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食品乳化剂的界面流变特性与泡沫稳定性的关系

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2021/1/15 10:17:57

研究背景

界面的膨胀或扩张流变描述了界面如何对面积变化(增加或减小)做出响应。该反应可以是弹性的,也可以是粘性的。通过震荡滴方法,可以相应的得到界面流变的参数,即量粘弹性模量 E,弹性模量 E' 和粘性模量 E" [1, 2] 

 

实验方法

2.1 样品

用三种不同的样品进行测试,这些样品在测量之前已经根据用途准备成水溶液(表 1)。这三个样品都是食品中典型的表面活性添加剂。水解蛋白可用作增味剂,且适用于过敏患者。Quillaia 提取物用于非酒*料中,以支撑泡沫特性,而甘露酸丙二醇酯作为增稠剂,乳化剂或泡沫增强剂存在于冰糕,调味料或啤酒中。

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2.2 测试方法 

振荡滴法用于确定量粘弹性模量 E,弹性模量 E' 和粘性模量 E" 。将样品吸进玻璃注射器中,与 的振荡液滴模块 ODM 相连接。注射器活塞的自动检测和耦合以及ADVANCE 软件的高度自动化,可以实现高精度和出色的测量重复性。注射器下方悬挂一个特定体积的液滴,通过压电陶瓷的方式,对液滴体积进行正弦振荡,由于液滴中表面活性剂的迁移,液滴的表面张力也随之呈现正弦变化(图 1)。根据表面张力,液滴面积的变化,以及相位角,即可计算出E , E’E" ,所有这些都是使用 ADVANCE 软件自动完成的。

 

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 0.51.0 和 3.0 Hz 的频率以及 3.6%和 4.8%的振幅(相对于初始区域的变形)下进行测量(数据未显示)。诸如此类的频率和幅度变化以前很复杂,现在可以借助ADVANCE 软件轻松设置。每个液滴执行十个连续的振荡周期,并用于评估。

 

结果

3个样品测得的平衡时表面张力值分别为 37.835.5 53.4 mN/m。图2展示了振荡过程中样品1液滴表面积和表面张力正弦变化过程。ADVANCE 软件可以直观的查看原始数据(蓝色),以及面积(黄色)和表面张力(蓝色)曲线。

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3a3b显示了3个样品的弹性模量 E' 和粘性模量 E" 。误差条对应于两次测量的标准偏差,并且在大多数情况下小于相应的符号。ODM 及其测量的高度自动化程度表明了这种高水平的可重复性。

 

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在所有三个样品中,弹性部分主导了界面流变行为( E’>>E”)。在不同的频率下,每个样品的弹性模量变化较小,但是它们彼此之间结果差别很大,其中样品 2弹性模量大,约 100 mN/m。样品 的弹性模量小,约 20 mN/m。随着频率的增加,个样品的粘性模量E”均有所降低。

 

测试结果对于食品生产过程非常有意义。例如样品 2,可跟据弹性模量 E'和表面张力计算出比值 E'/σ = 2.8,根据Kloek 等人的模型,如果 E'/σ>1,泡沫中初始气泡尺寸的分布非常稳定,并且奥斯特瓦尔德熟化的分解过程可以减缓或甚至停止。样品 2,具有高 E'/σ的物质非常适合于稳定食品工业中的泡沫。

 

后,值得注意的是,这里提到的所有测量都是在大约两个半小时的时间内进行的。现在,能够快速,轻松且高精度地确定这些关键指标的仪器,正在为研究界面流变学的用户打开大门。

 

总结

经过测试,三种乳化剂的弹性模量 E’差别较大,范围在 20-110 mN/m 之间。通过新型振荡滴模块(ODM) 与ADVANCE 软件相结合,可以轻松、快速和准确地测定这些关键参数。频率和振幅范围内简单直观的测量,以及软硬件结合实现的高度自动化,可以用来全面表征界面性质而不仅局限于食品工业中。

 

参考文献:

[1] F. Thomsen, Stretching exercises for drops, KRÜSS application report AR246, 2005.

[2] G. Schwinn, Characterization of liquid foams KRÜSS application report AR249, 2005.

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