Влияние органических кислот на вязкость и реологическое поведение раствора гуаровой камеди
Основано на материале статьи: Influence of organic acids on the viscosity and rheological behavior of guar gum solution, Results in Engineering, 2024
#POPOVER1#Реология#/POPOVER# – это наука, изучающая течение и деформацию материалов при приложении напряжения. Она была разработана для описания свойств материалов с плохо выраженным и промежуточным поведением между поведением идеального упругого твердого тела и #POPOVER2#ньютоновской жидкости#/POPOVER#. #POPOVER1#Реология#/POPOVER# может быть использована для предсказания поведения реальных объектов. Реологическое поведение раствора имеет решающее значение для его текучести и стабильности во многих промышленных приложениях, таких как 
пищевая и фармацевтическая промышленность. #POPOVER4#Вязкость#/POPOVER# непрерывной фазы и межфазная реология между каплями сильно влияют на характеристики текучести дисперсии. В последние несколько лет #POPOVER3#гидроколлоиды#/POPOVER# привлекают к себе повышенное внимание благодаря своей биосовместимости, биоразлагаемости, биоактивным свойствам, экологической чувствительности, настраиваемым механическим свойствам и способности имитировать естественное микроокружение внеклеточного матрикса. Как правило, #POPOVER3#гидроколлоиды#/POPOVER# содержат большое количество гидроксильных групп или других гидрофильных групп, таких как амино- и карбоксильные группы, что увеличивает растворимость в воде. Эти природные ингредиенты обладают отличительной способностью удерживать воду, способствовать образованию #POPOVER5#эмульсий#/POPOVER# и увеличивать #POPOVER4#вязкость#/POPOVER#. Замена жиров в пищевых продуктах камедью может улучшить их питательный состав, то есть уменьшить общее содержание калорий и насыщенных жиров, что делает их более подходящими для людей, стремящихся к более здоровому питанию.
#POPOVER6#Гуаровая камедь#/POPOVER# – это натуральный #POPOVER7#полисахарид#/POPOVER#, получаемый из бобов гуара и
представляющий собой галактоманнан. Эта камедь является композитным биоматериалом, неионным, экологически чистым и широко распространенным, поэтому пищевая промышленность использует #POPOVER6#гуаровую камедь#/POPOVER# в качестве съедобного покрытия или как загуститель и стабилизатор при производстве различных пищевых продуктов. Натуральная #POPOVER6#гуаровая камедь#/POPOVER# может быть химически модифицирована в различные водорастворимые производные путем замены свободных гидроксильных групп вдоль позвоночника цепей #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# функциональными группами, что расширяет возможности ее применения в различных продуктах. Ранее были исследованы различные химические модификации #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# для удовлетворения конкретных промышленных потребностей, такие как частичный #POPOVER8#гидролиз#/POPOVER# (ферментативный и кислотный), #POPOVER9#этерификация#/POPOVER# и сшивание.
Природные полимеры, такие как #POPOVER6#гуаровая камедь#/POPOVER#, #POPOVER10#целлюлоза#/POPOVER# и #POPOVER11#хитозан#/POPOVER#, представляют особый интерес для создания рН-чувствительных систем благодаря наличию в их структуре ионных групп, которые позволяют напрямую модифицировать функциональные группы путем #POPOVER9#этерификации#/POPOVER# и #POPOVER12#сульфатирования#/POPOVER#. Добавление пищевых органических кислот широко используется для контроля рН в ряде пищевых продуктов. 
#POPOVER13#Динамическая вязкость#/POPOVER# – одно из физических свойств, необходимых для изучения #POPOVER1#реологии#/POPOVER# растворов. Это свойство изменяется в зависимости от потока жидкости и рабочих условий процесса, таких как температура, концентрация раствора и скорость перемешивания. На рисунке 1 показано, как изменяется #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# дисперсии гуаровой камеди при приложении сдвига с различной скоростью. Видно, что кажущаяся вязкость #POPOVER14#дисперсии#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# становится меньше при более быстром перемешивании (сдвиговое истончение). Было обнаружено, что сдвиговое истончение обусловлено ориентацией полимерных цепей в направлении напряжения сдвига, что приводит к уменьшению взаимодействия и разрыву прочных связей при высоких скоростях сдвига. В данном исследовании кажущаяся вязкость контрольного образца снизилась с 18,6 мПа·с до 12,6 мПа·с при увеличении скорости сдвига с 12,2 с -1
до 171,2 с -1.
Реологическое поведение и структурная прочность #POPOVER14#дисперсий#/POPOVER# камеди сильно зависит от значения #POPOVER15#рН#/POPOVER#. Кроме того, при изменении #POPOVER15#рН#/POPOVER# #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# раствора #POPOVER14#дисперсий
#/POPOVER# снижается в большей степени при низких концентрациях (около 0,2%), чем при высоких (около 0,5%). Влияние органических кислот на кажущуюся #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# #POPOVER14#дисперсий#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# показано на рисунке 2. Добавление #POPOVER16#органических кислот#/POPOVER# в #POPOVER14#дисперсию#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# снижает ее #POPOVER4#вязкость#/POPOVER#. Такое поведение наблюдалось для всех #POPOVER16#органических кислот#/POPOVER# от 0 до 1%. Наибольшее снижение #POPOVER4#вязкости#/POPOVER# было связано с 1% аскорбиновой кислоты, а наименьшее – с 0,5% яблочной кислоты. Результаты показывают, что при увеличении доли аскорбиновой кислоты до 1% кажущаяся вязкость #POPOVER14#дисперсии#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# уменьшилась с 14,17 мПа с до 4,14 мПа·с.
Наибольшую #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# камеди имеют в нейтральном состоянии (рН=7), а при низких и высоких значениях #POPOVER15#рН#/POPOVER# #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# снижается из-за распада полимерных цепей в кислых и щелочных условиях.
Модель Бингема
Два наиболее важных измерения, используемых в пищевой промышленности для характеристики #POPOVER4#вязкости#/POPOVER# #POPOVER14#дисперсий#/POPOVER#, — это предел текучести и пластическая #POPOVER4#вязкость#/POPOVER#, которые представляют собой параметры для модели Бингема. На графике «напряжение сдвига – скорость сдвига» предел текучести представляет собой точку, в которой график зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига пересекает ось у. Его также можно описать как меру сопротивления жидкости начальному течению или величину силы, необходимой для начала течения.
Влияние #POPOVER16#органических кислот#/POPOVER# на параметр предела текучести по Бингему #POPOVER14#дисперсии#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# представлено на рисунке 3. При увеличении процентного содержания кислот предел текучести образцов по Бингему уменьшался. Уменьшение этого показателя свидетельствует о снижении вязкостных свойств жидкости. Дисперсия, содержащая 1% аскорбиновой кислоты, имела самый низкий предел текучести, а образец, содержащий 0,5% аскорбиновой кислоты – самый высокий предел текучести.
Результаты показывают, что при увеличении процентного содержания аскорбиновой кислоты с 0,5% до 1% предел текучести по Бингему дисперсии #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# значительно снизился с 0,111 Па·с до 0,022 Па·с (р<0,05). При значениях рН ниже 4 карбоксилатные группы превращаются из ионизированных в неионизированные, что влияет на электростатическое отталкивание между боковыми цепями камеди и снижает #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# дисперсии. Пластическая вязкость – это наклон графика зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, который отражает вязкость при высокой скорости сдвига. Влияние #POPOVER16#органических кислот#/POPOVER# на пластическую #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# по Бингему #POPOVER14#дисперсии#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# представлено на рисунке 3.
Пластическая #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# образцов уменьшилась при увеличении процентного содержания кислот. #POPOVER14#Дисперсия#/POPOVER#, содержащая 1% аскорбиновой кислоты, имел самую низкую пластическую #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# (0,004 Па·с), а образец, содержащий 0,5% аскорбиновой кислоты, имел самую высокую пластическую #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# (0,009 Па·с). Результаты показывают, что при увеличении концентрации винной кислоты с 0,5% до 1% пластическая #POPOVER4#вязкость#/POPOVER# по Бингему #POPOVER14#дисперсии#/POPOVER# #POPOVER6#гуаровой камеди#/POPOVER# значительно снизилась с 0,007 Па·с до 0,004 Па·с.
В статье рассмотрено влияние четырех пищевых органических кислот (аскорбиновой, лимонной, яблочной и винной) в двух концентрациях (0,5 и 1%) на вязкость и реологические свойства дисперсии гуаровой камеди (0,2% вещества в воде). Результаты показали, что кажущаяся вязкость дисперсий гуаровой камеди уменьшается при увеличении скорости сдвига. Кроме того, кажущаяся вязкость дисперсий гуаровой камеди уменьшалась при увеличении концентрации органических кислот от о до 1%. Наибольшее снижение вязкости было связано с 1% аскорбиновой кислоты, а наименьшее – с 0,5% яблочной кислоты. Индекс текучести образцов увеличивался при увеличении процентного содержания кислоты. Таким образом, использование гуаровой камеди в пищевых продуктах, содержащих высокие концентрации винной и аскорбиновой кислот, не рекомендуется.