纤维素酯的性质评价电影吸收精油

文摘

电影由纤维素酯通常用作生物食品包装材料。在这项工作中,我们研究了掺入九精油为醋酸纤维素,纤维素醋酯丙酸、乙酸丁酸纤维素。肉豆蔻精油来自石灰,丁香酚,pimenta贝瑞、迷迭香、petitgrain,咖啡,茴香,trans-cinnamaldehyde。在几乎所有情况下,添加精油纤维素酯降低抗拉强度和杨氏模量,但断裂伸长率增加。因此,一个精油像塑化剂,增强聚合物的灵活性。精油含有柠檬烯、蒎烯(例如,从石灰和肉豆蔻)给了最强的塑化作用,而精油含有脂肪酸(例如,从咖啡)是最弱的增塑剂。水防护性能改善是最当精油加入醋酸纤维素;然而,不同的纤维素酯/精油组合显示不同的效果。而大多数精油的透明度降低电影,丁香酚,甘椒树莓,茴香是明显的例外。因此,根据特定的应用程序,可以使用一个特殊的聚合物/光电组合给最优性能。

1。介绍

许多高分子包装材料已经商业化成功增加水果和蔬菜的贮藏寿命在超市和减少食物变质1,2]。然而,大多数的这些聚合物来自石油原料,和他们增加消费可以产生大量的塑料废弃物,导致处理和环境问题3,4]。解决这个问题是使用agro-based可生物降解包装膜(5- - - - - -7]。因此,有活期利息探索多糖及其衍生物作为涂料、食品包装材料和包装(8,9]。对于这个应用程序,纤维素酯尤其有利。他们已经知道,制造多年,拥有好电影属性和商用(10,11]。最常见的酯是醋酸、丙酸和丁酸。商业产品包括醋酸纤维素(CA)、醋酸纤维素丙酸(帽)和醋酸丁酸纤维素(出租车)。

从植物提取的精油是亲有机物质的材料,包含各种不同的结构12,13]。因为他们的香味和抗菌性,他们经常使用香水或药用配方中(12,13]。他们已经把偶尔到聚合物为了传授特殊性质,例如,食品包装,个人护理,或抗菌素的应用程序14- - - - - -19]。例如,一个精油可以装在一个包装薄膜为便于处理和减少细菌污染(20.,21]。与一个吸引人的芳香精油可以嵌入到聚合物形成一个空气清新剂(13]。精油可以作为塑化剂在聚合物22- - - - - -26]。当然,有可能是一个重要的石油可能有超过一个以上的功能聚合物。

关于纤维素酯类食品包装应用程序,它是吸引将精油融入任何上述功能的聚合物矩阵(22- - - - - -24]。对于这些应用程序,它是有用的常见的精油进行系统的研究和观察他们的交互与三种常见的纤维素酯(CA、帽和出租车)。众所周知,聚合物中的精油可以影响其机械和光学性质22- - - - - -26]。也有助于评估水蒸气渗透率产生的电影,因为水分会影响食物的保质期22- - - - - -26]。

这项工作的目的是研究的结合三个纤维素酯九精油(EO),与他们的物理性质对EO成分,并观察他们的电影的物理行为的差异。机械测试、水蒸气渗透性和不透明度的评估。

2。材料和方法

2.1。材料

样品的CA (CAS号9004-35-7;39.8重量%乙酰基, ),帽(CAS号9004-39-1;化学文摘号2.5重量%乙酰,45重量%丙酰 ),和出租车(CAS号9004-36-8;12 - 15重量%乙酰,36-40重量%丁酰, )从Sigma-Aldrich获得(圣路易斯,密苏里州,美国)。丙酮是来自费舍尔科学(美国宾夕法尼亚州匹兹堡)。

研究精油来自酸橙(柑橘×aurantiifolia),肉豆蔻(肉豆蔻,桂花),pimenta贝瑞(Pimenta officinalis),迷迭香(迷迭香属officinalis),petitgrain (柑橘橙)、咖啡(Coffea阿拉比卡)和茴香(Pimpinella anisum)。所有从Sigma-Aldrich获得。同样来自Sigma-Aldrich丁香酚和trans-cinnamaldehyde试剂级材料。精油是从Sigma-Aldrich获得进一步信息(27)和文学。

2.2。制备纤维素酯的电影

每个纤维素酯样品(CA、帽或出租车)溶解在丙酮的比率1:4 ( )生产filmogenic解决方案。一个EO被添加到解决方案的EO /聚合物浓度为20% ( )通过搅拌,其次是与超声脱气。之所以选择这些浓度,根据我们之前的研究的EO /纤维素酯电影[22]。在这些研究中,我们发现,聚合物/丙酮溶液> 20% EO会影响影片的质量。EO的电影没有添加实验控制。

所有的电影都是通过刀的铸造方法。每个filmogenic的解决方案是传播Teflon-covered玻璃板(之前然后丙酮和异丙醇清洗)膜的形成。0.27毫米的刀有差距。在丙酮溶剂完全蒸发后在室温下( ),电影是分开的盘子和房间湿度条件( 和 RH)至少40小时的机械测试。调查样本不透明度和水蒸气渗透也在这些条件。

2.3。机械性能的电影

每部电影的力学性能是决定拉力试验机(Instron 4201型万能试验机,诺伍德,妈,美国)使用ASTM方法d882 - 97 (28]。三个参数为每个样品测定:杨氏模量(YM,以MPa),抗拉强度(TS,以MPa),和断裂伸长率(EB,单位为%)。在测量之前,每个电影都切成矩形条(双齿铣刀,模型没有。22-34,测试机器,Inc .)、纽卡斯尔、德、美国)。薄膜带样品当时条件所制备的步骤。的初始计量长度拉力试验机被设定为125毫米,和下巴分离的速度12.5毫米分钟¹,使用1 kN负载细胞。对于每一个样本,五个电影带进行了测试;平均值和标准偏差报告。

膜厚度的测量,一个小型试验3100计从ElektroPhysik获得(德国科隆)使用。测量遵循制造商的指示。

2.4。水蒸气渗透率(冻)

冻的决心,我们使用一种修改版的ASTM方法(29日- - - - - -32]。电影被切圆直径60毫米和定位的渗透杯(# 5100/1,膜厚测定仪,Inc .罗彻斯特山,密歇根州)包含一个干燥剂(之前加热两个小时到200°C和冷却到室温)。当连接,每一部电影的接触面积是10厘米²。电影被放置在湿度室(易翔,密歇根哈得逊维尔)23°C和50%相对湿度。细胞被打压小时每天24小时。根据ASTM方法进行计算(29日,30.]。

2.5。不透明度

电影不透明,我们跟着方法报道Gontard et al。33),用日本岛津公司UV2600分光光度计(美国诺伍德,MA)和紫外探测器2.43软件。每一个电影都切成矩形和连接到仪器的石英试管。这样,可见光吸收(400 - 800纳米)的电影可以度量。校准是通过扫描可见光谱没有电影。电影的不透明的吸光度计算550海里除以膜厚度(34]。不透明度表示为(一个mm¹)。对每个样本一式三份进行了测量,平均被报道。

2.6。统计分析

对于机械测试,5为每个拉伸样品进行了测量,平均值和标准偏差。使用一个完全随机法进行了实验。

冻和透明度,纤维素酯电影的一式三份数据和样品9添加剂使用单独的单因素方差分析比较(方差分析),一个用于每个纤维素酯(CA、帽或出租车),使用SAS统计分析系统6.0程序(35]。方差分析运行之前,列文的方差的同质性测试运行。如果一个重要的 - - - - - -测试值的方差分析得到 ,最小二乘准则的差异是用于所有成对比较Bonferroni调整控制数量的比较(36]。

3所示。结果与讨论

对于这个工作,九精油的基础上选择他们的可用性,流行的用法,和抗菌活性。精油及其作品的完整列表在表1。为了方便起见,这些精油可以大致分为五类的基础上他们的作文37- - - - - -43]。作文可以随地理和季节。对于许多精油在这项研究中,主要成分是萜烯。(1)柠檬烯、蒎烯类型:石灰、肉豆蔻(2)eugenol-based类型:丁香酚,甘椒树莓(3)混合成分:迷迭香、petitgrain(4)脂肪抗酸类型:咖啡(5)其他:茴香、肉桂醛

最初的兼容性的观察与纤维素酯在EO合并了。只有咖啡EO电影一种油性的外观。观察到,即使测量刀是用来传播电影解决方案,完成膜厚度变化由于浓度和表面张力的解决方案,溶剂蒸发率、房间温度、湿度、和其他因素。所有这些因素都尽可能保持不变。

3.1。机械性能的电影

包装膜应用程序,机械性能是至关重要的,因为他们反映膜强度,延伸率,弹性和最终用途相关的属性(44]。杨氏模量的数据(YM),抗拉强度(TS)和断裂伸长率(EB) CA和没有添加EO的总结表2。CA电影本身YM 2519 MPa, TS 41 MPa, EB 3%。YM提供影片的刚度的措施。根据数据表2,YM通常外加一个EO下降。罢工的结果是,电影包含5精油(石灰、肉豆蔻、丁香酚、茴香和trans-cinnamaldehyde),抗拉强度是相对未受影响,但断裂伸长率显著增加。这五种精油然后在醋酸纤维素表现出很强的增塑作用。在这些精油中,石灰的最佳显示拉力和伸长和肉豆蔻EO-members第一分类为柠檬烯、蒎烯含量很高。

机械测试结果帽和九个精油如表所示3。帽子本身有YM 2624 MPa, TS 34 MPa, EB 1%。在这种情况下,抗拉强度和杨氏模量降低的EO,反映了增塑作用的精油。在这里,第一类的精油(石灰EO和肉豆蔻EO)给伸长的最大增幅。类别1后,下一个最强的增塑剂的EOs茴香,petitgrain,迷迭香。这些都是精油分类2和3。显示至少伸长的精油属于4级,即,咖啡EO,脂肪酸的主要组件。

数据YM, TS和EB的出租车,整合各种EO在表中做了总结4。出租车本身TS (27 MPa)和最低YM (2077 MPa),相对于CA和帽子。再次,强度和杨氏模量降低的EO,但伸长观察帽系列相当低(1 - 17%),相对于CA和帽子。最好的增塑剂再次的类别1:石灰EO和肉豆蔻光电。EO的分类2和3中间。类别4中的EO又是最薄弱的塑化剂,由迷迭香EO加入这里。

这些观察大多与其他研究的精油在聚合物被发现增加伸长(16,17,22,23,45]。唯一的例外是艾哈迈德等的研究。19),观察到轻微下降,EB当香柠檬和柠檬草EO纳入明胶的电影。同样,杨氏模量的减少(YM)的EO报道了巴斯托斯et al。22)和Tongnuanchan et al。18]。减少TS的EO的早些时候报道了巴斯托斯et al。22)和Espitia et al。23在纤维素酯Benavides et al。[电影16海藻酸在电影,但是发现了一个相反的趋势把橄榄油到壳聚糖的电影(46]。

在图1,抗拉强度的变化相对于聚合物控制(ΔTS)与EB的变化相对于聚合物控制(Δ显示EB)为所有三个纤维素聚合物。在所有的三个地块,降低抗拉强度随着伸长的增加的趋势。因此,添加一个精油纤维素酯膜产生一种权衡在抗拉强度和伸长率。然而,一些可以找到最优的情况。例如,在醋酸纤维素(图1(一)),添加石灰和肉豆蔻精油给较大的抗拉强度和伸长率。此外,对醋酸纤维素丙酸(图1 (b)),曲线几乎是平5精油抗拉强度损失约6 - 10 MPa但获得的EAB 10 - 25%。

TS相比,杨氏模量的减少相对于聚合物控制是大致相同的所有精油添加到给定的纤维素酯。因此,当绘制的函数Δ海尔哥哥,ΔYM曲线几乎是水平没有明确的趋势(数据未显示)。因此,除了九精油的纤维素酯电影的刚度降低电影大约相同的程度。因为TS和EB测量当电影优惠,而YM是衡量初始应力-应变曲线的斜率,TS的不同行为和YM并不奇怪。

3.2。水蒸气渗透率

CA的水蒸气渗透率(冻)数据,帽,出租车和未经EO如表所示5。对于大多数电影与EO,有显著差异( )控制电影相比,表明增加引起的EO减少冻。一般来说,限制电影平均渗透率最高(2.52),其次是CA电影(1.87单位),然后出租车电影(1.75单位)。帽的电影都是比另外两个更渗透纤维素酯EO电影除了CA控制,CA咖啡EO, CA迷迭香光电。

在CA系列中,有两个类似的样本冻控制(迷迭香EO,咖啡EO)。帽和出租车系列,三种精油的渗透率是类似于控制(迷迭香、petitgrain和石灰)。在驾驶室系列中,唯一的治疗明显不如控制冻是丁香酚。

3.3。不透明度

CA的不透明度数据、帽和出租车电影和没有EO的表6。似乎对CA和帽,EO公司降低不透明度的电影。作为一个整体,帽电影似乎是最透明的(平均137毫米¹)。电影与丁香酚、茴香EO和pimenta贝瑞光电显示最透明,和这部电影咖啡EO至少是透明的。具体来说,几个显著降低不透明度(大约50%或更多)可能会提到,例如,CA丁香酚,帽丁香酚,帽迷迭香EO,出租车石灰光电。显著的不透明度的增强包括CA petitgrain EO, CA咖啡EO,帽咖啡EO, EO与驾驶室咖啡。

透明度很可能不相容的影响与纤维素酯的精油,油的折射率的差异和连续阶段,和分散的大小和浓度油。对于食品包装,有时需要降低不透明度,因为食物可以通过包更容易观察到。然而,对于食物,可以用阳光进行氧化,增加透明度是更好的对食物的保存。因此,能力改变不透明度与精油的不同的选择(在这项研究中所示)可以是一个在实践中受益。

3.4。评论

在这个工作中,九个精油是嵌入在20% ( )在三个纤维素酯电影和研究的几个物理和机械性能的材料。力学测试结果表明,精油与聚合物增塑剂,导致一些减少抗拉强度和杨氏模量,但断裂伸长率的增强。精油的研究可以大致分为五类,根据化学成分。类别1(含柠檬烯、蒎烯)显示,最大伸长和4级(含脂肪酸)最不伸长。类别1中的事实,精油可以作为有效的增塑剂是感兴趣的,因为大部分的纤维素酯都是小分子酯类增塑剂。因此,目前的结果表明,萜烯和terpene-like化合物可能适合纤维素酯类增塑剂。在这一点上,它可能注意到第一个纤维素塑料(赛璐珞,热塑性)组成的硝基和樟脑47]。

也可以指出的是,拉伸断裂伸长率的脆性材料成反比。因此,除了EO的减少纤维素酯的脆性。良好的脆性和一个方程讨论脆性和伸长的功能得到Brostow在前面的一部书里,Hagg Lobland [48]。

此外,大多数精油的纤维素酯电影引起了水蒸气渗透率下降由于疏水性的石油。这可能是一个优势,如果我们想要保护水敏食物或材料。此外,一些改变不透明度与EO加观察。这个特性可以定制特定的需要被包装的食品。虽然不是强调在这项研究中,精油也以他们的抗菌性37,49]。一般来说,电影,减少微生物增长可以保存食品了。

因此,纤维素酯电影中精油的使用对食品包装价值至少有四个特点:改善膜的灵活性,减少水蒸气渗透率、变量不透明度和抗菌活性。三个纤维素酯的组合和9精油研究工作表现出一系列的物理和机械性能。根据特定的应用程序,可以使用一个特殊的聚合物/光电组合给最优性能。为未来的产品开发,也许这些组合可能考虑在粮食生产和保存。

4所示。结论

近年来,出现了大量的兴趣直接使用精油的天然添加剂在食品保质期延长的风险使用合成防腐剂(50),在添加精油生物食品包装系统修改包装薄膜的物理性质(14- - - - - -24]。研究了纤维素酯类生物膜材料,因为它们的属性(22,23),但为了进一步推进纤维素酯/精油系统,需要更多的数据来评估范围和各种组合的潜力。目前的研究旨在提供这些信息,有三个纤维素酯(CA、帽和出租车)和9个精油。结果表明有足够的纤维素酯的性质的多样性和精油,这样不同的电影属性(机械、水蒸气渗透性和不透明度)可以通过选择一个合适的膜组件的组合。这是一个有前途的发现,表明纤维素酯/精油系统可以认真考虑未来生物食品包装的产品开发。

除了食品包装应用程序,其他用途的基本oil-embedded纤维素酯也许被发现在生物可降解塑料51),例如,电影封面的表面被开垦的土地减少水分损失和一次性塑料产品用于飞机、酒店、和医院。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

提到的贸易名称或商业产品在这个刊物的目的仅仅是为了提供特定的信息,并不意味着美国农业部推荐或认可。美国农业部是一个平等机会提供者和雇主。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

Atanu Biswas和Roselayne铁Furtado感谢巴西国家科学和技术发展委员会(CNPq,过程不。405506/2013-9)支持这项工作通过“科学无国界”项目。作者要感谢博士将海斯和黛比的技术援助和Steven沃恩Palmquist trans-cinnamaldehyde样本。

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