与改善小麦Gluten-Laminated纸板防潮层属性:一个新概念使用增塑剂(甘油),它包含一个疏水组件(油酸)

文摘

本文提出一种新颖的方法来减少水汽传输速率(WVTR)和水吸光度的麦麸/纸板分层引入疏水组件(油酸(OA))到亲水性增塑剂(甘油)。而纸板显示WVTR无限高,强化与谷蛋白/甘油产生有限值。更重要的是,通过合并75 wt。% OAinto the plasticizer, the WVTR and water absorbance were reduced by, respectively, a factor of three and 1.5–2. Of particular interest was that the mechanical properties were not changing dramatically between 0 and 50 wt.% OA. The results showed clear benefits of combining a gluten film with paperboard. Whereas the paperboard provided toughness, the WG layer contributed with improved moisture barrier properties. In addition, WVTR indicated that the paperboard reduced the swelling of the outer gluten/glycerol layer in moist conditions; a free standing gluten/glycerol film would yield infinite, rather than finite, WVTR values.

1。介绍

小麦谷蛋白(WG)是一个有趣的替代石油高分子材料(1),有大量小麦淀粉行业的副产品(2]。电影,然而,脆性,因此塑化剂是必要的。例如,使用甘油,可以使WG-based电影和3 d对象使用传统的聚合物加工技术包括压缩成型,挤出和注射成型3- - - - - -6]。由此产生的材料具有良好的气体屏障性能在干燥条件下(7),其增塑的状态它就像PVC增塑剂的含量高。

纸板涂层对于食品包装应用程序通常由石油聚合物。这些涂料是必不可少的食品,因为它们的生命周期作为氧气和/或水/水蒸气障碍(8]。自小麦谷蛋白能够形成电影(1),有一个低氧渗透率(OP)在干燥条件下9),有趣的是在环保食用和nonedible电影作为替代纸板在食品包装8]。然而,麦麸是亲水性和高水通透性限制了其应用;水分传输的有效控制是至关重要的对于大多数的食物(10]。

先前的研究已经表明,水蒸气渗透率(冻)可以减少脂质,如油酸(OA),是纳入可食用的电影,主要成分是乳清(11),壳聚糖(10),和小麦谷蛋白(12,13]。然而,脂质倾向于负面影响力学性能。在[11]油酸后添加蛋白质/甘油乳液已经做好准备,在10它是直接与聚合物混合。在[12工作组的脂质被涂布到矩阵,并在13)电影是由工作组,甘油和脂质在水和酒精。

工作中提出了本文的一个新概念合并脂质,油酸,成麦麸材料用于热成型了为了达到一个更防水材料和更高的水蒸气屏障在力学性能没有任何损失。这个概念被应用到小麦gluten-coated纸板。越疏水组件(油酸)和增塑剂(甘油)之前添加这些工作组。油酸/甘油/ WG混合物被压缩模塑法随后应用于纸板模拟热压涂料/纹理。

未来可能的干燥食品包装材料是100%可再生麦麸层压板在外层的纸板与油酸/甘油组成的(WG)是一个足够的水蒸气屏障保护内部氧势垒层(WG和少量的甘油(14])。

2。材料和方法

2.1。材料

商业WG粉末是由瑞普AB, Lidkoping,瑞典。根据供应商,面筋蛋白质含量为77.7%(根据修改NMKL nr6方法,Kjeltec, Nx5.7;http://www.nmkl.com/)。甘油的浓度≥99.5 wt。wt %的含水率≤0.5。%是由Karlshamns Tefac AB、Karlshamn瑞典。油酸(OA, C_18:1从Sigma-Aldrich有限公司购买,圣路易斯,密苏里州,美国。提供的纸板,Korsnas双260年Korsnas AB,瑞典耶夫勒。克重是242克/米²和厚度是0.4毫米。的底层纸板,纹理作为基质,由原色软木亚硫酸盐纸浆。原色的中间层由chemi-thermomechanical纸浆(CTMP)和顶部层由混合漂白软木,硬木。获得的疏水化是用双施胶剂烷基烯酮二聚体(AKD)和松香。纸板没有表面涂布在底部的一边。

2.2。样品制备

的WG-coated纸板是由使用桌面媒体压缩成型,Polystat 200 t (Servitec Maschinenservice GmbH, Wustermark,德国)。首次由混合均匀的面团WG粉与增塑剂(甘油有或没有油酸)砂浆。为简单起见,在剩余的研究中,甘油/油酸混合物被称为增塑剂。塑化剂含量是20或30 wt。%,基于描写电影的总质量,和油酸的相对含量(wt. %)和甘油是0:100年,25日:75年,50:50和75:25。十克面团均匀内部框架(14×14毫米²两个聚酯薄膜和两个金属板之间)。压缩成型是在30年代,110°C和成型压力计的机器上设置为200酒吧。板装配后远离媒体的压力被释放,和工作组电影使用手术刀从帧中分离了出来。纸板随后被涂上准备的电影使用相同的程序,但没有框架。工作组电影放在一边的纸板底部,和成型进行了110°C下一组200条10分钟的压力。的WG-laminated纸板来自媒体和存储在23°C和50% RH之前描述和测量。

2.3。水汽传输速度测量

水汽传输速率测量使用Mocon Permatran-W 3/31 38°C和90% RH (Mocon Inc .,明尼阿波利斯,美国)根据ASTM F 1249 - 90。标本(每个样本的两个复制)被紧紧夹在两个铝箔,提供一个5厘米²接触面积。稳态流量通过标本被确定和规范化对涂布纸板的厚度产生的水汽传输速率(sWVTR)。

2.4。水的吸收能力科布₆₀方法

由水吸收科布₆₀按照SCAN-P 12: 64。测量进行了使用一个l和w柯布上浆测试仪(Kista Lorentzen & Wettre AB,瑞典)°C和RH在一个气候控制的房间里。样本切成维度厘米²和条件的专用房间。使用的设备由一个橡胶垫护壁板和一个5厘米高的金属圆筒内面积100厘米²。测试人员提供一个夹紧装置系缸到脚板,上面的示例。100毫升蒸馏水注入汽缸。科布₆₀60年代后表明,吸收测量。水倒出45秒后,试样被撤仪器额外15秒后,和表面的残余水被首先奠定了吸墨纸对样本然后用黄铜滚子滚动两次。切除吸墨纸之后,这部电影是重的科布₆₀值,X(水吸光率g / m²),计算X= 100·(),和是大众(g)后的试样和水接触之前15]。三个复制的每一个样品进行测试。

2.5。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)

工作组层表面、截面和tensile-fractured表面检查在日立s - 4800 FE-SEM(日立高新技术公司,日本东京)。在显微镜下插入之前,标本被涂上一层黄金ca。6纳米的厚度使用琼脂高分辨率溅射涂布机(型号208 rh)(琼脂科学、斯坦斯特德、英国),配备了黄金目标/琼脂厚度监控控制器。

2.6。红外光谱(IR)

红外光谱与优秀的光谱记录2000红外光谱分光计,优秀的公司,沃尔瑟姆,妈,美国,配备了单个反射ATR附件(金门从Specac有限公司奥尔平顿的英国),由程序控制光谱2.00版本,从Graseby Specac,奥尔平顿的英国。样品被紧紧地夹在一个蓝宝石砧和ATR锗晶体WG-coated样品表面对后者。光谱是作为平均16扫描4000至600厘米⁻¹每隔1厘米⁻¹4厘米的一项决议⁻¹。

2.7。拉伸试验

英斯特朗5566拉伸试验是执行一个万能试验机(Instron,诺伍德,妈,美国)根据ISO 527 - 3。哑铃型标本,在狭窄的部分有4毫米的宽度和长度为6.5厘米,被打了一个标准的ISO 37-3形状,使用一个标本从Elastocon AB裁断机,布罗斯,瑞典。标本进行测试的专用房间°C和RH。负载细胞500 N扩展10毫米/分钟的速度和初始grip-to-grip 40毫米的距离。0.1 N的预加载(延伸率10毫米/分钟)是应用于样品之前连续的测量,以确保测量样本。压力得到的力除以初始横截面积狭窄的部分,和应变确定实际grip-to-grip距离相对于初始grip-to-grip距离。弹性(E)模量估计初始应力-应变曲线的斜率。样本系列包括10 - 13标本,在气候条件的空间被测试前120 h。

2.8。光泽测试

光泽测量使用Zehntner光泽仪ZLR Zehntner GmbH是一家提供的1050米测试仪器,Sissach,瑞士,在60°的角度根据ISO 2813。反射,测量20°和60°的角度从正常到工作组层表面依照TAPPI T480光泽单位报告G^20.和G⁶⁰(顾;百分比标准)的倍数。灯、透镜和光电探测器是可怕地纠正给发光效率与CIE相对应的光谱响应函数的有效波长572 nm。涂层的反射阴霾D4039电影根据ASTM标准计算方法。烟雾指数(H)被定义为不同的光泽值以60°的角度和20°(16]。一个更高的值代表一个更高的阴霾。

2.9。统计分析

统计分析与统计软件进行了JMP版本5 (SAS研究所Inc .卡里,数控,美国)。Tukey-Kramer HSD(老实说显著差异)测试,执行所有成对的统计方法比较,在显著性水平为0.05。

3所示。结果与讨论

3.1。水汽传输速率

很明显,而纸板有无限高sWVTR,麦麸层产生的层压纸板有限的sWVTR(表1)。在以往的研究中,小麦面筋增塑的独立电影也无限地高sWVTR值(14]。差异的原因可能是,纸板作为支持提供机械完整性和减少moisture-induced肿胀小麦谷蛋白层。

具体的水汽传输速率随数量的增加而降低油酸甘油/油酸混合物(表1)。值为3.3 (20 wt。(30 wt %增塑剂)和2.9。与75 wt %增塑剂)低。%油酸塑化剂的混合物。这被解释为由于疏水性的油酸比甘油(17]。在所有情况下,材料30 wt。%增塑剂与20 wt比物质更渗透。%增塑剂。应该指出的是,sWVTR数据计算了基于层的总厚度。如果能够获得显著较小值WVTR值而不是标准化工作组层厚度、忽视了纸板,没有造成障碍的属性。还应该注意的sWVTR值获得在苛刻条件(90% RH, 38°C),那就是,至少在欧洲北部,而不是常见的环境干燥的食品包装。

3.2。水吸收性:科布₆₀

的科布₆₀层压板的值远高于裸板,但随数量的增加而降低油酸值,依照sWVTR数据(表1)。低科布₆₀价值非常高sWVTR纸板的价值表示,这是高度大小;水蒸气能够深入毛孔的董事会,但液体水的吸收是有限的。变化最大的是发现与30 wt样品。%增塑剂与减少ca。24 g / m²在0和75吨级之间。% OA。样本之间的差异在水中吸光度与20和30 wt。%增塑剂随油酸含量。油酸含量最低的,样本30 wt。%增塑剂吸水率明显高于20 wt样本。%增塑剂。与sWVTR油酸在水吸收的影响被认为是由于更大的疏水性油酸比甘油。

3.3。结构表征

样品只包含甘油的表面光滑的感觉有点粘,低于样品的表面含有油酸。后者表面感觉更“含脂肪。“然而,扫描电镜显示样品表面与油酸包含裂缝和异质结构(数据1和2)。异质性油酸含量的增加而增加,最高为75吨级。% OA样本。

图3表明,裂缝不通过工作组层扩展,这也解释了为什么sWVTR和科布₆₀值随油酸含量增加而降低。一个异常可能是包含20 wt的样本。与75 wt %增塑剂。% OAwhere the SEM pictures were less conclusive (Figure3)。这个样本异质性的增加可以解释为什么它出乎意料地高科布₆₀价值(表1)。然而,如果通过工作组层裂纹并扩展,sWVTR和科布₆₀值会明显高于值(表获得1)。图3也表明好的纸板和WG层之间的粘结。

3.4。红外光谱法

分析了小麦面筋蛋白结构用红外光谱。我吸光度的酰胺1600至1700厘米⁻¹在图4敏感蛋白质二级结构的变化,揭示了聚合/聚合结构的状态(6]。有趣的是,所有的小麦谷蛋白层被发现有一个高度的聚合/聚合结构(主峰~ 1625厘米⁻¹在分子间相应的酰胺组β单网络(6])。峰值/肩~ 1650厘米⁻¹,相应的酰胺组无序/阿尔法螺旋链构象,是不太突出18]。聚集在这里“聚合”的蛋白质,包括所有事件涉及共价相互作用和破坏和改造的二硫键。聚合结构似乎降低的程度与油酸含量增加,虽然变化小(30 wt的红外光谱曲线。%增塑剂20 wt的样本类似。%增塑剂样品如图4)。因此,sWVTR和科布₆₀结果最有可能不是由于蛋白质结构的变化。

峰与甘油和油酸也研究以验证组件存在表面的工作组层(样品的红外光束渗透的顺序μ米,根据红外波长(19])。红外光谱表明,甘油确实出席了表面,与峰值为925厘米⁻¹在850厘米⁻¹分配给碳碳键的振动和峰值为1117厘米⁻¹相关的伸展切断债券(数据未显示)20.]。油酸是很容易观察到的特征峰在1710厘米⁻¹(由于不对称的伸展,C = O键(21])。图5显示了20 wt数据。%增塑剂样本。30 wt结果是相似的。%增塑剂样本。因此这两个组件在塑化剂混合物出席WG层表面不同程度取决于混合比。

3.5。拉伸试验

拉力测试结果如图所示6和总结在表2。WG层的存在降低了伸长和能源在纸板的打破。这可能是由于,当工作组层断裂,突然增加的负载由纸板骨折了。然而,裸纸板之间的差异可扩展性和样本与WG层包含30 wt。与75 wt %增塑剂。% OAwas insignificant (Table2)。20 wt的示例。与75 wt %增塑剂。% OA一个lso had a relatively high extensibility. Both the stress at break and the modulus increased when the OA content increased from 0 to 50 wt.% and decreased thereafter. The strength of a few of the laminated samples and the stiffness of the 75 wt.% OA samples were similar to the corresponding values for the uncoated paperboard. Except for samples containing 75 wt.% OA, the difference in modulus, strain at break, and energy at break, between the 20 and 30 wt.% plasticizer samples, was insignificant. The variations in sample thicknesses could not explain the mechanical results since there were no clear trends among the samples (Table2)。特别感兴趣的是,层压板的力学性能没有50 wt时变得更穷。% OA添加甘油塑化剂。75 wt。% OA,the laminates became weaker but on the other hand tougher (30 wt.% plasticizer) and more extensible. The stiffness also decreased but was still similar to that of the uncoated paperboard.

拉伸试验结果的补充,断裂表面与SEM(图进行了研究7)。纸板表现出高应变突破纤维撤军,而董事会与WG层经历了更多的脆性断裂。显然低应变在涂布纸板的破坏是由于蛋白层;一个假设是,纸板的变形限制蛋白涂层,两层都是并行扩展以同样的速度,产生光滑的拉伸曲线。较高的应变在打破75 wt。% OAsamples was probably due to poor adhesion between the paperboard and the WG layer and/or a weaker WG layer, fracturing more easily and allowing the paperboard to extend further. For the sample with 20 wt.% plasticizer (75 wt.% OA), the tensile curve showed discontinuities suggesting multiple fractures of the WG layer as the coated paperboard was deformed. This could be observed visually as crack development perpendicular to the tensile direction during the testing.

3.6。层压纸板的光泽

光学涂层的外观往往是重要的。光泽是一个函数的表面折射率、消光系数、光束的入射角和反射光线的性质。表面光泽单位70或更高版本的入射角60°被认为是一个高光泽表面(22]。在这方面,没有一个测试样品表面被认为是高度光泽(表3)。由于入射角和入射光的性质不变,两个增塑剂组件也有类似的折射率(甘油:1.4723)和油酸:1.46 (24)在20°C),不同的消光系数和/或吸收光应该负责观测到的光泽变化的主要参数。烟雾指数相关,增加,表面的不规则性和异质性。有趣的是十八烯acid-containing样本,尽管微裂纹的产生,有烟雾指数低于样本含有甘油,这是符合更大的摸起来光滑前样品(表3)。

4所示。结论

众所周知,小麦谷蛋白是一个非常好的低湿度条件下氧障碍和少量的增塑剂(14]。结果显示潜在的限制也水吸收和整合的水汽传输速度更疏水组件到亲水性增塑剂。这开辟了一个有趣的概念创建一个完全可再生蛋白质多层水和氧气障碍工作组的纸板层在外面干的食物。外水蒸气阻挡层应该有一个更疏水的组件(例如,油酸)增塑剂(如甘油),而内部氧势垒层应该只包含少量的亲水性增塑剂。这个概念可能工作不仅对小麦面筋,也对其他成膜蛋白质如玉米蛋白和大豆蛋白。最后,重要的是要注意,层压板不是“涂层”的纸板,我们在这里使用厚的蛋白质层。它应该被视为一种蛋白质/纸板包装概念层,每一层的贡献和重要属性,以及到邻近的层。

确认

Vinnova,瑞典政府机构为创新系统,和“RenewFuncBarr”财团感谢金融支持。

引用

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