Влияние органических кислот на вязкость и реологическое поведение раствора гуаровой камеди
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
Реология – 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 ньютоновской жидкости. Реология 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. Вязкость непрерывной фазы и межфазная реология между каплями сильно влияют на характеристики текучести дисперсии. В последние несколько лет гидроколлоиды 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, гидроколлоиды 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 эмульсий и увеличивать вязкость. 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.
Гуаровая камедь – это натуральный полисахарид, получаемый из бобов гуара и
представляющий собой галактоманнан. Эта камедь является композитным биоматериалом, неионным, экологически чистым и широко распространенным, поэтому пищевая промышленность использует гуаровую камедь в качестве съедобного покрытия или как загуститель и стабилизатор при производстве различных пищевых продуктов. Натуральная гуаровая камедь может быть химически модифицирована в различные водорастворимые производные путем замены свободных гидроксильных групп вдоль позвоночника цепей гуаровой камеди функциональными группами, что расширяет возможности ее применения в различных продуктах. Ранее были исследованы различные химические модификации гуаровой камеди для удовлетворения конкретных промышленных потребностей, такие как частичный гидролиз (ферментативный и кислотный), этерификация и сшивание.
Природные полимеры, такие как гуаровая камедь, целлюлоза и хитозан, представляют особый интерес для создания рН-чувствительных систем благодаря наличию в их структуре ионных групп, которые позволяют напрямую модифицировать функциональные группы путем этерификации и сульфатирования. Добавление пищевых органических кислот широко используется для контроля рН в ряде пищевых продуктов. 
Динамическая вязкость – одно из физических свойств, необходимых для изучения реологии 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 вязкость дисперсии гуаровой камеди при приложении сдвига с различной скоростью. Видно, что кажущаяся вязкость дисперсии гуаровой камеди 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 дисперсий камеди сильно зависит от значения рН. Кроме того, при изменении рН вязкость раствора дисперсий
снижается в большей степени при низких концентрациях (около 0,2%), чем при высоких (около 0,5%). Влияние органических кислот на кажущуюся вязкость дисперсий гуаровой камеди показано на рисунке 2. Добавление органических кислот в дисперсию гуаровой камеди снижает ее вязкость. Такое поведение наблюдалось для всех органических кислот от 0 до 1%. Наибольшее снижение вязкости 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 дисперсии гуаровой камеди уменьшилась с 14,17 мПа с до 4,14 мПа·с.
Наибольшую вязкость камеди имеют в нейтральном состоянии (рН=7), а при низких и высоких значениях рН вязкость снижается из-за распада полимерных цепей в кислых и щелочных условиях.
Модель Бингема
Два наиболее важных измерения, используемых в пищевой промышленности для характеристики вязкости дисперсий, — это предел текучести и пластическая вязкость, 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 органических кислот на параметр предела текучести по Бингему дисперсии гуаровой камеди 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 гуаровой камеди 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 вязкость дисперсии. Пластическая вязкость – это наклон графика зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига, который отражает вязкость при высокой скорости сдвига. Влияние органических кислот на пластическую вязкость по Бингему дисперсии гуаровой камеди представлено на рисунке 3.
Пластическая вязкость образцов уменьшилась при увеличении процентного содержания кислот. Дисперсия, содержащая 1% аскорбиновой кислоты, имел самую низкую пластическую вязкость (0,004 Па·с), а образец, содержащий 0,5% аскорбиновой кислоты, имел самую высокую пластическую вязкость (0,009 Па·с). Результаты показывают, что при увеличении концентрации винной кислоты с 0,5% до 1% пластическая вязкость по Бингему дисперсии гуаровой камеди 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.