のフィルム押出<em&gt;ハマナabyssinica</em&gt; /小麦グルテンブレンド

要約

ハマナのabyssinicaの植物油の生産からの側流が制限された値を有します。この研究の目的は、より高い値を有する製品を製造することができることを実証し、このサイドストリームに基づいて材料を押し出すための方法を見出すことでした。押出物は、有望な特性を有することが見出されました。

要約

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.

概要

高い値に低い値から材料をアップグレードする場合、二つの主要な問題を考慮する必要があります潜在的な最終製品（複数可）の種類と必要なプロパティを。本研究では、2つの理由のためのパッケージングにおける潜在的な使用のためのタンパク質ベースのプラスチックの押し出しに焦点を当てています。パッケージの現在の様々な広範囲であるが、再生可能かつ生分解性、低コストの包装材料に対する要求は、10年間で急速に増加しています。この傾向は、ほとんどのブランドの所有者と議員は、石油¹からプラスチックを作成するためのオプションを探しているように、継続しているように見えます。パッケージングに必要な材料特性は、多くの場合、他のプラスチック製品のためのより厳しいあります。成功した材料が得られる場合は、潜在的な市場は非常に大きいです。

包装材料は、適切であることが多くの基準を満たす必要があります。正確な基準はシーリングシステム/充填、パッケージの種類によって異なり、transpo室温、ストレージ、コンテンツ、外観、製品の設計、 などすべてのこれらのパラメータは、パッケージング開発者が考慮すべきであるが、新しい未踏材料の開発を開始するときに、すべてを一度に最高の優先順位にすることはできません。この研究のための焦点の性質は、機械的およびバリア公演でした。

押出しは、2つの理由のための選択の処理方法であって、押出包装プラスチックを製造するための一般的かつ効率的な方法であり、一般に、溶液キャスト法のように、溶媒を含みません。したがって、いかなる乾燥工程は、工程²の端部に必要とされません。

小麦グルテンはまた、デンプン製品³から側流材料です。それは、多くの研究で包装プラスチックとしての可能性を示しています。これにもかかわらず、いくつかの課題は⁴のまま。 ハマナのabyssinicaは 、食品のリソースではなく、多くの異なるAGに成長させることができるという点で興味深い油糧種子植物でありますronomic条件^5,6。小麦グルテンのように、ハマナタンパク質は、石油生産から、この場合には、副生成物です。これは、最大の成分のようなタンパク質と、脱脂ハマナ粉として得られます。それはまた、炭水化物と繊維^7,8として窒素を含まない抽出物のかなりの量が含まれています。食事は比較的低い粘着性を有し、より高い凝集性の材料とブレンドする必要があります。本研究では、小麦グルテンは、ハマナ食事に支持添加剤として使用されます。タンパク質材料の靭性/拡張性を向上させるために、可塑剤は、一般に、同様の添加剤として使用されます。この研究では、グリセロールは、植物油産業（ 例えば、菜種メチルエステル燃料）の副生成物であり、低コスト⁹で容易に入手可能である、使用されています。尿素はまた、再生可能な、押出物を適切な凝集^2,10,11を与えるために変性剤として使用されます。また、可塑剤として働くことができます。

再生可能な材料特に、自然から直接使用されるものは、精製、改変、または化学合成することなく、高温処理のためにほとんどの場合、適切ではない、です。課題は、それが石油からの製品と競合することを可能にする特性を備えた押出物をもたらす適切な処理パラメータおよび組成物を見つけることです。

この研究は、異なる添加剤とし、異なる条件¹²で処理ハマナの食事から生産、新しいバイオベース材料の機械的およびバリア特性の特性評価に焦点を当てています。機械的及び酸素バリアの完全な詳細は、特徴がRASEL らに見出されます。 ^12。

プロトコル

注：ハマナ種子（品種ギャラクティカ）は植物研究国際、ワーゲニンゲン、オランダから供給されました。油はAppelqvist ¹³の方法により種子から抽出しました。ハマナミール、小麦グルテンの両方は、さらに使用するまで-18℃で保存しました。

1.生地の準備

1. ふるい分けハマナ
   1. ラウンドとハマナの食事をふるい、細かいメッシュのステンレス製キッチンふるい（孔径：〜1.5ミリメートル、14メッシュ）、大規模な繊維画分と未粉砕の種子を除去しました。材料の老化を防止するために、-18℃で篩にかけた食事を保管してください。
2. フライスハマナ
   1. 粒子サイズを減少させ、材料をより均一にし、回転ボールミルで粉砕ふるい分けハマナミール。
   2. ハマナ食事のミル250グラム53回転ジャー回転速度および24時間の粉砕時間を使って21〜25ミリメートル径セラミックボール7 Lジャー内の各時間。
3. コンディショニング
   1. さらに処理する前に、23℃で48時間の最小値と環境制御室で50％の相対湿度のために開いているjarファイル内のすべてのボールミルハマナ食事や小麦グルテン粉末を調整します。
4. 成分を混合します
   1. 乳鉢と乳棒で微細な粒子に（周囲条件で閉じたビーカーに格納されている）尿素粉末を粉砕します。
   2. 尿素及びグリセリン（グリセロール25.5 gの最終混合物の100g当たりの尿素、15 g）をブレンド。
      1. 油浴でガラスフラスコ中で65℃までグリセリンを加熱し、ゆっくりと尿素粉末を加えます。
      2. 尿素粉末が完全に溶解するまで65℃でマグネチックスターラーで混合物をかき混ぜます。
5. ハマナおよび小麦グルテンをミキシング
   1. 5分間のキッチン混合機でハマナの食事の粉と小麦グルテン粉をブレンド。例えば、60/40（w / w）のハマナ/小麦gでluten比は、ハマナ食事の35.7グラムと、最終的な混合物の100グラムあたりの小麦グルテンの23.8グラムを使用します。
6. 混合グリセロール/ハマナ/小麦グルテンと尿素
   1. 混合物を攪拌しながら、ゆっくりとキッチン混合機でハマナ/小麦グルテンブレンドにグリセロール/尿素混合物を追加します。均質な生地が得られるまで、約2分間混合を続けます。混合物の500グラムたびに準備します。
   2. 60/40（w / w）のハマナおよび小麦グルテンを有する材料については、各構成要素の以下の相対的な内容を使用します。ハマナ食事の35.7グラム、小麦グルテンの23.8グラム、グリセロールの25.5グラム、および尿素の15グラムを（ ）100グラムあたり。他の二つの材料の組み合わせ（ すなわち、70/30および80/20）の場合は、唯一のハマナと小麦グルテンの内容を変更します。 60/40の組み合わせで同じグリセロール及び尿素内容を保管してください。

2.フィルム押出

1. 低温プロフィール <オール>
2. 二軸スクリュー押出機でフィルム押出を行います。セットゾーン1-10（それぞれ、ミリ長80）（後に「低Tプロファイル」と呼ばれる）低い温度プロフィールで押出し機バレルに沿っを、次のよう75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85℃です。これは、バレル内に架橋から小麦グルテンを防ぐことができます。
3. フィルムを押し出すためにフラットシートダイ（45ミリメートル×0.7 mm）を使用してください。
4. 30回転と200 rpmの間のスクリュー速度を選択し、ダイ圧力を記録します。
5. ネジに向かう材料の流れをサポートするために木製のプッシャーの助けを借りて、ホッパーを介して手動で生地を養います。
6. ダイでは、コンベヤベルトは、2.0メートル/分の速度で動作して押出物を拾います。ベルトに沿って換気冷却（ファン）を配置します。
7. 実行異なるダイ温度（105℃〜（105℃）、110°C-（110℃）、125°C-（115℃）、130°C-（120°C）、および140℃〜 （125℃））スムーズなextrudaを与える条件を選択しますボイドの最小量とTE。
   注：括弧内の値は次のダイに、ゾーン11内の温度に対応しています。ダイ内の目標温度に到達するように調整されます。
8. 押出後、老化大気水分の吸収を防止するために、さらに処理または分析するまで密封されたポリエチレン袋で押出を格納します。

高温プロフィールを用いて、フィルム押出

1. 2.1節で説明したようにフィルムを押し出したが、次のように、（その後「高-Tプロファイル」と呼ばれる）は、高温度プロファイルを使用します。85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120押出機の11のゾーン1°C。
2. 125℃と130℃の金型温度を使用してください。

ペレット化後のフィルム押出

1. ペレットを得るために、二本鎖型を用いて押出機に連続ストランドのような材料を押し出します。
   1. 元のための低Tプロファイルを使用しますtruderバレル、上述したように、60-rpmのスクリュー回転数。
   2. 異なるdie-（ゾーン11）の温度（130℃〜（125℃）、125°C-（115℃）、105°C-（100°C）を使用し、85°C-（85°C） ）滑らかな表面を有するストランドを得ることができます。
2. ペレット化
   1. コンベヤベルト（押出機の外に材料を供給するのに役立ちます押出機の後に位置するベルト）を通過した後、7メートル/分の切削速度で運転ペレタイザーにストランドを養います。
3. ペレットからフィルム押出
   1. 押出機に手動でペレットを供給し、バレルの内側と125°C-（115°C）フラットシートダイ温度範囲での低-Tプロファイルでフィルムを押し出します。 30のrpmのスクリュー回転速度を使用してください。

体積給餌を使用して、フィルム押出

1. （業界で一般に使用される）自動供給をシミュレートするために、使用ペレットは、以前に85°C（ステップ2.3.1-2.3.2.1）で押し出し。
2. 押出機にフィーダーを接続し、ホッパーの容積フィーダモードを選択します。
3. それぞれ、35キロ/ hであり、16のホッパーおよび押出機スクリュー速度および120 rpmでの送り量を使用してください。
4. バレルの低い温度プロファイルで押し出しし、125℃〜（115°C）のdie-（ゾーン11）の温度を使用しています。

3.ポスト押出プロセス（圧縮成形）

1. フレームに押します
   1. 最初のセットアップについては、4.4センチメートルのx 7.0センチメートルと2.6センチメートルのx 7.0センチメートルの片に2押出物をカット。
      注：フレームは押出物よりも広いので、これが必要です。
   2. アルミ長方形の枠（70のx 70のx 0.5ミリメートル^3）で隣同士にそれらを配置します。
   3. その後、付着を防止するために両側にポリ（エチレンテレフタレート）（PET）フィルムを使用して、2つのアルミニウムプレート間にフレームを挟む、およびプレスに入れます。
   4. 200または400バールのプレス上の圧力計を設定します。
   5. 各成形圧力については、10および20分間110のプレート温度を有するフィルム、120、および130°Cを押してください。
   6. 事前に押し出されたサンプル、unextruded材料からプレスフィルムへの参照として。アルミフレームで（セクション1.6）からの新鮮な素材のセンター7.2グラム。
   7. （ステップ3.1.4- 3.1.5）上記プレ押出フィルムの場合と同じパラメータ設定とはプレス。
2. フレームなし押します
   1. 切り出し、付着を防止するために両側にPETフィルムを使用して、2つのアルミニウムプレート間にサンドイッチ長方形の試料（x 4.4 cmの4.4センチ）。
   2. プレスにそれらを配置します。 50バール、75バール、または100バールの圧力計を設定します。
   3. 各成形圧力、110℃、120℃、130℃のプレート温度を使用して、5または10分間のプレスフィルムのため。

結果

ブレンドした材料（60重量％のハマナの食事と40重量％の小麦グルテン）は、最初の混合手順の後にタフな生地が得られました。材料は、最初の押出前に数分間休ませました。しかし、生地は、通常の方法で、押出機ホッパーに供給することができるように高すぎる粘度を有していました。したがって、直接ネジに、少しずつ供給しました。ねじは一定の速度を有し、得られたフィルムの押出物は、連続的であり、視覚的に滑らかな表面を有していました。押出フィルムの例は、 図1に示されています。

ダイ圧力および温度は、均質で平滑なフィルム押出物を得るために制御するための二つの最も重要なプロセスパラメータであることが見出されました。 130℃以上の温度が目をもたらしたのに対し、低すぎるとダイ温度は、通常、110℃以下、連続フィルム押出をもたらしませんでした材料中の気泡の電子化。均質で平滑なフィルムを得るために最適なダイ温度は、約125℃であることが見出されました。

最も均一な押出物を得るために、二段階法が有利であることが見出された。ここで、第一工程において、ストランドは、より低い温度（典型的には85℃）で押出し、ペレット化しました。ペレットは、次いで、第二の押出工程のためのホッパーに供給しました。

尿素含有量は15〜10重量^％12から減少したときに、生地の凝集は、粉末状の材料が得られ、実質的に減少しました。連続的なフィルムは^{12押し出し}することができませんでした。

グリセロール濃度は、（保持15重量％の尿素を含む）減少したときに、生地がより脆いことが見出された、尿素が完全にグリセロールに溶解しませんでした。また、かなり高いダイ圧力が均一なフィルムを得るために必要でした。しかし、これらのフィルムは、滑らかで、より高いグリセロール含量を有するものよりもより均一であることが見出されました。

ハマナミール粉の濃度を増加させ、小麦グルテン濃度を低下させる際に、押出フィルムは暗く見えただけでなく^、5滑らかでより均一。供給速度はまた^、12を増加させることができます。欠点は、フィルムが部分的にしか連続だったということでした、とフィルム切れは数メートル離れて登場しました。約130℃のダイ温度を上昇させるしかし、連続的なフィルムは、いくつかの変色¹²であるが、調製することができます。

非常に柔軟で半透明であったフィルム（ 図2）：フレームなしの圧縮成形は、薄い（0.1〜0.2ミリメートル厚さ）を得ました。

押出物が作られた方法に応じて、どのような彼らが含まれている拡張は、7から16パーセント¹²の範囲であったのに対し、剛性は、4.9から5.6 MPaで、強度0.3から0.7 MPaの範囲でした。圧縮成形後の押出物の対応する値は6.4から15.0 MPaで、0.3から1.1 MPaの、および8から19までパーセント⁵でした。機械的な測定の詳細は文献¹²に記載されています。 64ミリメートル長ダンベル試験片を10mm /分のクロスヘッド速度で、23±1℃、50±1％RHでのASTM D882-02に従って引張試験しました。 図3は、小麦グルテンを添加してハマナを押し出すことの重要性を示しています。強度、特に拡張性は、小麦グルテン含量の減少と共に減少します。酸素透過性は、組成や（フレーム付き）圧縮成形工程が使用されたか否かによって、17から39センチメートル^{3ミリメートル} /（日メートル²気圧）の範囲でした。

図1：押出材。 130°Cのダイ温度を使用して押出フィルム。これは、35.7重量％のハマナ、23.8重量％の小麦グルテン、25.5重量％のグリセロール、および15重量％の尿素が含まれています。フィルムの幅44 mmです。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2：圧縮成形フィルム。押出材の圧縮成形、フレームなしで、10分間、75バールで130℃のプレス温度を使用して薄い、半透明のフィルムへ。平らでしわフィルムは、同じ材料です。左のフィルムの幅は〜17ミリメートルです。 クリックしてくださいここで、この図の拡大版を表示します。

図3：ハマナ含有量の関数としての機械的性質。ハマナ/小麦グルテン混合物中のハマナ含有量の関数としての最大応力（白丸）での最大応力（黒丸）とひずみ。エラーバーは標準偏差を表します。最大応力は、ダンベルの狭い部分の最初の試料断面（：16ミリメートル、長さ4ミリメートルワイド幅狭部）あたりの最大の力から入手しました。低温プロフィールは125℃の初期金型温度115℃、ゾーン11の温度で使用しました。スクリュー速度を30rpmとし、押し出し前ペレット化せずに行きました。参照¹²から得られたデータ。 彼女をクリックしてくださいeは、この図の拡大版を表示します。

ディスカッション

ダイ圧力は、非常に重要であった理由は、おそらく材料が気泡形成を回避するために一定の圧力を必要とするという事実に起因しました。圧力が高すぎる場合は、別の構成要素は、相分離ができました。低すぎる温度で押し出すときに温度が高すぎるが（おそらく尿素とタンパク質分解生成物と一緒に水分）ガスの放出をもたらしながら、凝集が、おそらく架橋度の低いに、不良でした。

2段押出（ すなわち、ストランドは、押出成形まずペレット化した後、再び押し出されている）ため、最初の押出工程を設けることがより広範なブレンドのより均一な押出物が得られました。

15〜10重量％の尿素濃度を低下させることは、おそらくより低い架橋密度に起因した貧弱な生地凝集。これと同様に、より低いグリセロール濃度、および従って低い能力高いダイ圧力を適用した場合を除き、尿素を溶解するために、劣ったフィルムが得られました。

ハマナ食事濃度を増加し、従って小麦グルテン濃度を減少させる凝集/ネットワーク形成のより低い程度をもたらしました。これは、粘度を高め、均一なフィルムを生成するために130℃にダイ温度を上昇させる必要性をもたらす、押出物中の材料の粘度を低下させました。

任意の使用のための十分な品質のフィルムに可塑化ハマナを押し出すために、困難、不可能ではないです。これは小麦グルテンのようなより容易に押出可能なタンパク質とハマナをブレンドすることによって克服することができることをここに示します。最高の品質のために、押出物は、押出成形後に別工程で圧縮成形する必要があります。

押出成形が小規模で動作することをここに示されている、とアップスケーリングは、より厳しい可能性が高いです。押出成形、射出成形に伴って、MOSトランジスタでありますプラスチックを製造するための重要な商業的方法にはt。既存の従来のプラスチックを交換するためには、タンパク質材料は、同じ技術^14-16で製造することができることが必要です。我々は、小麦グルテンの助けを借りてハマナの油糧種子の食事を押し出すことが可能であることをここに示します。

可能なアプリケーションは、パッケージングや各種押出形材（ 例えば、ロッド、シリンダー）のためのアプリケーションを含みます。私たちは、サンプルの調製中で最も重要なステップは、押出工程であると考えています。フィルムの最終的な品質は、押出前に押し出しパラメータと材料の特性に強く依存していました。

資料

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