Wpływ wybranych substancji bioaktywnych na zmienność wytrzymałości mechanicznej filmów. wytwarzanych z udziałem

Transkrypt

1 Jagoda Ambrozik-Haba*, Karolina Semeriak, Anna Zimoch, Natalia Ulbin-Figlewicz, Andrzej Jarmoluk Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wpływ wybranych substancji bioaktywnych na zmienność wytrzymałości mechanicznej filmów wytwarzanych z ich udziałem biokompozytów hydroksypropylometylocelulozy Effect of some bioactive substances on variability in mechanical strength of films based on hydroxypropylmethylcellulose Z hydrozolowych biokompozytów hydroksypropylometylocelulozy wytwarzanych z udziałem takich substancji bioaktywnych, jak ekstrakt z czosnku, ekstrakt z rozmarynu, heksametylenotetraamina, nizyna oraz substancje izolowane z jaj (lizozym, cystatyna) sporządzano odwodnione filmy, dla których oceniono wpływ zastosowanych dodatków na zmienność przepuszczalności pary wodnej i wytrzymałości mechanicznej. Stwierdzono, że jedynie zastosowanie w składzie biokompozytów mieszaniny lizozymu z cystatyną powoduje zmniejszenie ich barierowości wobec pary wodnej. Natomiast na wzrost wytrzymałości mechanicznej eksperymentalnych filmów istotny dodatni wpływ miał dodatek do ich składu nizyny i mieszaniny lizozym-cystatyna. Extracts of garlic, rosemary, urotropine and nisin as well as substances isolated from eggs (lysozyme and cystatin) were added to an aq. soln. of hydroxypropylmethylcellulose, L-lactic acid and glycerol used for prepn. of biocomposite films studied then for tensile strength and barrier properties during ageing at 25 C and humidity 60%. Addn. of lysozyme-cystatine mixt. resulted in an increase in H 2 O vapour permeability and mech. strength. Możliwość zastosowania jadalnych filmów ochronnych jako alternatywy dla opakowań syntetycznych spowodowała wzrost zainteresowania zarówno technologów, jak i producentów żywności tego typu aplikacjami. Powłoka jadalna jest to cienka warstwa biopolimeru uformowana w formie otoczki na produkcie żywnościowym. Surowce do wytworzenia ochronnej powłoki to głównie biopolimery węglowodanowe (skrobia, celuloza i ich zmodyfikowane formy), białkowe (białka mleczne, sojowe, kolagen) i lipidowe (wyższe kwasy tłuszczowe, mono-, di-, tri glicerydy) oraz ich mieszaniny 1, 2). Podstawowym zadaniem tych struktur jest utrzymanie wysokiej jakości produktu spożywczego, poprzez ograniczenie zmian wilgotności, ochronę przed utratą związków aromatycznych, hamowanie oksydacji tłuszczów, barwników i przeciwutleniaczy oraz poprawę właściwości mechanicznych produktów. Ponadto filmy ochronne stosowane są jako substancje bakteriostatyczne, chroniące przed szkodliwą mikroflorą. Powłoki ochronne mogą również pełnić funkcję nośników dodatków do żywności (np. antyoksydanty, barwniki, substancje przeciwdrobnoustrojowe lub zapachowe) 3). Właściwości mechaniczne filmów ochronnych są istotne z punktu widzenia ich użycia na produkcie, gdyż warunkują trwałość i wytrzymałość powłok oraz stabilność produktu podczas okresu przechowywania. Filmy utworzone jedynie na bazie polimeru charakteryzują się dużą łamliwością i kruchością. Aby polepszyć plastyczność filmu stosuje się dodatki plastyfikatorów (np. glicerol, sorbitol, poli(glikol etylenowy). Właściwości mechaniczne powłok zależą od właściwości polimeru i użytego plastyfikatora Mgr inż. Jagoda AMBROZIK-HABA w roku 2009 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, * Autor do korespondencji: Katedra Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Chełmońskiego 37/41, Wrocław 25, tel.: (71) , fax: (71) , jagoda.ambrozik@up.wroc.pl Mgr inż. Karolina SEMERIAK w roku 2009 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, /5(2012)

2 oraz wilgotności względnej 4). Barierowość wobec pary wodnej hydrofilowych powłok ochronnych w głównej mierze zależy od rozpuszczalności i dyfuzyjności cząsteczek wody w substancji stanowiącej bazę do filmu. Filmy, których matrycę stanowią polimery tłuszczowe charakteryzują się niższą przepuszczalnością pary wodnej, co jest skutkiem ich hydrofobowej natury. Barierowość wobec pary wodnej w dużej mierze określa funkcjonalność powłoki, gdyż zmiany wilgotności produktu żywnościowego w znacznym stopniu warunkują jego świeżość 1, 4). Celem pracy było określenie wpływu dodatku wybranych substancji biologicznie aktywnych, w tym głównie naturalnych, na zmienność właściwości mechanicznych (wytrzymałość na rozciąganie i przebicie) oraz przepuszczalność pary wodnej eksperymentalnych powłok ochronnych. Część doświadczalna Materiały Do wytwarzania eksperymentalnych filmów wykorzystano hydroksypropylometylocelulozę Methocel SX (Dow Wolff Cellulosics), lizozym o aktywności wyjściowej 1680 U/mg białka (Ovopol), mieszaninę lizozym-cystatyna o aktywności lizozymu 1410 U/mg białka i aktywności cystatyny 3,77 U/mg białka, urotropinę (Stanlab), ekstrakt z czosnku Flavocaps Knoblauch i ekstrakt z rozmarynu Stabiloton WS (Raps GmbH&Co. KG), nizynę Chrisin (Chr. Hansen), glicerynę roślinną (Stanlab) Wariant oraz 80-proc. kwas mlekowy Purac PCC80 (Purac). Metodyka badań Układ doświadczenia umożliwiający ocenę interakcyjnego oddziaływania 6 czynników zmienności, zaprojektowano stosując plan statystyczny o najmniejszym stopniu uwikłania i abberacji. Jako predykatory jakościowe przyjęto udział heksametylenotetraaminy (urotropina) nizyny, lizozymu, mieszaniny lizozym-cystatyna, ekstraktu z rozmarynu i czosnku w eksperymentalnych biokompozytach na dwóch poziomach zmienności: 0% (poziom 0 czynnika) oraz odpowiednio 0,5%, 0,5%, 1%, 1%, 0,1% i 0,1% (poziom doswiadczalny czynnika) (tabela 1). Bazową substancję strukturotwórczą biokompozytów, wykorzystywanych do sporządzania eksperymentalnych filmów, stanowił 1-proc. roztwór hydroksypropylometylocelulozy rozpuszczony w 0,25-proc. wodnym roztworze kwasu L-mlekowego. Wszystkie składniki łączono ze sobą w postaci roztworów wodnych. Wyjątek stanowiła hydroksypropylometyloceluloza, którą rozpuszczono w roztworze kwasu mlekowego. Udział gliceryny roślinnej (pełniącej funkcję plastyfikatora) w recepturze biokompozytów stanowił 25% w stosunku do suchej masy składników. Sporządzane zole i roztwory mieszano w takich proporcjach, aby uzyskiwać finalnie stężenia wybranych składników na stałych poziomach (HPMC, kwas L-mlekowy, gliceryna), zaś komponentów pełniących rolę predyktorów jakościowych, na poziomach założonych w modelu doświadczenia (tabela 1). Eksperymentalne hydrozole wylewano na szklane płytki pokryte teflonem w objętościach równowagowych dla stałej s.m. wszystkich wariantów. Umożliwiało to po odwodnieniu, otrzymywanie filmów o zbliżonych wymiarach grubości. Strukturowanie filmów przeprowadzano w komorze klimatycznej firmy Binder typ KBF LOC 240 przez 48 h w temp. 25 C i przy wilgotności względnej 60%. Wszystkie etapy wytwarzania powłok przedstawiono na rys. 1. Wybrane właściwości mechaniczne oznaczono stosując urządzenie do badań wytrzymałościowych firmy Zwick/Roell Z010. Pomiar wytrzymałości na wydłużenie niszczące wykonano przy użyciu testu rozciągania z wyznaczeniem F maksr, N/mm2, (wytrzymałość na rozciąganie) oraz % wydłużenia. Pomiar siły przebicia wykonano w teście kompresji przy użyciu trzpienia (o średnicy 5 mm) wyznaczając, N, (maksymalna siła przebicia). Próbki do testu proste rozciąganie z wyznaczeniem F maksr miały wymiary 19 mm 32 mm, z przewężeniem po środku o wymiarach 6 mm 15 mm (rys. 2). Natomiast próbki do testu na przebicie miały kształt prostokąta o wymiarach 19 mm 32 mm. Tabela 1. Model doświadczenia Table 1. Experimental design heksametylenotetraamina Czynniki zmienności, % ekstrakt z czosnku ekstrakt z rozmarynu lizozym lizozymcystatyna , , ,5 0, , ,5 0 0, ,1 0, ,5 0,1 0, nizyna ,5 10 0, , , ,5 12 0,5 0, , , ,5 14 0,5 0 0, , ,1 0, ,5 16 0,5 0,1 0, ,5 Dr inż. Anna ZIMOCH w roku 2006 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Jest asystentem w Katedrze Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Specjalność technologia mięsa. Mgr inż. Natalia ULBIN FIGLEWICZ w roku 2011 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, 91/5(2012) 661

3 zol HPMC w kwasie mlekowym - mieszadło mechaniczne CATR50, - 1h, 300 rpm - łaźnia ultradźwiękowa S60 Elmasonic, - 1h, - płytki szklane pokryte teflonem, - komora klimatyczna Binder typ KBF LOC 240, - 48h, 25 o C, 60% RH wodne roztwory substancji bioaktywnych mieszanie odpowietrzanie wylewanie filmów strukturowanie filmów Oznaczenie przepuszczalności pary wodnej wykonano wykorzystując krążki o średnicy 60 mm wycięte z eksperymentalnych filmów. Umieszczano je jako wieczko szklanego naczynia, do którego gliceryna wcześniej nalewano 100±1 cm 3 wody destylowanej, pozostawiając 40 mm przestrzeni pomiędzy lustrem wody a wieczkiem. Tak przygotowane próbki ważono i umieszczano w komorze klimatycznej o temp. 25 C i wilgotności względnej 60%. Ważenie próbek powtarzano po 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 12 i 24 h składowania. Na podstawie uzyskanych wyników obliczono szybkość przenikania pary wodnej, WVTR, ze wzoru (1): mp mk WVTR = (1) P t w którym m p oznacza masę początkową, g, m k masę końcową, g, t czas, s, a P powierzchnię, m 2. Przepuszczalność pary wodnej, WVP, obliczano wg wzoru (2): WVP w którym S oznacza prężność pary wodnej w temp. 25 C równą 3167,7394 Pa, R 1 wilgotność względną wewnątrz naczynia, %, R 2 wilgotność względną w komorze klimatycznej, %, a d grubość filmu, m. Wyniki badań poddano analizie statystycznej stosując program statystyczny Statistica wersja 6.0. Wykorzystując statystyki nieparametryczne wyznaczono korelacje porządku rang Spearmana dla p 0,05 oraz średnie krańcowe dla badanych wielkości wejściowych. Korelacja rang Spearmana jest nieparametryczną miarą monotonicznej zależności statystycznej między zmiennymi losowymi. Współczynnik korelacji rang przyjmuje wartości z przedziału [-1;1], gdzie wartość -1 określa dokładną korelację ujemną, 0 brak korelacji, a +1 dokładną korelację dodatnią. Omówienie i dyskusja wyników WVTR = S ( R1 R2 ) d (2) wycinanie próbek analitycznych Rys. 1. Schemat wytwarzania eksperymentalnych filmów ochronnych Fig. 1. Diagram of the experimental production of edible coatings Na podstawie wyznaczonych średnich krańcowych zaobserwowano, że dodatek substancji biologicznie aktywnych zwiększał wartość przepuszczalności pary wodnej. Wyjątek stanowił wariant filmu sporządzanego z ekstraktem z rozmarynu, którego obecność w powłoce powodowała nieznaczne pomniejszenie wielkości badanego parametru od 0, do 0, (rys. 3). Stwierdzono, Rys. 2. Wymiary liniowe próbki wykorzystywanej do testów wytrzymałościowych Fig. 2. Linear dimensions of the sample used in the strength tests Rys. 3. Zależność przepuszczalności pary wodnej od dodatku substancji bioaktywnej Fig. 3. Effect of bioactive substances on water vapor permeability Dr. hab. inż. Andrzej JARMOLUK w roku 1982 ukończył studia na Wydziale Technologii Żywności Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Jest zatrudniony na stanowisku prof. nadzw. Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, w Katedrze Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością. że istnieje silna dodatnia zależność pomiędzy barierowością wobec pary wodnej wytwarzanych filmów ochronnych, a dodatkiem mieszanki lizozym-cystatyna (współczynnik R Spearamana = 0,641). Zależności pomiędzy pozostałymi badanymi substancjami aktywnymi, a ubytkiem pary wodnej były słabe i miały wartości dodatnie. Jedynie w przydatku zastosowania domieszki ekstraktu z rozmarynu /5(2012)

4 do eksperymentalnych powłok, stwierdzano wobec mierzonego parametru zależność ujemną (tabela 2). Tabela 2. Wyniki korelacji porządku rang Spearmana Table 2. Results of Spearman's rank correlation Współczynnik R Spearmana Predykator jakościowy WVP F maksr ε z Heksametylenotetraamina 0,165-0,192-0,074-0,224 Ekstrakt z czosnku 0,267-0,069-0,131-0,318* Ekstrakt z rozmarynu -0,168-0,346* 0,000 0,018 Lizozym 0,126 0,144 0,126-0,118 Lizozym-cystatyna 0,641* 0,222 0,293* 0,312* Nizyna 0,057 0,665* 0,681* 0,058 * - istotność przy p 0,05 Brak wpływu lizozymu na barierowość powłok ochronnych udowodnili także Park i współpr. 5) badając chitozanowe filmy z 1-proc. dodatkiem lizozymu. Pranoto i współpr. 6) oraz Du i współpr. 7) w swoich badaniach wykazali brak oddziaływania dodatku czosnku na przepuszczalność pary wodnej eksperymentalnych powłok z nim wytwarzanych. Türe i współpr. 8) udowodnili, że rozmaryn nie oddziaływuje istotnie na barierowość celulozowych filmów. Ko i współpr. 9) w swojej pracy porównując właściwości filmów ochronnych z dodatkiem nizyny sporządzanych na różnych matrycach (izolaty białek serwatkowych, izolaty białka sojowego, białko jaj i gluten pszenny) wykazali brak wpływu tej bakteriocyny na barierowość wobec pary wodnej powłok z nią wytwarzanych. Zaobserwowano, że maksymalna siła przebicia ( ) eksperymentalnych filmów była dodatnio zależna od dodatku lizozymu, mieszanki lizozym-cystatyna oraz nizyny. Natomiast dla pozostałych substancji bioaktywnych wykazano ujemną zależność dla zmienności tej cechy (tabela 2). Silna zależność została wykazana dla dodatku do ocenianych biokompozytów nizyny, gdzie wartość współczynnika R Spearmana wyniosła 0,665 (zależność dodatnia). Przy zastosowaniu w recepturach filmów ekstraktu z rozmarynu obserwowano silną zależność ujemną pomiędzy jego stężeniem a wytrzymałością foli na przebicie (współczynnik R Spearmana = -0,346). Ocena zmienności wartości średnich ważonych, maksymalnej siły przebicia ( ) wskazuje na rosnący wpływ dodatku lizozymu (od 12,827 N do 14,176 N) oraz nizyny (od 10,080 N do 16,923 N) na zmienność tego parametru. Udział w składzie eksperymentalnych biokompozytów pozostałych substancji odzwierciedlał się zmniejszaniem wartości wyznaczanym dla próbek filmów (rys. 6). Wykazano ujemną zależność pomiędzy dodatkiem urotropiny i ekstraktu z czosnku, a wytrzymałością na rozciąganie (F maksr ) eksperymentalnych filmów je zawierających. Wielkość F maksr była dodatnia zależna od obecności w eksperymentalnej powłoce lizozymu, mieszanki lizozym-cystatyna lub nizyny (tabela 2). Przy czym silną zależność obserwowano dla do mieszanki lizozym-cystatyna (współczynnik R Spearmana = 0,293) oraz nizyny (współczynnik R Spearmana = 0,681). Natomiast pomiędzy Rys. 4. Zależność % wydłużenia przy rozciąganiu, ε z Fig. 4. Effect of bioactive substances on tensile elongation, ε z F maksr, N/mm dodatkiem ekstraktu z rozmarynu, a wielkością ocenianego parametru nie stwierdzono zależności (współczynnik R Spearmana = 0,000). Na podstawie wielkości średnich krańcowych można stwierdzić, że rosnący wpływ na wielkość zmiennej zależnej miało zastosowanie w uzyskanych filmach dodatku lizozymu, mieszanki lizozym-cystatyna oraz nizyny (rys. 6). Przy czym w przypadku nizyny obserwowany wzrost był aż dwukrotny (od 0,517 N/mm 2 do 1,025 N/mm 2 ). Stwierdzono, że obecność w eksperymentalnej powłoce mieszanki lizozym-cystatyna oraz nizyny zwiększała wielkość % wydłużenia (ε z ), co świadczy o wzroście elastyczności eksperymentalnych filmów (rys. 4). Wykazano dodatnią korelację ε z od dodatku mieszanki lizozym-cystatyna i nizyny, jak również ekstraktu z rozmarynu, przy czym dodatek mieszanki lizozym-cystatyna był istotnie skorelowany (współczynnik R Spearmana = 0,312) z mierzonym parametrem. Przy dodatku do doświadczalnych biokompozytów ekstraktu z czosnku wykazano silną ujemną korelację (współczynnik R Spearmana = -0,318) z wielkością % wydłużenia (tabela 2). Parnoto i współpr. 6) badając właściwości mechaniczne chitozanowym i alginianowym filmów z dodatkiem czosnku, w obu przypadkach wykazali brak wpływu omawianej substancji bioaktywnej na oceniane parametry, co jest zbieżne z wynikami doświadczeń własnych. W pracy wykazano dodatnią silną zależność F maksr i od dodatku nizyny do receptury eksperymentalnych biokompozytów. Sivarooban i współpr. 10) oceniając filmy na bazie białka sojowego z dodatkiem tej bakteriocyny udowodnili negatywny (zmniejszający) wpływ nizyny na wytrzymałość filmu na rozerwanie oraz nie wykazali oddziaływania jej na wytrzymałość filmu na przebicie. Z kolei Ko i współpr. 9) wykazali, że Rys. 5. Zależność wytrzymałości na rozciąganie, F maksr Fig. 5. Effect of bioactive substances on variability of tensile strength, F maxr 91/5(2012) 663

5 w przypadku filmów wytwarzanych na bazie białka sojowego, białka z jaj lub glutenu pszennego, nizyna nie wpływa na zmienność ich wytrzymałości na rozerwanie. Jedynie w przypadku filmu z białek serwatkowych nizyna powodowała zwiększanie wytrzymałość filmu na rozerwanie. Autorzy ci dowiedli również, że w zależności od użytej matrycy, nizyna w różny sposób oddziałuje na wytrzymałość filmu na przebicie, tzn. w powłokach na bazie białka jaj i glutenu pszennego powoduje zmniejszenie wartości tego parametru, białka sojowego powiększenie, a białek serwatkowych nie wpływa na zmienność omawianej właściwości. Park i współpr. 5) wykazali, że 1-proc. dodatek lizozymu, zmniejsza wytrzymałość filmu na rozerwanie, oraz zwiększa jego wydłużenie przy rozrywaniu. Udowodnili oni, że wprowadzenie do receptury doświadczalnych biokompozytów ekstraktu z rozmarynu negatywnie wpływa na wytrzymałość filmu na przebicie, natomiast Türe i współpr. 8) wykazali, że w filmach sporządzanych na bazie metylocelulozy rozmaryn nie oddziałuje na zmienność ich właściwości mechanicznych. W filmach, gdzie matrycę strukturalną stanowił gluten pszenny dodatek rozmarynu, powoduje zwiększanie wartości wydłużenia filmu przy rozrywaniu, jednocześnie zmniejszając jego wytrzymałość na przebicie. Podsumowanie, N Rys. 6. Zależność maksymalnej siły przebicia, Fig. 6. Effect of bioactive substances on variability of penetration test, F maxp zawartości w nich ekstraktu z rozmarynu oraz wydłużenia przy rozciąganiu od dodatku ekstraktu z czosnku. Praca wykonana w ramach projektu pt. Innowacyjne technologie produkcji biopreparatów na bazie nowej generacji jaj (Ovocura), finansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Otrzymano: Oceniono jednoczesny wpływ 6 predykatorów jakościowych, tj. ekstraktów z czosnku i rozmarynu, heksametylenotetraaminy, nizyny, lizozymu i cystatyny na zmienność wybranych właściwości funkcjonalnych filmów ochronnych sporządzanych z biokompozytów wytwarzanych z dodatkiem biologicznie aktywnych substancji. Nie wykazano istotnych zależności jedynie przy zastosowaniu w składzie eksperymentalnych biokompozytów heksametylenotetraaminy i lizozymu. Udowodniono silną, dodatnią zależność przepuszczalności pary wodnej przez eksperymentalne powłoki od zastosowania w ich składzie mieszaniny lizozym-cystatyna. Wykazano również silne dodatnie zależności pomiędzy maksymalną siłą rozerwania eksperymentalnych foli sporządzanych z udziałem mieszaniny lizozym-cystatyna oraz nizyny. Zastosowanie w składzie eksperymentalnych biokompozytów mieszaniny lizozym-cystatyna lub nizyny powodowało odpowiednio zwiększanie elastyczności filmów wytwarzanych z ich udziałem lub siły potrzebnej do ich przebicia. Wykazano również silną ujemną zależność maksymalnej siły przebicia eksperymentalnych foli, od LITERATURA 1. S. Kokoszka, A. Lenart, Postępy Techniki Przetwórstwa Spożywczego 2007, nr 1, J.M. Krochta, C. Mulder-Jahnson, Food Technol. 1997, 52, nr 2, F. Debeaufort, J.A. Quezada-Gallo, A. Voilley, Critical Rev. Food Sci. 1998, 38, nr 4, S. Guilbert, N. Gontard, L.G.M. Gorris, Lebensm.-Wiss. U.-Technol. 1996, 29, S.I. Park, M.A. Daeschel, Y. Zhao, J. Food Sci. 2004, 69, nr 8, Y. Pranoto, S.K. Rabbit, W.M. Salokhe, Dev. Chem. Eng. Mineral Process. 2005, 13, nr 5/6, W.X. Du, C.W. Olsen, R.J. Avena-Bustillos, T.H. Mchugh, C.E. Levin, R. Mandrell, Mendel Friedman, J. Food Sci. 2009, 74, nr 7, H. Türe, E. Eroğlu, B. Özen, F. Soyer, Int. J. Food Sci. Technol. 2009, 44, S. Ko, M.E. Janes, N.S. Hettiarachchy, M.G. Johnson, J. Food Sci. 2001, 66, nr 7, T. Sivarooban, N.S. Hettiarachchy, M.G. Johnson, Food Res. Int. 2008, 41, /5(2012)