu trúc. Trong hệ thống tỷ lệ khối lượng thấp, việc tăng hàm lượng KGM có lợi cho việc hình thành gel nhiệt; trong khi ở hệ thống phân đoạn khối lượng cao, việc tăng hàm lượng HPMC có lợi cho sự hình thành gel nhiệt nhiệt.

Từ khóa:konjac glucomannan; hydroxypropyl methylcellulose; hợp chất; hành vi lưu biến

Polysacarit tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm do đặc tính làm đặc, nhũ hóa và tạo gel của chúng. Konjac glucomannan (KGM) là một polysaccharide thực vật tự nhiên, bao gồmβ-D-glucose vàβ-D-mannose theo tỷ lệ 1,6:1, cả hai liên kết với nhau bằngβ-1,4 liên kết glycosid, trong C- Có một lượng nhỏ acetyl ở vị trí 6 (khoảng 1 acetyl cho mỗi 17 gốc). Tuy nhiên, độ nhớt cao và tính lưu động kém của dung dịch nước KGM hạn chế ứng dụng của nó trong sản xuất. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) là một ete propylene glycol của methylcellulose, thuộc về ete cellulose không ion. HPMC có khả năng tạo màng, hòa tan trong nước và có thể tái tạo. HPMC có độ nhớt và độ bền gel thấp ở nhiệt độ thấp và hiệu suất xử lý tương đối kém, nhưng có thể tạo thành gel giống rắn tương đối nhớt ở nhiệt độ cao, do đó nhiều quy trình sản xuất phải được thực hiện ở nhiệt độ cao, dẫn đến tiêu thụ năng lượng sản xuất cao. Chi phí sản xuất cao. Tài liệu cho thấy đơn vị mannose không được thay thế trên chuỗi phân tử KGM có thể tạo thành vùng liên kết kỵ nước liên kết ngang yếu với nhóm kỵ nước trên chuỗi phân tử HPMC thông qua tương tác kỵ nước. Cấu trúc này có thể trì hoãn và ngăn chặn một phần quá trình tạo gel nhiệt của HPMC và hạ thấp nhiệt độ gel của HPMC. Ngoài ra, do đặc tính độ nhớt thấp của HPMC ở nhiệt độ tương đối thấp, người ta dự đoán rằng việc kết hợp nó với KGM có thể cải thiện đặc tính độ nhớt cao của KGM và cải thiện hiệu suất xử lý của nó. Vì vậy, bài báo này sẽ xây dựng hệ hỗn hợp KGM/HPMC để tìm hiểu ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng dung dịch và tỷ lệ hỗn hợp đến tính chất lưu biến của hệ KGM/HPMC, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo lý thuyết cho việc ứng dụng hệ hỗn hợp KGM/HPMC trong ngành công nghiệp thực phẩm.

1. Vật liệu và phương pháp

1.1 Vật liệu và thuốc thử

Hydroxypropyl methylcellulose, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, phần khối lượng 2%, độ nhớt 6 mPa·S; phần khối lượng methoxy 28%~30%; phần khối lượng hydroxypropyl 7,0% ~ 12%.

Konjac glucomannan, Công ty TNHH Thực phẩm Vũ Hán Johnson Konjac, độ nhớt dung dịch nước 1% trọng lượng≥28 000 mPa·s.

1.2 Dụng cụ, thiết bị

máy đo lưu biến quay MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Áo; Máy nước siêu tinh khiết UPT-II-10T, Công ty TNHH Công nghệ Siêu tinh khiết Youpu Tứ Xuyên; Cân phân tích điện tử AB-50 của hãng Swiss Mette; Bể nước nhiệt độ không đổi LHS-150HC, Công ty TNHH Công nghệ Vô Tích Huaze; Máy khuấy điện JJ-1, Nhà máy dụng cụ y tế Jintan, tỉnh Giang Tô.

1.3 Chuẩn bị dung dịch hỗn hợp

Cân bột HPMC và KGM theo tỷ lệ pha trộn nhất định (tỷ lệ khối lượng: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), thêm từ từ vào nước khử ion ở tỷ lệ 60°C, khuấy trong 1,5 ~ 2 giờ để phân tán đều và chuẩn bị 5 loại dung dịch gradient có tổng phần khối lượng chất rắn lần lượt là 0,50%, 0,75%, 1,00%, 1,25% và 1,50%.

1.4 Kiểm tra tính chất lưu biến của dung dịch hỗn hợp

Thí nghiệm cắt ổn định: Đường cong lưu biến của dung dịch hỗn hợp KGM/HPMC được đo bằng côn và tấm CP50, khe hở giữa tấm trên và tấm dưới cố định 0,1 mm, nhiệt độ đo là 25°C, và phạm vi tốc độ cắt là 0,1 đến 100 s-1.

Quét biến dạng (xác định vùng nhớt đàn hồi tuyến tính): Sử dụng tấm PP50 để đo vùng nhớt đàn hồi tuyến tính và định luật thay đổi mô đun của dung dịch hỗn hợp KGM/HPMC, đặt khoảng cách thành 1.000 mm, tần số cố định thành 1Hz và nhiệt độ đo thành 25°C. Phạm vi biến dạng là 0,1% ~ 100%.

Quét tần số: Sử dụng tấm PP50 để đo sự thay đổi mô đun và sự phụ thuộc tần số của giải pháp hỗn hợp KGM/HPMC. Khoảng cách được đặt thành 1.000 mm, độ biến dạng là 1%, nhiệt độ đo là 25°C và dải tần là 0,1-100 Hz.

Quét nhiệt độ: Mô đun và sự phụ thuộc nhiệt độ của dung dịch hỗn hợp KGM/HPMC được đo bằng tấm PP50, khoảng cách được đặt thành 1.000 mm, tần số cố định là 1 Hz, độ biến dạng là 1% và nhiệt độ từ 25 đến 90°C.

2. Kết quả và phân tích

2.1 Phân tích đường cong dòng chảy của hệ hỗn hợp KGM/HPMC

Đường cong độ nhớt và tốc độ cắt của dung dịch KGM/HPMC với các tỷ lệ gộp khác nhau ở các phần khối lượng khác nhau. Chất lỏng có độ nhớt là hàm tuyến tính của tốc độ cắt được gọi là chất lỏng Newton, nếu không chúng được gọi là chất lỏng phi Newton. Từ đường cong có thể thấy độ nhớt của dung dịch KGM và dung dịch hợp chất KGM/HPMC giảm khi tốc độ cắt tăng; Hàm lượng KGM càng cao thì phần khối lượng của hệ thống càng cao và hiện tượng cắt mỏng của dung dịch càng rõ ràng. Điều này cho thấy hệ thống hỗn hợp KGM và KGM/HPMC là chất lỏng phi Newton và loại chất lỏng của hệ thống hợp chất KGM/HPMC chủ yếu được xác định bởi KGM.

Từ chỉ số dòng chảy và hệ số nhớt của các dung dịch KGM/HPMC có phần khối lượng và tỷ lệ hỗn hợp khác nhau, có thể thấy giá trị n của các hệ hỗn hợp KGM, HPMC và KGM/HPMC đều nhỏ hơn 1, chứng tỏ các dung dịch này đều tất cả các chất lỏng giả dẻo. Đối với hệ phức hợp KGM/HPMC, việc tăng phần khối lượng của hệ sẽ gây ra sự vướng víu và các tương tác khác giữa chuỗi phân tử HPMC và KGM trong dung dịch, điều này sẽ làm giảm tính linh động của chuỗi phân tử, từ đó làm giảm giá trị n của hệ thống. Đồng thời, với sự gia tăng hàm lượng KGM, sự tương tác giữa các chuỗi phân tử KGM trong hệ thống KGM/HPMC được tăng cường, do đó làm giảm tính di động của nó và dẫn đến giảm giá trị n. Ngược lại, giá trị K của dung dịch hợp chất KGM/HPMC tăng liên tục khi tăng phần khối lượng dung dịch và hàm lượng KGM, nguyên nhân chủ yếu là do sự tăng phần khối lượng hệ thống và hàm lượng KGM, cả hai đều làm tăng hàm lượng của nhóm ưa nước trong hệ thống. , làm tăng tương tác phân tử bên trong chuỗi phân tử và giữa các chuỗi, từ đó làm tăng bán kính thủy động lực học của phân tử, khiến phân tử ít bị định hướng dưới tác dụng của lực cắt bên ngoài và làm tăng độ nhớt.

Giá trị lý thuyết của độ nhớt cắt bằng 0 của hệ thống hợp chất KGM/HPMC có thể được tính theo nguyên lý tính tổng logarit ở trên và giá trị thực nghiệm của nó có thể thu được bằng phép ngoại suy phù hợp của Carren của đường cong tốc độ cắt độ nhớt. So sánh giá trị dự đoán độ nhớt cắt không của hệ hỗn hợp KGM/HPMC với các phần khối lượng và tỷ lệ pha trộn khác nhau với giá trị thực nghiệm, có thể thấy giá trị thực tế của độ nhớt cắt không của hợp chất KGM/HPMC nghiệm nhỏ hơn giá trị lý thuyết. Điều này chỉ ra rằng một tổ hợp mới với cấu trúc dày đặc đã được hình thành trong hệ thống phức tạp của KGM và HPMC. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng các đơn vị mannose không được thay thế trên chuỗi phân tử KGM có thể tương tác với các nhóm kỵ nước trên chuỗi phân tử HPMC để tạo thành vùng liên kết kỵ nước liên kết ngang yếu. Người ta suy đoán rằng cấu trúc lắp ráp mới với cấu trúc tương đối dày đặc chủ yếu được hình thành thông qua các tương tác kỵ nước. Khi tỷ lệ KGM thấp (HPMC > 50%), giá trị thực tế của độ nhớt cắt không của hệ thống KGM/HPMC thấp hơn giá trị lý thuyết, điều này cho thấy ở hàm lượng KGM thấp, nhiều phân tử tham gia vào quá trình mới đậm đặc hơn. kết cấu. Khi hình thành , độ nhớt cắt bằng 0 của hệ thống càng giảm.

2.2 Phân tích đường cong biến dạng của hệ hỗn hợp KGM/HPMC

Từ đường cong quan hệ mô đun và biến dạng cắt của dung dịch KGM/HPMC với các phần khối lượng và tỷ lệ hỗn hợp khác nhau có thể thấy rằng khi biến dạng cắt nhỏ hơn 10% thì G′và G``của hệ hỗn hợp về cơ bản không tăng theo biến dạng cắt. Tuy nhiên, nó cho thấy rằng trong phạm vi biến dạng cắt này, hệ thống hợp chất có thể phản ứng với các kích thích bên ngoài thông qua sự thay đổi cấu trúc chuỗi phân tử và cấu trúc của hệ thống hợp chất không bị phá hủy. Khi biến dạng cắt> 10%, bên ngoài Dưới tác dụng của lực cắt, tốc độ tách rời của các chuỗi phân tử trong hệ phức tạp lớn hơn tốc độ vướng víu, G′và G``bắt đầu giảm và hệ thống đi vào vùng nhớt đàn hồi phi tuyến. Do đó, trong thử nghiệm tần số động tiếp theo, tham số biến dạng cắt được chọn là 1% để thử nghiệm.

2.3 Phân tích đường cong quét tần số của hệ tổ hợp KGM/HPMC

Đường cong biến thiên của mô đun lưu trữ và mô đun tổn thất theo tần số đối với các dung dịch KGM/HPMC với các tỷ lệ gộp khác nhau dưới các phần khối lượng khác nhau. Mô đun lưu trữ G' biểu thị năng lượng có thể được phục hồi sau khi lưu trữ tạm thời trong thử nghiệm và mô đun tổn thất G” có nghĩa là năng lượng cần thiết cho dòng chảy ban đầu, là tổn thất không thể đảo ngược và cuối cùng được chuyển thành nhiệt cắt. Có thể thấy rằng, khi tần số dao động tăng thì mô đun tổn hao G``luôn lớn hơn mô đun lưu trữ G', thể hiện trạng thái lỏng. Trong dải tần số thử nghiệm, mô đun lưu trữ G' và mô đun tổn hao G” tăng khi tần số dao động tăng. Điều này chủ yếu là do khi tần số dao động tăng lên, các đoạn chuỗi phân tử trong hệ thống không có thời gian để phục hồi về trạng thái biến dạng trong thời gian ngắn Trạng thái trước đó, từ đó cho thấy hiện tượng có thể tích trữ nhiều năng lượng hơn ( G lớn hơn') hoặc cần bị mất (G``).

Khi tần số dao động tăng, mô đun lưu trữ của hệ thống giảm đột ngột và khi phần khối lượng và hàm lượng KGM của hệ thống tăng lên, điểm tần số của sự giảm đột ngột tăng dần. Sự sụt giảm đột ngột có thể là do cấu trúc đặc được hình thành do liên kết kỵ nước giữa KGM và HPMC trong hệ thống bị phá hủy do lực cắt bên ngoài. Hơn nữa, việc tăng phần khối lượng của hệ thống và hàm lượng KGM có lợi cho việc duy trì sự ổn định của cấu trúc dày đặc và làm tăng giá trị tần số bên ngoài phá hủy cấu trúc.

2.4 Phân tích đường cong quét nhiệt độ của hệ composite KGM/HPMC

Từ đường cong mô đun tích trữ và mô đun tổn thất của dung dịch KGM/HPMC với các phần khối lượng khác nhau và các tỷ lệ pha trộn khác nhau, có thể thấy rằng khi phần khối lượng của hệ là 0,50% thì G′và G``của dung dịch HPMC hầu như không thay đổi theo nhiệt độ. và G``>G', độ nhớt của hệ thống chiếm ưu thế; khi phần khối lượng tăng thì G′của dung dịch HPMC trước tiên không thay đổi và sau đó tăng mạnh và G′và G``giao nhau ở khoảng 70°C (Nhiệt độ điểm giao nhau là điểm gel) và hệ thống tạo thành gel tại thời điểm này, do đó chỉ ra rằng HPMC là gel cảm ứng nhiệt. Đối với nghiệm KGM, khi phần khối lượng của hệ là 0,50% và 0,75% thì G′và G của hệ thống “có xu hướng giảm dần; khi phần khối lượng tăng, G' và G” của dung dịch KGM trước tiên giảm rồi sau đó tăng đáng kể, điều này cho thấy dung dịch KGM thể hiện các đặc tính giống như gel ở phần khối lượng cao và nhiệt độ cao .

Khi nhiệt độ tăng thì G′và G``của hệ thống phức hợp KGM/HPMC lúc đầu giảm rồi sau đó tăng đáng kể và G′và G``xuất hiện các điểm giao nhau và hệ thống tạo thành gel. Khi các phân tử HPMC ở nhiệt độ thấp, liên kết hydro xảy ra giữa các nhóm ưa nước trên chuỗi phân tử và phân tử nước, khi nhiệt độ tăng lên, nhiệt tác dụng sẽ phá hủy các liên kết hydro được hình thành giữa HPMC và các phân tử nước, dẫn đến sự hình thành đại phân tử HPMC dây chuyền. Các nhóm kỵ nước trên bề mặt lộ ra, xảy ra liên kết kỵ nước và tạo thành gel nhiệt nhiệt. Đối với hệ thống có khối lượng thấp, hàm lượng KGM nhiều hơn có thể tạo thành gel; đối với hệ thống có khối lượng lớn, hàm lượng HPMC nhiều hơn có thể tạo thành gel. Trong hệ thống có tỷ lệ khối lượng thấp (0,50%), sự có mặt của các phân tử KGM làm giảm khả năng hình thành liên kết hydro giữa các phân tử HPMC, từ đó làm tăng khả năng tiếp xúc của các nhóm kỵ nước trong phân tử HPMC, tạo điều kiện cho sự hình thành gel nhiệt nhiệt. Trong hệ thống phân đoạn khối lượng lớn, nếu hàm lượng KGM quá cao thì độ nhớt của hệ thống cao, không có lợi cho sự liên kết kỵ nước giữa các phân tử HPMC và KGM, không có lợi cho sự hình thành gel sinh nhiệt.

3. Kết luận

Trong bài báo này, hành vi lưu biến của hệ thống phức hợp KGM và HPMC được nghiên cứu. Kết quả cho thấy hệ hỗn hợp KGM/HPMC là chất lỏng phi Newton và loại chất lỏng của hệ hỗn hợp KGM/HPMC chủ yếu được xác định bởi KGM. Việc tăng phần khối lượng hệ thống và hàm lượng KGM đều làm giảm tính lưu động của dung dịch hợp chất và tăng độ nhớt của nó. Ở trạng thái sol, chuỗi phân tử KGM và HPMC tạo thành cấu trúc đậm đặc hơn thông qua các tương tác kỵ nước. Cấu trúc trong hệ thống bị phá hủy do lực cắt từ bên ngoài dẫn đến mô đun lưu trữ của hệ thống giảm đột ngột. Việc tăng phần khối lượng hệ thống và hàm lượng KGM có lợi cho việc duy trì sự ổn định của cấu trúc dày đặc và tăng giá trị tần số bên ngoài phá hủy cấu trúc. Đối với hệ thống có tỷ lệ khối lượng thấp, hàm lượng KGM nhiều hơn sẽ có lợi cho việc hình thành gel; đối với hệ thống có khối lượng lớn, hàm lượng HPMC nhiều hơn sẽ có lợi cho việc hình thành gel.