Biodegradable films from cereal arabinoxylans

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1859-2
Title: Biodegradable films from cereal arabinoxylans
Author: Heikkinen, Susanna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-01-29
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1859-2
http://hdl.handle.net/10138/159368
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cereal arabinoxylans (AXs) belong to the heterogeneous group of hemicelluloses. They are branched polysaccharides located in the plant cell wall, where they strengthen the cell wall together with cellulose and lignin. AXs vary in their molecular structure depending on the plant source from which they are extracted. Cereal AX can be extracted, for example, from the side streams of cereal processing such as bran, husks/hulls, and straw. AXs are sustainable raw materials with a film-forming ability; they can therefore be utilized more efficiently in biodegradable packaging and coatings. In this thesis, structurally different cereal-based AXs were used in the film studies. The effect of the type and amount of polyol plasticizer on the film properties as well as their storage stability during four and five months time was investigated with oat spelt arabinoxylan (OsAX). The structure function relationship of AXs in films was studied by comparing differently substituted rye and wheat flour arabinoxylan (RAX and WAX, respectively) and was further investigated by using specific arabinofuranosidases to tailor arabinose to xylose ratios and arabinose substitution patterns of RAX and WAX. The usability of crude biomass extracts in larger-scale film/sheet preparation was studied via the sheet extrusion of two wheat bran extracts (WBEs), which contained similar amounts of AX and lignin, whereas their starch and protein contents differed depending on the purification process. The film and sheet properties, such as mechanical and barrier properties as well as crystallinity and the physical state of the films, were investigated in order to evaluate the suitability of these materials for packaging. This study revealed that AX, having relatively low arabinose substitution and molar mass, such as OsAX, in general needs plasticization for cohesive film formation. It was found that the amount and type of plasticizer clearly affects the tensile and permeability properties of the films as well as their water sensitivity. In general, the sorbitol-plasticized films were stronger and had lower water vapor permeability (WVP) and oxygen gas permeability (OP) than the films plasticized with glycerol. Structure correlation studies carried out with RAX and WAX showed that the AXs fine structure affects film formation and film properties. With specific enzymatic tailoring, it was observed that the Ara/Xyl ratios of RAX and WAX did not contribute alone to the behavior of AXs in the films; instead, both the amount and distribution of arabinose side units in the xylan chain had a high impact on the results. When the number of un-substituted xylose units was high, the water solubility of AX decreased and the formed films had a semi-crystalline structure. Mild de-branching improved some film properties, for example, the tensile strength of the RAX films increased. Additionally, it was observed that the OP of the RAX and WAX films decreased along with the de-branching. A storage study showed that the polyol-plasticized OsAX film properties changed during storage; possible reasons for this were lowered plasticization caused by glycerol migration out from the film matrix and/or formation of heterogeneous structures in the film with plasticizer-rich and polymer-rich areas. The WBEs turned out to be potential raw materials in the up-scaled sheet preparation method, which was carried out with a single-screw extruder. Both of the extracts that were studied formed cohesive sheets with polyol addition. In this study, all of the AX films showed low OP properties, which were further decreased by lowering the Ara/Xyl ratio or with plasticized films by decreasing the polyol content. Thus, AX films can be thought of as a potential choice for those applications where high oxygen barrier capacity is needed to prevent the oxidative deterioration of the packaged food product. Present study on AXs fine structure gave information that can be used when various structurally different agricultural side streams are considered as raw materials for film applications. In the current study, the main challenge of the AX films and sheets was their water sensitivity, and with the plasticized films, their decreased storage stability. The sheet extrusion results proved that highly purified fractions are not essential in material production; instead, in this study, moderately purified fractions with a high starch and low protein content formed strong sheets with lowered water sensitivity.Viljojen arabinoksylaanien hyödyntäminen biohajoavissa pakkauskalvoissa Arabinoksylaanit ovat hemiselluloosiin kuuluvia haaroittuneita polysakkarideja, jotka yhdessä selluloosan ja ligniinin kanssa muodostavat kasvisoluseinän joustavan tukirakenteen. Arabinoksylaanien rakenne (polysakkaridiketjun pituus ja sivuryhmien määrä) vaihtelee riippuen missä osassa kasvia ne sijaitsevat. Arabinoksylaaneja voidaan eristää esimerkiksi viljojen prosessoinnin sivuvirroista kuten leseestä, kuorista ja korsista. Arabinoksylaaneista voidaan valmistaa kalvoja, jotka ovat sekä biopohjaisia että biohajoavia ja siksi kiinnostavia vaihtoehtoja korvaamaan öljypohjaisia muoveja esimerkiksi elintarvikkeiden pakkausmateriaaleina. Ennenkuin arabinoksylaanikalvoja voidaan hyödyntää pakkauksissa, täytyy niiden ominaisuudet ja käyttäytyminen tuntea. Lisäksi kalvojen ominaisuuksien pitää täyttää elintarvikkeiden pakkausmateriaaleilta vaadittavat suojaominaisuudet. Tässä työssä tutkittiin viljaperäisten arabinoksylaanien hyödynnettävyyttä elintarvikepakkausten materiaalina. Työssä käytettiin kaupallisesti saatavilla olevia rakenteeltaan erilaisia arabinoksylaaneja, jotka olivat peräisin kauran kuoresta sekä ruis- ja vehnäjauhoista. Kauran kuoren arabinoksylaanikalvoihin lisättiin pehmitintä edistämään kalvonmuodostusta ja lisäämään kalvojen joustavuutta. Tutkimuksessa vertailtiin kahden eri pehmittimen, glyserolin ja sorbitolin, vaikutusta materiaalin ominaisuuksiin. Lisäksi seurattiin pehmitettyjen kalvojen fysikaalista pysyvyyttä ajan funktiona. Rukiin ja vehnän arabinoksylaanien avulla tutkittiin arabinoksylaanin rakenteen vaikutusta kalvojen ominaisuuksiin. Rakennetutkimusta laajennettiin muokkaamalla rakenteita spesifisillä entsyymikäsittelyillä, joilla pystyttiin poistamaan arabinoosi-sivuryhmiä hallitusti. Kalvon muodostumista tutkittiin valamistekniikan lisäksi ektsruusiolla, jossa raaka-aineena oli vehnäleseuute. Kalvoista tutkittiin mekaanisia ja läpäisyominaisuuksia, sekä kiteisyyttä ja kalvon fysikaalista tilaa. Kalvojen ominaisuuksien perusteella voidaan arvioida niiden soveltuvuutta pakkausmateriaaleiksi. Tässä tutkimuksessa todettiin, että arabinoksylaanit, joilla on pieni molekyylipaino ja jotka sisältävät vain vähän arabinoosi-sivuryhmiä, kuten kauran kuoren arabinoksylaani, tarvitsevat yleensä pehmittimen lisäyksen kalvon muodostukseen. Valitulla pehmittimellä ja sen määrällä oli selkeä vaikutus kalvon mekaanisiin ja läpäisyominaisuuksiin, lisäksi sillä oli vaikutusta kalvon kosteusherkkyyteen. Yleisesti ottaen sorbitolilla pehmitetyt kalvot ovat vahvempia ja läpäisevät vähemmän vesihöyryä ja happikaasua kuin glyserolilla pehmitetyt kalvot. Arabinoksylaanin rakenteella huomattiin olevan selvä yhteys kalvon muodostumiseen ja kalvojen ominaisuuksiin. Entsymaattisen muokkauksen avulla todettiin, että sekä arabinoosi-sivuhaarojen määrällä, että niiden sijainnilla oli merkitystä kalvojen ominaisuuksiin. Kun sivuryhmien määrää pienennettiin vähän todettiin sen mm. lisäävän kalvojen lujuutta ja vähentävän happikaasun kulkeutumista kalvon läpi. Sen sijaan, kun suuri määrä sivuryhmiä poistettiin, arabinoksylaanien vesiliukoisuus pieneni ja kalvoihin muodostui kiteisyyttä, joka heikensi kalvojen lujuusominaisuuksia. Säilyvyyskokeessa osoitettiin, että pehmitettyjen kalvojen ominaisuudet muuttuivat säilytyksen aikana. Syynä muutokseen oli glyserolin kulkeutuminen ulos kalvosta ja/tai heterogeenisten polymeeri- ja pehmitinalueiden muodostumista kalvoon. Sen sijaan sorbitolilla pehmitetyt kalvot pysyivät stabiilimpina säilytyksen aikana.Vehnäleseuutteesta saatiin pehmittimen avulla valmistettua kalvoa ekstruuderilla, mikä osoittaa tällaisen epäpuhtaammankin raaka-aineen hyödyntämismahdollisuuden suuremman mittakaavan kalvojen valmistuksessa. Tässä tutkimuksessa kaikilla kalvoilla oli alhainen hapenläpäisevyys, joka laski arabinoosi-sivuhaarojen määrän vähentyessä, sekä pehmitetyillä kalvoilla pehmitinpitoisuuden laskiessa. Arabinoksylaanikalvoja voidaankin pitää hyvinä happisuojina, joilla on käyttöä kun halutaan pakata hapettumiselle herkkiä tuotteita. Suurin haaste oli kalvojen vesiherkkyys, sekä pehmitettyjen kalvojen rakenteen muuttuminen säilytyksen aikana. Luontaisesti rakenteeltaan erilaisten arabinoksylaanien sekä entsymaattisesti muokattujen arabinoksylaanien avulla saatiin tietoa arabinoksylaanin rakenteen vaikutuksesta kalvojen ominaisuuksiin. Tätä tietoa voidaan hyödyntää kun arvioidaan eri kasvinosista saatavien arabinoksylaanien soveltuvuutta pakkauskalvoiksi. Ekstruusiotutkimuksessa osoitettiin, että laboratoriomittakaavasta voidaan siirtyä kohti teollisen mittakaavan prosessointia, mikä mahdollistaisi ksylaanimateriaalien teollisen jalostamisen tulevaisuudessa esimerkiksi elintarvikepakkausten happisuojaksi.
Subject: elintarvikekemia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
heikkinen_thesis.pdf 907.0Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record