Summary
Den sidestrøm fra planteolje produksjon av Crambe abyssinica har begrenset verdi. Hensikten med denne studien var å finne fremgangsmåter for ekstrudering av materialer basert på denne sidestrøm, noe som viser at produkter med en høyere verdi kan produseres. Ekstrudatene ble funnet å ha lovende egenskaper.
Introduction
Når du oppgraderer et materiale fra en lav verdi til en høyere verdi, to hovedspørsmål som må vurderes: typen potensielle end-produkt (er) og de nødvendige egenskapene. Denne studien fokuserer på ekstrudering av proteinbaserte plast for potensiell bruk i emballasje av to grunner. Den nåværende rekke pakker er omfattende, men anmodningen om fornybar og biologisk nedbrytbar lave kostnader emballasje har økt kraftig det siste tiåret. Denne trenden ser ut til å fortsette, som de fleste merkeeiere og lovgivere søker etter alternativer for å lage plast fra petroleums en. De nødvendige materialegenskaper til emballasje er i mange tilfeller mer krevende enn for andre plastprodukter. Imidlertid, hvis en vellykket materiale er oppnådd, er det potensielle marked meget store.
Emballasjemateriale må oppfylle en rekke kriterier for å være egnet. De eksakte kriterier varierer avhengig av type pakke, fylle / tetting systemer, transport, lagring, innhold, utseende, produktdesign, etc. Alle disse parametrene bør vurderes av en emballasjeutvikler, men alle kan ikke være av høyeste prioritet på en gang ved oppstart av utvikling av en ny og uutforsket materiale. Eiendommene i fokus for denne studien var de mekaniske og barriere forestillinger.
Ekstrudering er en prosesseringsmetode for valg av to grunner: ekstrudering er en vanlig og effektiv metode for fremstilling av emballasje av plast, og det vanligvis ikke medfører et oppløsningsmiddel, som i oppløsning støping. Det er derfor ikke tørketrinn er nødvendig ved slutten av prosessen 2.
Hvetegluten er også en sidestrøm materiale som kommer fra et stivelsesprodukt 3. Det har vist seg lovende som en emballasje av plast i en rekke studier. Til tross for dette, noen utfordringer gjenstår fire. Crambe abyssinica er en interessant oljefrøplante i at det ikke er en mat ressurs, og kan dyrkes i mange forskjellige agronomic forhold 5,6. Som med hvetegluten, er crambe protein et biprodukt, i dette tilfelle fra oljeproduksjonen. Det oppnås som et avfettet crambe måltid, med protein som den største komponent. Den inneholder også en betydelig mengde av nitrogenfrie ekstrakter, som for eksempel karbohydrater og fiber 7,8. Måltidet har relativt dårlige kohesive egenskaper og må blandes med et materiale av høyere kohesjon. I denne studien blir hvetegluten anvendes som et støttende additiv til den crambe måltid. For å forbedre seighet / utvidelses av proteinmaterialet, en mykner som vanligvis brukes som et additiv i tillegg. I denne studien er glycerol anvendes, som er et biprodukt av anlegget oljeindustrien (f.eks, raps metylester brensel), og er lett tilgjengelig til en lav kostnad 9. Urea, også fornybar, blir anvendt som et denatureringsmiddel for å gi ekstrudatet den riktige kohesjon 2,10,11. Det kan også virke som en mykner.
fornybare materialer, Spesielt de som brukes direkte fra naturen, uten rensing, endring eller kjemisk syntese, er i de fleste tilfeller, ikke egnet for høy temperatur behandling. Utfordringen er å finne egnede prosessparametere og sammensetninger som resulterer i et ekstrudat med egenskaper som tillater det å konkurrere med produkter fra petroleum.
Denne studien fokuserer på karakteriseringen av de mekaniske og barriereegenskapene til en ny biobasert materiale produsert fra crambe måltid behandlet med forskjellige tilsetningsmidler og ved forskjellige forhold 12. Alle detaljene om de mekaniske og oksygenbarriere funksjoner finnes i Rasel et al. 12.
Protocol
MERK: Crambe frø (sorten Galactica) ble levert av Plant Research International, Wageningen, Nederland. Oljen ble ekstrahert fra frøene ved fremgangsmåten ifølge Appelqvist 13. Både crambe måltidet og hvetegluten ble lagret ved -18 ° C inntil videre anvendelse.
1. Dough Forberedelse
- sikting crambe
- Sikt crambe måltid med en rund, fin-mesh rustfritt stål kjøkkensikt (porestørrelse: ~ 1,5 mm, 14 mesh) for å fjerne store fiberfraksjoner og ikke-knust frø. Oppbevar siktet måltid ved -18 ° C for å hindre materiell aldring.
- fresing crambe
- For å redusere partikkelstørrelsen og gjøre materialet mer homogen, frese siktet crambe måltid i en roterende kulemølle.
- Mill 250 g crambe måltid hver gang i en 7 L krukke med 21-25 mm diameter keramiske kuler ved hjelp av en 53 rpm krukke revolusjon rente og en frese tid på 24 timer.
- Før ytterligere behandling, kondisjonere hele kulemalt crambe måltid og hvetegluten-pulver i åpne krukker for et minimum på 48 timer ved 23 ° C og en relativ fuktighet på 50% i et klimakontrollert rom.
- Slipe urea pulver (som er lagret i et lukket beger ved omgivelsesbetingelser) til fine partikler med en morter og pistill.
- Blande urinstoff og glycerol (25,5 g glycerol og 15 g urea pr 100 g av den endelige blanding).
- Varm opp glycerol til 65 ° C i en glasskolbe i et oljebad og tilsett urea pulver langsomt.
- Rør blandingen med en magnetrører ved 65 ° C inntil urea pulveret er fullstendig oppløst.
- Blande crambe måltid pulver og hvetegluten-pulver i en kjøkkenblandemaskin i 5 minutter. For eksempel, for en 60/40 (vekt / vekt) crambe / g hveteLuten-forhold ved å bruke 35,7 g crambe måltid og 23,8 g av hvetegluten pr 100 g av den endelige blanding.
- Tilsett langsomt den glycerol / urea-blanding til den crambe / hvetegluten blanding i kjøkkenblandemaskin under omrøring av blandingen. Blanding fortsettes i omtrent 2 min, inntil en homogen deig er oppnådd. Fremstille 500 g av blandingen hver gang.
- For materialet med 60/40 (vekt / vekt) crambe og hvetegluten, bruke følgende relative innholdet av de respektive bestanddeler: 35,7 g crambe måltid, 23,8 g av hvetegluten, 25,5 g glycerol og 15 g urea ( per 100 g). For de to andre materialkombinasjoner (dvs. 70/30 og 80/20), endre bare crambe og hvete gluten innholdet. Hold glyserol og urea innholdet det samme som i 60/40 kombinasjon.
2. Film Extrusion
- Lav temperatur profil <ol>
- Utfør film ekstrudering i en twin-skrue extruder. Set soner 1-10 (hver 80 mm lange) langs ekstrudersylinderen ved en lav temperaturprofil (i det følgende kalt "low-T-profil"), som følger: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85 til 85 ° C. Dette hindrer at hvetegluten fra tverrbinding i løpet.
- Bruk en flat ark die (45 mm x 0,7 mm) for å ekstrudere filmene.
- Velg en skrue hastighet mellom 30 rpm og 200 rpm og registrere die trykk.
- Mate deigen manuelt gjennom trakten ved hjelp av en tre pusher for å støtte materialflyt mot skruene.
- Ved dysen, plukke opp ekstrudatet med et transportørbelte som arbeider ved en hastighet på 2,0 m / min. Plasser luft ventilasjon kjøling (vifter) langs beltet.
- Kjører forskjellige die temperaturer (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C), og 140 ° C- (125 ° C)) for å velge de vilkår som gir den jevneste extrudate med et minimum av hulrom.
NB: Verdiene i parentes tilsvarer temperaturen i sonen 11, ved siden av dysen. Det er tilpasset for å oppnå ønsket temperatur i dysen. - Etter ekstrudering lagre ekstrudatene i forseglede poser av polyetylen inntil videre bearbeiding eller analyse for å forebygge aldring og atmosfærisk vannabsorpsjon.
- Extrude filmer som beskrevet i kapittel 2.1, men bruker en høy temperatur profil (senere kalt "high-T profil"), som følger: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C i sone 1 til 11 av ekstruderen.
- Bruk die temperaturer på 125 ° C og 130 ° C.
- For å få pellets, ekstrudere materialet som kontinuerlige tråder i ekstruderen ved hjelp av en to-strand dø.
- Bruk lav T-stykke for extruder fat, som beskrevet ovenfor, og en 60-rpm skruerotasjonshastighet.
- Bruke forskjellig die- (sone 11) temperaturer (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C), og 85 ° C (85 ° C) ) for å få trådene med de jevneste overflater.
- pelletering
- Etter å ha passert transportbåndet (beltet som ligger etter ekstruderen som bidrar til å mate materialet ut av ekstruderen), mate trådene til en pelletiseringslinje som drives med en skjærehastighet på 7 m / min.
- Filmekstrudering fra pelletene
- Mate pelletene manuelt i ekstruderen og ekstrudere film med lav T-stykke på innsiden av hylsen og med en 125 ° C- (115 ° C) flat-plate Dysetemperaturen. Bruke en skruerotasjonshastighet på 30 rpm.
- For å simulere automatisk mating (som vanligvis brukes i industrien), brukenpelletene tidligere ekstrudert ved 85 ° C (trinn 2.3.1-2.3.2.1).
- Koble materen til ekstruderen og velge den volumetriske mater modus hopper.
- Bruke en matevolum på 35 kg / time og hopper og ekstruder skruehastigheter på 16 og 120 rpm, respektivt.
- Ekstruder med den lave temperaturprofilen av fatet og bruke en die- (sone 11) temperatur på 125 ° C- (115 ° C).
3. Post-ekstrudering Process (komprimering støping)
- Ved å trykke med rammen
- For det første oppsettet, kuttet to ekstrudater i biter på 4,4 cm x 7,0 cm og 2,6 cm x 7,0 cm.
MERK: Dette er nødvendig fordi rammen er bredere enn ekstrudatene. - Plassere dem ved siden av hverandre i en aluminiums rektangulær ramme (70 x 70 x 0,5 mm 3).
- Sandwich rammen mellom to aluminiumplater ved bruk av poly (etylentereftalat) (PET) film på begge sider for å hindre adhesjon, og deretterplassere dem i pressen.
- Sett trykkmåleren på presse til 200 eller 400 bar.
- For hver støpetrykket, trykker filmene sammen med en platetemperatur på 110, 120, og 130 ° C i 10 og 20 min.
- Som en referanse til pre-ekstruderte prøver, presse filmer fra unextruded materiale. Sentrum 7,2 g frisk materiale (fra avsnitt 1.6) i aluminiumsramme.
- Trykk med de samme parameterinnstillinger som for pre-ekstruderte filmer ovenfor (trinn 3.1.4- 3.1.5).
- For det første oppsettet, kuttet to ekstrudater i biter på 4,4 cm x 7,0 cm og 2,6 cm x 7,0 cm.
- Ved å trykke uten ramme
- Klipp ut og smørbrød rektangulære prøver (4,4 cm x 4,4 cm) mellom to aluminiumsplatene med PET-filmer på begge sider for å hindre vedheft.
- Legg dem inn i pressen. Still manometeret til 50 bar, 75 bar, eller 100 bar.
- For hver støpetrykket, trykker filmer for 5 eller 10 min ved å bruke 110 ° C, 120 ° C og 130 ° C platetemperatur.
Representative Results
De blandede materialer (60 vekt% crambe måltid og 40 vekt% hvetegluten) resulterte i en hard deig etter den første blandeprosedyren. Materialet ble hvilt i noen minutter før den første ekstrudering. Imidlertid deigen hadde en for høy viskositet til å være i stand til å bli matet inn i ekstruderen trakten på en vanlig måte. Derfor ble det matet bit-for-bit, direkte inn i skruen. Skruene hadde en konstant hastighet, og den resulterende film ekstrudatet var sammenhengende og hadde en visuelt glatt overflate. Et eksempel på en ekstrudert film er vist i figur 1.
Dysen trykk og temperatur ble funnet å være de to viktigste prosessparametrene for å styre for å oppnå homogene og glatte film ekstrudater. For lav dyse temperatur, vanligvis under 110 ° C, ikke resulterte i kontinuerlig film ekstrudater, mens en temperatur over 130 ° C resulterte i the dannelsen av bobler i materialet. Den mest egnet dyse temperatur for å oppnå homogene og glatte filmer ble funnet å være rundt 125 ° C.
For å få de mest homogene ekstrudater, ble en to-trinns prosess funnet å være fordelaktig, hvor det i det første trinn, trådene ble ekstrudert ved en lavere temperatur (vanligvis 85 ° C) og granulert. Pelletene ble så matet til trakten for den andre ekstruderingstrinnet.
Når ureainnholdet ble redusert 15 til 10 vekt-% 12, kohesjonen av deigen kraftig redusert, noe som resulterer i en pulverlignende materiale; ingen kontinuerlig film kan bli ekstrudert 12.
Når glyserol-konsentrasjon ble redusert (med en bibeholdt 15 vekt% urinstoff), ble deigen funnet å være mer sprø, og urea ikke fullt oppløses i glyserol. Også en betydelighøyere dyse trykk var nødvendig for å få homogene filmer. Imidlertid ble disse filmene funnet å være mykere og mer homogent enn de med et høyere glycerol-innhold.
Ved å øke crambe måltid pulver konsentrasjon og reduksjon av hvetegluten konsentrasjon, de ekstruderte filmer først mørkere, men også jevnere og mer homogen 5. Tilførselshastigheten kan også økes 12. Ulempen var at filmene var bare delvis kontinuerlig, og film ødeleggelser dukket opp noen få meter fra hverandre. Når imidlertid økning av dysen temperaturen til ca. 130 ° C, kontinuerlige filmer kan fremstilles, men med noen misfarging 12.
Presstøping uten en ramme ga tynn (tykkelse: 0,1-0,2 mm) filmer som var meget fleksibel og gjennomskinnelig (figur 2).
12. De tilsvarende verdier for ekstrudatene etter formpressing var 6,4 til 15,0 MPa, 0,3 til 1,1 MPa, og 8-19% 5. Detaljer angående de mekaniske målingene er gitt i referanse 12. 64 mm lange dumbbell prøvene ble strekktestet i henhold til ASTM D882-02 på 23 ± 1 ° C og 50 ± 1% RH, med en krysshodehastighet på 10 mm / min. Figur 3 viser viktigheten av å ekstrudere crambe med tillegg av hvetegluten. Styrken, og spesielt utvidelses, med avtagende hvetegluteninnhold. Oksygenpermeabiliteten varierte 17-39 cm3 mm / (m2 dag atm), avhengig av sammensetningen, og hvorvidt en kompresjonsstøpetrinn (med en ramme) ble anvendt eller ikke.
Figur 1: Ekstrudert material. Ekstrudert film ved hjelp av en dyse temperatur på 130 ° C. Den inneholder 35,7 vekt% crambe, 23,8 vekt% hvetegluten, 25,5 vekt% glycerol og 15 vekt% urea. Bredden av filmen er 44 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: kompresjons-støpte filmer. Ekstruderte materialet formpresset uten en ramme, i tynne, gjennomskinnelige filmer ved bruk av en 130 ° C pressetemperatur på 75 bar i 10 min. De flate og rynkede filmer er av samme materiale. Bredden på venstre filmen er ~ 17 mm. Vennligst klikkher for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Mekaniske egenskaper som en funksjon av crambe innhold. Maksimal belastning (fylte sirkler) og belastning ved maksimal belastning (åpne sirkler) som en funksjon av crambe-innholdet i crambe / hvetegluten blanding. Feilstolpene representerer standardavviket. Maksimal spenning ble oppnådd fra den maksimale kraft pr opprinnelige prøve tverrsnitt av den smale del av det manual prøven (smal del: 16 mm lang og 4 mm bred). Den lave temperaturprofilen ble anvendt med en første dyse temperatur på 125 ° C og en sone 11 temperatur på 115 ° C. Skruehastigheten var 30 opm, og ekstrudering ble utført uten forutgående granulering. Data innhentet fra referanse 12. Vennligst klikk here for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Grunnen til dysen trykket var så høy viktighet var sannsynligvis på grunn av det faktum at materialet som trengs for et visst trykk for å unngå bobledannelse. Imidlertid kan de forskjellige komponentene separat fase hvis trykket var for høy. Ved ekstrudering ved for lav temperatur, samholdet var dårlig, muligens på grunn av en lav grad av tverrbinding, mens en for høy temperatur resulterte i frigjøring av gass (sannsynligvis fuktighet sammen med urea og proteinnedbrytningsprodukter).
Den to-trinns ekstrudering (dvs. hvor strengene ble først ekstrudert, pelletisert, og deretter ekstrudert igjen) resulterte i et mer homogent ekstrudat på grunn av den mer omfattende blanding at den første ekstruderingstrinn tilgjengelig.
Den dårlige deig kohesjon når reduksjon av ureakonsentrasjonen 15-10 vekt-% var sannsynligvis på grunn av en lavere tverrbindingsdensitet. I analogi til denne, en lavere glycerol konsentrasjon, og således en lavere evnefor å oppløse urea, resulterte i dårligere filmer med mindre en høyere dyse trykk ble påført.
Økning av crambe måltid konsentrasjon, og dermed redusere hvetegluten konsentrasjon, resulterte i en lavere grad av aggregering / nettverkdannelse. Dette senket viskositeten til materialet i ekstrudatet, som resulterer i behovet for å øke formtemperaturen til 130 ° C for å øke viskositeten og generere homogene filmer.
Det er vanskelig, om ikke umulig, å ekstrudere plasticized crambe til filmer med tilstrekkelig kvalitet for bruk. Vi viser her at dette kan overvinnes ved å blande crambe med en lettere ekstruderbar protein som hvetegluten. For den beste kvalitet, ekstrudatene må være formpresset i et separat trinn etter ekstrudering.
Det vises her at ekstrudering fungerer på en mindre skala, og oppskalering vil sannsynligvis være mer krevende. Extrusion, sammen med sprøytestøping, er most viktige kommersielle metoder for fremstilling av plastmaterialer. For å kunne erstatte eksisterende konvensjonelle plastmaterialer, er det nødvendig at proteinmaterialet kan fremstilles med de samme teknikkene 14-16. Vi viser her at det er mulig å ekstrudere crambe oljefrø måltid ved hjelp av hvetegluten.
Mulige bruksområder er emballasje og søknader om ulike ekstruderte profiler (f.eks, stenger og sylindere). Vi anser det mest kritiske trinn under fremstillingen av prøvene for å være ekstruderingstrinnet. Den endelige kvaliteten på filmene var avhengig sterkt på de ekstruderte parametre og egenskapene til det materialet før ekstrudering.
Disclosures
Metodene og resultatene ble tidligere presentert som en artikkel av Rasel et al. 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).
