Filmextrusie van<em> Crambe abyssinica</em> / Tarwegluten Blends
Summary
De zijstroom van plantaardige olie productie van Crambe abyssinica heeft een beperkte waarde. Het doel van deze studie was werkwijzen voor het extruderen materialen op basis van deze zijstroom vinden, waaruit blijkt dat producten met een hogere waarde kan worden geproduceerd. De extrudaten bleken veelbelovende eigenschappen.
Abstract
Crambe abyssinica is a plant with potential for use in industrial (non-food) plant oil production. The side stream from this oil production is a high-protein crambe meal that has limited value, as it is not fit for food or feed use. However, it contains proteins that could potentially make it a suitable raw material for higher-value products. The purpose of this study was to find methods of making this side stream into extruded films, showing that products with a higher value can be produced. The study mainly considered the development of material compositions and methods of preparing and extruding the material. Wheat gluten was added as a supportive protein matrix material, together with glycerol as a plasticizer and urea as a denaturant. The extrudate was evaluated with respect to mechanical (tensile testing) and oxygen barrier properties, and the extrudate structure was revealed visually and by scanning electron microscopy. A denser, more homogeneous material had a lower oxygen transmission rate, higher strength, and higher extensibility. The most homogeneous films were made at an extruder die temperature of 125-130 °C. It is shown here that a film can be extruded with promising mechanical and oxygen barrier properties, the latter especially after a final compression molding step.
Introduction
Bij het upgraden van een materiaal van een lage waarde op een hogere waarde, moeten twee belangrijke problemen die moeten worden overwogen: de aard van de potentiële end-product (en) en de vereiste eigenschappen. Dit onderzoek is gericht op de extrusie van op eiwit gebaseerde kunststoffen voor potentieel gebruik in verpakkingen voor twee redenen. De onderhavige verscheidenheid aan pakketten is uitgebreid, maar het verzoek om hernieuwbare en biologisch afbreekbare goedkope verpakkingsmateriaal snel in de afgelopen tien jaar. Deze trend lijkt zich voort te zetten, aangezien de meeste merkeigenaren en wetgevers zijn op zoek naar mogelijkheden om kunststoffen uit petroleum 1 te creëren. De vereiste materiaaleigenschappen voor verpakking, in veel gevallen, zwaarder dan andere kunststof. Indien echter een succesvol materiaal wordt verkregen, de potentiële markt is zeer groot.
Verpakkingsmateriaal moet aan een aantal criteria voldoen geschikt. De exacte criteria verschillen afhankelijk van het type verpakking, het vullen / afdichtingssystemen, transport, de opslag, de inhoud, het uiterlijk, product design, enz. Al deze parameters dient door een verpakking ontwikkelaar worden beschouwd, maar alles kan niet de hoogste prioriteit in een keer bij de inleiding van de ontwikkeling van een nieuwe en onontgonnen materiaal. De woningen in focus voor deze studie waren de mechanische en barrière-optredens.
Extrusie verwerkingsmethode gekozen om twee redenen: extrusie is een veel voorkomende en efficiënte werkwijze voor het vervaardigen verpakkingen plastics en in het algemeen geen oplosmiddel omvatten, zoals in oplossing gieten. Dus geen droogstap nodig aan het einde van het proces 2.
Tarwegluten is ook een zijstroom materiaal afkomstig van een zetmeel product 3. Het heeft potentieel als een plastiek in een aantal studies aangetoond. Ondanks dit, een aantal uitdagingen blijven 4. Crambe abyssinica is een interessant oliezaadplant doordat het geen voedselbron en kunnen worden gekweekt in diverse agronomic voorwaarden 5,6. Zoals met tarwegluten, Crambe eiwit een bijproduct, in dit geval, van olieproductie. Het wordt verkregen als een ontvet crambe maaltijd, met proteïne als belangrijkste component. Het bevat ook een aanzienlijke hoeveelheid stikstof-vrije extracten, zoals koolhydraten en vezels 7,8. De maaltijd is relatief slechte cohesieve eigenschappen en moet worden gemengd met een materiaal van hogere cohesie. In deze studie wordt tarwegluten als een ondersteunend additief aan de crambe maaltijd. Om de taaiheid / rekbaarheid van het proteïnemateriaal te verbeteren, wordt een weekmaker gewoonlijk gebruikt als additief voor. In deze studie wordt glycerol gebruikt, dat een bijproduct van de plantaardige olie industrie (bijvoorbeeld raapzaad methylester brandstoffen) en gemakkelijk verkrijgbaar tegen lage kosten 9. Ureum, ook verlengd, wordt gebruikt als denaturerende om het extrudaat de juiste samenhang 2,10,11 geven. Het kan ook werken als een weekmaker.
hernieuwbare materialen, Vooral die, welke rechtstreeks uit de natuur gebruikt zonder zuivering, modificatie of chemische synthese, zijn in de meeste gevallen niet geschikt voor hoge-temperatuurbehandeling. De uitdaging is om geschikte procesparameters en samenstellingen die leiden tot een extrudaat met eigenschappen die kan concurreren met producten uit aardolie vinden.
Dit onderzoek richt zich op de karakterisering van de mechanische en de barrière-eigenschappen van een nieuwe bio-based materiaal vervaardigd uit Crambe maaltijd verwerkt met verschillende additieven en in verschillende omstandigheden 12. De volledige details van de mechanische en zuurstof barrière functies zijn te vinden in Rasel et al. 12.
Protocol
Representative Results
Discussion
De reden dat de kopdruk was van die groot belang was waarschijnlijk te wijten aan het feit dat het materiaal nodig om een bepaalde druk belvorming te voorkomen. De verschillende componenten kunnen afzonderlijk fase als de druk te hoog was. Bij extruderen bij een te lage temperatuur, de cohesie was slecht, mogelijk als gevolg van een lage verknopingsgraad, terwijl een te hoge temperatuur resulteerde in gasontwikkeling (waarschijnlijk vocht tezamen met ureum en eiwitten afbraakproducten).
Tweefasige extrusie (waarbij strengen werden eerst geëxtrudeerd, gepelletiseerd en opnieuw geëxtrudeerd) resulteerde in een homogene extrudaat door de ruimere mengen dat de eerste extrusiestap verschaft.
De arme deeg samenhang bij het verlagen van de ureumconcentratie 15-10 gew% was waarschijnlijk te wijten aan een lagere verknopingsdichtheid. Analoog aan deze, een lagere glycerol concentratie en derhalve een lager vermogenom het ureum te lossen resulteerde in slechtere films tenzij een hoger kopdruk toegepast.
Uitgebreid Crambe maaltijd concentratie en derhalve het verminderen van de tarwegluten concentratie resulteerde in een lagere graad van aggregatie vorming / netwerk. Dit verlaagt de viscositeit van het materiaal in het extrudaat, wat resulteert in de noodzaak om de matrijstemperatuur 130 ° C te verhogen om de viscositeit te verhogen en het genereren van homogene films.
Het is moeilijk, zo niet onmogelijk, om geplastificeerde Crambe extruderen tot films van voldoende kwaliteit voor gebruik. We tonen hier dat dit kan worden opgelost door mengen crambe een beter extrudeerbaar eiwitten zoals tarwegluten. Voor de beste kwaliteit, hebben de extrudaten te geperst in een afzonderlijke stap na extrusie.
Het wordt getoond hier dat extrusie werkt op een kleinere schaal, en upscaling waarschijnlijk veeleisender te zijn. Extrusie, samen met het spuitgieten, zijn de most belangrijke commerciële werkwijzen voor het produceren van kunststoffen. Om bestaande conventionele kunststoffen vervangen, is het noodzakelijk dat het proteïnemateriaal kan worden geproduceerd met dezelfde technieken 14-16. We tonen hier dat het mogelijk is crambe oliezadenmeel extruderen met behulp van tarwegluten.
Mogelijke toepassingen zijn onder meer verpakkingen en applicaties voor diverse geëxtrudeerde profielen (bijvoorbeeld, staven en cilinders). We het meest kritische stap bij de bereiding van de monsters aan de extrusie stap. De uiteindelijke kwaliteit van de films hing sterk op de extrusieparameters en de eigenschappen van het materiaal voorafgaand aan extrusie.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Swedish governmental strategic research program Trees and Crops for the Future (TC4F), VINNOVA, and the EC FP7 project ICON. Hannah Rasel is gratefully acknowledged for performing most of the experiments in the previous paper (Reference 5).
Materials
| Crambe meal | Plant Research International | Defatted crambe meal, Residual from oil extraction of cultivar Galactica seeds | |
| Wheat gluten | Lantmännen Reppe AB | It contains 77 % (w/w) gluten, 8.1 % (w/w) starch and 1.34 % (w/w) fat. | |
| Glycerol | Karlshamn Tefac AB | 99.5 % purity | |
| Urea | Sigma Aldrich | purity ≥ 99.5 % | |
| The dough | (per 100 g) prepared with 35.7 g crambe meal, 23.8 g wheat gluten, 25.5 g glycerol and 15 g urea, hence with a liquid (glycerol/urea) to solid (crambe/wheat gluten) ratio of 0.342. | ||
| Round, fine meshed stainless steel kitchen sieve | Sieve the crambe meal | ||
| Rotary ball mill | Pascal Engineering | Milling crambe/The volume of the mill house is 7 l and it contained 215 ceramic balls, each with a diameter of 25 mm. | |
| Mortar and pestle | Grinding urea | ||
| Kitchen machine Cloer 660 | Cloer | Blending crambe and wheat gluten | |
| Twin-screw extruder Type LTE20-48 | Labtech Engineering LTD | Compounding and film extrusion | |
| Flat sheet die | Produce extruded flat films with a cross-section of 45 mm x 0,7 mm | ||
| Air Cooling Conveyor Unit type LAC-2.6 | Labtech Engineering LTD | Used in the extrusion | |
| Pelletizer Type LZ-120 | Labtech Engineering LTD | Making pellets | |
| Polystat 200T Hot Press | Servitec Machine GmbH | Hot press to press extrudates | |
Riferimenti
- Aeschelmann, F., Carus, M. . Bio-based building blocks and polymers in the world. Capacities, production and applications: Status quo and trends towards 2020. , (2015).
- Türe, H., Gällstedt, M., Kuktaite, R., Johansson, E., Hedenqvist, M. S. Protein network structure and properties of wheat gluten extrudates using a novel solvent-free approach with urea as a combined denaturant and plasticizer. Soft Matter. 7, 9416-9423 (2011).
- Belyea, R. L., Steevens, B. J., Restrepo, R. J., Clubb, A. P. Variation in Composition of By-Product Feeds. J. Dairy. Sci. 72 (9), 2339-2345 (1989).
- Gómez-Estaca, J., Gavara, R., Catalá, R., Hernández-Muñoz, P. The potential of proteins for producing food packaging materials: A review. Packag. Technol. Sci. , (2016).
- Lazzeri, L., Leoni, O., Conte, L. S., Palmieri, S. Some technological characteristics and potential uses of Crambe abyssinica products. Ind. Crops and Prod. 3, 103-112 (1994).
- Lalas, S., Gortzi, O., Athanasiadis, V., Dourtoglou, E., Dourtoglou, V. Full Characterisation of Crambe abyssinica Hochst Seed Oil. J. Am. Oil Chem. Soc. 89, 2253-2258 (2012).
- Carlson, K. D., Tookey, H. L. Crambe Meal as a Protein Source for Feeds. J. Am. Oil Chem.Soc. 60, 1979-1985 (1983).
- Massoura, E., Vereijken, J. M., Kolster, P., Derksen, J. T. Proteins from Crambe abyssinica oilseed. II. Biochemical and functional properties. J. Am. Oil Chem. Soc. 75, 323-335 (1988).
- Quispea, C. A. G., Coronadoc, C. J. R., Carvalho, J. A. Glycerol: Production, consumption, prices, characterization and new trends in combustion. Renew. Sust. Energ. Rev. 27, 475-493 (2013).
- Kuktaite, R., Plivelic, T. S., Türe, H., Hedenqvist, M. S., Gällstedt, M., Marttila, S., Johansson, E. Changes in the hierarchical protein polymer structure: urea and temperature effects on wheat gluten films. RSC Advances. 2, 11908-11914 (2012).
- Bennion, B. J., Daggett, V. The molecular basis for the chemical denaturation of proteins by urea. Proc.Natl.Acad.Sci. 100, 5142-5147 (2003).
- Rasel, H., Johansson, T., Gällstedt, M., Newson, W., Johansson, E., Hedenqvist, M. S. Development of bioplastics based on agricultural side-stream products: Film extrusion of Crambe abyssinica/wheat gluten blends for packaging purposes. J. Appl. Polym. Sci. 133, 42442 (2016).
- Appelqvist, L. -. &. #. 1. 9. 7. ;. Further studies on a multisequential method for determination of oil content in oilseeds. J. Am. Oil Chem. Soc. 44, 209-214 (1967).
- Verbeek, C. J. R., van den Berg, L. E. Extrusion Processing and Properties of Protein-Based Thermoplastics. Macromol. Mater. Eng. 295, 10-21 (2010).
- Ralston, B. E., Osswald, T. A. Viscosity of Soy Protein Plastics Determined by Screw-Driven Capillary Rheometry. J Polym. Environ. 16, 169-176 (2008).
- Nur Hanani, Z. A., Beatty, E., Roos, Y. H., Morris, M. A., Kerry, J. P. Manufacture and characterization of gelatin films derived from beef, pork and fish sources using twin screw extrusion. J. Food Eng. 113, 606-614 (2012).
