Estudio del comportamiento reológico del sistema compuesto por glucomanano de konjac e hidroxipropilmetilcelulosa

Resumen: Se tomó como objeto de investigación el sistema compuesto de glucomanano de konjac (KGM) e hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), y se realizaron pruebas de barrido de temperatura, frecuencia y cizallamiento en estado estacionario en el sistema compuesto mediante un reómetro rotacional. Se analizó la influencia de la fracción de masa de la solución y la proporción del compuesto sobre la viscosidad y las propiedades reológicas del sistema de compuestos KGM/HPMC. Los resultados muestran que el sistema compuesto KGM/HPMC es un fluido no newtoniano, y el aumento en la fracción de masa y el contenido de KGM del sistema reduce la fluidez de la solución compuesta y aumenta la viscosidad. En estado de sol, las cadenas moleculares de KGM y HPMC forman una estructura más compacta a través de interacciones hidrofóbicas. Aumentar la fracción de masa del sistema y el contenido de KGM es propicio para mantener la estabilidad de la estructura. En el sistema de fracción de masa baja, aumentar el contenido de KGM es beneficioso para la formación de geles termotrópicos; mientras que en el sistema de alta fracción de masa, aumentar el contenido de HPMC conduce a la formación de geles termotrópicos.

Palabras clave: glucomanano de konjac; hidroxipropilmetilcelulosa; compuesto; comportamiento reológico

Los polisacáridos naturales son ampliamente utilizados en la industria alimentaria debido a sus propiedades espesantes, emulsionantes y gelificantes. El glucomanano de Konjac (KGM) es un polisacárido vegetal natural, compuesto por β-D-glucosa y β-D-manosa en una proporción de 1,6:1, los dos están unidos por enlaces glucosídicos β-1,4, en el C- Hay es una pequeña cantidad de acetilo en la posición 6 (aproximadamente 1 acetilo por cada 17 residuos). Sin embargo, la alta viscosidad y la escasa fluidez de la solución acuosa de KGM limitan su aplicación en la producción. La hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) es un éter de propilenglicol de metilcelulosa, que pertenece al éter de celulosa no iónico. HPMC es formador de película, soluble en agua y renovable. HPMC tiene baja viscosidad y fuerza de gel a bajas temperaturas y un rendimiento de procesamiento relativamente bajo, pero puede formar un gel similar a un sólido relativamente viscoso a altas temperaturas, por lo que muchos procesos de producción deben llevarse a cabo a altas temperaturas, lo que resulta en un alto consumo de energía de producción. Los costos de producción son altos. La literatura muestra que la unidad de manosa no sustituida en la cadena molecular KGM puede formar una región de asociación hidrofóbica débilmente reticulada con el grupo hidrofóbico en la cadena molecular HPMC a través de la interacción hidrofóbica. Esta estructura puede retrasar y prevenir parcialmente la gelificación térmica de HPMC y disminuir la temperatura de gel de HPMC. Además, en vista de las propiedades de baja viscosidad de HPMC a temperaturas relativamente bajas, se predice que su combinación con KGM puede mejorar las propiedades de alta viscosidad de KGM y mejorar su rendimiento de procesamiento. Por lo tanto, este documento construirá un sistema compuesto KGM/HPMC para explorar la influencia de la fracción de masa de la solución y la proporción del compuesto en las propiedades reológicas del sistema KGM/HPMC, y proporcionará una referencia teórica para la aplicación del sistema compuesto KGM/HPMC en la industria alimentaria

1. Materiales y métodos

1.1 Materiales y reactivos

Hidroxipropilmetilcelulosa, KIMA CHEMICAL CO.,LTD, fracción de masa 2%, viscosidad 6 mPa·s; fracción de masa metoxi 28%~30%; fracción de masa de hidroxipropilo 7.0%~12% .

Glucomanano de Konjac, Wuhan Johnson Konjac Food Co., Ltd., viscosidad de solución acuosa al 1% en peso ≥ 28 000 mPa·s.

1.2 Instrumentos y equipos

reómetro rotacional MCR92, Anton Paar Co., Ltd., Austria; Máquina de agua ultrapura UPT-II-10T, Sichuan Youpu Ultrapure Technology Co., Ltd.; Balanza analítica electrónica AB-50, empresa suiza Mette; Baño de agua a temperatura constante LHS-150HC, Wuxi Huaze Technology Co., Ltd.; Agitador eléctrico JJ-1, fábrica de instrumentos médicos de Jintan, provincia de Jiangsu.

1.3 Preparación de la solución compuesta

Pese los polvos de HPMC y KGM con una relación de composición determinada (relación de masa: 0:10, 3:7, 5:5, 7:3, 10:0), agréguelos lentamente al agua desionizada en un baño de agua a 60 °C y agitar durante 1,5~2 h para que se disperse uniformemente y preparar 5 tipos de soluciones de gradiente con fracciones de masa sólida total de 0,50 %, 0,75 %, 1,00 %, 1,25 % y 1,50 %, respectivamente.

1.4 Prueba de propiedades reológicas de la solución compuesta

Prueba de cizallamiento en estado estacionario: la curva reológica de la solución del compuesto KGM/HPMC se midió utilizando un cono y una placa CP50, el espacio entre las placas superior e inferior se fijó en 0,1 mm, la temperatura de medición fue de 25 °C y el cizallamiento el rango de velocidad fue de 0,1 a 100 s-1.

Escaneo de deformación (determinación de la región viscoelástica lineal): use la placa PP50 para medir la región viscoelástica lineal y la ley de cambio de módulo de la solución compuesta KGM/HPMC, establezca el espaciado en 1.000 mm, la frecuencia fija en 1 Hz y la temperatura de medición en 25 °C. El rango de tensión es 0.1%~100%.

Barrido de frecuencia: use una placa PP50 para medir el cambio de módulo y la dependencia de la frecuencia de la solución compuesta KGM/HPMC. El espaciado se establece en 1.000 mm, la deformación es del 1 %, la temperatura de medición es de 25 °C y el rango de frecuencia es de 0,1 a 100 Hz.

Escaneo de temperatura: El módulo y su dependencia de la temperatura de la solución del compuesto KGM/HPMC se midieron usando una placa PP50, el espaciamiento se fijó en 1.000 mm, la frecuencia fija fue de 1 Hz, la deformación fue del 1 % y la temperatura fue de 25 a 90 °C.

2. Resultados y Análisis

2.1 Análisis de la curva de flujo del sistema compuesto KGM/HPMC

Curvas de viscosidad frente a velocidad de corte de soluciones de KGM/HPMC con diferentes proporciones de composición en diferentes fracciones de masa. Los fluidos cuya viscosidad es una función lineal de la velocidad de corte se denominan fluidos newtonianos; de lo contrario, se denominan fluidos no newtonianos. Puede verse en la curva que la viscosidad de la solución de KGM y la solución del compuesto de KGM/HPMC disminuye con el aumento de la velocidad de corte; cuanto mayor sea el contenido de KGM, mayor será la fracción de masa del sistema y más evidente será el fenómeno de adelgazamiento por cizallamiento de la solución. Esto muestra que el sistema compuesto KGM y KGM/HPMC son fluidos no newtonianos, y el tipo de fluido del sistema compuesto KGM/HPMC está determinado principalmente por KGM.

A partir del índice de flujo y el coeficiente de viscosidad de las soluciones KGM/HPMC con diferentes fracciones de masa y diferentes proporciones de compuestos, se puede ver que los valores n de los sistemas compuestos KGM, HPMC y KGM/HPMC son menores que 1, lo que indica que las soluciones son todos los fluidos pseudoplásticos. Para el sistema compuesto KGM/HPMC, el aumento de la fracción de masa del sistema provocará enredos y otras interacciones entre las cadenas moleculares HPMC y KGM en la solución, lo que reducirá la movilidad de las cadenas moleculares, reduciendo así el valor n de el sistema. Al mismo tiempo, con el aumento del contenido de KGM, se mejora la interacción entre las cadenas moleculares de KGM en el sistema KGM/HPMC, lo que reduce su movilidad y da como resultado una disminución del valor de n. Por el contrario, el valor K de la solución del compuesto KGM/HPMC aumenta continuamente con el aumento de la fracción de masa de la solución y el contenido de KGM, lo que se debe principalmente al aumento de la fracción de masa del sistema y el contenido de KGM, que aumentan el contenido de grupos hidrófilos en el sistema. , aumentando la interacción molecular dentro de la cadena molecular y entre las cadenas, aumentando así el radio hidrodinámico de la molécula, haciéndola menos probable que se oriente bajo la acción de la fuerza de corte externa y aumentando la viscosidad.

El valor teórico de la viscosidad de cizallamiento cero del sistema compuesto KGM/HPMC se puede calcular de acuerdo con el principio de suma logarítmica anterior, y su valor experimental se puede obtener mediante la extrapolación de ajuste de Carren de la curva de tasa de cizallamiento-viscosidad. Al comparar el valor predicho de la viscosidad de cizallamiento cero del sistema compuesto KGM/HPMC con diferentes fracciones de masa y diferentes proporciones de composición con el valor experimental, se puede ver que el valor real de la viscosidad de cizallamiento cero del compuesto KGM/HPMC solución es menor que el valor teórico. Esto indicó que se formó un nuevo conjunto con una estructura densa en el complejo sistema de KGM y HPMC. Los estudios existentes han demostrado que las unidades de manosa no sustituidas en la cadena molecular KGM pueden interactuar con los grupos hidrofóbicos en la cadena molecular HPMC para formar una región de asociación hidrofóbica débilmente reticulada. Se especula que la nueva estructura de ensamblaje con una estructura relativamente densa se forma principalmente a través de interacciones hidrofóbicas. Cuando la proporción de KGM es baja (HPMC > 50 %), el valor real de la viscosidad de cizallamiento cero del sistema KGM/HPMC es menor que el valor teórico, lo que indica que con un contenido bajo de KGM, más moléculas participan en el nuevo compuesto más denso. estructura. En la formación de , la viscosidad de cizallamiento cero del sistema se reduce aún más.

2.2 Análisis de las curvas de barrido de deformación del sistema compuesto KGM/HPMC

A partir de las curvas de relación del módulo y la deformación por corte de las soluciones de KGM/HPMC con diferentes fracciones de masa y diferentes proporciones de composición, se puede ver que cuando la deformación por corte es inferior al 10 %, G′ y G″ del sistema compuesto básicamente no no aumenta con la deformación cortante. Sin embargo, muestra que dentro de este rango de tensión de cizallamiento, el sistema compuesto puede responder a estímulos externos a través del cambio de conformación de la cadena molecular y la estructura del sistema compuesto no se daña. Cuando la tensión de corte es > 10%, la velocidad externa Bajo la acción de la fuerza de corte, la velocidad de desenredado de las cadenas moleculares en el sistema complejo es mayor que la velocidad de enredo, G′ y G″ comienzan a disminuir, y el sistema entra en el no lineal región viscoelástica. Por lo tanto, en la prueba de frecuencia dinámica subsiguiente, el parámetro de tensión de corte se seleccionó como 1% para la prueba.

2.3 Análisis de la curva de barrido de frecuencia del sistema compuesto KGM/HPMC

Curvas de variación de módulo de almacenamiento y módulo de pérdida con frecuencia para soluciones KGM/HPMC con diferentes relaciones de composición bajo diferentes fracciones de masa. El módulo de almacenamiento G' representa la energía que se puede recuperar después del almacenamiento temporal en el ensayo, y el módulo de pérdida G" significa la energía requerida para el flujo inicial, que es una pérdida irreversible y finalmente se transforma en calor de corte. Puede ser visto que, a medida que aumenta la frecuencia de oscilación, el módulo de pérdida G″ es siempre mayor que el módulo de almacenamiento G′, mostrando un comportamiento líquido. En el rango de frecuencia de prueba, el módulo de almacenamiento G' y el módulo de pérdida G" aumentan con el aumento de la frecuencia de oscilación. Esto se debe principalmente al hecho de que con el aumento de la frecuencia de oscilación, los segmentos de la cadena molecular en el sistema no tienen tiempo para recuperar la deformación en poco tiempo El estado anterior, mostrando así el fenómeno de que se puede almacenar más energía ( mayor G′) o debe perderse (G″).

Con el aumento de la frecuencia de oscilación, el módulo de almacenamiento del sistema cae repentinamente, y con el aumento de la fracción de masa y el contenido de KGM del sistema, el punto de frecuencia de la caída repentina aumenta gradualmente. La caída repentina puede deberse a la destrucción de la estructura compacta formada por la asociación hidrofóbica entre KGM y HPMC en el sistema por cizallamiento externo. Además, el aumento de la fracción de masa del sistema y el contenido de KGM es beneficioso para mantener la estabilidad de la estructura densa y aumenta el valor de la frecuencia externa que destruye la estructura.

2.4 Análisis de la curva de barrido de temperatura del sistema compuesto KGM/HPMC

A partir de las curvas de módulo de almacenamiento y módulo de pérdida de soluciones KGM/HPMC con diferentes fracciones de masa y diferentes relaciones de composición, se puede ver que cuando la fracción de masa del sistema es 0,50 %, el G′ y el G″ de la solución HPMC apenas cambiar con la temperatura. , y G″>G′, domina la viscosidad del sistema; cuando la fracción de masa aumenta, la G′ de la solución de HPMC primero permanece sin cambios y luego aumenta bruscamente, y G′ y G″ se cruzan a alrededor de 70 °C (la temperatura del punto de intersección es el punto de gel) y el sistema forma un gel. en este momento, lo que indica que HPMC es un gel inducido térmicamente. Para la solución KGM, cuando la fracción de masa del sistema es 0.50% y 0.75%, el G' y G del sistema "muestra una tendencia decreciente; cuando la fracción de masa aumenta, el G' y G" de la solución KGM primero disminuyen y luego aumentan significativamente, lo que indica que la solución de KGM exhibe propiedades similares a las de un gel en fracciones de masa altas y temperaturas altas.

Con el aumento de la temperatura, G′ y G″ del sistema complejo KGM/HPMC primero disminuyeron y luego aumentaron significativamente, y G′ y G″ aparecieron como puntos de intersección, y el sistema formó un gel. Cuando las moléculas de HPMC están a baja temperatura, se producen enlaces de hidrógeno entre los grupos hidrofílicos de la cadena molecular y las moléculas de agua, y cuando la temperatura aumenta, el calor aplicado destruye los enlaces de hidrógeno formados entre HPMC y las moléculas de agua, lo que da como resultado la formación de macromoleculares de HPMC. cadenas Los grupos hidrófobos de la superficie quedan expuestos, se produce una asociación hidrófoba y se forma un gel termotrópico. Para el sistema de fracción de masa baja, más contenido de KGM puede formar gel; para el sistema de alta fracción de masa, más contenido de HPMC puede formar gel. En el sistema de fracción de masa baja (0,50 %), la presencia de moléculas de KGM reduce la probabilidad de formar enlaces de hidrógeno entre las moléculas de HPMC, lo que aumenta la posibilidad de exposición de grupos hidrófobos en las moléculas de HPMC, lo que conduce a la formación de geles termotrópicos. En el sistema de alta fracción de masa, si el contenido de KGM es demasiado alto, la viscosidad del sistema es alta, lo que no conduce a la asociación hidrofóbica entre las moléculas de HPMC y KGM, lo que no conduce a la formación de gel termogénico.

3. Conclusión

En este trabajo se estudia el comportamiento reológico del sistema compuesto de KGM y HPMC. Los resultados muestran que el sistema compuesto de KGM/HPMC es un fluido no newtoniano, y el tipo de fluido del sistema compuesto de KGM/HPMC está determinado principalmente por KGM. El aumento de la fracción de masa del sistema y el contenido de KGM disminuyó la fluidez de la solución del compuesto y aumentó su viscosidad. En estado de sol, las cadenas moleculares de KGM y HPMC forman una estructura más densa a través de interacciones hidrofóbicas. La estructura del sistema se destruye por cizallamiento externo, lo que da como resultado una caída repentina en el módulo de almacenamiento del sistema. El aumento de la fracción de masa del sistema y el contenido de KGM es beneficioso para mantener la estabilidad de la estructura densa y aumentar el valor de la frecuencia externa que destruye la estructura. Para el sistema de fracción de masa baja, un mayor contenido de KGM conduce a la formación de gel; para el sistema de alta fracción de masa, más contenido de HPMC conduce a la formación de gel.