用DWS扩散波光谱法表征蛋黄酱的流变性

用DWS扩散波光谱法表征蛋黄酱的流变性—LS Rheolab应用

2024-12-09

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介绍

扩散波光谱（DWS）是一种强大的光学技术，特别适用于研究混浊样品的流变特性。该方法基于对样本内多次散射的相干激光波动的分析^[1,2]。LS Instruments的DWS RheoLab是进行此类测量的通用工具。

DWS要求在样本中嵌入明确的散射对象，它们可以是样品中自然存在的一部分，也可以是认为添加在透明样本中的。在这两种情况下，它们都被称为示踪颗粒(理想情况下是具有高光学对比度的单分散颗粒)。然而，在乳液(如乳液、乳膏或牛奶)中，散射物体是液滴而不是固体颗粒，乳液的液滴尺寸分布通常表现出相当大的多分散性。

本应用的目的是证明乳液液滴仍然可以作为天然示踪颗粒来探测乳液的流变特性。我们将该方法应用于一个模型系统，该系统是一种20vol.%的水包油乳液，其中黄原胶在连续相中作为粘度调节剂。此外，我们比较了DWS微流变和机械流变获得的乳液粘弹性性质的测量结果。

样品制备

通过将0.55wt.%的黄原胶和0.3wt.%的Cosmocil(作为抑菌剂)溶解在蒸馏水中来制备连续相。将该溶液加热3小时至85°C，以避免热历史的敏感性^[3]，随后搅拌48小时。通过将164 g连续相加热至50°C并加入2.1 g吐温80来制备乳液。在均质过程中，加入34g杏仁油（密度：0.91g/mL），然后进一步均质12分钟。所有测量均在25°C的温度下进行，并在样品制备14天后进行。

结果和讨论

乳液首先通过共聚焦显微镜进行研究，以获得液滴尺寸。图1显示了用亲脂性尼罗红染色的乳液的图像。油滴很好地分散并完全截留在连续相的黄原胶基质中。插图显示了相应的液滴尺寸分布。

乳液的DWS测试选择在透射模式、厚度为L=2 mm的比色皿中进行。为了校准，使用1.0wt.%PS颗粒水分散体系（直径为980nm）。乳液的传输方式自由程l*的测量值为226µm。对于示踪剂颗粒直径，我们使用1.2µm的值，这对应于图1插图中的主峰。机械流变学在Malvern Bohlin Gemini流变仪上进行，该流变仪配备有喷砂平面锥几何形状（60 mm，2°）和溶剂捕集器。存储模量G’和损耗模量G’’是在振幅恒定为0.1的振荡模式下测量的，通过在1Hz下进行振幅扫描，发现其在线性粘弹性范围内。图2比较了DWS微流变学和机械流变学测量的G'和G'值。在重叠频率范围内，数据集显示出良好的一致性。

所制备的乳液具有中等体积分数的分散相，因此流变性能主要由连续相决定。我们的模型系统中的连续相是0.55wt%黄原胶的凝胶，它的流变特性已经被多测确定^[3,4]。

我们分别用DWS微流变和机械流变来测量连续相（0.3wt.%Cosmocil和0.55wt.%黄原胶）。对于机械流变，我们使用与乳液测量相同的测量参数。DWS测量中我们在连续相中加入直径为980nm的示踪颗粒，所得混合物含有1.0wt.%PS颗粒。因此，PS颗粒探测与乳液的连续相相对应的环境。DWS测量在透射几何结构中厚度为L=2 mm的比色皿中进行。为了校准，使用直径为980nm的1.0wt.%PS颗粒在水中的分散体系。样品的光子传输自由程l*的测量值为398µm。

图3比较了DWS微流变学和机械流变学测量的G'和G’’值。在重叠的频率范围内，数据集显示出极好的一致性。此外，观察到的约104 rad/s的交叉频率（其中G’=G’’）与文献^[4]非常一致。比较图2和图3，我们发现乳液的模量（图2）与连续相（图3）相比提高了约50%，而曲线的总体形状非常相似。这证实了一种假设，即对于中等体积分数的乳液，流变特性主要由连续相决定。在粗略近似中，乳液中的液滴可以解释为悬浮固体颗粒，根据Batchelor方程^[5]，体积分数φ=0.2时的粘度相对于连续相的粘度η0增加了70%，而实测的50%的观察值略低于方程预测，这可以通过液滴的多分散性（允许更好的填充）来解释。

结论

我们将DWS微流变学应用于水包油乳液，并将结果与机械流变学进行了比较。在重叠的频率范围内，发现两种技术之间非常好的一致性。此外，连续相（黄原胶溶液）已分别通过DWS微流变学和机械流变学进行了表征，并发现彼此之间以及与文献之间都非常一致。这表明液滴，即分散相，可以作为示踪剂颗粒来探测乳液的流变特性。此外，如果液滴尺寸已知，我们表明DWS微流变学非常适合乳液的定量表征。

然而，当乳液的连续相在液滴的长度尺度上是不均匀的时，必须小心。在这种情况下，乳液的定量表征更加困难，因为液滴会探测各种不同的局部环境^[6]。在所研究的模型系统中，不存在这种情况，因为在所选浓度下，黄原胶网络的网孔尺寸约为40nm^[4]，因此远低于液滴尺寸。

最后，DWS微流变学获得的值是高度可重复的，因此可以用于研究乳液的时间相关性质，如老化过程或稳定性。

参考文献

[1] D.A. Weitz, and D.J. Pine, Diffusing-Wave Spectroscopy. In Dynamic Light Scattering; Brown, W., Ed.; Oxford University Press: New York, 652-720 (1993).
[2] D. Lopez-Diaz, and R. Castillo, Microrheology of solutions embedded with thread-like supramolecular structures, Soft Matter 7, 5926–5937 (2011).
[3] E. Choppe, F. Puaud, T. Nicolai, and L. Benyahia, Rheology of xanthan solutions as a function of temperature, concentration, and ionic strength, Carbohydrate Polymers 82 (2010).
[4] K.v Gruijthuijsen, H. Vishweshwara, R. Tuinier, P. Schurtenberger, and A. Stradner, Origin of suppressed demixing in casein/xanthan-mixtures, Soft Matter 8 (2011).
[5] S.R. Derkach, Rheology on the way from dilute to concentrated emulsions, Inter. Rev. Chem. Eng. 2 (2009).
[6] F.K. Oppong, L. Rubatat, B.J. Frisken, A.E. Bailey and J.R. de Bruyn, Microrheology and structure of a yield-stress polymer gel, Physical Review E 73 (2006).

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