葡萄糖溶液流变特性研究.docx

葡萄糖溶液流变特性研究 徐鑫 姚日生 邓胜松摘要 [目的]研究不同温度和浓度对葡萄糖溶液黏度的影响[方法]基于文献报道的建模方法，研究不同温度和浓度对葡萄糖溶液黏度的影响[结果]建立了温度&浓度-黏度数学模型μ=μ0 exp [（-282 400/T2+1 999/T-2.874）m]通过外推法发现m→0时理论水黏度μ0≠μ水，借助于1HNMR测量溶液中水分子氢键缔合程度，发现葡萄糖溶液黏度受温度和浓度的影响主要取决于葡萄糖分子和水分子间作用力的相对强弱结合特定温度下的水黏度常数，确定温度&浓度-黏度数学模型中存在μ0=0.410 7μ水+ 0.518 8的偏差，进一步将葡萄糖溶液黏度与温度和浓度变化的连续方程修正为μ={0.736exp[6.74（273/T）2-4.8（273/T）-1.94]+0.518 8}exp[（-282 400/T2+1 999/T-2.874）m][結论]研究结果可为结晶葡萄糖的制备加工提供理论依据关键词 葡萄糖溶液；流变特性；黏度；偏差分析；氢键缔合Q81 A 0517-6611（2017）18-0003-04Abstract [Objective] To study the effects of temperature and concentration on the viscosity of glucose solution.[Method] Based on the modeling method reported in the literature，the effects of temperature and concentration on the viscosity of glucose solution were studied.[Result] A novel mathematical model between temperature & concentration and viscosity was established as μ=μ0 exp [（-282 400/T2+1 999/T-2.874）m].It was found by using extrapolation method that the theoretical water viscosity （μ0）was not equal to the standard viscosity（μ水） when m→0.1HNMR method was used to measure the association degree of hydrogen bond of water molecules in the solution，it was found that the viscosity of glucose solution was mainly depended on the relative intensity of the interaction between glucose and water. Combined with the constant of water viscosity at specific temperatures，it was suggested that there was a deviation in the constructed mathematical model：μ0 = 0.410 7μH2O+0.518 8.Furthermore，the continuity equation was modified asμ={0.736exp[6.74（273/T）2-4.8（273/T）-1.94]+0.518 8}exp[（-282 400/T2+1 999/T-2.874）m] for the viscosity with temperature and concentration in glucose solution.[Conclusion] The research results can lay the theoretical basis for the preparation and processing of crystalline glucose.Key words Glucose solution；Rheological properties；Viscosity；Deviation analysis；Hydrogen bond association研究表明，葡萄糖糖化液的流变特性对葡萄糖分子的结晶速率和晶体粒径大小具有显著影响，是决定产品工艺、产品质量及产品稳定性的重要参数[1-5]。

Montan～ez-Soto等[6]对葡萄糖溶液的流变特性进行了深入研究，发现在70 Brix、25 ℃条件下葡萄糖溶液为牛顿流体，即体系黏度是温度和浓度的关系函数葡萄糖溶液的流变特性取决于温度和浓度的共同作用1965年，Stokes等[7]用Jones-Dole方程描述低浓度葡萄糖溶液（0.02～0.10 mol/L）的黏度与浓度的关系，并提出电解液黏度与电解质浓度呈指数关系Chirife等[8]以葡萄糖/果糖/蔗糖/乳糖/麦芽糖溶液及其混合液为研究对象，考察了浓度对体系黏度的影响，进一步验证了糖类溶液黏度与其浓度可用指数模型来描述的结论，但并未考虑到温度对流变特性的影响2003年，Bui等[9]首次將Andrade半经验方程和指数模型结合，对文献报道数据进行了拟合，建立了葡萄糖水溶液黏度与温度和浓度的关系方程；当葡萄糖浓度m→0时，外推水黏度与标准水黏度不相等，即μ0≠μ水，但原因尚未明确笔者开展了葡萄糖浓度和温度对体系黏度影响的试验研究，采用文献报道的建模方法[6]对试验数据进行拟合，并对温度和浓度对葡萄糖水溶液的流变特性与氢键的关系进行了研究1 材料与方法1.1 材料与仪器1.1.1 试验材料。

无水葡萄糖，购自阿拉丁试剂公司；纯净水，购自娃哈哈有限公司；氘代水，购自阿拉丁试剂公司1.1.2 仪器电子天平，AUY120型，日本岛津；恒温水浴锅，HH-2型；数字黏度计，NDJ-5S型；核磁共振谱仪，DMX500MHz，德国1.2 试验方法1.2.1 葡萄糖溶液黏度的测量使用NDJ-5S型数字显示黏度计对体系黏度进行测量，根据黏度范围选择相应的转子和转速，测量不同温度（288.15、303.15、318.15、333.15、348.15 K）和浓度（0.6、1.2、1.9、2.6、3.4、4.2、5.2、6.3 mol/L）条件下的葡萄糖溶液体系黏度1.2.2 超导核磁共振谱仪检测将配制的葡萄糖溶液密封保存，送交中国科技大学分析测试中心，在不同温度下进行核磁氢谱检测（1HNMR），检测溶剂为氘代重水（D2O）2 结果与分析2.1 浓度和温度对葡萄糖溶液黏度的影响从图1可见，随着温度的升高，葡萄糖溶液黏度均有不同程度下降，且高浓度（4.2～6.3 mol/L）的葡萄糖溶液黏度下降较多，低浓度（0.6～3.4 mol/L）的葡萄糖溶液黏度的降低趋势较为缓慢当体系温度为288.15 K时，溶液黏度随葡萄糖浓度的升高而逐渐升高，当葡萄糖浓度为6.3 mol/L时，体系黏度最高（2 700 mPas）；当体系温度为348.15 K时，低浓度葡萄糖溶液的黏度无明显差异。

由图1可知，葡萄糖浓度在一定程度上会影响体系的黏度，且温度不同，其影响程度也不同进一步考察了不同温度（288.15～348.15 K）下葡萄糖溶液黏度随浓度的变化情况，结果如图2所示不同温度条件下，随着葡萄糖浓度的逐渐增加，体系黏度均表现出不同程度增加当葡萄糖浓度为0.6～3.4 mol/L时，浓度对不同温度下的葡萄糖溶液黏度影响较小；当葡萄糖浓度为4.2～6.3 mol/L时，浓度对不同温度下的葡萄糖溶液黏度影响较大，尤其是6.3 mol/L的葡萄糖溶液黏度急剧增加，且温度不同，其增加程度也不同2.2 建模与机理研究2.2.1 温度-黏度的Andrade半经验方程拟合分析通常，温度对葡萄糖溶液黏度（μ）的影响可用Andrade半经验方程[10-12]描述：式中，T表示绝对温度（K）；A在特定浓度下为常数；E表示黏流活化能（J/mol）；K表示气体常数，为8.31[J/（molK）]将图1中的黏度μ进行转换，绘制不同温度下ln μ-1 000/T关系图由图3可知，在不同浓度下，随着1/T的增加，ln μ逐渐增加，拟合度R2大于0.912.2.2 浓度-黏度的指数模型拟合分析通常，浓度对葡萄糖溶液黏度（μ）的影响可用指数方程[13-14]描述：式中，μ0和B均为特定温度下的常数；m表示浓度（mol/L）。

将图2中的黏度μ进行转换，绘制不同浓度下ln μ与m的线性关系图从图4可以看出，当葡萄糖浓度为0.6～6.3 mol/L时，除T=288.15 K外，拟合度R12为0.92～0.95（表1）结合图2中的数据，其拟合效果主要受高浓度（4.2～6.3 mol/L）下黏度的突变影响所致将不同温度下葡萄糖溶液黏度随浓度的变化重新进行拟合，浓度的拟合范围为0.6～3.4 mol/L，拟合效果如图4所示表1为2次拟合度的对比数据浓度拟合范围为0.6～3.4 mol/L时，拟合度R22>0.96>R12，即拟合效果明显优于0.6～6.3 mol/L的拟合效果当温度为303.15 K时，拟合效果的提升最为明显，R2较原来增加7.60%由此可见，不同温度下浓度为0.6～6.3 mol/L的葡萄糖溶液对其黏度的影响可用指数模型来描述，且可较好地预测浓度为0.6～3.4 mol/L的葡萄糖溶液黏度此外，当葡萄糖浓度为0.6～3.4 mol/L时，随着温度的升高，ln μ与m之间的拟合度逐渐降低，即由指数模型计算的理论黏度与实际黏度间的偏差逐渐增大微观上，黏度的变化主要取决于葡萄糖-葡萄糖、葡萄糖-水、水-水的相互作用力的大小。

研究表明[15-17]，水分子可存在于葡萄糖-葡萄糖界面间，起到“增塑剂”的作用，即一定条件下葡萄糖-葡萄糖界面间水分子相对数量越多，葡萄糖溶液黏度越低因此，当葡萄糖浓度较高（4.2～6.3 mol/L）时，葡萄糖-葡萄糖界面间水分子相对数量较少，“增塑”效果越差，葡萄糖-葡萄糖分子间作用力相对较强，产生了不同程度的拟合偏差换言之，指数模型更適于描述低浓度（0～3.4 mol/L）葡萄糖溶液黏度随浓度的变化情况，具有浓度拟合范围上的局限性2.2.3 温度&浓度-黏度的模型建立与偏差分析由式（2）可知，μ=μ0exp（Bm），因为B值是特定温度下的常数，随着温度的变化而变化，因而ln μ是温度（T）和葡萄糖浓度（m）的函数根据“2.2.2”中的拟合结果，在0.6～3.4 mol/L浓度范围内，将常数B和温度T的关系进行拟合，结果如图5所示由图5可知，B和1 000/T的拟合方程为B=-282 400/T2+1 999/T-2.874，拟合度R2=0.980 9，拟合效果较好将方程B=-282 400/T2+1 999/T-2.874代回式（2），即得到葡萄糖溶液黏度关于温度和浓度的方程：由式（3）可知，一定范围内，当葡萄糖浓度一定时，随着温度的逐渐升高，体系黏度逐渐降低；當温度一定时，随着葡萄糖浓度的逐渐增加，葡萄糖溶液黏度逐渐增大。

理论上，当m→0时，μ0=μ水；实际上，通过外推法可发现μ0≠μ水，当温度低于288.15 K时，μ0μ水不同温度下μ0和μ水的偏差（ μ0-μ水）见表2，随着温度的逐渐增加，μ0和μ水逐渐降低，偏差值（ μ0-μ水）逐渐增加，当温度为348.15 K时，偏差值最大，为0.291。