Anna Zimoch *, Andrzej Jarmoluk, Jagoda Ambrozik-Haba, Krzysztof Marycz, Karolina Semeriak, Ewa Brychcy, Natalia Ulbin-Figlewicz Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wpływ 3-aminopropylotrietoksysilanu na zmienność wybranych właściwości fizycznych chitozanowych powłok ochronnych Effect of 3-aminopropyltriethoxysilane on a variability of selected physical properties of chitosan protective coatings Do -proc. roztworów chitozanu w % wodnym roztworze kwasu octowego dodawano, 1 lub 1% glicerolu, następnie, lub 1% 3-aminopropylotrietoksysilanu, po czym roztwory rozcieńczano wodą tak aby uzyskać końcowe stężenie kwasu octowego i chitozanu 1%. Z tak przygotowanych hydrozoli sporządzano powłoki ochronne, które oceniano, dokonując pomiarów wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości na zerwanie, maksymalnej siły przebicia oraz przepuszczalności pary wodnej. Zobrazowano również morfologię zrywanych filmów za pomocą mikroskopii skaningowej. Stwierdzono, że udział substancji sieciującej w składzie powłok statystycznie istotnie i korzystnie wpływał na wszystkie analizowane parametry. Z kolei wzrastające stężenie glicerolu w próbkach zmniejszało ich wytrzymałość mechaniczną i zwiększało przepuszczalność pary wodnej. Aq. soln. of chitozan (1%) was modified by addn. of (Et) 3 Si(CH ) 3 NH (up to 1%) and glycerol ( %) and used for prodn. of thin films by pouring onto teflon substrate and evapn. The films were tested for mech. properties and water vapor permeability. The addn. of glycerol resulted in increasing the permeability and decreasing the tensile strength of the films. W ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania hydrożelami wytwarzanymi na bazie polimerów naturalnych. Jednym z takich polimerów zdolnych do tworzenia hydrożeli jest chitozan. Jest to kationowy polisacharyd, otrzymywany zazwyczaj w procesie deacetylacji chityny zawartej w pancerzykach skorupiaków. Chitozan jest kopolimerem zbudowanym z dwóch konomerów: N-acetyloglukozoaminy i glukozaminy (rys. 1) 1). Membrany chitozanowe mają wiele zalet, ale wykazują małą oporność chemiczną w środowisku kwasowym i niewielką trwałością mechaniczną. Aby poprawić te właściwości, chitozan poddaje się ukierunkowanym modyfikacjom chemicznym lub fizycznym ). H H NH H NH H H Rys. 1. Wzór strukturalny chitozanu 1) Fig. 1. Molecular formula of chitosan 1) becnie coraz więcej naturalnych i odnawialnych surowców wykorzystuje się w przemyśle. Nowym kierunkiem zastosowania tych surowców wydaje się być produkcja bioopakowań na potrzeby przemysłu spożywczego 3). Chitozan jest drugim najbardziej rozpowszechnionym biopolimerem w przyrodzie. Deacetylowana chityna została H NH H NH H * Autor do korespondencji: Dr inż. Anna ZIMCH w roku 6 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. Katedra Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Chełmońskiego 37, 1-631 Wrocław, tel.: (71) 3-77-7, fax: (71) 3-1-4, e-mail: anna.zimoch@up.wroc.pl Dr. hab. inż. Andrzej JARMLUK w roku 198 ukończył studia na Wydziale Technologii Żywności Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Jest zatrudniony na stanowisku profesora nadzwyczajnego Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, w Katedrze Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością. Specjalność technologia mięsa. 11 91/(1)
uznana za jeden z najbardziej obiecujących materiałów 4), ze względu na podatność na biodegradację, biokompatybilność i nietoksyczność. Z kolei polimery krzemoorganiczne stanowią obszerną grupę różnorodnych materiałów odznaczających się doskonałymi właściwościami chemicznymi, fizycznymi i elektrycznymi. Są one szeroko stosowane jako dodatki sieciujące i wiążące do innych polimerów, w celu otrzymania kopolimerów o odmiennych właściwościach ). Celem pracy było określenie wpływu zróżnicowanych stężeń 3-aminopropylotrietoksysilanu i glicerolu na zmienność wybranych właściwości fizycznych chitozanowych powłok ochronnych wytwarzanych z ich udziałem. Część doświadczalna Materiały 3-Aminopropylotrietoksysilan (APTES) firmy Acros rganics (roztwór 99%), chitozan o małej masie cząsteczkowej firmy Sigma- Aldrich, gliceryna roślinna cz.d.a. firmy PPH. Stanlab, stosowana jako plastyfikator, oraz kwas octowy cz. firmy PCH SA (roztwór %), stosowany jako rozpuszczalnik i katalizator. Metodyka badań Wyjściowy -proc. roztwór chitozanu (CH) sporządzono przez rozpuszczenie suchego preparatu w -proc. wodnym roztworze kwasu octowego. trzymany roztwór mieszano przez 16 h za pomocą mieszadła mechanicznego CAT R-; szybkość mieszania 4 rpm. dparowaną część wody uzupełniono a otrzymany hydrozol rozlano w porcjach po g do zlewek, dodawano, 1 lub 1% glicerolu, następnie, lub 1% 3-aminopropylotrietoksysilanu, po czym roztwory rozcieńczano wodą destylowaną, tak aby uzyskać końcowe stężenie kwasu octowego i chitozanu 1% (tabela 1). W celu dokładnego odgazowania roztworów oraz jednakowego przebiegu hydrolizy APTES, próbki zabezpieczono przed odparowywaniem wody i umieszczono w chłodziarce (4 C) na 64 h. Próbki hydrozoli (po 36 ml) wylewano do wyklejonych teflonową folią szklanych form o powierzchni cm 34 cm. Proces strukturowania folii trwał 68 h. dwadnianie prowadzono w komorze klimatycznej firmy Binder typ KBF-LC 4 w temp. C przy wilgotności względnej 6%. Gotowe filmy zdejmowano i wycinano próbki, które poddano testom. Metody analityczne znaczenie przepuszczalności pary wodnej WVP (water vapor permeability) przeprowadzono zmodyfikowaną metodą ASTM 6) przy użyciu szklanych naczyń pomiarowych w kształcie walca o wymiarach Ø = 8 mm i L = 6 mm. Pojemniki napełniano wodą destylowaną do objętości 1 cm 3 każdy, pozostawiając przestrzeń nad lustrem wody 4 mm. Następnie naczynia szczelnie zamykano przy użyciu filmów. Efektywna powierzchnia transferu pary wodnej wynosiła 86 1-3 m. Tak przygotowane próbki ważono i umieszczano w komorze klimatycznej o temp. C i wilgotności względnej 6%. Proces ważenia powtarzano co 1 h przez 6 h. Na podstawie zarejestrowanych wyników wyznaczono liniową zależność ubytku masy w funkcji czasu, z czego obliczono szybkość przenikania pary wodnej WVTR (water vapor transmission rate), korzystając z wzoru (1): mp mk WVTR = (1) t P w którym m p oznacza masę początkową, g, m k masę końcową, g, t czas, s, a P powierzchnię, m. Przepuszczalność pary wodnej obliczano z wzoru (): WVTR WVP = S 1 ( R R ) d w którym S oznacza prężność pary wodnej w temp. C (3167,7394 Pa), R 1 wilgotność względną wewnątrz naczynia,%, R wilgotność względną w komorze klimatycznej,%, a d grubość filmu, m. Wytrzymałość na rozerwanie oznaczono w urządzeniu do badań wytrzymałościowych Zwick\Roell Z1. Prędkość przesuwu głowicy wynosiła 6 mm/min. Próbki do testu miały wymiary pokazane na rys.. Testy wytrzymałościowe wykonano w 1 powtórzeniach. Wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie (F maks. ) oraz wytrzymałość na zerwanie (F z ). () Tabela 1. Model doświadczenia Table 1. Experimental design Czynniki zmienności Wariant glicerol, APTES,% % 1 1 3 4 1 6 7 8 1 1 9 chitozan,% 1 Rys.. Wymiary liniowe próbki wykorzystywanej do testów wytrzymałościowych Fig.. Linear dimension of samples used for mechanical testing Wytrzymałość na przebicie (F maks.p ) oznaczono również za pomocą urządzenia do badań wytrzymałościowych Zwick\Roell Z1. Prędkość przesuwu głowicy wynosiła 3 mm/min, a średnica owalnego trzpienia przebijającego powłokę mm. Rozstęp podparcia powłoki ustalono na 14 mm. Z przygotowanych wcześniej powłok wycinano próbki o wymiarach mm 7 mm. Pomiaru dokonano w 1 powtórzeniach. W celu określenia obrazu struktury hydrozoli wysuszone próbki filmów poddano zerwaniu, wykorzystując stolik Deben Microtest Dynamic Materials Testing w SEM MTEST, po czym zerwane próbki powłok Mgr inż. Jagoda AMBRZIK-HABA w roku 9 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, Dr inż. Krzysztof MARYCZ w roku ukończył studia na Wydziale Biologii i Hodowli Zwierząt Akademii Rolniczej we Wrocławiu. becnie jest kierownikiem Pracowni Mikroskopii Elektronowej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Specjalność mikroskopia elektronowa. 91/(1) 111
naklejano na stoliki podstawowe za pomocą krążków węglowych tak, aby była widoczna krawędź zerwania, którą przez 1 s napylano warstwą złota w napylarce Edwards typ Scancoat6. Ultrastrukturę badanego materiału wizualizowano przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego Zeiss EV 1 LS z wykorzystaniem detektora SE1, w warunkach wysokiej próżni i przy napięciu przyśpieszającym EHT kv. brazowanie struktur wykonano w Pracowni Mikroskopii Elektronowej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. pracowanie statystyczne wyników bliczenia statystyczne wykonano przy użyciu programu Statistica v.6.1. Wyniki WVP poddano analizie wariancji przy poziomie istotności p <,, stosując test Duncana przy poziomie ufności,9. Analizę wyników z badań wytrzymałościowych wykonano za pomocą metody płaszczyzny odpowiedzi, która umożliwia określenie zależności pomiędzy ocenianymi czynnikami równaniem kwadratowym (3): Y = β + β 1 + β X + β 11 + β X + β 1 X (3) w którym Y oznacza wyróżniki doświadczenia,,x poziomy niezależnych czynników doświadczenia,%, a β, β 1, β, β 11, β i β 1 współczynniki równania. ogólnym dopasowaniu modelu wnioskowano na podstawie współczynnika determinacji R, a o istotności zmienności poszczególnych parametrów na podstawie analizy wariancji przy poziomie ufności p,. mówienie i dyskusja wyników Przepuszczalność pary wodnej W ocenie efektów głównych wykazano, że wprowadzenie lub zmiana stężenia substancji stanowiących predykatory jakościowe, którymi były APTES i glicerol, istotnie wpływały na zmianę wartości przepuszczalności pary wodnej przez powłoki (tabela ). W wyniku usieciowania struktury filmów, spowodowanego dodatkiem APTES, wartości analizowanego parametru uległy zmniejszeniu, korzystnie kształtując tę cechę. Filmy chitozanowe, podobnie jak wiele innych powłok jadalnych, będących mieszaniną polisacharydów i białek, charakteryzują się dość niską barierowością w stosunku do wody, co ma związek z dużą hydrofilowością chitozanu 6). Zastosowanie substancji sieciującej zwykle powoduje zmniejszenie ogólnej hydrofilowości powłok czy membran chitozanowych. Jednak nie wszystkie związki sieciujące reagują w ten sam sposób z chitozanem i prowadzą do wytworzenia tych cech, czego dowodem są badania Liu i współprac. 7), którzy również uzyskali wyższą hydrofilowość membrany chitozanowo-krzemianowej po zastosowaniu γ- glicydoksypropylotrimetoksysilanu. Jednocześnie odnotowano, że zwiększający się udział plastyfikatora w próbkach powodował zwiększenie przepuszczalności pary wodnej przez badane filmy od,363 ng m/m Pa s do,43 ng m/m Pa s dla odpowiednio - i -proc. udziału plastyfikatora. Uwzględniając interakcję obu czynników i ich wpływ na przepuszczalność pary wodnej przez filmy, zauważono przeważający wpływ glicerolu, który zdominował skutki zastosowania APTES, powodując zwiększenie przepuszczalności (tabela ). Stwierdzono istotną różnicę w przepuszczalności pary wodnej przez próbki sporządzone z 1-proc. udziałem pochodnej krzemianu, dla których odnotowano niższe wartości niż w pozostałych przypadkach. bniżenie wartości tego parametru,48 b,363 a,396 a,b 1,389 b 1,383 a,43 c Tabela. WVP filmów (analiza efektów głównych i interakcji dla predyktorów jakościowych) Table. Water vapor permeability of films (analysis of main effects and interactions for the predictors) Efekty główne Interakcje APTES (A) glicerol (G) AxG,36 a,b,377 a,b 1,346 a 1,389 b,c,399 b,c 1,383 b,436 d,447 d 1,4 c,d a-c różnice istotne statystycznie dla kolumn w obrębie czynników przy p, z,399 do,383 ng m/m Pa s zauważono zarówno dla powłoki wytworzonej z hydrozolu zawierającego 1% glicerolu, jak i dla powłoki o tym samym stężeniu glicerolu oraz najwyższym udziale silanu (tabela ). Wytrzymałość powłok na rozerwanie i przebicie Stwierdzono, że na wytrzymałość powłok na rozciąganie dodatni wpływ miał dodatek APTES (tabela 3, rys. 3). Wraz ze wzrostem jego zawartości wzrastała wytrzymałość. Z kolei zwiększanie stężenia glicerolu w próbkach powodowało zmniejszanie wytrzymałości na rozciąganie uzyskanych filmów. Średnia F maks. wynosiła,11 N/mm, co jest wartością typową dla powłok polisacharydowych, dla których wartości tego typu naprężeń oscylują w zakresie 1 7 MPa 8). Analizując wytrzymałość filmów na zerwanie, wykazano podobną zależność jak w przypadku prób wytrzymałości na rozciąganie. Wraz ze wzrostem stężenia glicerolu w próbkach malała ich wytrzymałość na zerwanie, natomiast wraz ze wzrostem dodatku APTES odnotowy- Tabela 3. cena efektów głównych oraz interakcji wyznaczona na podstawie wartości współczynników równań regresji dla właściwości mechanicznych Table 3. Evaluation of main effects and interactions fixed on the basis of fitting model coefficients for mechanical properties Współczynniki równania kwadratowego Wytrzymałość Wytrzymałość F na rozciąganie na zerwanie, maks.p N F maks, N/mm F z, N/mm β (stała/średnia),11 1, 6,184 β 1 (APTES L),169 3,677 7,638 β (glicerol L) -9,1-17,8 -,376 β 11 (APTES Q),141,469-9,31 β (glicerol Q) -8,17-4, 3,194 β 1 (APTES x glicerol) -1,18 -,11 -,781 istotność czynnika dla p, Mgr inż. Karolina SEMERIAK w roku 9 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu, Mgr inż. Ewa BRYCHCY w roku 11 ukończyła jednolite studia magisterskie na Wydziale Chemicznym Politechniki Wrocławskiej. Specjalność medicinal chemistry. W 1 r. ukończyła studia na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. Specjalność towaroznawstwo artykułów spożywczych. Jest doktorantką na Wydziale Nauk o Żywności na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. 11 91/(1)
Rys. 3. Wpływ dodatku APTES i glicerolu na wytrzymałość powłok na rozciąganie Fig. 3. Effect of 3-aminopropyltriethoxysilane and glycerol addition on the tensile strength of coatings Rys.. Wpływ dodatku 3-aminopropylotrietokdysilanu i glicerolu na zerwanie maksymalną siłą przebicia powłok Fig.. Effect of 3-aminopropyltriethoxysilane and glycerol addition on the maximum puncture force of coatings Istotność czynników wpływających na maksymalną siłę przebicia chitozanowych powłok związana była z dodatkiem czynnika sieciującego, którym był APTES (tabela 3). Dość skomplikowana zależność wytrzymałości na zerwanie od udziału tego składnika w filmie została przedstawiona za pomocą powierzchni odpowiedzi na rys.. Zaobserwowano dodatni wpływ zawartości silanu w powłoce, gdy zależność tę przedstawiano w postaci korelacji liniowej, jednocześnie odnotowano ujemne oddziaływanie tego samego czynnika w zależności kwadratowej. Przy zastosowaniu APTES na średnim poziomie zarejestrowano najniższe wartości siły przebicia, natomiast zwiększając jego stężenie lub nie dodając go w ogóle, odnotowano podwyższenie wartości omawianego parametru (tabela 3, rys. ). Wynik ten sugeruje możliwość zastosowania jeszcze wyższych stężeń pochodnych krzemianu w celu maksymalizacji siły przebicia polisacharydowych powłok ochronnych. Dla wszystkich analizowanych parametrów określono współczynniki dopasowania modelu R i R, na podstawie których stwierdzono dobre dopasowanie wyników do zaprezentowanego modelu (tabela 4). Rys. 4. Wpływ dodatku 3-aminopropylotrietokdysilanu i glicerolu na wytrzymałość powłok na zerwanie Fig. 4. Effect of 3-aminopropyltriethoxysilane and glycerol addition on the breaking strength of coatings wano wzrost wartości tego parametru (tabela 3, rys. 4). Niższa średnia wartość wytrzymałości na zerwanie w przybliżeniu o N/mm od wartości średniej wytrzymałości na zerwanie (tabela 3) wynika z uplastycznienia powłoki i tak zwanego płynięcia materiału, stąd końcowa wartość wytrzymałości zerwania powłoki jest mniejsza 9). Mgr inż. Natalia ULBIN FIGLEWICZ w roku 11 ukończyła studia na Wydziale Nauk o Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, braz zerwanej struktury w elektronowym mikroskopie skaningowym Badania z zastosowaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) umożliwiły wnikliwą ocenę przełamów otrzymanych powłok wytworzonych z chitozanu, APTES oraz glicerolu, zastosowanych w stężeniach założonych w układzie doświadczenia (tabela 1). Zauważono, że -proc. udział APTES w powłoce o niskim stężeniu glicerolu nieznacznie zmieniał jej strukturę wewnętrzną (rys. 6 i 7). Z kolei zmniejszenie stężenia glicerolu w składzie powłok sporządzonych z 1-proc. udziałem APTES powodowało zwiększenie porowa- Tabela 4. Współczynniki dopasowania modelu wyznaczone dla właściwości mechanicznych Table 4. Fitting model coefficients fixed for mechanical properties Wytrzymałość Wytrzymałość Współczynniki na rozciąganie F regresji maks, na zerwanie F z, N/mm N/mm F maks.p, N R,91,6,97 R,9,64,8 91/(1) 113
Rys. 6. Elektronogram powłoki z chitozanem i -proc. zawartością glicerolu (wariant 1) Fig. 6. Electronogram of coating with chitosan and glycerol % (variant 1) Rys. 8. Elektronogram powłoki z chitozanem, APTES 1% i glicerolem % (wariant 7) Fig. 8. Electronogram of coating with chitosan, APTES 1% and glycerol % (variant 7) Rys. 7. Elektronogram powłoki z chitozanem, APTES % i glicerolem % (wariant 4) Fig. 7. Electronogram of coating with chitosan, APTES % and glycerol % (variant 4) Rys. 9. Elektronogram powłoki z chitozanem, APTES 1% i glicerolem % (wariant 9) Fig. 9. Electronogram of coating with chitosan, APTES 1% and glycerol % (variant 9) tości materiału (rys. 8). Chen i współpr. 1) sugerują, że stężenie silanu wyższe niż 1% powoduje pojawienie się ziarnistości, widocznej także na elektronogramie przedstawionym na rys. 9. Jednak 1-proc. udział składnika sieciującego przy największym stężeniu plastyfikatora powodował zmianę morfologii powłok chitozanowych o charakterze stałym, co szczególnie uwidoczniło się na przełomach poprzez wykształcenie się struktur o łagodnym ukątowaniu (rys. 9). Świadczy to o uplastyczniającym wpływie glicerolu na strukturę powłoki chitozanowej wytwarzanej z udziałem substancji sieciującej. Według Martineza i współprac. 11) rozmieszczenie krzemianów w powłoce i ich połączenie z chitozanem może być nierównomierne. Jednak stwierdzają oni jednocześnie, że udział tetraetoksysilanu w powłoce chitozanowej powoduje, że jej struktura jest bardziej zwarta. Podsumowanie Użycie 3-aminopropylotrietylosilanu jako składnika filmów chitozanowych stwarza możliwości poprawy ich wytrzymałości mechanicznej oraz barierowości wobec pary wodnej. Zbyt duże stężenie glicerolu (drugiego modyfikatora) może powodować pogorszenie cech fizycznych polisacharydowych powłok ochronnych. Zastosowanie do wytwarzania powłok substancji sieciującej i plastyfikującej w optymalnych stężeniach umożliwia uzyskiwanie struktury kompaktowej, charakteryzującej się małą przepuszczalnością pary wodnej i dużą wytrzymałością na rozciąganie i przebicie. Praca wykonana w ramach projektu rozwojowego Nr N R1 79 6/9 pt. pracowanie metody poprawy jakości i bezpieczeństwa żywnościowego chłodniczo przechowywanego mięsa, finansowanego przez NCBiR. trzymano: -4-1 LITERATURA 1. V.K. Mourya, N. Nazma, React. Funct. Polym. 8, 68, 113.. J. strowska-czubenko, M. Pieróg, [w:] Modyfikacja polimerów. Stan i perspektywy w roku 9, ficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 9 r., 83. 3. S. tles, S. tles, Technologia Alimentaria 4, zesz. 3,. 4. M.N. Kumar, R.A. Muzzarelli, C. Muzzarelli, H. Sashiwa, A.J. Domb, Chem. Rev. 4, 14, 617.. J. Chruściel, E. Leśniak, M. Fejdyś, Polimery 8, nr 1, 79. 6. S.-I. Park, M. A. Daeschel, Y. Zhao, J. Food Sci. 4, 69, nr 8, 1. 7. Y.L. Liu, Y.H. Su, J.Y. Lai, Polymer 4, 4, 6831. 8. K. Sztuka, I. Kołodziejska, Polimery 8, nr 9, 6. 9. S. B. Ross-Murphy, Physical techniques for the study of food biopolymers, Blackie Academic & Professional, 1994 r., 346. 1. J. Chen, Q. Liu, X. Zhang, Q. Zhang, J. Membr. Sci. 7, 9, 1. 11. Y. Martinez, J. Retuerta, M. Yazdani-Pedramb, H. Colfen, Polymer 4, 4, 37. 114 91/(1)