Summary
Боковой поток из растительного добычи нефти крамбе abyssinica имеет ограниченную ценность. Целью этого исследования было найти методы для выдавливания материалов, основанных на этой стороне потока, демонстрируя, что продукты с более высоким значением может быть произведено. Было установлено, что экструдаты имеют перспективные свойства.
Introduction
При обновлении материала от низкого значения к более высокому значению, два основных вопроса необходимо учитывать: тип потенциального конечного продукта (ов) и требуемыми свойствами. Это исследование фокусируется на экструзии на основе белков пластмасс для возможного использования в упаковке по двум причинам. Настоящее разнообразие пакетов является обширным, но просьба о возобновляемых и биоразлагаемых низкой стоимости упаковочного материала резко возросло в последнее десятилетие. Эта тенденция , как представляется, продолжается, так как большинство владельцев брендов и законодатели ищут варианты для создания пластмасс из нефти 1. Требуемые свойства материала для упаковки, во многих случаях, более жесткие, чем для других пластмассовых изделий. Тем не менее, если будет получен успешный материал, потенциальный рынок очень велик.
Упаковочный материал должен выполнить ряд критериев, чтобы быть пригодным. Точные критерии различаются в зависимости от типа упаковки, наполнения / герметизации системы, TranspoRT, хранение, содержание, внешний вид, дизайн продукта и т.д. Все эти параметры должны рассматриваться разработчиком упаковки, но все не может быть наивысшим приоритетом сразу же при начале разработки нового и неизученного материала. Свойства в фокусе для данного исследования были механические и барьерные характеристики.
Экструзия является способ обработки выбора по двум причинам: экструзионные является распространенным и эффективным способом для изготовления упаковки пластмасс, а это, как правило, не включать растворитель, как и в литье из раствора. Таким образом, ни одна стадия сушки не требуется в конце процесса 2.
Клейковина пшеницы также боковой поток материала , поступающего из крахмального продукта 3. Он показал потенциал в качестве упаковочного пластика в ряде исследований. Несмотря на это, некоторые проблемы остаются 4. Крамбе abyssinica является интересным масличный завод в том , что он не является пищевым ресурсом и можно выращивать во многих различных АГronomic условия 5,6. Как и пшеничного глютена, крамбе белок представляет собой побочный продукт, в данном случае, от добычи нефти. Его получают в виде обезжиренной крамбе еды, с белком в качестве самого крупного компонента. Он также содержит значительное количество безазотистых экстрактов, таких как углеводы и волокна 7,8. Пища имеет относительно плохие свойства когезии и должен быть смешан с материалом более высокой когезии. В этом исследовании, клейковина пшеницы используется в качестве поддерживающей добавки к крамбе еды. Для повышения ударной вязкости / растяжимость белкового материала, пластификатор обычно используется в качестве добавки, а также. В этом исследовании, глицерин используется, который является побочным продуктом нефтяной промышленности растений (например, рапс метиловый эфир топлива) и легко доступен по низкой цене 9. Мочевина, также возобновляемый, используется в качестве денатурирующего средства для того , чтобы придать экструдата надлежащее сцепление 2,10,11. Он также может работать в качестве пластификатора.
Возобновляемые материалы, Особенно те, которые используются непосредственно из природы, без дополнительной очистки, модификации или химического синтеза, являются, в большинстве случаев, не подходит для высокотемпературной обработки. Задача состоит в том, чтобы найти подходящие параметры обработки и композиции, которые приводят к экструдата со свойствами, которые позволяют ему конкурировать с продукцией из нефти.
В этом исследовании основное внимание уделяется характеристике механических и барьерных свойств нового биооснове материала , полученного из крамбе еды обработанного с различными добавками и при различных условиях 12. Полные детали механических и кислорода особенности барьерных находятся в Rasel и др. 12.
Protocol
Примечание: семена крамбе (сорт Galactica) поставлялись заводом Research International, Вагенинген, Нидерланды. Масло экстрагируют из семян методом Appelqvist 13. И крамбе мука и клейковина пшеницы хранили при -18 ° С до дальнейшего использования.
1. Тесто Приготовление
- просеивание крамбе
- Просеять крамбе еду с круглым, тонкой сеткой из нержавеющей стали кухонный сито (размер пор: ~ 1,5 мм, 14 меш), для удаления крупных фракций волокон и цельная семена. Храните просеянной еду при температуре -18 ° С, чтобы предотвратить старение материала.
- Фрезерование крамбе
- Для уменьшения размера частиц и сделать материал более однородным, мельница просеянный крамбе муки в ротационной шаровой мельнице.
- Mill 250 г крамбе еды каждый раз в 7 л банку с диаметром 21-25 мм керамических шариков с использованием 53 оборотов в минуту скорость вращения баночку и время фрезерования 24 часов.
- Перед дальнейшей обработкой состояние все в шаровой мельнице крамбе муки и пшеничной клейковины порошок в открытых банках в течение как минимум 48 часов при температуре 23 ° С и относительной влажности 50% в климат-контролем комнате.
- Измельчите порошок мочевины (хранится в закрытом химическом стакане при условиях окружающей среды) до мелких частиц с помощью ступки и пестика.
- Смешать мочевины и глицерина (25,5 г глицерина и 15 г мочевины на 100 г конечной смеси).
- Нагреть глицерина до 65 ° C в стеклянной колбе на масляной бане и добавить порошок мочевины медленно.
- Перемешать смесь с помощью магнитной мешалки при 65 ° С до тех пор пока порошок мочевины полностью не растворится.
- Смешать порошок крамбе муки и пшеничной клейковины порошок в смесительной машине кухни в течение 5 мин. Например, для 60/40 (вес / вес) крамбе / Пшеница гОтношение Лютен, используют 35,7 г крамбе муки и 23,8 г глютена пшеницы на 100 г конечной смеси.
- Медленно добавить смесь глицерина / мочевины в крамбе / пшеничный глютен смеси на кухне миксера при перемешивании смеси. Продолжают перемешивание в течение приблизительно 2 мин, до тех пор, пока не будет получено однородное тесто. Готовят 500 г смеси, каждый раз.
- Для получения материала с 60/40 (вес / вес) крамбе и пшеничного глютена, используйте следующие относительное содержание соответствующих составных частей: 35,7 г крамбе муки, 23,8 г пшеничной клейковины, 25,5 г глицерина и 15 г мочевины ( на 100 г). Для двух других комбинаций материалов (то есть, 70/30 и 80/20), изменить только крамбе и пшеницы содержание клейковины. Хранить глицерин и карбамид содержание такой же, как в 60/40 комбинации.
2. Фильм Экструзионные
- Низкотемпературный профиль <ол>
- Выполните экструзию пленки в двухшнековый экструдер. Установка зон 1-10 (каждый 80-мм длинной) вдоль цилиндра экструдера на профиле при низкой температуре (в дальнейшем называемой "низкой Т профиль"), следующим образом: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C. Это предотвращает клейковину пшеницы из сшивающего в бочке.
- Используйте плоский лист штампа (45 мм х 0,7 мм) для выдавливания пленки.
- Выберите скорость шнека между 30 оборотов в минуту и 200 оборотов в минуту и записать давление в головке.
- Поток тесто вручную через воронку с помощью деревянного толкателя для поддержания потока материала по направлению винтов.
- На пресс-формы, поднимите экструдата с конвейерной лентой работает со скоростью 2,0 м / мин. Поместите вентиляции воздуха охлаждения (вентиляторы) вдоль ленты.
- Выполнить различные температуры фильеры (105 ° C-(105 ° C), 110 ° C- (110 ° С), 125 ° C- (115 ° С), 130 ° C- (120 ° С), и 140 ° C- (125 ° C)), чтобы выбрать условия, которые дают плавную extrudaт.е с минимальным количеством пустот.
Примечание: Значения в скобках соответствуют температуры в зоне 11, рядом с матрицей. Он настроен, чтобы достичь заданной температуры в головке. - После экструзии экструдаты хранить в герметичных полиэтиленовых мешках до дальнейшего анализа или обработки с целью предотвращения поглощения старения и атмосферной воды.
- Выдавливание пленки, как описано в разделе 2.1, но использовать профиль высокотемпературную (в дальнейшем называемый "высокий профиль-T"), следующим образом: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C для зон от 1 до 11 экструдера.
- Используйте штамповой температуры 125 ° C и 130 ° C.
- Для того, чтобы получить гранулы, выдавливать материал в виде непрерывных нитей в экструдер с использованием двух нитей умирают.
- Используйте профиль низкого T для эксэкструдере ствол, как описано выше, и 60 оборотов в минуту винта скорости вращения.
- Использование различных типов диэлектриче- (зона 11) температуры (130 ° C-(125 ° С), 125 ° C-(115 ° С), 105 ° C-(100 ° С), и 85 ° C-(85 ° С) ), чтобы получить нити с ровных поверхностей.
- Гранулирование
- После прохождения конвейерной ленты (ремня, расположенной после экструдера, который помогает подачу материала из экструдера), кормить пряди в гранулятор, работавшую при скорости резания 7 м / мин.
- Экструзию пленки из гранул
- Подача гранул вручную в экструдер и экструзионных пленок с профилем низкого T внутри ствола и с 125 ° C- (115 ° C) температуры штампа с плоским листа. Используйте винт скорости вращения 30 оборотов в минуту.
- Для имитации автоматической подачи (обычно используется в промышленности), использованиегранулы предварительно экструзии при 85 ° C (шаги 2.3.1-2.3.2.1).
- Подключите устройство подачи в экструдер и выбрать режим объемного питателя бункера.
- Используйте объем подачи 35 кг / ч и бункером и шнеком экструдера скоростью 16 оборотов в минуту и 120, соответственно.
- Выдавливание с профилем низкой температуры ствола и использовать диэлектриче- (зона 11) при 125 ° C- (115 ° C).
3. После экструзии процесса (прессование)
- Нажатие кнопки с рамкой
- Для первой установки, вырезать две экструдатов на куски 4,4 см х 7,0 см и 2,6 см х 7,0 см.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это необходимо, так как рама шире, чем экструдатов. - Поместите их рядом друг с другом в прямоугольной алюминиевой рамой (70 х 70 х 0,5 мм 3).
- Сэндвич рамку между двумя алюминиевыми пластинами с использованием поли (этилен-терефталат) (ПЭТ) пленки с обеих сторон, чтобы предотвратить прилипание, а затемпоместите их в прессу.
- Установите манометр на прессу до 200 или 400 бар.
- Для каждого давления формования, нажмите пленки с температурой пластины 110, 120, и 130 ° С в течение 10 и 20 мин.
- В качестве ссылки на предварительно экструдированных образцов, пресс-пленок из unextruded материала. Центр 7,2 г свежего материала (из раздела 1.6) в алюминиевой раме.
- Нажмите с теми же настройками параметров, что и для предварительно экструдированных пленок выше (шаги 3.1.4- 3.1.5).
- Для первой установки, вырезать две экструдатов на куски 4,4 см х 7,0 см и 2,6 см х 7,0 см.
- Нажатие кнопки без рамки
- Вырежьте и образцы сэндвич прямоугольной формы (4,4 см х 4,4 см) между двумя алюминиевыми пластинами с использованием ПЭТ-пленки с обеих сторон, чтобы предотвратить прилипание.
- Поместите их в прессу. Установите манометр до 50 бар, 75 бар или 100 бар.
- Для каждого давления формования, пресс-пленки в течение 5 или 10 мин с использованием 110 ° C, 120 ° C и 130 ° C температуры пластины.
Representative Results
Смешанные материалы (60% вес крамбе муки и 40 вес% пшеничного глютена) привело к жесткой теста после начальной процедуры смешивания. Материал уперлась в течение нескольких минут до первой экструзии. Тем не менее, тесто было слишком высокую вязкость, чтобы иметь возможность подавать в бункер экструдера в обычном порядке. Таким образом, он был подан кусок-на-части, непосредственно в винт. Винты имели постоянную скорость, и полученный экструдат пленка была непрерывной и имела гладкую поверхность визуально. Примером экструдированной пленки показана на рисунке 1.
Было обнаружено, что давление и температура штампа быть два наиболее важных параметров обработки для управления с целью получения однородной и гладкой экструдированных пленок. Очень низкая температура кристалла, как правило, ниже 110 ° C, не приводило к непрерывным экструдированных пленок, в то время как температура выше 130 ° С приводит к йформирование электронной пузырьков в материале. Наиболее подходящая температура штампа для получения однородных и гладких пленок было обнаружено, что около 125 ° С.
Для того, чтобы получить наиболее однородные экструдатов, процесс двухстадийный установлено, что предпочтительно, где, на первой стадии, нити подвергали экструзии при более низкой температуре (обычно 85 ° C) и гранулируют. Гранулы затем подают в бункер для второй стадии экструзии.
Когда содержание мочевины было снижено с 15 до 10% масс 12, сцепление теста значительно снизилась, что привело к порошкообразным материалом; не сплошной пленки не может быть экструдирован 12.
Когда концентрация глицерина была снижена (с удерживаемой 15 мас% мочевины), тесто было установлено, что более хрупким, а мочевина полностью не растворяется в глицерине. Кроме того, значительноБолее высокое давление умирают требовалось, чтобы получить однородные пленки. Тем не менее, были найдены эти фильмы, чтобы быть более гладкой и более однородным, чем те, с более высоким содержанием глицерина.
При увеличении концентрации крамбе муки порошок и уменьшая концентрацию пшеничной клейковины, экструдированные пленки появились темнее, но и более гладкими и более однородными 5. Скорость их подачи также может быть увеличена 12. Недостаток состоял в том, что фильмы были только частично непрерывным, и обрывы пленки появились в нескольких метрах друг от друга. Тем не менее, при увеличении температуры кристалла до приблизительно 130 ° С, сплошные пленки могут быть подготовлены, хотя с некоторыми некрозом 12.
Компрессионное формование без рамы получали тонкий (толщина 0,1-0,2 мм) пленки , которые были очень гибкими и полупрозрачные (рисунок 2).
12. Соответствующие значения для экструдата после компрессионного формования были 6.4-15.0 МПа, 0.3-1.1 МПа, и 8-19% 5. Подробная информация о механических измерений приведены в ссылке 12. 64 мм длиной образцы были гантелей на растяжение испытания в соответствии с ASTM D882-02 при температуре 23 ± 1 ° С и 50 ± 1% RH, с траверсы скоростью 10 мм / мин. На рисунке 3 показана важность экструдирования крамбе с добавлением клейковины пшеницы. Сила, и особенно расширяемость, уменьшается с уменьшением содержания пшеничной клейковины. Кислородная проницаемость в диапазоне от 17 до 39 см 3 мм / (м 2 день атм), в зависимости от состава и стадию прессования (с рамой) был использован или нет ли.
Рисунок 1: прессованный материал. Экструдированной пленки с использованием температуры в головке 130 ° С. Он содержит 35,7% вес крамбе, 23.8% вес клейковину пшеницы, 25,5 мас% глицерина и 15 мас% мочевины. Ширина пленки составляет 44 мм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: формованию под давлением пленки. Экструдированный материал формуют под давлением, без рамы, в тонкой, прозрачной пленок с использованием C температура прессования 130 ° при 75 бар в течение 10 мин. Плоские и морщинистой пленки из того же материала. Ширина левого пленки составляет ~ 17 мм. Пожалуйста, нажмитездесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: Механические свойства в зависимости от содержания крамбе. Максимальное напряжение (заштрихованные кружки) и деформации при максимальном напряжении (кружки) в зависимости от содержания крамбе в клейковиной смеси крамбе / пшеницы. Столбики ошибок обозначают стандартные отклонения. Максимальное напряжение было получено от максимальной силы на исходном образце поперечного сечения узкой части гантель образца (узкий участок: 16 мм и шириной 4 мм). Профиль низкотемпературный использовалась при начальной температуре мундштука 125 ° С и при температуре 115 ° С зона 11. Скорость вращения шнека составляла 30 оборотов в минуту, а экструзию проводили без предварительного гранулировани. Данные , полученные из ссылки 12. Пожалуйста , нажмите еее, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Причина давление мундштук такого высокого значения, вероятно, из-за того, что материал, необходимый определенное давление, чтобы избежать образования пузырьков. Тем не менее, различные компоненты могут фазовому разделению, если давление было слишком высоким. Когда экструдирование при слишком низкой температуре, когезия была плохой, возможно, из-за низкой степени сшивания, в то время как слишком высокая температура приводит к выделению газа (вероятно, влага вместе с мочевиной и деградации белков продуктов).
Два этапа экструзии (т.е. там, где нити были первыми экструдированный, гранулируют, а затем снова выдавливается) привело к более однородной экструдата из-за более обширного смешивания , что первый этап экструзии при условии.
Плохое тесто сцепления при уменьшении концентрации мочевины от 15 до 10% масс, вероятно, связано с более низкой плотностью сшивки. По аналогии с этим, более низкую концентрацию глицерина, и, таким образом, более низкую способностьдля растворения мочевины, привело к более бедным фильмов, если не было применено более высокое давление умирают.
Повышение концентрации муки крамбе, и, таким образом, уменьшая концентрацию пшеничного глютена, приводит к более низкой степени формирования агрегации / сети. Это снизило вязкость материала в экструдата, что приводит к необходимости увеличения температуры кристалла до 130 ° C для повышения вязкости и генерировать однородные пленки.
Это трудно, если не невозможно, чтобы выдавить пластифицированного крамбе в виде пленок достаточно высокого качества для любого использования. Здесь мы покажем, что это можно преодолеть путем смешивания крамбе с более легко экструдируемый белка как глютена пшеницы. Для достижения наилучшего качества, экструдаты должны быть формуют под давлением в отдельной стадии после экструзии.
Здесь показано, что экструзия работает в меньшем масштабе, и экстраполяция, вероятно, будет более сложным. Экструзия, наряду с литьем под давлением, являются МОСт важные коммерческие методы производства пластмасс. Для того чтобы заменить существующих обычных пластмасс, необходимо , чтобы белковый материал может быть получен с такими же методами 14-16. Здесь мы покажем, что можно выдавить крамбе шрота с помощью пшеничной клейковины.
Возможные области применения включают упаковку и приложения для различных экструдированных профилей (например, стержней и цилиндров). Мы считаем наиболее важным шагом в процессе подготовки образцов быть стадии экструзии. Окончательное качество пленок сильно зависит от параметров экструзии и свойств материала до экструзии.
Disclosures
Методы и результаты ранее были представлены как статья Rasel и соавт. 5.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 (pore size: ~1.5 mm, 14 mesh) | 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 |
References
- Aeschelmann, F., Carus, M. Bio-based building blocks and polymers in the world. Capacities, production and applications: Status quo and trends towards 2020. , nova-Institute. (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.
- 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. -Å 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).
