Film Extrusion de<em&gt; Crambe abyssinica</em&gt; / Gluten de blé Blends

Résumé

Le courant latéral de la production d'huile végétale de Crambe abyssinica a une valeur limitée. Le but de cette étude était de trouver des méthodes pour les matériaux à base de ce courant latéral d'extrusion, ce qui démontre que les produits avec une valeur plus élevée peuvent être produits. Les extrudés se sont avérés avoir des propriétés prometteuses.

Résumé

Crambe abyssinica is a plant with potential for use in industrial (non-food) plant oil production. The side stream from this oil production is a high-protein crambe meal that has limited value, as it is not fit for food or feed use. However, it contains proteins that could potentially make it a suitable raw material for higher-value products. The purpose of this study was to find methods of making this side stream into extruded films, showing that products with a higher value can be produced. The study mainly considered the development of material compositions and methods of preparing and extruding the material. Wheat gluten was added as a supportive protein matrix material, together with glycerol as a plasticizer and urea as a denaturant. The extrudate was evaluated with respect to mechanical (tensile testing) and oxygen barrier properties, and the extrudate structure was revealed visually and by scanning electron microscopy. A denser, more homogeneous material had a lower oxygen transmission rate, higher strength, and higher extensibility. The most homogeneous films were made at an extruder die temperature of 125-130 °C. It is shown here that a film can be extruded with promising mechanical and oxygen barrier properties, the latter especially after a final compression molding step.

Introduction

Lorsque la mise à niveau d'un matériau à partir d'une valeur basse à une valeur plus élevée, deux questions principales doivent être pris en compte: le type de produit final (s) potentiel et les propriétés requises. Cette étude porte sur l'extrusion de matières plastiques à base de protéines pour une utilisation potentielle dans des emballages pour deux raisons. La présente variété de forfaits est vaste, mais la demande de matériau renouvelable et biodégradable emballage à faible coût a augmenté rapidement au cours de la dernière décennie. Cette tendance semble se poursuivre, comme la plupart des propriétaires de marques et les législateurs sont à la recherche d' options pour créer des matières plastiques à partir du pétrole ^1. Les propriétés des matériaux nécessaires pour l'emballage sont, dans de nombreux cas, plus exigeants que pour les autres produits en plastique. Toutefois, si un matériau est obtenu avec succès, le marché potentiel est très grand.

Le matériel d'emballage doit remplir un certain nombre de critères à convenir. Les critères exacts varient selon le type d'emballage, le remplissage / systèmes d'étanchéité, transport, le stockage, le contenu, l' apparence, la conception des produits, etc. Tous ces paramètres doit être considéré par un développeur d'emballage, mais tout ne peut pas être de la plus haute priorité à la fois lors du lancement de la mise au point d'un nouveau et inexploré matériel. Les propriétés en bref pour cette étude ont été les performances mécaniques et de barrière.

L'extrusion est le procédé de traitement de choix pour les deux raisons suivantes: l'extrusion est une méthode courante et efficace pour la fabrication de matières plastiques d'emballage, et en général ne comporte pas de solvant, comme dans la solution de coulée. Par conséquent, aucune étape de séchage est nécessaire à la fin du processus ^2.

Le gluten de blé est également un matériau de courant latéral provenant d'un produit d'amidon ^3. Il a montré un potentiel en tant que matière plastique d'emballage en un certain nombre d'études. Malgré cela, certains défis restent à relever ^4. Crambe abyssinica est une plante oléagineuse intéressante en ce qu'elle est pas une ressource alimentaire et peut être cultivé dans de nombreux ag différentconditions ronomic ^5,6. Comme dans le cas du gluten de blé, les protéines de crambe est un sous-produit, dans ce cas, de la production d'huile. Il est obtenu sous forme d'un repas crambe dégraissée, avec la protéine en tant que principal composant. Il contient également une quantité non négligeable d'extraits exempts d' azote, tels que les hydrates de carbone et ^7,8 à fibre optique. La farine a des propriétés cohésives relativement faibles et doit être mélangé avec un matériau de cohésion supérieure. Dans cette étude, le gluten de blé est utilisé comme additif de soutien pour le repas de crambe. Afin d'améliorer la ténacité / allongement de la matière protéique, un plastifiant est couramment utilisé comme additif aussi bien. Dans cette étude, le glycérol est utilisé, qui est un produit secondaire de l'industrie de l' huile végétale (par exemple, les carburants d'ester méthylique de colza) et est facilement disponible à un faible coût ^9. Urée, également renouvelable, est utilisé comme dénaturant afin de donner l'extrudat la bonne cohésion ^2,10,11. Il peut aussi fonctionner comme un plastifiant.

matériaux renouvelables, En particulier ceux qui sont utilisés directement de la nature, sans purification, la modification ou la synthèse chimique, sont, dans la plupart des cas, ne convient pas pour le traitement à haute température. Le défi est de trouver des paramètres de traitement appropriés et des compositions qui se traduisent par un extrudat avec des propriétés qui lui permettent de concurrencer avec des produits à partir du pétrole.

Cette étude porte sur la caractérisation des propriétés mécaniques et de barrière d'un nouveau matériau à base de bio-produits à partir de crambe repas traités avec différents additifs et à différentes conditions ^12. Les détails des caractéristiques mécaniques et d' oxygène barrière se trouvent dans Rasel et al. ^12.

Protocole

REMARQUE: les graines de Crambe (cultivar de Galactica) ont été fournis par la recherche Plant International, Wageningen, Pays - Bas. L' huile est extraite des graines par le procédé de ¹³ Appelqvist. Tant la farine de crambe et le gluten de blé ont été stockés à -18 ° C jusqu'à utilisation ultérieure.

1. Préparation de la pâte

1. Criblage crambe
   1. Tamiser la farine de crambe avec une ronde, à mailles fines inoxydable tamis de cuisine en acier (taille des pores: ~ 1,5 mm, 14 mesh), pour enlever les grosses fractions de fibres et les graines non concassés. Rangez le repas tamisé à -18 ° C pour prévenir le vieillissement des matériaux.
2. Fraisage crambe
   1. Pour réduire la taille des particules et rendre le matériau plus homogène, broyer le tourteau de crambe tamisé dans un broyeur à boulets rotatif.
   2. Mill 250 g de crambe repas à chaque fois dans un bocal 7 L avec diamètre 21-25 mm billes en céramique en utilisant une vitesse de rotation de pot de 53 tours par minute et un temps de broyage de 24 heures.
3. Conditionnement
   1. Avant le traitement ultérieur, conditionner tout le repas de crambe et le gluten de blé, poudre de broyeur à boulets dans des flacons ouverts pendant un minimum de 48 heures à 23 ° C et une humidité relative de 50% dans une chambre à température contrôlée.
4. Le mélange des composants
   1. Broyer la poudre d'urée (stockée dans un récipient fermé dans des conditions ambiantes) de fines particules avec un mortier et un pilon.
   2. Mélanger de l'urée et du glycérol (25,5 g de glycérine et 15 g d'urée pour 100 g du mélange final).
      1. Chauffer le glycérol à 65 ° C dans un ballon en verre dans un bain d'huile et ajouter de la poudre d'urée lentement.
      2. On agite le mélange avec un agitateur magnétique à 65 ° C jusqu'à ce que la poudre d'urée soit complètement dissous.
5. Le mélange du crambe et de gluten de blé
   1. Mélanger la poudre crambe de repas et de la poudre de gluten de blé dans une cuisine machine de mélange pendant 5 min. Par exemple, pour un 60/40 (p / p), de crambe blé / grapport Luten, l'utilisation de 35,7 g de farine de crambe et 23,8 g de gluten de blé par 100 g du mélange final.
6. Le mélange glycérol / urée avec crambe / gluten de blé
   1. Ajouter lentement le mélange glycérol / urée au crambe / gluten de blé mélange dans la cuisine machine à mélanger, tout en agitant le mélange. Continuer à mélanger pendant environ 2 minutes, jusqu'à obtention d'une pâte homogène. Préparer 500 g du mélange à chaque fois.
   2. Pour le matériau à 60/40 (p / p), de crambe et de gluten de blé, en utilisant les teneurs suivantes relatives des constituants respectifs: 35,7 g de farine de crambe, 23,8 g de gluten de blé, de 25,5 g de glycérol et 15 g d'urée ( pour 100 g). Pour les deux autres combinaisons de matériaux ( par exemple, 70/30 et 80/20), changer seulement les crambe et le blé contenu de gluten. Maintenir le glycérol et l'urée contenu identique à celui de la combinaison 60/40.

2. Film Extrusion

1. Profil basse température
   1. Effectuer l'extrusion de film dans une extrudeuse à double vis. Définir les zones 1-10 (chaque 80 mm de long) le long du corps de l'extrudeuse à un profil de température faible (appelé par la suite «profil bas-T»), comme suit: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85 à 85 ° C. Ceci empêche le gluten de blé de réticulation dans le canon.
   2. Utilisez une feuille filière plate (45 mm x 0,7 mm) pour extruder les films.
   3. Choisissez une vitesse de vis de 30 tours par minute et 200 tours par minute et enregistrer la pression de la filière.
   4. Alimenter la pâte à la main à travers la trémie à l'aide d'un poussoir en bois pour supporter l'écoulement du matériau vers la vis.
   5. A la matrice, ramasser l'extrudat avec une bande transporteuse fonctionnant à une vitesse de 2,0 m / min. Placer le refroidissement de l'air de ventilation (ventilateurs) le long de la ceinture.
   6. Exécuter différentes températures de filière (105 ° C- (105 ° C) et 110 ° C- (110 ° C) et 125 ° C- (115 ° C) et 130 ° C- (120 ° C) et 140 ° C- (125 ° C)) pour sélectionner les conditions qui donnent la plus lisse extrudate avec une quantité minimale de vides.
      REMARQUE: Les valeurs entre parenthèses correspondent à la température dans la zone 11, à proximité de la filière. Elle est ajustée pour atteindre la température cible dans la matrice.
   7. Après extrusion, stocker les extrudés dans des sacs de polyéthylène scellés jusqu'à ce que le traitement ultérieur ou d'analyse afin de prévenir le vieillissement et l'absorption atmosphérique de l'eau.
2. Extrusion de film en utilisant le profil à haute température
   1. Extruder films comme décrit dans la section 2.1, mais utiliser un profil à haute température (par la suite appelé «profil high-T"), comme suit: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C pour les zones 1 à 11 de l'extrudeuse.
   2. Utilisez des températures de filière de 125 ° C et 130 ° C.
3. Extrusion du film après pastillage
   1. Afin d'obtenir des granulés, extruder le matériau sous forme de brins continus dans l'extrudeuse à l'aide d'une filière à deux brins.
      1. Utilisez le profil bas-T pour l'exextrudeuse canon, comme décrit ci-dessus, et un 60 tours par minute la vitesse de rotation de vis.
      2. Utiliser l'emporte-pièce différente (zone 11), température (130 ° C- (125 ° C) et 125 ° C- (115 ° C) et 105 ° C- (100 ° C) et 85 ° C (85 ° C) ) pour obtenir les brins avec des surfaces lisses.
   2. Pelletization
      1. Après passage de la bande transporteuse (la bande située après l'extrudeuse, qui permet d'alimenter la matière hors de l'extrudeuse), alimenter les brins en une pastilleuse fonctionnant à une vitesse de coupe de 7 m / min.
   3. extrusion de film à partir des pastilles
      1. Nourrir les pellets manuellement dans l'extrudeuse et films extruder avec le profil bas-T à l'intérieur du canon et avec un 125 ° C (115 ° C)-feuille plate température de la filière. Utilisez une vitesse de rotation de la vis 30 tours par minute.
4. Extrusion de film en utilisant l' alimentation volumétrique
   1. Afin de simuler l'alimentation automatique (couramment utilisé dans l'industrie), l'utilisationles pastilles préalablement extrudées à 85 ° C (étapes 2.3.1-2.3.2.1).
   2. Connectez le chargeur à l'extrudeuse et choisir le mode d'alimentation volumétrique de la trémie.
   3. Utiliser un volume d'alimentation de 35 kg / h et la vitesse de la trémie et la vis d'extrudeuse de 16 tours par minute et 120, respectivement.
   4. Extrudez avec le faible profil de température du corps et utiliser une (zone 11) la température die- de 125 ° C (115 ° C).

Processus 3. Post-extrusion (Compression Molding)

1. En appuyant avec le cadre
   1. Pour la première configuration, coupez deux extrudés en morceaux de 4,4 cm x 7,0 cm et 2,6 cm x 7,0 cm.
      NOTE: Ceci est nécessaire parce que le cadre est plus large que les extrudés.
   2. Les placer côte à côte dans un cadre rectangulaire en aluminium (70 x 70 x 0,5 mm ^3).
   3. Sandwich cadre entre deux plaques d'aluminium à l'aide de poly (téréphtalate d'éthylène) (PET) sur les deux côtés pour empêcher l'adhérence, puisplacez-les dans la presse.
   4. Réglez la jauge de pression sur la presse à 200 ou 400 bar.
   5. Pour chaque pression de moulage, presser les films avec une température de plateau de 110, 120 et 130 ° C pendant 10 et 20 min.
   6. En référence aux échantillons pré-extrudés, films à partir de matériaux unextruded de presse. Centre 7.2 g de matière fraîche (de la section 1.6) dans le cadre en aluminium.
   7. Appuyez avec les mêmes paramètres que pour les films pré-extrudés ci-dessus (étapes 3.1.4- 3.1.5).
2. En appuyant sans cadre
   1. Découper et échantillons sandwich rectangulaires (4,4 cm x 4,4 cm) entre deux plaques d'aluminium à l'aide de films PET sur les deux côtés pour empêcher l'adhérence.
   2. Placez-les dans la presse. Réglez la jauge de pression à 50 bars, 75 bars ou 100 bars.
   3. Pour chaque pression de moulage, des films de presse pour les 5 ou 10 minutes en utilisant 110 ° C, 120 ° C et 130 ° C la température de la plaque.

Résultats

Les matières mélangées (60% en poids de farine de crambe et 40% en poids de gluten de blé) a donné une pâte dure après l'opération de mélange initial. Le matériel a été reposé pendant quelques minutes avant la première extrusion. Cependant, la pâte avait une viscosité trop élevée pour pouvoir être introduit dans la trémie de l'extrudeuse d'une manière régulière. Par conséquent, il a été introduit pièce par pièce, directement dans la vis. Les vis ont une vitesse constante, et l'extrudat de film résultant est continue et présente une surface lisse visuellement. Un exemple d'un film extrudé est représenté sur la figure 1.

La pression de la filière et la température se sont révélés être les deux paramètres les plus importants de traitement pour contrôler afin d'obtenir des extrudés de films homogènes et lisses. Une température trop basse de la matrice, typiquement inférieure à 110 ° C, n'a pas donné lieu extrudats de film continu, tandis qu'une température supérieure à 130 ° C a donné èmela formation de bulles e dans le matériau. La température de la filière la plus appropriée pour l'obtention de films homogènes et lisses a été trouvé être d'environ 125 ° C.

Pour obtenir des extrudats plus homogène, un procédé en deux étapes a été constaté qu'il était avantageux, lorsque, dans la première étape, les brins ont été extrudées à une température plus faible (typiquement 85 ° C) et granulée. Les pastilles ont ensuite été introduits dans la trémie pour la seconde étape d'extrusion.

Lorsque la teneur en urée est diminuée de 15 à 10% en poids ^12, la cohésion de la pâte a sensiblement diminué, résultant en une matière pulvérulente; pas de film en continu pourrait être extrudé ^12.

Lorsque la concentration de glycerol a été diminuée (avec une retenue de 15% en poids d'urée), la pâte a été trouvé pour être plus fragiles, et l'urée ne se dissout pas complètement dans le glycérol. En outre, un considérablementla pression de la matrice supérieure est nécessaire pour obtenir des films homogènes. Cependant, ces films se sont révélés être plus lisse et plus homogène que ceux qui ont une teneur en glycérol supérieure.

Quand on augmente la concentration en poudre d' un repas crambe et en diminuant la concentration de gluten de blé, les feuilles extrudées sont apparues plus foncée, mais aussi plus lisse et plus homogène ^5. Le taux d' alimentation peut également être augmenté de ^12. L'inconvénient est que les films ne sont que partiellement en continu, et les ruptures de film sont apparus quelques mètres. Cependant, lorsque l'on augmente la température de la filière à environ 130 ° C, de films continus peuvent être préparés, bien qu'avec certaines décolorations ^12.

Le moulage par compression sans un cadre donné mince (épaisseur: 0,1-0,2 mm) films qui étaient très flexible et translucide (figure 2).

Selon la façon dont les extrudats ont été faits et ce qu'elles contenaient, la rigidité variaient de 4,9 à 5,6 MPa et la résistance de 0,3 à 0,7 MPa, tandis que l'allongement variait de 7 à 16% ^12. Les valeurs correspondantes pour les extrudats après le moulage par compression était de 6,4 à 15,0 MPa, de 0,3 à 1,1 MPa et ^5% 19.8. Les détails des mesures mécaniques sont donnés en référence ^12. 64 éprouvettes en forme d'haltères mm de longueur ont été testées en traction selon la norme ASTM D882-02 à 23 ± 1 ° C et 50 ± 1% d'humidité relative, avec une vitesse de tête transversale de 10 mm / min. La figure 3 montre l'importance de l' extrusion de crambe avec l'addition de gluten de froment. La force, et surtout l'extensibilité, ont diminué avec la diminution de la teneur en gluten de blé. La perméabilité à l'oxygène a varié de 17 à 39 cm ³ mm / (jour m ² atm), en fonction de la composition et si une étape de moulage par compression (avec un châssis) a été utilisé ou non.

Figure 1: matériau extrudé. le film extrudé en utilisant une température de filière de 130 ° C. Elle contient 35,7% en poids de crambe, 23,8% en poids de gluten de blé, 25,5% en poids de glycerol et 15% en poids d'urée. La largeur du film est de 44 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2: films de compression-moulé. matériau extrudé moulée par compression, sans cadre, en couches minces et translucides en utilisant un C la température de presse de 130 ° à 75 bar pendant 10 min. Les films plats et plissées sont issus du même matériau. La largeur du film est laissée ~ 17 mm. Cliquez s'il vous plaitici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3: Propriétés mécaniques en fonction de la teneur en crambe. Contrainte maximale (cercles pleins) et la déformation à la contrainte maximale (cercles vides) en fonction du contenu de crambe dans le mélange de gluten crambe / blé. Les barres d'erreur représentent les écarts types. Contrainte maximale a été obtenue à partir de la force maximale par échantillon section transversale initiale de la partie étroite de l'échantillon d'haltères (section étroite: 16 mm de long et 4 mm de large). Le profil de basse température a été utilisé avec une température de moule initiale de 125 ° C et une température de la zone 11 de 115 ° C. La vitesse de la vis était de 30 tours par minute, et l'extrusion a été réalisée sans pastillage préalable. Les données obtenues à partir de la référence ^12. S'il vous plaît cliquez sur sone pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

La raison pour laquelle la pression de la filière était d'une telle importance est probablement due au fait que le matériau avait besoin d'une certaine pression afin d'éviter la formation de bulles. Cependant, les différentes composantes pourraient phase séparée si la pression était trop élevé. Lors de l'extrusion à une température trop basse, la cohésion était pauvre, peut-être en raison d'un faible degré de reticulation, tandis qu'une température trop élevée a entraîné la libération de gaz (probablement l'humidité conjointement avec l'urée et de la dégradation des protéines produits).

L'extrusion à deux étapes ( par exemple, lorsque les brins sont d' abord extrudé, pastillé, puis extrudé à nouveau) ont donné lieu à un extrudat plus homogène en raison de l'incorporation plus large que la première étape d'extrusion fournie.

La cohésion de la pâte pauvre lors de la diminution de la concentration en urée de 15 à 10% en poids était probablement due à une densité de réticulation plus faible. Par analogie avec cela, une concentration de glycérol inférieur, et donc une capacité inférieurede dissoudre l'urée, a donné lieu à des films les plus pauvres, à moins qu'une pression à la filière plus élevée a été appliquée.

L'augmentation de la concentration en farine de crambe et diminuant ainsi la concentration de gluten de blé, conduit à un faible degré de formation de l'agrégation / réseau. Cela réduit la viscosité de la matière dans le produit extrudé, ce qui entraîne la nécessité d'augmenter la température de la filière à 130 ° C pour augmenter la viscosité et de générer des films homogènes.

Il est difficile, sinon impossible, d'extruder crambe plastifiée dans des films d'une qualité suffisante pour toute utilisation. Nous montrons ici que cela peut être surmonté en mélangeant crambe avec une protéine plus facilement extrudable, comme le gluten de blé. Pour la meilleure qualité, les extrudats ont besoin d'être moulé par compression dans une étape séparée après l'extrusion.

Il est montré ici que l'extrusion fonctionne sur une plus petite échelle, et upscaling est susceptible d'être plus exigeant. Extrusion, ainsi que le moulage par injection, sont les most procédés commerciaux importants pour la production de matières plastiques. Afin de remplacer les matières plastiques conventionnels existants, il est nécessaire que la matière protéique peut être réalisée avec les mêmes techniques ^14-16. On montre ici qu'il est possible d'extruder crambe farine de graines oléagineuses à l'aide du gluten de froment.

Les applications possibles comprennent l' emballage et des applications pour différents profils extrudés (par exemple, des tiges et des cylindres). Nous considérons que l'étape la plus critique au cours de la préparation des échantillons à l'étape d'extrusion. La qualité finale des films dépend fortement des paramètres d'extrusion et les propriétés de la matière avant l'extrusion.

matériels

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