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Bioengineering

La extrusión de película<em> Abyssinica Crambe</em> / Gluten de trigo Mezclas

Published: January 17, 2017
doi:
10.3791/54770
, , , , ,
1SIG Combibloc, 2Innventia, 3Department of Plant Breeding,The Swedish University of Agricultural Sciences, 4Fibre and Polymer Technology,KTH Royal Institute of Technology

Summary

La corriente lateral de la producción de aceite vegetal de Crambe abyssinica tiene un valor limitado. El propósito de este estudio era encontrar métodos para materiales basados ​​en esta corriente lateral de extrusión, lo que demuestra que los productos con un valor más alto se pueden producir. Se encontró que los materiales extruidos que tienen propiedades prometedoras.

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

Al actualizar un material de un valor bajo a un valor más alto, dos cuestiones principales deben tenerse en cuenta: el tipo de potencial del producto final (s) y las propiedades requeridas. Este estudio se centra en la extrusión de plásticos a base de proteínas para su uso potencial en el envasado por dos razones. La presente variedad de paquetes es muy amplia, pero la solicitud para el embalaje de bajo costo renovable y biodegradable ha aumentado rápidamente en la última década. Esta tendencia parece continuar, ya que la mayoría de los propietarios de marcas y los legisladores están buscando opciones para crear plásticos a partir de petróleo 1. Las propiedades del material requeridas para el envasado son, en muchos casos, más exigentes que para otros productos de plástico. Sin embargo, si se obtiene un material con éxito, el mercado potencial es muy grande.

El material de envasado tiene que cumplir una serie de criterios para ser adecuado. Los criterios exactos varían en función del tipo de envase, llenado / sellado de sistemas, transport, el almacenamiento, el contenido, la apariencia, el diseño de productos, etc. Todos estos parámetros deben ser considerados por un desarrollador de embalaje, pero todos no pueden ser de la más alta prioridad a la vez cuando se inicia el desarrollo de un material nuevo e inexplorado. Las propiedades en el foco de este estudio fueron las actuaciones mecánicas y de barrera.

La extrusión es el método de procesamiento de elección por dos razones: la extrusión es un método común y eficaz para la fabricación de plásticos de embalaje, y generalmente no implica un disolvente, como en la fundición de solución. Por lo tanto, no se necesita etapa de secado al final del proceso de 2.

El gluten de trigo es también un material de corriente lateral procedente de un producto de almidón 3. Se ha mostrado potencial como un plástico de envasado en un número de estudios. A pesar de esto, existen algunos desafíos 4. Crambe abyssinica es una planta de semillas oleaginosas interesante en que no es una fuente de alimento y se puede cultivar en muchos ag diferentecondiciones ronomic 5,6. Al igual que con gluten de trigo, proteína de crambe es un subproducto, en este caso, a partir de la producción de petróleo. Se obtiene como una comida crambe desgrasada, con la proteína como el componente más grande. También contiene una cantidad considerable de extractos exentos de nitrógeno, tales como hidratos de carbono y 7,8 fibra. La comida tiene propiedades cohesivas relativamente pobres y necesita ser mezclado con un material de mayor cohesión. En este estudio, el gluten de trigo se utiliza como un aditivo de apoyo a la comida crambe. Para mejorar la tenacidad / extensibilidad del material de proteína, un plastificante se usa comúnmente como un aditivo también. En este estudio, se utiliza glicerol, que es un producto secundario de la industria de aceite de la planta (por ejemplo, semillas de violación combustibles de ésteres de metilo) y es fácilmente disponible a un bajo costo 9. Urea, también renovable, se utiliza como un desnaturalizante con el fin de dar el extruido la cohesión adecuada 2,10,11. También puede actuar como un plastificante.

materiales renovables, Especialmente aquellos que se utilizan directamente de la naturaleza, sin purificación, modificación, o la síntesis química, son, en la mayoría de los casos, no es adecuado para el tratamiento de alta temperatura. El reto es encontrar los parámetros de procesamiento adecuadas y composiciones que resultan en un material extruido con propiedades que le permiten competir con los productos de petróleo.

Este estudio se centra en la caracterización de las propiedades mecánicas y de barrera de un nuevo material de origen biológico producido a partir de harina de crambe procesado con diferentes aditivos y en diferentes condiciones 12. Los detalles completos de las características mecánicas y de barrera de oxígeno se encuentran en Rasel et al. 12.

Protocol

NOTA: semillas Crambe (cultivar Galactica) fueron suministrados por el Plant Research International, Wageningen, Países Bajos. El aceite se extrae de las semillas por el método de Appelqvist 13. Tanto la comida crambe y el gluten de trigo fueron almacenadas a -18 ° C hasta su uso posterior. 1. Preparación de la pasta crambe tamizado Tamizar la comida crambe con una ronda, fino tamiz de malla inoxidable cocina de acero (tamaño de poro: ~ 1,5 mm, malla 14), para eliminar grandes fracciones de fibra y semillas sin triturar. Almacenar la comida se tamiza a -18 ° C para prevenir el envejecimiento del material. crambe fresado Para reducir el tamaño de partícula y hacer el material más homogéneo, molino de la comida crambe tamizó en un molino de bolas giratorio. Molino de 250 g de harina de crambe cada vez en un frasco de 7 L, de 21-25 mm de diámetro bolas de cerámica utilizando una tasa de revolución frasco de 53 rpm y un tiempo de molienda de 24 horas. <strong> Preparación física Antes de seguir con el procesamiento, condicionar toda la comida crambe y gluten de trigo en polvo molino de bolas en frascos abiertos durante un mínimo de 48 horas a 23 ° C y una humedad relativa del 50% en una habitación con temperatura controlada. La mezcla de los componentes Triturar el polvo de urea (almacenado en un vaso de precipitados cerrada en condiciones ambiente) a las partículas finas con un mortero y mano de mortero. Mezcla urea y glicerol (25,5 g de glicerol y 15 g de urea por cada 100 g de la mezcla final). Se calienta la glicerina a 65 ° C en un matraz de vidrio en un baño de aceite y añadir el polvo de urea lentamente. Se agita la mezcla con un agitador magnético a 65 ° C hasta que el polvo de urea se disuelve completamente. La mezcla de la crambe y gluten de trigo Mezclar el polvo de harina de crambe y polvo de gluten de trigo en una máquina mezcladora de cocina para 5 min. Por ejemplo, para un 60/40 (w / w) crambe trigo g /relación Luten, utilizar 35,7 g de harina de crambe y 23,8 g de gluten de trigo por 100 g de la mezcla final. Glicerol mezclando / urea con crambe gluten / trigo Agregar lentamente la mezcla de glicerol / urea a la mezcla de gluten crambe / trigo en la máquina de mezcla mientras se agita la mezcla de cocina. Continuar mezclando durante aproximadamente 2 min, hasta que se obtiene una masa homogénea. Preparar 500 g de la mezcla cada vez. Para el material con 60/40 (w / w) crambe y gluten de trigo, utilice los siguientes contenidos relativos de los componentes respectivos: 35,7 g de harina de crambe, 23,8 g de gluten de trigo, 25,5 g de glicerina y 15 g de urea ( por 100 g). Para las otras dos combinaciones de materiales (es decir, 70/30 y 80/20), cambiar sólo el contenido de gluten de trigo y crambe. Mantener el contenido de glicerol y urea la misma que en la combinación 60/40. 2. Film Extrusion Perfil bajo de temperatura <ol> Realizar la extrusión de película en un extrusor de doble tornillo. zonas Set 1-10 (cada 80 mm de longitud) a lo largo del barril de la extrusora a un perfil de temperatura baja (posteriormente llamada "perfil de baja T"), como sigue: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85 a 85 ° C. Esto evita que el gluten de trigo de reticulación en el barril. Use una boquilla de lámina plana (45 mm x 0,7 mm) para la extrusión de las películas. Elija una velocidad de tornillo de entre 30 rpm y 200 rpm y registrar la presión de la boquilla. Alimentar la masa manualmente a través de la tolva con la ayuda de un empujador de madera para soportar el flujo de material hacia los tornillos. En la matriz, recoger el material extruido con una cinta transportadora que funciona a una velocidad de 2,0 m / min. Coloque el enfriamiento del aire de ventilación (ventiladores) a lo largo de la cinta. Ejecutar diferentes temperaturas de troquel (105 ° C (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C) y 140 ° C- (125 ° C)) para seleccionar las condiciones que dan la extruda más suavete con una cantidad mínima de huecos. NOTA: Los valores entre paréntesis corresponden a la temperatura en la zona 11, al lado de la matriz. Se ajusta para alcanzar la temperatura objetivo en la matriz. Después de la extrusión, los productos extruidos almacenar en bolsas selladas de polietileno hasta su posterior procesamiento o el análisis con el fin de prevenir el envejecimiento y la absorción de agua atmosférica. Extrusión de película utilizando el perfil de alta temperatura Extruir películas tal como se describe en la sección 2.1, pero el uso de un perfil de alta temperatura (posteriormente denominado "perfil alto-T"), de la siguiente manera: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C para las zonas 1 a 11 de la extrusora. Utilizar temperaturas de troquel de 125 ° C y 130 ° C. Extrusión de película después de peletización Con el fin de obtener gránulos, extruir el material como hebras continuas en la extrusora usando una matriz de dos hebras. Utilice el perfil de baja T para la exextrusora barril, tal como se describe anteriormente, y un 60-rpm tornillo velocidad de rotación. Utilice die- diferente (zona 11) temperaturas (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C), y 85 ° C (85 ° C) ) para obtener las hebras con las superficies más suaves. peletización Después de pasar la cinta transportadora (el cinturón situado después de la máquina de extrusión que ayuda a alimentar material fuera de la extrusora), alimentar las hebras en una granuladora operado con una velocidad de corte de 7 m / min. extrusión de película de los gránulos Alimentar los granulados de forma manual en la extrusora y películas de extrusión con el perfil de baja T dentro del barril y con un 125 ° C (115 ° C)-lámina plana temperatura de la matriz. Utilice una velocidad de rotación del husillo de 30 rpm. Extrusión de película usando la alimentación volumétrica Con el fin de simular la alimentación automática (comúnmente utilizado en la industria), el usolos gránulos extruidos con anterioridad a 85 ° C (pasos 2.3.1-2.3.2.1). Conectar el alimentador a la extrusora y elegir el modo de alimentador volumétrico de la tolva. Use un volumen de alimentación de 35 kg / h, y la tolva y el tornillo extrusor velocidades de 16 y 120 rpm, respectivamente. Extruir con el perfil de baja temperatura del cañón y utilizar una temperatura die- (zona 11) de 125 ° C- (115 ° C). 3. Proceso Post-extrusión (moldeo por compresión) Al pulsar con el marco Por primera configuración, cortar dos extruidos en trozos de 4,4 cm x 7,0 cm y 2,6 cm x 7,0 cm. NOTA: Esto es necesario porque el marco es más amplio que los productos extruidos. Colocarlos junto a la otra en un marco rectangular de aluminio (70 x 70 x 0,5 mm 3). Sandwich del marco entre dos placas de aluminio utilizando poli (tereftalato de etileno) (PET) películas en ambos lados para evitar la adhesión, y luegocolocarlos en la prensa. Ajuste el medidor de presión de la prensa a 200 o 400 bar. Para cada presión de moldeo, pulse las películas con una temperatura de la placa de 110, 120, y 130 ° C durante 10 y 20 min. Como una referencia a las muestras pre-extruidos, películas de prensa a partir de material unextruded. Centro de 7,2 g de material fresco (de la sección 1.6) en el marco de aluminio. Presione con la misma configuración de parámetros como para las películas pre-extruidos anteriores (pasos 3.1.4- 3.1.5). Al pulsar sin marco Recortar y muestras rectangulares sandwich (4,4 cm x 4,4 cm) entre dos placas de aluminio que utilizan películas de PET en ambos lados para evitar la adhesión. Colocarlos en la prensa. Ajuste el medidor de presión de 50 bar, 75 bar o 100 bar. Para cada presión de moldeo, películas de prensa para 5 o 10 minutos usando 110 ° C, 120 ° C y 130 ° C la temperatura de la placa.

Representative Results

Los materiales mezclados (60% en peso de harina de crambe y 40% en peso de gluten de trigo) dio lugar a una masa dura después del procedimiento de mezclado inicial. El material se descansó durante unos minutos antes de la primera extrusión. Sin embargo, la masa tenía una viscosidad demasiado alta para ser capaz de ser alimentada a la tolva de la extrusora de manera regular. Por lo tanto, se alimentó pieza por pieza, directamente en el tornillo. Los tornillos tenían una velocidad constante, y el material extruido película resultante era continua y tenía una superficie visualmente suave. Un ejemplo de una película extruida se muestra en la Figura 1. La presión de la boquilla y la temperatura se encontró que los dos parámetros de procesamiento más importantes para el control con el fin de obtener materiales extruidos película homogénea y suave. Demasiado bajo una temperatura de la boquilla, típicamente por debajo de 110 ° C, no dio lugar a materiales extruidos de película continua, mientras que una temperatura superior a 130 ° C dio lugar a THe formación de burbujas en el material. Se encontró que la temperatura de la matriz más adecuada para obtener películas homogéneas y lisas para estar alrededor de 125 ° C. Para obtener los materiales extruidos más homogéneas, se encontró un proceso de dos pasos que es ventajoso, en donde, en la primera etapa, las hebras se extruyeron a una temperatura más baja (normalmente 85 ° C) y se granula. Los gránulos se alimentan entonces a la tolva de la segunda etapa de extrusión. Cuando el contenido de urea se redujo de 15 a 10% en peso 12, la cohesión de la masa se redujo sustancialmente, lo que resulta en un material de tipo polvo; no película continua podría ser extruido 12. Cuando se disminuyó la concentración de glicerol (con un retenido% de urea 15 en peso), se encontró que la masa a ser más frágil, y la urea no se disolvió completamente en el glicerol. Además, una considerablementeSe requiere una mayor presión en la boquilla para obtener películas homogéneas. Sin embargo, se encontró que estas películas a ser más suave y más homogéneos que los que tienen un contenido de glicerol superior. Al aumentar la concentración de polvo de harina de crambe y la disminución de la concentración de gluten de trigo, las películas extruidas aparecieron más oscuro, pero también más suave y más homogénea 5. La tasa de alimentación también se podría aumentar 12. El inconveniente era que las películas eran sólo parcialmente continua, y roturas en la película aparecieron unos pocos metros de distancia. Sin embargo, al aumentar la temperatura de la matriz a aproximadamente 130 ° C, películas continuas podrían ser preparados, aunque con algunas decoloraciones 12. El moldeo por compresión sin un marco produjo delgada (espesor: 0,1 hasta 0,2 mm) películas que eran muy flexible y translúcido (Figura 2). <p class="jove_content" fo:keep-together.wentro-page = "1"> Dependiendo de cómo se hacían los productos extruidos y lo que contenían, la rigidez oscilaban entre 4/9-5/6 MPa y la fuerza de la 0,3-0,7 MPa, mientras que la capacidad de extensión varió del 7 al 16% 12. Los valores correspondientes para los productos extruidos después de moldeo por compresión eran 6,4 a 15,0 MPa, 0,3 a 1,1 MPa, y 8-19% 5. Los detalles de las mediciones mecánicas se dan en la referencia 12. 64 especímenes de pesa mm de largo eran tracción-probado de acuerdo con ASTM D882-02 a 23 ± 1 ° C y 50 ± 1% de HR, con una velocidad de cruceta de 10 mm / min. La Figura 3 muestra la importancia de la extrusión de crambe con la adición de gluten de trigo. La fuerza y, especialmente, la extensibilidad, disminuyeron con la disminución de contenido de gluten de trigo. La permeabilidad al oxígeno varió desde 17 hasta 39 cm 3 mm / (día m 2 atm), dependiendo de la composición y de si una etapa de moldeo por compresión (con un marco) se utilizó o no. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1"> Figura 1: El material extruido. película extruida utilizando una temperatura de la boquilla de 130 ° C. Contiene 35,7% en peso de crambe, 23,8% en peso de gluten de trigo, 25,5% en peso de glicerol, y 15% en peso de urea. La anchura de la película es de 44 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2: películas moldeadas por compresión. material extruido moldeado por compresión, sin marco, en forma de películas delgadas, translúcidas utilizando una temperatura de prensado C 130 ° a 75 bar durante 10 minutos. Las películas planas y arrugadas son del mismo material. La anchura de la película de la izquierda es de ~ 17 mm. Por favor haz clickaquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3: Propiedades mecánicas como una función del contenido de crambe. Esfuerzo máximo (círculos rellenos) y la tensión a la tensión máxima (círculos abiertos) como una función del contenido de crambe en la mezcla de gluten crambe / trigo. Las barras de error representan las desviaciones estándar. tensión máxima se obtuvo a partir de la fuerza máxima por unidad de sección inicial de la muestra de la parte estrecha de la muestra de la pesa de gimnasia (sección estrecha: 16 mm de largo y 4 mm de ancho). El perfil de baja temperatura se utiliza con una temperatura de la matriz inicial de 125 ° C y una temperatura de la zona 11 de 115 ° C. La velocidad del tornillo era de 30 rpm, y la extrusión se realizó sin granulación previa. Los datos obtenidos de referencia 12. Por favor, haga clic en ellae para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La razón que la presión en la boquilla era de tan alta importancia se debe probablemente al hecho de que el material necesita una cierta presión para evitar la formación de burbujas. Sin embargo, los diferentes componentes podrían separación de fases si la presión era demasiado alto. Cuando la extrusión a una temperatura demasiado baja, la cohesión era pobre, posiblemente debido a un bajo grado de reticulación, mientras que una temperatura demasiado alta como resultado la liberación de gas (probablemente junto con la humedad de urea y de degradación de proteínas productos).

La extrusión de dos pasos (es decir, donde hebras fueron primero extruido, granulado, y después extruyen de nuevo) dieron como resultado un producto extruido más homogénea debido a la más extensa de mezcla que la primera etapa de extrusión proporcionado.

La pobre cohesión masa cuando la disminución de la concentración de urea de 15 a 10% en peso era probablemente debido a una densidad de reticulación inferior. En analogía a esto, una concentración de glicerol inferior, y por lo tanto una menor capacidadpara disolver la urea, como resultado películas más pobres a menos que se aplicó una presión de la boquilla superior.

El aumento de la concentración de harina de crambe, y por lo tanto la disminución de la concentración de gluten de trigo, se tradujo en un menor grado de formación de agregación / red. Esto redujo la viscosidad del material en el material extruido, lo que resulta en la necesidad de aumentar la temperatura de la boquilla a 130 ° C para elevar la viscosidad y generar películas homogéneas.

Es difícil, si no imposible, para extruir crambe plastificado en películas de calidad suficiente para cualquier uso. Mostramos aquí que esto se puede superar mediante la mezcla de crambe con una proteína más fácilmente extruible como gluten de trigo. Para la mejor calidad, los productos extruidos tienen que ser moldeada por compresión en una etapa separada después de la extrusión.

Se muestra aquí que la extrusión funciona en una escala más pequeña, y ampliación de la escala es probable que sea más exigente. Extrusión, junto con el moldeo por inyección, son los MOSt métodos comerciales importantes para la producción de plásticos. Con el fin de reemplazar a los plásticos convencionales existentes, es necesario que el material de proteína puede ser producido con las mismas técnicas 14-16. Mostramos aquí que es posible extruir harina de semillas oleaginosas crambe con la ayuda de gluten de trigo.

Las posibles aplicaciones incluyen el embalaje y aplicaciones para diferentes perfiles extruidos (por ejemplo, varillas y cilindros). Consideramos el paso más crítico durante la preparación de las muestras a ser la etapa de extrusión. La calidad final de las películas depende en gran medida de los parámetros de extrusión y las propiedades del material antes de la extrusión.

Disclosures

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
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References

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Gällstedt, M., Pettersson, H., Johansson, T., Newson, W. R., Johansson, E., Hedenqvist, M. S. Film Extrusion of Crambe abyssinica/Wheat Gluten Blends. J. Vis. Exp. (119), e54770, doi:10.3791/54770 (2017).
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