Extrusão de filme de<em&gt; Abyssinica Crambe</em&gt; / Glúten de trigo Blends

Resumo

A corrente secundária da produção de óleo vegetal de Crambe abyssinica tem valor limitado. O objectivo deste estudo era encontrar métodos para a extrusão de materiais à base nesta corrente lateral, demonstrando que os produtos com um valor mais elevado pode ser produzido. Os extrudados foram encontrados a ter propriedades promissoras.

Resumo

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.

Introdução

Ao atualizar um material a partir de um valor baixo para um valor superior, duas questões principais devem ser considerados: o tipo de produto final potencial (s) e as propriedades necessárias. O presente estudo concentra-se sobre a extrusão de plásticos à base de proteínas para potencial utilização em embalagens, por duas razões. O presente variedade de pacotes é extensa, mas o pedido de material de embalagem renovável e biodegradável baixo custo tem aumentado rapidamente na última década. Esta tendência parece continuar, como a maioria dos proprietários e legisladores da marca estão à procura de opções para criar plásticos de petróleo ^1. As propriedades dos materiais necessários para a embalagem são, em muitos casos, mais exigentes do que para outros produtos de plástico. No entanto, se um material de sucesso é obtido, o mercado potencial é muito grande.

material de embalagem tem de cumprir uma série de critérios para ser adequado. Os critérios exatos diferem dependendo do tipo de embalagem, enchimento / sistemas de vedação, transport, armazenamento, conteúdo, aparência, design de produto, etc. Todos estes parâmetros devem ser considerados por um desenvolvedor de embalagem, mas nem tudo pode ser da mais alta prioridade de uma só vez ao iniciar o desenvolvimento de um material novo e inexplorado. As propriedades em destaque para este estudo foram as performances mecânicas e de barreira.

A extrusão é o método de tratamento de escolha, por duas razões: extrusão é um método comum e eficaz para a produção de plásticos de embalagem, e que, geralmente, não envolve um solvente, tal como em moldagem em solução. Assim, nenhum passo de secagem é necessário no fim do processo ^2.

O glúten de trigo é também um material de corrente lateral proveniente de um produto de amido ^3. Ele mostrou potencial como um plástico de embalagem numa série de estudos. Apesar disso, alguns desafios permanecem ^4. Crambe abyssinica é uma planta de semente oleaginosa interessante na medida em que não é uma fonte de alimento e podem ser cultivadas em muitos AG diferentecondições ronomic ^5,6. Tal como acontece com o glúten de trigo, proteína de crambe é um subproduto, neste caso, de produção de petróleo. É obtido na forma de uma refeição crambe desengordurada, com proteína como o maior componente. Ele também contém uma quantidade considerável de extractos isentos de azoto, tais como hidratos de carbono e fibra ^7,8. A refeição tem relativamente pobres propriedades coesivas e precisa de ser misturada com um material de maior coesão. Neste estudo, o glúten de trigo é usado como um aditivo de suporte para a refeição crambe. Para melhorar a tenacidade / extensibilidade do material proteico, um agente plastificante é frequentemente usado como um aditivo bem. Neste estudo, o glicerol é utilizado, que é um produto secundário da indústria de óleo da planta (por exemplo, sementes de colza combustíveis éster metílico) e está prontamente disponível a um baixo custo ^9. Ureia, também renovável, é usado como desnaturante de modo a dar o produto extrudido a coesão adequada ^2,10,11. Ele também pode funcionar como um agente plastificante.

-primas renováveis, Especialmente aqueles que são usados ​​diretamente da natureza, sem purificação, modificação ou síntese química, são, na maioria dos casos, não é adequado para o tratamento de alta temperatura. O desafio é encontrar parâmetros de processamento adequados e composições que resultam em um extrudido com propriedades que lhe permitem competir com os produtos de petróleo.

O presente estudo concentra-se na caracterização das propriedades mecânicas e de barreira de um novo material de base biológica produzida a partir de farinha de crambe processado com aditivos diferentes e em diferentes condições ^12. Os detalhes completos sobre as características de barreira mecânica e oxigênio são encontrados em Rasel et al. ^12.

Protocolo

NOTA: sementes Crambe (cultivar Galactica) foram fornecidos pela Plant Research International, Wageningen, Holanda. O óleo foi extraído a partir das sementes pelo método de Appelqvist ^13. Tanto a refeição crambe e o glúten de trigo foram armazenadas a -18 ° C até à sua utilização.

1. Massa Preparação

1. peneiramento crambe
   1. Peneire a farinha de crambe com uma rodada, peneira inox cozinha de aço (diâmetro dos poros: ~ 1,5 mm, malha 14) de malha fina, para remover grandes frações de fibra e sementes não moídos nem esmagados. Armazenar a refeição peneirado a -18 ° C para evitar o envelhecimento do material.
2. crambe Milling
   1. Para reduzir o tamanho das partículas e tornar o material mais homogéneo, moinho a refeição crambe peneirada num moinho de esferas rotativo.
   2. Moinho de 250 g de farinha de crambe cada vez em um 7 L frasco com 21-25 mm de diâmetro bolas de cerâmica utilizando uma taxa de revolução jar 53 rpm e um tempo de moagem de 24 horas.
3. Condicionado
   1. Antes de processamento adicional, condicionar toda a refeição crambe e glúten de trigo em pó branqueado-bola em frascos abertos durante um mínimo de 48 h a 23 ° C e uma humidade relativa de 50% numa sala de clima controlado.
4. A mistura dos componentes
   1. Moer o pó de ureia (armazenado num copo fechado em condições ambientais) de partículas finas com um almofariz e pilão.
   2. Misturar ureia e glicerol (25,5 g de glicerol e 15 g de ureia por cada 100 g de mistura final).
      1. Aquece-se a glicerol a 65 ° C num balão de vidro em um banho de óleo e adicionar lentamente o pó de ureia.
      2. Agita-se a mistura com um agitador magnético a 65 ° C, até o pó de ureia esteja completamente dissolvido.
5. Misturando o glúten de trigo e de crambe
   1. Mistura-se o pó de crambe refeição e pó de glúten de trigo em um misturador de cozinha durante 5 min. Por exemplo, para um 60/40 (w / w) de crambe / g de trigoLuten razão, utilizar 35,7 g de farinha de crambe e 23,8 g de glúten de trigo por 100 g de mistura final.
6. Mistura de glicerol / ureia com crambe glúten / trigo
   1. Adiciona-se lentamente a mistura de glicerol / ureia para a mistura de glúten de crambe / trigo na cozinha máquina de mistura, enquanto se agitava a mistura. Continuar a misturar durante aproximadamente 2 minutos, até se obter uma massa homogénea. Preparar 500 g da mistura de cada vez.
   2. Para o material com 60/40 (w / w) e de crambe, glúten de trigo, utilizar os seguintes teores relativos dos respectivos componentes: 35,7 g de farinha de crambe, 23,8 g de glúten de trigo, 25,5 g de glicerol, e 15 g de ureia ( por 100 g). Para as outras duas combinações de materiais (ou seja, 70/30 e 80/20), alterar apenas os crambe e trigo conteúdos glúten. Manter o conteúdo de glicerol e ureia O mesmo que na combinação de 60/40.

2. Extrusão de Filmes

1. Perfil de baixa temperatura
   1. Realizar a extrusão de filme em uma extrusora de rosca dupla. as zonas configuradas 1-10 (cada 80 mm de comprimento) ao longo do tambor da extrusora a um perfil de temperatura baixa (posteriormente chamado "perfil de T f baixa"), como se segue: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C. Isso impede que o glúten de trigo a partir de reticulação no barril.
   2. Usar um molde de folha plana (45 mm x 0,7 milímetros) para extrudir as películas.
   3. Escolha uma velocidade de parafuso de 30 rpm e 200 rpm e registrar a pressão die.
   4. Alimentar a massa manualmente através do funil com a ajuda de um impulsor de madeira para suportar o fluxo de material para os parafusos.
   5. No molde, retirar o produto extrudido com uma correia transportadora que opera a uma velocidade de 2,0 m / min. Coloque refrigeração ventilação de ar (ventiladores) ao longo da faixa.
   6. Executar diferentes temperaturas de matriz (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C) e 140 ° C- (125 ° C)) para seleccionar as condições que dão o extruda suavete com um montante mínimo de vazios.
      NOTA: Os valores entre parêntesis correspondem à temperatura na zona de 11, ao lado da matriz. É ajustada para atingir a temperatura alvo no molde.
   7. Após extrusão, os extrudidos armazenar em sacos de polietileno selado até posterior processamento ou análise, a fim de prevenir o envelhecimento e a absorção de água atmosférico.
2. Extrusão de película utilizando o perfil de alta temperatura
   1. A extrusão de filmes como descrito na seção 2.1, mas usar um perfil de alta temperatura (mais tarde chamado de "alta-T perfil"), como segue: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C para as zonas 1 a 11 da extrusora.
   2. Use die temperaturas de 125 ° C e 130 ° C.
3. Extrusão de filme após a peletização
   1. A fim de obter peletes, extrudir o material como cadeias contínuas na extrusora utilizando um molde de duas cadeias.
      1. Use o perfil de baixa T para a extruder tambor, como descrito acima, e um parafuso de 60 rpm, velocidade de rotação.
      2. Use die- diferente (zona 11) temperaturas (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C), e 85 ° C (85 ° C) ) para obter os fios com as superfícies mais lisas.
   2. peletização
      1. Após a passagem da correia transportadora (a correia situado após a extrusora que ajuda a alimentar o material para fora do extrusor), alimentar os filamentos em um granulador operado com uma velocidade de corte de 7 m / min.
   3. extrusão de película a partir dos peletes
      1. Alimentação dos peletes manualmente na extrusora e películas de extrusão com o perfil de T f baixa no interior do cano e com um 125 ° C- (115 ° C), folha plana temperatura da fieira. Use uma velocidade de rotação do parafuso de 30 rpm.
4. Extrusão de filme usando alimentação volumétrica
   1. Para simular a alimentação automática (vulgarmente utilizado na indústria), o usoas pelotas previamente extrudida a 85 ° C (passos 2.3.1-2.3.2.1).
   2. Ligue o alimentador para a extrusora e escolher o modo de alimentação volumétrica da caçamba.
   3. Use um volume de alimentação de 35 kg / h e funil e do parafuso da extrusora velocidades de 16 e 120 rpm, respectivamente.
   4. Extrude com o perfil de baixa temperatura do barril e usar uma temperatura die- (zona 11) de 125 ° C- (115 ° C).

Processo 3. Pós-extrusão (Compression Molding)

1. Pressionar com o quadro
   1. Pela primeira configuração, cortar dois extrusados ​​em pedaços de 4,4 cm x 7,0 cm e 2,6 cm x 7,0 cm.
      NOTA: Isto é necessário porque o quadro é mais amplo do que os extrusados.
   2. Colocá-los lado uns dos outros numa armação rectangular de alumínio (70 x 70 x 0,5 ^mm3).
   3. Sandwich a moldura entre duas placas de alumínio usando poli (tereftalato de etileno) (PET) filmes em ambos os lados para evitar a aderência, e depoiscolocá-los para a imprensa.
   4. Defina o medidor de pressão sobre a imprensa para 200 ou 400 bar.
   5. Para cada pressão de moldagem, pressionar as películas com uma temperatura de placa de 110, 120, e 130 ° C durante 10 e 20 min.
   6. Como uma referência para as amostras de pré-extrudados, filmes de imprensa a partir de material unextruded. Centro de 7,2 g de material fresco (a partir de secção 1.6) na moldura de alumínio.
   7. Pressione com as mesmas configurações de parâmetros como para os filmes pré-extrudados acima (passos 3.1.4- 3.1.5).
2. Pressionando sem um quadro
   1. Recorte e amostras sanduíche retangulares (4,4 cm x 4,4 cm) entre duas placas de alumínio que utilizam filmes de PET em ambos os lados para impedir a adesão.
   2. Colocá-los para a imprensa. Defina o medidor de pressão de até 50 bar, 75 bar ou 100 bar.
   3. Para cada pressão de moldagem, películas press para 5 ou 10 min, utilizando 110 ° C, 120 ° C e 130 ° C da placa de temperaturas.

Resultados

Os materiais misturados (60% em peso de farinha de crambe e 40% em peso de glúten de trigo) resultou numa massa dura após o processo de mistura inicial. O material foi descansou por alguns minutos antes da primeira extrusão. No entanto, a massa tinha um uma viscosidade demasiado elevada para ser capaz de ser alimentada para a tremonha da extrusora de uma maneira regular. Por conseguinte, foi alimentado peça-a-peça, directamente para o parafuso. Os parafusos tinha uma velocidade constante, e o extrudado filme resultante era contínuo e tinha uma superfície lisa visualmente. Um exemplo de uma película extrudida é mostrado na Figura 1.

A pressão do molde e a temperatura foram encontrados para ser os dois parâmetros mais importantes de processamento para controlar de forma a obter película extrudidos homogéneos e lisas. Uma temperatura demasiado baixa matriz, tipicamente abaixo de 110 ° C, não resultou em extrudidos película contínua, ao passo que uma temperatura superior a 130 ° C resultou em the formação de bolhas no material. A temperatura da matriz mais adequada para se obter películas homogéneas e lisas verificou-se ser cerca de 125 ° C.

Para obter os extrudidos mais homogéneos, um processo em duas fases verificou-se ser vantajoso, em que, no primeiro passo, filamentos foram extrudidos a uma temperatura mais baixa (tipicamente 85 ° C) e peletizado. Os peletes foram então alimentada para a tremonha para o segundo passo de extrusão.

Quando o teor de ureia foi reduzida de 15 para 10% em peso ^12, a coesão da massa diminuída substancialmente, resultando num material em pó do tipo; nenhum filme contínua poderia ser extrudado ^12.

Quando a concentração de glicerol foi reduzida (com um 15% em peso de ureia retido), a massa foi encontrada para ser mais frágil, e a ureia não se dissolveu completamente no glicerol. Além disso, uma consideravelmentemaior pressão die foi necessária para obter filmes homogêneos. No entanto, estes filmes foram encontrados para ser mais suave e mais homogénea do que aqueles com um teor de glicerol superior.

Ao aumentar a concentração de pó de crambe refeição e diminuindo a concentração de glúten de trigo, as películas extrudidas apareceu mais escura, mas também mais suave e mais homogénea ^5. A taxa de alimentação também pode ser aumentada ^12. O problema é que os filmes foram apenas parcialmente contínua, e quebras de cinema apareceu a poucos metros de distância. No entanto, quando se aumenta a temperatura da fieira a cerca de 130 ° C, de películas contínuas pode ser preparada, embora com algumas descolorações ^12.

Moldagem por compressão, sem uma moldura produziu fina (espessura: 0,1-0,2 mm) filmes que foram muito flexível e translúcido (Figura 2).

Dependendo da forma como foram feitos os extrudidos e que elas continham, a rigidez variou 4,9-5,6 MPa e a resistência 0,3-0,7 MPa, ao passo que a extensibilidade variou de 7 para 16% ^12. Os valores correspondentes para os produtos extrudidos, depois da moldação por compressão foram 6,4-15,0 MPa, 0,3-1,1 MPa, e 8-19% ^5. Detalhes das medições mecânicas são apresentados na referência ^12. 64 espécimes de halteres mm de comprimento foram testadas em tracção segundo a norma ASTM D882-02 a 23 ± 1 ° C e 50 ± 1% RH, com uma velocidade de 10 mm / min. A Figura 3 mostra a importância de extrusão crambe com a adição de glúten de trigo. A força e, especialmente, a extensibilidade, diminuiu com a redução teor de glúten de trigo. A permeabilidade ao oxigénio variou de 17 a 39 centímetros ^{3 milímetros} / (m dias ² atm), dependendo da composição e se um passo de moldagem por compressão (com um quadro) foi utilizada ou não.

Figura 1: material extrudido. película extrudida utilizando uma temperatura do molde de 130 ° C. Ele contém 35,7% em peso de crambe, 23,8% em peso de glúten de trigo, 25,5% em peso de glicerol, e 15% em peso de ureia. A largura da película é de 44 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: filmes moldado por compressão. material extrudido moldado por compressão, sem uma moldura, em películas finas, translúcidas, utilizando uma 130 ° C de temperatura prima de 75 bar durante 10 min. As películas planas e enrugados são do mesmo material. A largura da película à esquerda é de ~ 17 mm. Por favor cliqueaqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: As propriedades mecânicas em função do teor de crambe. tensão máxima (círculos a cheio) e a estirpe sob tensão máxima (círculos abertos) em função do teor de crambe na mistura de glúten de crambe / trigo. As barras de erro representam os desvios padrão. tensão máxima foi obtida a partir da força máxima por amostra secção transversal inicial da parte estreita do espécime de halteres (secção estreita: 16 mm de comprimento e 4 mm de largura). O perfil de temperatura baixa foi utilizada com uma temperatura da matriz inicial de 125 ° C e uma temperatura da zona de 11 115 ° C. A velocidade do parafuso foi de 30 rpm, e a extrusão de peletização foi realizada sem prévia. Os dados obtidos a partir ^de referência de ^12. Por favor, clique delae para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

A razão pela qual a pressão do cunho era de tão elevada importância foi, provavelmente, devido ao facto de o material necessário uma certa pressão para evitar a formação de bolhas. No entanto, os diferentes componentes podem separação de fase, se a pressão era demasiado elevada. Quando extrusão em uma temperatura demasiado baixa, a coesão era pobre, possivelmente devido a um baixo grau de reticulação, enquanto que uma temperatura muito alta resultou na liberação de gás (provavelmente umidade juntamente com uréia e degradação de proteínas produtos).

A extrusão de dois passos (isto é, onde as cadeias foram primeiro extrudida, granulada, extrudida e, em seguida, novamente), resultou em um produto de extrusão mais homogénea, devido à mistura mais extensa que o primeiro passo de extrusão fornecida.

A coesão massa pobre quando diminuir a concentração de ureia de 15 para 10% em peso foi provavelmente devido a uma densidade de ligação cruzada inferior. Em analogia com isto, uma concentração mais baixa de glicerol, e, assim, uma capacidade inferiorpara dissolver a ureia, resultou em filmes mais pobres, a menos que uma pressão de matriz superior foi aplicada.

Aumentando a concentração de alimentação de crambe, e, portanto, diminuindo a concentração de glúten de trigo, resultaram em um menor grau de formação de agregação / rede. Este reduzido a viscosidade do material no produto de extrusão, o que resulta na necessidade de aumentar a temperatura da fieira a 130 ° C para aumentar a viscosidade e gerar películas homogéneas.

É difícil, se não impossível, para extrudir crambe plastificado em películas de qualidade suficiente para qualquer utilização. Mostramos aqui que isso pode ser superado através da mistura de crambe com uma proteína mais facilmente extrudível como glúten de trigo. Para obter a melhor qualidade, os extrusados ​​precisa estar em um passo separado após a extrusão moldado por compressão.

Mostra-se aqui que a extrusão trabalha numa escala mais pequena, e um escalonamento é susceptível de ser mais exigentes. Extrusão, junto com moldagem por injecção, são os MOSt métodos comerciais importantes para a produção de plásticos. A fim de substituir os plásticos convencionais existentes, é necessário que o material proteico pode ser produzido com as mesmas técnicas ^14-16. Mostramos aqui que é possível fazer a extrusão de sementes oleaginosas farinha de crambe, com a ajuda de glúten de trigo.

As aplicações possíveis incluem embalagem e aplicações para vários perfis extrudados (por exemplo, varetas e cilindros). Consideramos que o passo mais crítico durante a preparação das amostras para ser o passo de extrusão. A qualidade final dos filmes dependia fortemente sobre os parâmetros de extrusão e as propriedades do material antes da extrusão.

Materiais

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