Summary
Den side stream fra planteolie produktion af Crambe abyssinica har begrænset værdi. Formålet med denne undersøgelse var at finde metoder til at ekstrudere materialer baseret på denne sidestrøm, hvilket viser, at der kan fremstilles produkter med en højere værdi. Ekstrudaterne viste sig at have lovende egenskaber.
Introduction
Når du opgraderer et materiale fra en lav værdi til en højere værdi, har brug for to vigtigste spørgsmål, der skal overvejes: typen af potentielle slutprodukt (er) og de nødvendige egenskaber. Denne undersøgelse fokuserer på ekstrudering af proteinbaserede plast til potentiel anvendelse ved emballering af to grunde. Den nuværende række forskellige pakker er omfattende, men anmodningen om vedvarende og biologisk nedbrydeligt billig emballage er steget hastigt i det seneste årti. Denne tendens ser ud til at fortsætte, da de fleste varemærkeindehavere og lovgivere søger efter muligheder for at skabe plast fra råolie 1. De krævede materialeegenskaber til emballage er i mange tilfælde, mere krævende end for andre plastprodukter. Men hvis der opnås en vellykket materiale, det potentielle marked er meget stort.
Emballagen skal opfylde en række kriterier for at være egnet. De nøjagtige kriterier varierer afhængigt af typen af pakken, påfyldning / tætningssystemer, transport, opbevaring, indhold, udseende, produktdesign, osv Alle disse parametre bør overvejes af en emballage, udvikler, men alle kan ikke være af højeste prioritet på én gang, når indlede udviklingen af et nyt og uudforsket materiale. Ejendommene i fokus for denne undersøgelse var de mekaniske og barriere forestillinger.
Ekstrudering er behandlingen foretrukne metode af to grunde: ekstrudering er en almindelig og effektiv fremgangsmåde til fremstilling af emballering plast, og det generelt involverer ikke et opløsningsmiddel, som i opløsning støbning. Således er der ikke behov tørretrin ved afslutningen af processen 2.
Hvedegluten er også en sidestrøm materiale, der kommer fra et stivelsesprodukt 3. Den har vist potentiale som emballage plast i en række undersøgelser. På trods af dette, nogle udfordringer 4. Crambe abyssinica er en interessant olieholdig plante i at det ikke er føde og kan dyrkes i mange forskellige agronomic forhold 5,6. Som med hvedegluten, crambe protein er et biprodukt, i dette tilfælde, fra olieproduktionen. Det opnås som et affedtet crambe måltid, med protein som den største komponent. Den indeholder også en betydelig mængde nitrogen-fri ekstrakter, såsom kulhydrater og fibre 7,8. Melet har forholdsvis dårlige kohæsive egenskaber og skal blandes med et materiale med højere samhørighed. I denne undersøgelse er hvedegluten anvendes som en støttende additiv til crambe måltid. For at forbedre sejhed / strækbarhed af proteinet materiale, er en blødgører almindeligt anvendt som tilsætningsstof så godt. I denne undersøgelse er glycerol anvendes, som er et biprodukt af anlægget olieindustrien (f.eks rapsolie-methyl-ester brændstoffer) og er let tilgængelige til en lav pris 9. Urinstof, også vedvarende, anvendes som denatureringsmidler for at give ekstrudatet korrekt samhørighed 2,10,11. Det kan også virke som et blødgøringsmiddel.
Vedvarende materialer, Især dem, der bruges direkte fra naturen, uden rensning, ændring eller kemisk syntese, er i de fleste tilfælde, ikke er egnet til høj temperatur behandling. Udfordringen er at finde egnede procesparametre og sammensætninger, der resulterer i en ekstrudat med egenskaber, der gør det muligt at konkurrere med produkter fra råolie.
Denne undersøgelse fokuserer på karakteriseringen af de mekaniske og barriereegenskaber en ny biobaseret materiale fremstillet af crambe måltid behandlet med forskellige additiver og på forskellige vilkår 12. De fuldstændige oplysninger om de mekaniske og ilt barriere funktioner findes i rasel et al. 12.
Protocol
BEMÆRK: crambe frø (sort Galactica) blev leveret af Plant Research International, Wageningen, Holland. Olie blev ekstraheret fra frøene ved fremgangsmåden i Appelqvist 13. Både crambe måltid og hvedegluten blev opbevaret ved -18 ° C indtil yderligere anvendelse.
1. Dough Fremstilling
- sigtning crambe
- Sigt crambe måltid med en rund, finmasket rustfrit stål køkken si (porestørrelse: ~ 1,5 mm, 14 mesh), at fjerne store fiberfraktioner og ikke malede eller knuste frø. Opbevar den sigtede måltid ved -18 ° C for at forhindre materiale aldring.
- Milling crambe
- At reducere partikelstørrelsen og gøre materialet mere homogen, mølle den sigtede crambe måltid i en roterende kuglemølle.
- Mill 250 g crambe måltid hver gang i en 7 L krukke med mm diameter 21-25 keramiske kugler under anvendelse af en omdrejningshastighed 53 rpm krukke og en formaling på cirka 24 timer.
- Før videre forarbejdning, betinge al bolden sleben crambe måltid og hvedegluten pulver i åbne krukker i mindst 48 timer ved 23 ° C og en relativ fugtighed på 50% i et klima-kontrollerede rum.
- Slibe urinstof pulver (opbevaret i en lukket bægerglas ved omgivelsesbetingelser) til fine partikler med en morter og støder.
- Blend urinstof og glycerol (25,5 g glycerol og 15 g urinstof pr 100 g af den endelige blanding).
- Opvarm glycerol til 65 ° C i en glaskolbe i et oliebad og tilsæt urinstof pulver langsomt.
- Blandingen omrøres med en magnetomrører ved 65 ° C, indtil urinstoffet pulveret er fuldstændigt opløst.
- Blend crambe måltid pulver og hvedegluten pulver i et køkken blandemaskine i 5 min. For eksempel til en 60/40 (vægt / vægt) crambe / hvede gLuten ratio, bruge 35,7 g crambe måltid og 23,8 g hvedegluten pr 100 g af den endelige blanding.
- Tilsæt langsomt glycerol / urea blandingen til crambe / hvedegluten blanding i køkkenet blandemaskine under omrøring af blandingen. Fortsæt omrøring i ca. 2 min, indtil der opnås en homogen dej. Forbered 500 g af blandingen hver gang.
- For materiale med 60/40 (vægt / vægt) crambe og hvedegluten, bruge følgende relative indhold af de respektive bestanddele: 35,7 g crambe måltid, 23,8 g hvedegluten, 25,5 g glycerol og 15 g urinstof ( pr 100 g). For de to andre materialekombinationer (dvs. 70/30 og 80/20), kun ændre de crambe og hvede gluten indhold. Hold glycerol og urinstof indhold på samme måde som i 60/40 kombination.
2. Filmekstrudering
- Profil Lav-temperatur <ol>
- Udfør ekstrudering i en dobbeltsnekkeekstruder. Sæt zoner 1-10 (hver 80 mm langt) langs ekstrudercylinderen ved en lav temperatur profil (senere kaldet "lav-T-profil"), som følger: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C. Dette forhindrer hvedegluten fra tværbinding i cylinderen.
- Brug en flad plade matrice (45 mm x 0,7 mm) at ekstrudere filmene.
- Vælg en snekkehastighed mellem 30 rpm og 200 rpm og registrere dysetryk.
- Feed dejen manuelt gennem tragten ved hjælp af en træ pusher at støtte materialestrømmen mod skruerne.
- Ved dysen, afhente ekstrudatet med et transportbånd med en hastighed på 2,0 m / min. Placer ventilation køling (fans) langs båndet.
- Køre forskellige die temperaturer (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C), og 140 ° C- (125 ° C)) for at vælge de betingelser, der giver den blødeste extrudate med et minimum af hulrum.
BEMÆRK: Værdierne i parentes svarer til temperaturen i zone 11, ved siden af matricen. Det justeres for at nå målet temperatur i matricen. - Efter ekstrudering, gemme ekstrudaterne i forseglede polyethylenposer indtil yderligere behandling eller analyse for at forhindre aldring og atmosfærisk vand absorption.
- Ekstrudere film som beskrevet i afsnit 2.1, men bruge en høj-temperatur profil (efterfølgende kaldet "high-T-profil"), som følger: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C for zone 1 til 11 af ekstruderen.
- Brug die temperaturer på 125 ° C og 130 ° C.
- For at få pellets, ekstrudere materialet som kontinuerlige strenge i ekstruderen ved anvendelse af en to-strenget matrice.
- Brug lav T-profil for extruder tønde, som beskrevet ovenfor, og en 60-rpm skrue rotationshastighed.
- Bruge forskellige die- (zone 11) temperaturer (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C), og 85 ° C- (85 ° C) ) til opnåelse strengene med de glatteste overflader.
- pelletering
- Efter at have passeret transportbåndet (båndet beliggende efter ekstruderen, der hjælper til at føre materialet ud af ekstruderen), foder strengene i en pelleteringsmaskine betjenes med en skærehastighed på 7 m / min.
- Filmekstrudering fra pelletene
- Feed pellets manuelt i ekstruderen og extrude film med lav-T-profil inde i løbet, og med en 125 ° C- (115 ° C) fast foliematricen temperatur. Brug en skrue rotationshastighed på 30 rpm.
- For at simulere automatisk fødning (almindeligvis anvendes i industrien), anvendelsepellets tidligere ekstruderet ved 85 ° C (trin 2.3.1-2.3.2.1).
- Slut feeder til ekstruder og vælge den volumetriske feeder tilstanden af tragten.
- Brug en fodring volumen på 35 kg / h og hopper og ekstrudersnekke hastigheder på 16 og 120 rpm, hhv.
- Ekstrudere med lav temperaturprofil af cylinderen og bruge en die- (zone 11) temperatur på 125 ° C- (115 ° C).
3. Post-ekstrudering Process (Compression Molding)
- Presning med rammen
- For første opsætning, skære to ekstrudater i stykker på 4,4 cm x 7,0 cm og 2,6 cm x 7,0 cm.
BEMÆRK: Dette er nødvendigt, fordi rammen er bredere end de ekstrudaterne. - Placere dem ved siden af hinanden i en aluminium rektangulær ramme (70 x 70 x 0,5 mm 3).
- Sandwich rammen mellem to aluminiumplader anvendelse af poly (ethylenterephthalat) (PET) film på begge sider for at forhindre adhæsion, og derefterplacere dem i pressen.
- Indstil manometret på pressen til 200 eller 400 bar.
- For hver molding tryk, tryk filmene med en plade temperatur på 110, 120 og 130 ° C i 10 og 20 min.
- Som en henvisning til de præ-ekstruderede prøver, skal du trykke film fra unextruded materiale. Center 7,2 g frisk materiale (fra afsnit 1.6) i rammen aluminium.
- Tryk med samme parameterindstillinger som for de præ-ekstruderede film ovenfor (trin 3.1.4- 3.1.5).
- For første opsætning, skære to ekstrudater i stykker på 4,4 cm x 7,0 cm og 2,6 cm x 7,0 cm.
- Presning uden en ramme
- Klip og sandwich rektangulære prøver (4,4 cm x 4,4 cm) mellem to aluminiumsplader bruger PET-folie på begge sider for at forhindre vedhæftning.
- Læg dem i pressen. Indstil manometer til 50 bar, 75 bar eller 100 bar.
- For hver molding tryk, tryk film til 5 eller 10 min ved anvendelse af 110 ° C, 120 ° C og 130 ° C plade temperaturer.
Representative Results
De blandede materialer (60 vægt-% crambe måltid og 40 vægt% hvedegluten) resulterede i en hård dej efter den indledende procedure blanding. Materialet blev hvile i et par minutter før den første ekstrudering. Men dejen havde en for høj viskositet for at kunne indgå i ekstrudertragten på en regelmæssig måde. Derfor blev det fodret stykke-for-stykke, direkte ind i skruen. Skruerne havde en konstant hastighed, og den resulterende film ekstrudat var kontinuerlig og havde en visuelt glat overflade. Et eksempel på en ekstruderet film er vist i figur 1.
Den dysetryk og temperatur blev fundet at være de to vigtigste procesparametre til kontrol for at opnå homogene og glat film ekstrudater. For lav en matrice temperatur, typisk under 110 ° C, resulterede ikke i kontinuerlig film ekstrudater, hvorimod en temperatur over 130 ° C resulterede i the dannelsen af bobler i materialet. Den mest passende matrice temperatur for at opnå homogene og glatte film viste sig at være omkring 125 ° C.
For at få de mest homogene ekstrudater blev en to-trins proces vist sig at være en fordel, hvor der i det første trin, blev tråde ekstruderet ved en lavere temperatur (typisk 85 ° C) og pelleteret. Pellets blev derefter tilført til tragten for andet ekstruderingstrin.
Når ureaindholdet blev faldet fra 15 til 10 vægt% 12, sammenhængen i dejen faldt betydeligt, hvilket resulterer i et pulver-lignende materiale; ingen kontinuert film kunne ekstruderes 12.
Når koncentrationen glycerol blev reduceret (med en tilbageholdt 15 vægt% urinstof), blev dejen viser sig at være mere skørt, og urinstoffet ikke opløses fuldstændigt i glycerol. Også en betydeligthøjere dysetryk var forpligtet til at få homogene film. Disse film blev fundet, at være glattere og mere homogen end dem med en højere glycerolindhold.
Når stigende pulver koncentrationen crambe måltid og faldende hvedegluten koncentration, de ekstruderede film optrådte mørkere, men også glattere og mere homogen 5. Den fodring sats kunne også øges 12. Ulempen var, at filmene var kun delvist kontinuerlig, og film går i stykker dukkede et par meter fra hinanden. Men ved øgning af matricen temperaturen til ca. 130 ° C, kontinuerlige film kunne fremstilles, dog med nogle misfarvninger 12.
Trykstøbning uden en ramme gav tynd (tykkelse: 0,1-0,2 mm) film, der var meget fleksibel og gennemskinnelig (figur 2).
12. De tilsvarende værdier for ekstrudaterne efter presning var 6,4-15,0 MPa, 0,3-1,1 MPa, og 8-19% 5. Nærmere oplysninger om de mekaniske målinger er angivet i henvisning 12. 64 mm lange håndvægt prøver var trækstyrke-testet i henhold til ASTM D882-02 ved 23 ± 1 ° C og 50 ± 1% RH, med en krydshovedhastighed på 10 mm / min. Figur 3 viser betydningen af ekstrudering crambe med tilsætning af hvedegluten. Styrken, og især strækbarhed, faldt med faldende hvedegluten indhold. Permeabiliteten oxygen varierede fra 17 til 39 cm 3 mm / (dag m 2 atm), afhængigt af sammensætningen og hvorvidt en formpresning trin (med en ramme) anvendt eller ej.
Figur 1: Ekstruderet materiale. Ekstruderede film ved anvendelse af en matrice temperatur på 130 ° C. Det indeholder 35,7 vægt-% crambe, 23,8 vægt% hvedegluten, 25,5 vægt-% glycerol og 15 vægt-% urinstof. Bredden af filmen er 44 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: kompressionsstøbte film. Ekstruderet materiale kompression-støbt, uden en ramme, i tynde, gennemskinnelige film ved hjælp af en 130 ° C tryk temperatur ved 75 bar i 10 min. De flade og rynkede film er af samme materiale. Bredden af den venstre film er ~ 17 mm. klikher for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Mekaniske egenskaber som en funktion af crambe indhold. Maksimal belastning (udfyldte cirkler) og stamme ved maksimal belastning (åbne cirkler) som en funktion af crambe indhold i gluten blanding crambe / hvede. Fejlbjælkerne viser standardafvigelserne. Maksimale spænding blev opnået fra den maksimale kraft pr oprindelige stikprøve tværsnit af den smalle del af dumbbell prøven (smal sektion: 16 mm lang og 4 mm bred). Den lave temperatur profil blev anvendt med en initial die temperatur på 125 ° C og en zone 11 temperatur på 115 ° C. Skruen hastighed var 30 omdrejninger i minuttet, og ekstruderingen blev udført uden forudgående pelletering. Data fra henvisning 12. Klik hendee for et større version af denne figur.
Discussion
Grunden matricen presset var af så høj vigtighed skyldtes sandsynligvis det faktum, at materialet kræves en vis pres for at undgå bobledannelse. Imidlertid kunne de forskellige komponenter faseseparere hvis presset var for høj. Når ekstrudering ved for lav en temperatur, at samhørighed var dårlig, muligvis på grund af en lav grad af tværbinding, mens en for høj temperatur resulterede i frigivelse af gas (sandsynligvis fugt sammen med urea og protein nedbrydningsprodukter).
De to trin ekstrudering (dvs. hvor strenge blev først ekstruderet, pelleteret, og derefter ekstruderes igen) resulterede i en mere homogen ekstrudat grund af den mere omfattende blanding, at det første ekstruderingstrin billede.
Den dårlige dej samhørighed ved faldende urinstof koncentration fra 15 til 10 vægt% skyldtes sandsynligvis en lavere tværbindingsdensitet. Analogt til dette, en lavere glycerol koncentration, og dermed en lavere evneat opløse urinstof, resulterede i fattigere film medmindre en højere matrice tryk blev påført.
Forøgelse måltid koncentrationen crambe, og dermed reducere hvedegluten koncentrationen, resulterede i en lavere grad af aggregering / netværksdannelse. Dette sænkede viskositeten af materialet i ekstrudatet, hvilket resulterer i behovet for at øge matricen temperaturen til 130 ° C for at hæve viskositeten og generere homogene film.
Det er svært, hvis ikke umuligt, at ekstrudere blødgjort crambe til film af tilstrækkelig kvalitet til enhver brug. Vi viser her, at dette kan overvindes ved at blande crambe med en lettere ekstruderbar protein som hvedegluten. For den bedste kvalitet, ekstrudaterne skal være kompressionsstøbte i et separat trin efter ekstrudering.
Det vises her, at ekstrudering virker på en mindre skala, og opskalering sandsynligvis være mere krævende. Ekstrudering, sammen med sprøjtestøbning, er MOSt vigtige kommercielle fremgangsmåder til fremstilling af plastmaterialer. For at erstatte eksisterende konventionelle plast, er det nødvendigt, at proteinmaterialet kan fremstilles med de samme teknikker 14-16. Vi viser her, at det er muligt at ekstrudere crambe oliefrø måltid med hjælp af hvedegluten.
Mulige anvendelser omfatter emballage og applikationer til forskellige ekstruderede profiler (fx stænger og cylindre). Vi anser det mest kritiske trin under forberedelsen af prøverne skal være ekstrudering trin. Den endelige kvalitet af filmene afhang stærkt på de ekstruderede parametre og egenskaberne af det før ekstrudering materiale.
Disclosures
Metoderne og resultaterne blev tidligere præsenteret som en artikel af rasel et al. Fem.
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).
