Влияние комбинирования пектиновых веществ на вязкость их водных растворов
Автор: Хатко З.Н., Титов С.А., Ашинова А.А., Колодина Е.М.
Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet
Рубрика: Пищевая биотехнология
Статья в выпуске: 2 (80), 2019 года.
Бесплатный доступ
Вязкость является одним из характерных свойств пектиновых веществ, как и других лиофильных коллоидов. Молекулы пектинов легко ассоциируются друг с другом или с крупными молекулами сопутствующих веществ. Данная статья содержит результаты исследования динамической вязкости, внутреннего трения, тиксотропного индекса водных растворов (1 % и 4%) различных видов пектиновых веществ и их комбинаций. В статье приведены результаты исследования влияния разных видов пектиновых веществ и их комбинаций на динамическую вязкость пектиновых растворов и на их внутреннее трение. Приведен анализ значений динамической вязкости и силы трения в зависимости от вида пектиновых веществ и их комбинаций. Установлено, что в случаях, когда требуется информация о диссипативных процессах в пектиновых структурах при малых скоростях движения и сдвиговых нагрузках, следует опираться на данные по внутреннему трению, в других - на приведенные сведения по их вязкости. Рассчитан тиксотропный индекс. Установлено, что внутреннее трение в пектиновых растворах и их динамическая вязкость зависят от вида пектиновых веществ и их комбинаций...
Динамическая вязкость, внутреннее трение, ротационный вискозиметр, тиксотропия, пектиновые вещества, комбинации пектинов
Короткий адрес: https://sciup.org/140246329
IDR: 140246329 | DOI: 10.20914/2310-1202-2019-2-133-138
Текст научной статьи Влияние комбинирования пектиновых веществ на вязкость их водных растворов
Пектиновые вещества – это комплексные высокомолекулярные соединения – полисахариды, структура и химический состав которых определяют форму их молекул и характер взаимодействия с другими соединениями [4]. Пектиновые вещества обладают структурой с ограниченной гибкостью, стабилизируемой гидрофобными (между группами) связями. Подобно целлюлозе, пектиновые вещества организованы в жесткие и рыхлые области.
Вязкость является одним из характерных свойств пектиновых веществ, как и других лиофильных коллоидов. Молекулы пектинов легко ассоциируются либо друг с другом, либо с крупными молекулами сопутствующих веществ.
Вязкость водных растворов пектинов зависит от различных факторов: концентрации, длины молекулярной цепи, степени этерификации, присутствия электролитов и температуры. С увеличением молекулярной массы при прочих равных условиях вязкость повышается. При одной и той же молекулярной массе вязкость возрастает с увеличением электрического заряда макромолекулы (количества свободных карбоксильных групп) [4].
Цель работы – исследование влияния видов пектиновых веществ и их комбинаций на динамическую вязкость пектиновых растворов и их внутреннее трение.
Решались следующие задачи:
─ определение внутреннего трения в пектиновых растворах;
─ определение динамической вязкости пектиновых растворов;
─ расчет тиксотропного индекса систем;
─ анализ значений динамической вязкости и силы трения в зависимости от вида пектиновых веществ и их комбинаций.
Материалы и методы
Объектами исследования являются пектиновые растворы (1; 4%): яблочный (Я), цитрусовый (Ц), свекловичный (С) и комбинации пектинов (ЯЦ, ЯС, ЦС).
Характеристика исследуемых пектиновых веществ представлена в таблице 1 [5].
Таблица 1.
Характеристика исследуемых пектиновых веществ
Table 1.
Characteristics of the studied pectin substances
|
Пектин Pectin |
Производитель Manufacturer |
Степень этерификации Power esterification |
Ref |
|
Яблочный Apple |
«Айдиго», Китай |
45–49 |
ТУ 9169–007–52303135–2014 |
|
Цитрусовый Citrus |
«Danisko», Чешская Республика |
46–50 |
ГОСТ 29186–91 |
|
Свекловичный Вееt |
Лабораторный, МГТУ |
30–45 |
ОСТ 18–62–72 |
Определение внутреннего трения растворов проводили с помощью установки, в основе которой – крутильный маятник с закрепленным на нем зеркалом, с которым состыкован цилиндр, погружаемый в исследуемую среду. Внутреннее трение в системах определяется путем создания в исследуемом растворе колебательного процесса. С течением времени энергия колебаний в системе затухает и рассеивается в тепловую энергию. Внутреннее трение объединяет различные механизмы превращения упругой энергии в тепловую. Измерения внутреннего трения могут быть использованы при изучении различных физических процессов в пищевых системах, в частности при исследовании струк-турообразования на поверхности мембран при баромембранном разделении растворов [6].
В связи с тем что геометрия пищевых систем на установке для определения трения совпадает с геометрией ротационного вискозиметра, внутреннее трение соответствует вязкости, определенной ротационным вискозиметром. Измерение динамической вязкости с применением принципов ротационной вискозиметрии включает пересчет крутящего момента вращения шпинделя прибора с постоянной скоростью при погружении его в исследуемый раствор. При этом выбирались такие шпиндели и скорости вращения, при которых отсчет момента лежит в диапазоне от 10 до 90% от максимального значения [1].
Относительное стандартное отклонение (погрешность) для данного измерения рассчитывалось по формуле
где, d – значения измерений; k – количество измерений.
Тиксотропный индекс пектиновых растворов рассчитывали (отношение вязкостей жидкости, измеренных при двух разных скоростях сдвига (при использовании одного шпинделя)) по формуле n = ηL/ηH, где n – тиксотропный индекс, безразмерная величина; ηL – вязкость при низкой скорости сдвига, сПз; ηH – вязкость при высокой скорости сдвига, сПз.
Результаты и обсуждение
На первом этапе исследования проводилось измерение внутреннего трения в пектиновых растворах (1%).
Значения внутреннего трения в пектиновых растворах представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Внутреннее трение в пектиновых растворах (1%)
Table 2.
Internal friction in pectin solutions
|
Эксперимент Experiment |
Внутреннее трение в пектиновых растворах, мПа·с Internal friction in pectin solutions, мПа·с |
|||||
|
Пектин | Pectin |
Комбинация пектинов | Pectin combination |
|||||
|
Я/I |
Ц/C |
С/S |
ЯС/IS |
ЯЦ/IC |
ЦС/CS |
|
|
1 |
0,01731 |
0,017309 |
0,013555 |
0,012177 |
0,011335 |
0,014296 |
|
2 |
0,01802 |
0,017911 |
0,014256 |
0,012315 |
0,011591 |
0,014543 |
|
3 |
0,01812 |
0,018035 |
0,013391 |
0,012608 |
0,012033 |
0,01476 |
|
4 |
0,01843 |
0,018037 |
0,013516 |
0,012787 |
0,012585 |
0,015017 |
|
Среднее значение, мПа·с Average value, мПа·с |
0,01801 |
0,01782 |
0,01368 |
0,01247 |
0,01189 |
0,01465 |
|
Среднее значение, сПз Average value, сПз |
180,1 |
178,2 |
136,8 |
124,7 |
118,9 |
146,5 |
|
S, % |
2,57 |
2,85 |
1,95 |
2,1 |
2,22 |
4,61 |
Данные таблицы 2 показывают, что внутреннее трение в растворах пектинов ЯЦ (0,119 мПа·с) и ЯС (0,125) отличается от Я (0,18), Ц (0,178), С (0,137), т. е. вязкость в комбинациях уменьшается по сравнению с Я, Ц. Для раствора С в комбинациях ЯС вязкость уменьшается, а ЦС – увеличивается,
-
т. е. добавление Ц увеличивает вязкость ЦС, Я – уменьшает вязкость ЯС.
На втором этапе исследования проводилось измерение динамической вязкости с применением принципов ротационной вискозиметрии.
Полученные результаты представлены в таблицах 3–8.
Таблица 3.
Динамическая вязкость пектиновых (Я) растворов (4%)
Table 3.
Dynamic viscosity of pectin (Y) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз/ Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
411,6 |
404,2 |
413,4 |
409,7 |
1,2 |
|
120 |
378,2 |
380,6 |
374,8 |
378 |
0,7 |
|
140 |
372,2 |
380 |
376 |
376 |
1 |
|
150 |
375,6 |
370,4 |
377,4 |
374,5 |
0,9 |
|
180 |
377,4 |
367 |
367,4 |
370,6 |
1,6 |
|
200 |
375 |
365,2 |
365,8 |
368 |
1,5 |
Таблица 4.
Динамическая вязкость пектиновых (Ц) растворов (4%)
Table 4.
Dynamic viscosity of pectin (C) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз | Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
579 |
572,2 |
568,8 |
573 |
0,9 |
|
120 |
578 |
571 |
564,6 |
570,5 |
1,1 |
|
140 |
550,4 |
552,8 |
563,6 |
558,5 |
1,3 |
|
150 |
540,4 |
531,4 |
538,4 |
536,5 |
0,9 |
|
180 |
527 |
537,4 |
532 |
532,1 |
0,7 |
|
200 |
517,4 |
528,2 |
529,8 |
524,8 |
1,2 |
Таблица 5.
Динамическая вязкость пектиновых (С) растворов (4%)
Table 5.
Dynamic viscosity of pectin (S) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз | Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
410 |
399 |
403,4 |
404,1 |
1,4 |
|
120 |
377,4 |
377,4 |
374,6 |
376,1 |
0,4 |
|
140 |
353 |
358 |
347,5 |
352,8 |
0,9 |
|
150 |
316,6 |
313,8 |
315,2 |
315,2 |
0,4 |
|
180 |
311 |
310,4 |
309,6 |
310,3 |
0,1 |
|
200 |
261,8 |
261 |
260,8 |
260,9 |
0,2 |
Таблица 6.
Динамическая вязкость пектиновых (ЯС) растворов (4%)
Table 6.
Dynamic viscosity of pectin (YS) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз | Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
268 |
257,2 |
259 |
261,4 |
2,2 |
|
120 |
260 |
254,4 |
264 |
259,4 |
0,7 |
|
140 |
277,4 |
254,2 |
245,2 |
258,9 |
2,5 |
|
150 |
249,8 |
243,1 |
246,8 |
246,6 |
1,3 |
|
180 |
247 |
246,8 |
241,4 |
245 |
1,6 |
|
200 |
247 |
245 |
240 |
244 |
1,5 |
Таблица 7.
Динамическая вязкость пектиновых (ЯЦ) растворов (4%)
Table 7.
Dynamic viscosity of pectin (YC) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз | Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
452,4 |
413,2 |
429,6 |
431,7 |
0,8 |
|
120 |
445,8 |
407,8 |
423,4 |
425,6 |
0,7 |
|
140 |
395,8 |
425,4 |
419,8 |
422,6 |
0,9 |
|
150 |
420 |
416,8 |
423,2 |
420 |
0,8 |
|
180 |
413,2 |
419,8 |
416,4 |
418 |
0,5 |
|
200 |
388,6 |
386,4 |
395 |
391,8 |
1,1 |
Таблица 8.
Динамическая вязкость пектиновых (ЦС) растворов (4%)
Table 8.
Dynamic viscosity of pectin (CS) solutions (4%)
|
Скорость, мин-1 Speed, min-1 |
Вязкость, сПз | Viscosity, сПз |
S, % |
|||
|
Измерение | Measurement |
Среднее | Average |
||||
|
1 |
2 |
3 |
|||
|
100 |
684,2 |
705,8 |
735,2 |
708,4 |
1,6 |
|
120 |
654,5 |
695 |
701,2 |
698 |
0,6 |
|
140 |
653,2 |
668 |
673 |
670,5 |
0,5 |
|
150 |
659,8 |
672,4 |
673 |
668,4 |
1,1 |
|
180 |
601,6 |
619 |
685,8 |
645,5 |
1,4 |
|
200 |
620 |
628,4 |
625,5 |
622,6 |
0,9 |
|
Данные таблиц 3–8 показывают, что вязкость растворов в комбинациях пектинов ЯЦ (420 сПз) и ЯС (244) отличается от Я (368). Причем в комбинации ЯЦ вязкость увеличивается, в комбинации ЯС – уменьшается, т. е. добавление Ц увеличивает вязкость, а С – уменьшает. 136 |
Вязкость растворов в комбинациях пектинов ЯС (244 сПз) и ЦС (622,6) отличается от С (260,9). Причем в комбинации СЦ вязкость увеличивается, в комбинации ЯС – чуть уменьшается, т. е. добавление Ц увеличивает вязкость СЦ, а Я – уменьшает ЯС. |
В комбинации ЦЯ вязкость уменьшается, у ЦС – увеличивается. Следовательно, добавление Я уменьшает вязкость, С – увеличивает.
Наблюдаемые различия поведения внутреннего трения и вязкости пектиновых растворов при различных их комбинациях, по-видимому, связаны с тем, что при изменении вязкости на ротационном вискозиметре структура раствора разрушается, а при определении внутреннего трения на крутильном маятнике с малой амплитудой колебаний деструктивных процессов не происходит. В пользу последнего утверждения говорит высокая воспроизводимость измерения внутреннего трения на одних и тех же растворах (таблица 2).
Практический вывод из полученных закономерностей следующий: – в тех случаях, когда требуется информация о диссипативных процессах в пектиновых структурах при малых скоростях движения и сдвиговых нагрузках, следует опираться на данные по внутреннему трению, в других – на приведенные сведения по их вязкости.
Однако степень разрушения структуры при достаточно сильном воздействии может быть различной.
Поэтому на третьем этапе исследования изучали тиксотропию – способность субстанции уменьшать вязкость (разжижаться) от механи- ческого воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя [2, 3]. Полученные данные представлены в таблице 9.
Таблица 9.
Тиксотропный индекс пектиновых растворов
Table 9.
Thixotropic index of pectin solutions
|
Показатель/ Indicator |
Вид пектиновых веществ и их комбинации Type of pectic substances and their combinations |
|||||
|
Я | I |
Ц | C |
С | S |
ЯС | IS |
ЯЦ | IC |
ЦС | CS |
|
|
ηL, сПз (100 мин-1) |
409,7 |
573 |
404,1 |
261,4 |
431,7 |
708,4 |
|
ηH, сПз (200 мин-1) |
368 |
524,8 |
260,9 |
244 |
391,8 |
622,6 |
|
Тиксотропный индекс | Thixotropic Index |
1,10 |
1,10 |
1,60 |
1,10 |
1,10 |
1,14 |
Как показывают данные таблицы 9, тиксотропный индекс пектиновых растворов изменяется от 1,1 (Я) до 1,6 (Ц).
Сравнительный анализ тиксотропного индекса во всех вариантах эксперимента показывает, что:
─ яблочный пектин самостоятельно и в комбинациях имеет практически одинаковый показатель;
─ свекловичный пектин увеличивает (снижает) свой показатель в комбинации с цитрусовым (яблочным);
─ цитрусовый пектин снижает свой показатель в комбинациях со свекловичным и яблочным .
Список литературы Влияние комбинирования пектиновых веществ на вязкость их водных растворов
- Крупенникова В.Е., Раднаева В.Д., Танганов Б.Б. Определение динамической вязкости на ротационном вискозиметре Brookfield RVDV-II+ Pro. Методическое указание. Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ, 2011. 248 с.
- Овчинников П.Ф., Круглицкий Н.Н., Михайлов Н.В. Реология тиксотропных систем. Киев: Наукова думка, 2010. 120 с.
- Новый справочник химика и технолога. Электродные процессы. Химическая кинетика и диффузия. Коллоидная химия; под ред. Королева В.И. СПб: НПО "Профессионал", 2017. 838 с.
- Хатко З.Н., Ашинова А.А. Пектиносодержащие пленочные структуры: монография. Майкоп: ФГБОУ ВПО "МГТУ", 2019. 111 с.
- Антипова Л.В., Титов С.А., Жданов В.Н., Карпак А.Н. Использование измерений внутреннего трения для исследования ультра- и нанофильтрации модифицированной творожной сыворотки // Вестник ВГУИТ. 2018. № 4 (80). С. 298-303.
- Torkova A.A., Lisitskaya K.V., Filimonov I.S., Glazunova O.A. et al. Physicochemical and functional properties of Cucurbita maxima pumpkin pectin and commercial citrus and apple pectins: A comparative evaluation // PloS one. 2018. V. 13. № 9. P. 176-185.
- Bai L., Liu F., Xu X., Huan S. et al. Impact of polysaccharide molecular characteristics on viscosity enhancement and depletion flocculation // Food Engineering. 2017. V. 207. P. 35-45.
- Silva B.L.L., Costa B.S., Garcia-Rojas E.E. Binary and ternary mixtures of biopolymers and water: viscosity, refractive index and density // International Journal of Thermal Physics. 2016. V. 37. № 8. P. 79.
- Canteri-Schemin M.H., Fertonani H.C.R., Waszczynskyj N., Wosiacki G. Extraction of pectin from apple pomace // Brazilian Archives of Biology and Technology. 2005. V. 48. № 2. P. 259-266.
- Einhorn-Stoll U. The interaction of pectin and water in food products - from powder to gel // Food hydrocolloids. 2018. V. 78. P. 109-119.
