魚ゼラチンフィルムの技術的特性に及ぼすポリビニルアルコールとカルボキシメチルセルロースの影響

Dec 12, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10497 (2022) この記事を引用

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この研究の目的は、ゼラチン/カルボキシメチルセルロース (FG/CMC) とゼラチン/ポリビニルアルコール (FG/PVOH) を混合することにより生分解性フィルムを開発し、これらのポリマーの添加が魚ゼラチンフィルムの特性に及ぼす影響を評価することでした。フィルム FG/CMC および FG/PVOH は 90/10、80/20、および 70/30 の比率で製造され、それらの物理的、化学的および機能的特性を特徴付けました。 CMCとPVOHの添加により、ゼラチンフィルムの機械的強度、バリア性、水溶性が向上しました。 FG/CMC フィルムは、FG/PVOH よりも高い引張強度と高い溶解性を示しました。 CMC の濃度が最大になると機械的抵抗が最大になりますが、PVOH 含有量が最大になると溶解度が最も低いフィルムが生成されます。提案された混合システムは、魚ゼラチンフィルムの特性を改善するのに適切であることが証明されており、包装分野での応用の可能性があります。

新しいテクノロジーと現在の世界の需要、さらには包装（一次、二次、三次）を必要とする加工食品の大量消費により、固形廃棄物の発生量が増加しており、固形廃棄物は数百、または数千年にわたって残存しています。環境中に何年も存在し、経済的および社会的問題だけでなく環境危機を引き起こします1。これを考慮すると、すでに観察されている深刻な環境問題と生態学的リスクにより、石油由来のプラスチック包装の運命についての懸念が高まっています2、3。

生分解性フィルムパッケージは、プラスチックフィルムとして予め形成された薄層であり、一般にキャスティング技術または押出成形によって製造され、食品を包むために使用されます4。バイオポリマーから製造される生分解性フィルムは、石油ベースのプラスチックを削減または代替する可能性がある場合、非生分解性プラスチック残留物5の処理によって引き起こされる環境への影響を軽減する上で重要な役割を果たします。このような生物学的ベースのフィルムは、経済的で環境に優しい方法で、封じ込め、保護、保存、情報のすべての必要な機能を提供する必要があります6。

従来の材料で製造されたフィルムの代替として、環境を汚染しないフィルムを開発するために、生分解性、非毒性、生体適合性、再生可能な原料を使用して多くの研究が行われてきました7。これらの原料の中でも、コラーゲンの部分加水分解から得られる動物性タンパク質であるゼラチン8は、フィルムの形成や光や酸素のバリア性などの優れた特性により、生分解性食品包装開発の有望な原料として際立っています9。

骨や皮などの加工残渣から抽出された魚ゼラチンは、ウシやブタの原料を入手する際の社会文化的および健康的側面から、哺乳類の代替品となる可能性があります10。さらに、生分解性フィルムの開発に廃棄物を利用することは、漁業と環境にとって重要な利点をもたらします11。ゼラチンフィルムはフィルム製造に適した特性を備えていますが 12、この材料の親水性により用途が制限される可能性があります 13。ゼラチンフィルムは、従来のプラスチックと比較すると機械抵抗が低く、耐水性も低いため、包装材料として使用する場合の主な欠点の 1 つです。

これらのフィルムの機能的特性を改善するために多くの研究が行われており、その中には、ゼラチンフィルムの特性をより効率的にするための他のポリマーとの混合も含まれる。タンパク質/多糖類および/または合成/天然ポリマーなどのポリマーの混合により、複合フィルムを得ることが可能になり、その結果、純粋な成分よりも優れた特性を備えた材料が得られます。フィルムの物理的および化学的特性を改善できるため、さまざまな用途が可能になり、最終製品で優れた性能が得られます6。

カルボキシメチルセルロース（CMC）は、セルロースの水酸基の一部をカルボキシメチルに置換し、エーテル化反応により生成するアニオン性セルロース誘導体です。食品、医薬品、繊維産業は、フィルム形成に有利な特性を示すことに加えて、その生分解性、生体適合性、入手可能性、非毒性、優れた機械的特性およびバリア特性により、このポリマーに大きな関心を持っています14、15。

ポリビニルアルコール (PVOH) は、包装分野でも重要な合成ポリマー 16 であり、極性が高く 17,18、低コスト、無毒で生分解性 19 があり、ポリビニルの酢酸塩の加水分解によって商業的に製造されています 20。この材料は、その優れた酸素バリア性、機械的特性、耐薬品性、フィルム形成能力、水溶性、機械的特性、生体適合性により大きな注目を集めています21,22。 CMC と PVOH は、特性が改善された新しいポリマー材料を製造するためにポリマーブレンドに広く使用されています 22、23、24、25。

ゼラチン（FG）とカルボキシメチルセルロースやポリビニルアルコールなどの他のポリマーの混合物からフィルムを開発することは、漁業によって発生する残留物の使用に対する実行可能な代替手段であり、環境への影響を軽減し、同時にフィルムの特性を改善します。より機能的なゼラチンフィルムにより、生分解性包装材としての使用の可能性が高まります。したがって、この研究の目的は、ゼラチン/カルボキシメチルセルロース (FG/CMC) とゼラチン/ポリビニルアルコール (FG/PVOH) を混合することによって生分解性フィルムを製造し、これらのポリマーの添加が魚ゼラチンフィルムの特性に及ぼす影響を評価することでした。

フィルム製剤の主成分である魚ゼラチンは、Indústria de Pesca, Ecomar Ltda (Vigia、PA、ブラジル) から寄贈されたイエローメルルーサの皮 (Cynoscion acoupa) から抽出されました。塩化ナトリウム (NaCl) (Exodus Cientifica、SP、ブラジル、スマレ)、水酸化ナトリウム (NaOH) (Exodus Cientifica、ホルトランディア、SP、ブラジル)、酢酸 (C2H4O2) (Cinética、SP、SP、ブラジル)、ナトリウム塩カルボキシメチルセルロース—CAS 9004-32-4 (ブラジル、スザノ、SP、ネオン)、ポリビニルアルコール HD = 89.5% 加水分解 — CAS 9002-89-5 (ブラジル、スマレ、Exodus Cientifica) およびグリセロール — CAS 56-81-5 (Isofar、リオデジャネイロ、RJ、ブラジル) は地元企業から購入されました。

魚ゼラチンの抽出は、26 によって記載された方法論に従って実行されました。皮を 4 cm × 4 cm に切り、流水で洗浄し、0.6 M 塩化ナトリウム (NaCl) - CAS 7647-14-5 溶液、0.3 M 水酸化ナトリウム (NaOH) - CAS 1310-73- 溶液に 15 分間浸漬しました。 2 で 15 分間、最後に酢酸 (C2H4O2) - CAS 1189-52-3 0.02 M、比率 1:5 (重量/体積) で 60 分間。すべての段階は撹拌（25 °C で 85 rpm）下で行われ、皮膚は水で洗浄され、これを 3 回繰り返しました。続いて、皮を水浴 (Tecnal、Te-057、ブラジル) に 60 °C で 6 時間入れてゼラチンを抽出し、得られた物質をフェイレット生地で濾過しました。次に、得られた溶液をステンレス鋼のトレイに入れ、オーブン (Tecnal、Te-394/3、ブラジル) で 50 °C で 16 時間乾燥させました。最後に、ゼラチンを真空パックし (Fastvac Wrapping Machine、F200、ブラジル)、フィルムが製造されるまで -22 °C で保管しました。

映画はキャスティングによって制作されました。フィルムは、90/10、80/20、および 70/30 の比率のポリマー溶液 FG/CMC および FG/PVOH の混合物から作成され、溶液の合計濃度は 3% (m/v)、10% (m/v) でした。 /mポリマー）の可塑剤。

ゼラチン (G)、カルボキシメチルセルロース (CMC)、およびポリビニルアルコール (PVOH) を蒸留水に溶解して、フィルム形成溶液を別々に調製しました。ゼラチン膜形成溶液 (FG) を調製するために、グリセロールを可塑剤として添加し、水浴 (Tecnal、TE-057、ブラジル) 中で 70 °C で 15 分間加熱しました。 CMC 溶液と PVOH 溶液をそれぞれ 70 °C と 90 °C に 60 分間加熱し、FG 溶液と混合しました。

ＦＧ／ＣＭＣフィルム形成溶液を振盪プレート（Ｑｕｉｍｉｓ、Ｑ－２２１．１、ブラジル）上に置き、ＦＧ／ＰＶＯＨをホモジナイザー（ＵｌｔｒａＳｔｉｒｒｅｒ－３８０、ブラジル）内で、両方とも３０分間撹拌した。最後に、それらをシリコン支持体 (直径 22 cm × 高さ 3 cm) 上に置き、オーブン (Tecnal、Te-394/3、ブラジル) で 30 °C で約 15 時間乾燥させました。得られたフィルムを真空パックし、室温で保管した。対照フィルム（ＦＧ）も、ＣＭＣおよびＰＶＯＨを添加せずに作製した。

厚さは、分解能０．００１ｍｍのデジタルマイクロメータ（ブラジル、サンパウロ、ＳＰ、ＩｎｓｉｚｅＣｏ．、モデルＩＰ５４）を使用して測定した。 60 mm のエッジ間隔に従って、各フィルムの周囲に 8 つのランダムな位置が選択されました。

フィルムの破断点での引張強さと伸び率を測定するために、標準法 ASTM D882-9127 に従ってテクスチャー分析装置 (Stable Micro Systems、モデル TA.XT-Plus、英国) を使用しました。グリップの間隔とプローブ速度はそれぞれ20 mmと1 mm s-1でした。フィルムを６０ｍｍ×２５ｍｍ（長さ×幅）の小片に切断し、引張強さ（ＴＳ）および伸び率（％Ｅ）を式１および式２により計算した。それぞれ (1) と (2) です。分析は 3 回繰り返して実行されました。

ここで、TS：引張強さ（MPa）。 Fm：フィルムが破断するときの最大力（N）。Ａ：フィルムの断面積（ｍ２）。Ｅ：伸び（％）； dT: 破断時の総距離 (mm)。 d 初期: 爪の初期分離距離 (50 mm)。

フィルムの水蒸気透過性 (WVP) は、28 に記載されている修正 ASTM D882-95 方法によって測定されました。サンプルは、10 g のシリカゲル (0% 0%) を含む 4.5 × 7.0 cm (内径 × 高さ) のガラス透過容器の円形開口部にシリコン接着剤 (Orbi Química Co.、レメ、SP、ブラジル) で密封されました。 RH; 30 °C での水蒸気圧 0 Pa)。これらの容器を、30 °C の蒸留水 (相対湿度 99%、30 °C での水蒸気圧 4244.9 Pa) の入ったデシケーター内に置きました。それらの体重を1時間間隔で10時間測定した。 WVP は式から計算されました。 (3) 分析は 3 回実行されました。

ここで、WVP: 水蒸気透過率 (gm m−2 S−1 Pa−1)。 W: 乾燥剤による重量増加 (g)。Ｘ：膜厚（μｍ）； A：露出したバイオフィルムの表面積（m2） t：インキュベーション時間（時間）。 ΔP：分圧差（Pa）。

溶解度を測定するために、フィルムを直径 2 cm のディスクに切断し、105 °C のオーブンに 24 時間置き、重量を測定しました。続いて、50 mlの水が入った容器に浸し、冷蔵シェーカーインキュベーター（Lucadema、モデルLUCA-223）内で150 rpmの速度で25℃で24時間振盪した。最後に、サンプルを乾燥させ (105 °C で 24 時間)、水に溶解していない乾燥物を測定しました 29。分析は 3 回繰り返して実行されました。

サンプルの計器色は、ポータブル比色計（モデル CR 400、コニカミノルタ株式会社、東京、千代田）を使用して決定され、L*（明るさ）、a*（赤色の強度）、b*（赤色の強度）のパラメータが得られました。の黄色）、総色差（ΔE*）は式（1）に従って計算されました。（４）コントロールフィルム（ＦＧ）に関して。

ここで、Δは、白色標準に対するバイオフィルムサンプルの色パラメーターの差です（L：95.59; a：-5.56; b：8.16）。

不透明度は、分光光度計（DU 640、Bachman、USA）を使用して600 nmの波長で分析し、吸光度を測定しました。フィルムの不透明度は、式(1)を使用して計算されました。（５）３０．

ここで、O = 不透明度。 Abs600 = 600 nm での吸光度、x = フィルムの厚さ (mm)。

顕微鏡写真を取得するために、サンプルを、約15 nmの厚さで金で金属化された両面粘着テープ（Emitech、モデルK550X、英国）で支持体上に1.5分の被覆時間で固定した。フィルムの断面画像は、走査型電子顕微鏡 (Zeiss、モデル EVO-MA-10、ドイツ) を使用して、10 kV の一定加速電圧および 500 倍の倍率で得られました。ビーム電流は100μA、作動距離は8.5mmです。

熱重量曲線は、31 に従って、TGA-50 Shimadzu (日本) 分析装置を使用して得られました。サンプルは、25 ～ 600 °C の温度範囲で、50 ml/分の窒素雰囲気下で 10 °C/分の加熱速度にさらされました。

FTIR 分析は、Agilent 分光計モデル Cary 630 を使用し、650 ～ 4000 cm-1 の範囲で全減衰反射率手法を使用し、分解能 4 cm-1、スキャン 32 回の蓄積で実行しました。

X 線回折 (XRD) 測定は、Siemens D5000 X 線回折計を使用し、それぞれ 40 kV および 40 mA の電圧および電流で加速された Cu-Kα 放射線 (λ = 1.78901 nm) を使用して実行されました。 XRDパターンは、5°～80°のスキャン範囲2θで0.02°/分のステップサイズで収集されました。

分析結果は分散分析 (ANOVA) および Tukey 検定 (p < 0.05) に供され、Statistica® バージョン 7.0 プログラムを使用して分析されました32。

結果は、厚さの値の間に差（p < 0.05）を示し（図1a）、CMCおよびPVOHを含むフィルムは、対照（FG）と比較してより大きな厚さを示しました。これは、ポリマー間の相互作用による微細構造の変化に起因すると考えられます33。結果は、使用した濃度に関係なく、このパラメーターが添加されたポリマーの種類 (CMC および PVOH) に関連していることを示しています。

以下の特性の平均値と標準偏差 (SD): (a) 厚さ。 (b) 引張強さ (TS)。 (c) 伸び (%E); (d) 水蒸気透過性 (WVP)。 (e) FG フィルム、90FG/10CMC、80FG/20CMC の溶解度。 70FG/30CMC; 90FG/10PVOH、80FG/20PVOH、70FG/30PVOH。異なる文字は、有意に異なる値を表します (p < 0.05)。

対照（FG）は引張強度が低く、これは魚ゼラチンで作られたフィルムの特徴であり、食品包装としての使用が制限されています34。フィルムマトリックスに添加されたCMCの量はTS値を増加させ（p < 0.05）、ゼラチン（FG）と比較してフィルムの耐性を高めましたが、伸び（％E）は低下しました（図1b）。最大の TS 値は、混合物中の 30% の CMC で得られましたが、対照的に、この同じ組成では最も低い % E が示されました。タンパク質多糖フィルムを評価した場合、この研究で見つかったのと同様の挙動が観察されました 35。

この挙動はゼラチンとCMCの間の相互作用によるものである可能性があり、これによりフィルムの耐久性が高まり、フィルムの構造的凝集力が高まったことを示唆しています。このような特性は、2 つのポリマー鎖間に強力で多数の結合を形成するポリマーの能力に関連しており、機械的な力が加わったときにそれらの結合がより困難になります 36。また、構造的凝集力の増加により、フィルムの柔軟性が低下し、その結果、% E37 の割合が低下します。 38 によれば、混合膜の機械的特性はポリマー鎖間の分子間力と各ポリマーの分子対称性に依存します。

ポリマー間の相互作用に加えて、CMC ゼラチンフィルムの優れた機械的強度は、半結晶構造の観点から部分的に説明できます 35。結晶化度が高くなると、非晶質構造に比べてトラクションに対する抵抗力が大きくなります。分子の移動の自由度39。

FG/PVOH フィルムは、混合物中の PVOH が添加および/または増加したため、対照フィルムよりも高い引張強度を示しました。ただし、CMCフィルムのTSよりは低くなります。同様の現象が他の研究者によって報告されています40,41。伸びに関しては、42,43 で説明されているように、PVOH は非常に伸張性の高いフィルムを製造できるポリマーです。

44 によれば、ポリマー間の分子間相互作用の発生により、分子間および分子内の水素結合が形成され、引張強度が大幅に向上します。 PVOH は、柔軟な C-C 結合と鎖中に多数の OH 基が存在するため、良好な機械的特性を備えています45。いくつかのヒドロキシル基が存在すると、PVOH は可塑剤として作用することができ、分子の自由体積と移動度が増加し、その結果ポリマーマトリックスの密度が低くなり、柔軟性が向上します 46。この研究では、FG/PVOH フィルムの %E の増加は、ポリマーマトリックスへの PVOH の組み込みによりゼラチンのタンパク質鎖間の相互作用の数が減少し、水素を介してそれらと他の PVOH 鎖の間の結合が促進されたために起こったと考えられます。 FT-IR の結果に示されるように、結合47。

一般に、CMC と PVOH をゼラチンフィルムに組み込むと、機械的特性にプラスの影響があり、フィルムの耐久性と柔軟性が向上します。

複合フィルム FG/CMC および FG/PVOH は、対照と比較した場合、調査したすべての濃度で水蒸気透過性が低いことを示しました (p < 0.05) (図 1c)。 CMC を含むフィルムにおける WVP の減少は、水素結合、疎水結合、静電結合など、タンパク質と多糖鎖間の強力な分子間相互作用によるものと考えられます48。これにより、マトリックス内の空間と分子間距離が減少し、水分子の拡散が促進されます。難しい49。セルロース繊維の高い結晶性と疎水性もフィルムの WVP に影響を与えている可能性があります。これを組み込むと曲がりくねった経路が生じ、フィルムマトリックスを通る水分子の通過が妨げられる可能性があります50。

FG/PVOH複合フィルムに関しては、ポリビニルアルコールを添加すると、このポリマーのOH基が水素結合などの分子間力によってゼラチン鎖と相互作用し、親水基の数が減少します。フィルム内のポリマー鎖間の強い相互作用により、構造マトリックスを通る水蒸気分子の透過が減少し、WVP 値が減少します41。さらに、PVOH の分子構造がより秩序正しくなり、OH 基の数が増加することは、FG/PVOH 複合フィルムの極性と結晶性の増加を反映しています。

研究した CMC および PVOH の濃度はフィルムの WVP に影響を与えず、ポリマーの種類もフィルムと水の相互作用に影響を与えませんでした (p > 0.05)。研究された複合フィルムで見つかった WVP 値は、ポリマー混合物を使用して以前に実行された結果と一致しています 51、52、53。

FG 対照フィルムの溶解度は最も高く (図 1d)、魚皮ゼラチンフィルムについて報告されている値 (64%) と同様でした。これらのフィルムの高い溶解性は、タンパク質の親水性（極性ペプチドの存在）とフィルムに添加される親水性可塑剤（グリセロール）の関連含有量により、特に包装などの用途において、従来のプラスチックの使用を置き換えるには制限となります。フィルムに弾力性を与える34。

CMC と PVOH を添加すると、フィルムの溶解度が大幅に低下しました (p < 0.05)。使用されるＣＭＣの濃度は、ゼラチンポリペプチド鎖と添加されたポリマーとの絡み合いを提供するのに十分な濃度である。この干渉により、ゼラチンが水分子と相互作用する能力が大幅に阻害される可能性があります35。

FG/PVOH フィルムでは、溶解度の低下は、ゼラチンと PVOH 分子間の水素結合の形成によるものと考えられます。これにより、利用可能なヒドロキシル基の量が減少し、ポリマーと水分子との結合が困難になります 33。結果は、ポリマーの組み合わせがゼラチンフィルムの完全性と耐水性を改善することを示しました。これは、高湿度の食品の生分解性包装として材料を使用する場合に重要な特性です。

色と不透明度は食品の外観と消費者の満足度に直接影響を与える可能性があるため、これらは重要な包装特性です55。色テストでは、CMC と PVOH の添加が色パラメーター L*、a*、b* に影響を与えることが示されました (図 2a ～ c)。

色パラメータの平均値と標準偏差 (SD): (a) L*; (b) a*; (c) b*、(d) ΔE、および (e) FG、90FG/10CMC、80FG/20CMC の不透明度。 70FG/30CMC; 90FG/10PVOH、80FG/20PVOH、70FG/30PVOHフィルム。異なる文字は、有意に異なる値を表します (p < 0.05)。

分析したすべてのフィルムについて、a* の値は負であり、緑色成分の存在を示しますが、パラメータ b* は正で黄色の傾向があります。 FG/CMC フィルムでは、対照フィルムと比較すると、L* および a* の値が減少し、b* が増加しました (p < 0.05)。つまり、光の反射が少なくなります。 FG/PVOH 混合物は、L* と b* の値に関して同様の挙動を示しましたが、パラメーター a* はより高い値を示しました。 a*、b*の値がゼロに近いことから、フィルムはやや灰色を呈していると考えられる。総色差値 ΔE は、添加したポリマーの量と種類には影響されませんでした。

FG、FG/CMC、および FG/PVOH 混合物を含む、製造された生分解性フィルムを図 3 で観察できます。フィルム形成溶液に添加された CMC および PVOH 濃度の影響は、フィルムの L* パラメータで観察され、有意な変化が見られました。減少。この挙動は、ポリマー鎖間の間隔の減少によるフィルム形成マトリックスの圧縮によって説明でき、フィルムを通過する光の通過が減少する56。これは、ポリマーの添加により透明度が低下することを示す不透明度の結果によって確認された。寒天の濃度を増加させたゼラチンフィルムで 57 によって得られた結果と同様の結果。この研究で観察されたすべての複合フィルムの透明度の値は、広く商業化されている合成プラスチックである低密度ポリエチレン (4.26 A600/mm) で報告されている透明度の値よりも低いです58。

生分解性フィルム: (a) FG; (b) 90FG/10CMC。 (c) 80FG/20CMC。 (d) 70FG/30CMC。 (e) 90FG/10PVOH; (f) 80FG/20PVOH、(g) 70FG/30PVOH。

FG コントロールフィルム、FG/CMC および FG/PVOH 化合物の FTIR スペクトルを図 4 に示します。FG スペクトルは、約 3274 cm-1 にゼラチンの特徴的なバンドを示しました（アミド A、NH の伸びを表します）。 – 水素結合に結合した結合）; 2922 cm−1 (H の伸びによる); 1639 cm-1 (アミド I、C=O、COO に結合した水素結合を表す); 1534 cm-1 (アミド II、CN の伸長と結合した NH 基の屈曲を表す) および 1244 cm-1 (アミド III、結合したアミドまたはグリシンの基の振動の CN および NH 結合面の振動を表す) CH2)59,60。 1041 cm-1 に位置するバンドは、可塑剤として添加されたグリセロール (基 -OH) にも対応します。

FG フィルム、FG/CMC および FG/PVOH 混合物の FT-IR スペクトル。

FG/CMC スペクトルを分析すると、CMC の添加後にいくつかのピークが新しい周波数にシフトしたことが観察できました。例えば、アミドＩのピークは、研究されたすべての割合において複合フィルムにおいて１６３９（ＦＧフィルム）から１６３０ｃｍ−１にシフトした。アミド I は通常、タンパク質の二次構造を分析するために使用されます61。このバンドの波数の減少は、ゼラチンのらせん構造など、タンパク質鎖の構造変化の発生を示唆している可能性があります62。一方、アミド II のピークは 1534 から 1525 cm-1 (90FG/10CMC) および 1524 cm-1 (80FG/20CMC; 70FG/30CMC) に、アミド III のピークは 1244 から 1234 cm-1 に変化しました。スペクトルの変化は、水素結合を介したタンパク質と多糖の相互作用の存在を示唆しました 49。さらに、バンドアミドAに対応するピーク3274cm-1は、ゼラチンとCMCの間の水素結合の発生により、3267cm-1だけ移動した。新たに形成された分子間変化により、フィルムの構造がより緻密になる可能性があります33。

FG/PVOH フィルムに関しては、PVOH をゼラチンに異なる割合で組み込むと、アミド I、II、III の領域での吸収の変化が観察され、化学結合の確立が示されました。これらのフィルムでは、ポリマー濃度に関係なく、1639 cm-1 に位置するアミド I を表すピークが 1631 cm-1 にわずかにシフトすることが観察されました。アミド I バンドはゼラチンの中で最も敏感であり、そのような挙動はゼラチンのカルボニル基と PVOH ヒドロキシル基の間の水素結合を介した相互作用の発生を示唆し、分子間力を増加させます。これはある意味、結晶化の発生を示している可能性があります。制作された映画の中で63。 PVOH の存在はアミド II バンドにも影響を及ぼし、1534 cm-1 から 1529 cm-1 への変位を引き起こし、アミド III バンドの特徴的な兆候にも影響を与え、1242 から 1192 cm-1 に変化しました。また、アミド A に関連するピークの変化も確認され、PVOH の割合が増加すると、ピークはより高い周波数に移動しました。これらの混合物の場合、3500 ～ 3200 cm-1 領域にあるピークは分子間および分子内水素結合の伸縮振動を示しており、ゼラチンと PVOH の間に水素結合が存在することを示しています。

TGA 分析では、ゼラチンベースのフィルムの熱安定性に対する CMC と PVOH の添加の影響を評価しました。TGA と DTGA の曲線を図 5 に示します。FG および FG/PVOH フィルムは 3 段階の重量減少を示しましたが、FG フィルムと FG/PVOH フィルムは 3 段階の重量減少を示しました。 FG/CMC 混合物は 2 段階のみを示しました。第 1 段階では、すべてのフィルムが 30 ～ 130 °C の温度範囲で 6 ～ 8.5% の質量損失を示しました。この段階は、自由水と吸収水の損失に関連しています64。

コントロールフィルム（FG）および混合フィルムのTGAおよびDTGAサーモグラム：（a）FG。 (b) 90FG/10CMC。 (c) 80FG/20CMC。 (d) 70FG/30CMC。 (e) 90FG/10PVOH; (f) 80FG/20PVOH; (g) 70FG/30PVOH。

対照フィルム (FG) では、第 2 段階が 225 ～ 265 °C で発生し、約 5% の質量損失が発生しました。これは、おそらく低分子量タンパク質画分と可塑剤に関連していると考えられます 65。そして第 3 段階では、275 ～ 345 °C で約 34% の質量損失が観察され、これはゼラチン主鎖のペプチド結合の熱分解によるものと考えられます66。

第 2 段階の FG/CMC フィルムは、240 ～ 345 °C で約 37% の重量減少を示しました。これはおそらくタンパク質と多糖類の分解によるものです。したがって、CMC の添加はフィルムの熱抵抗に影響を与えず、純粋なゼラチンフィルムと比較して安定したままであることがわかります。

FG/PVOH フィルムの第 2 段階では、180 ～ 250 °C で 14 ～ 16% の質量減少が見られましたが、第 3 段階では 275 ～ 360 °C で 26 ～ 29% の質量減少が観察されました。 FG/CMC と比較してこれらのフィルムの初期分解温度が低下していることは、ゼラチンと PVOH の間の分子相互作用がフィルムの熱挙動に影響を与えていることを示しており、これは熱安定性の低下によって示されています。

このマトリックスに他のポリマーを添加したときにゼラチンフィルムの結晶化度が変化する可能性を確認するために、XRD分析を実行しました（図6）。 FG フィルムの XRD パターンは、コラーゲンの特徴である少量の三重らせん構造の存在に起因する 2θ = 7°～8° の 2 つの回折ピークを示し、2θ = 21° の広い回折ピークを伴いました。タンパク質の非晶質ハローに相当します67。

(a) FG/CMC および FG フィルムの XRD パターン、および (b) FG/PVOH および FG フィルム。

図6aでは、すべてのFG/CMCフィルムがFGと同様のXRDプロファイルを示したが、より強度が高かったことがわかり、CMCがゼラチンマトリックス中によく分散されていることを示しています。ピーク強度の増加は、ゼラチンとCMCの間の分子間水素結合を介したポリマー間の相互作用の結果であり、より規則的な構造が生成され、フィルムマトリックスの結晶化度の増加を示しています。ピーク強度の増加は、ゼラチンフィルムおよびエピガロカテキンガレートでも観察されました 33。

図６ｂに示す回折図は、異なる割合のＰＶＯＨにより、半結晶材料の典型的な特性を備えたフィルムが生成されることを実証した。ブタゼラチンおよび PVOH フィルムでは、他の著者 68 が、この研究で観察されたものと同様の、2θ = 20°付近で半結晶性の回折ピークを取得しました。同様の XRD パターンも、69 による研究で純粋な PVOH フィルムで観察されています。 42 によれば、PVOH は分子のパッケージングと結晶化を可能にする柔軟な構造を持っていますが、ゼラチンは再飽和する傾向があるため結晶化します 61。

フィルムの微細構造を評価して、CMC と PVOH の添加がフィルムの構造に及ぼす影響を検証しました (図 7)。 FG フィルムの横断画像はより均質な構造を持っていますが、FG/CMC は不完全さを示しています。これは、ポリマーマトリックス中の異なる高分子の存在と、これらの成分間の相互作用による可能性があります 70。複合フィルム FG/CMC および FG/PVOH の微細構造は、ポリマーの濃度が増加するにつれてより均一になり、より緻密で緻密な構造が生成され、より優れた機械的特性とバリア特性を有する可能性があることが観察されます。この構造は、分子間ポリマーの会合または成分間の相溶性によるものである可能性があります71。

FGフィルムと、異なる比率のFG/CMC、FG/PVOH混合物の断面画像。

70FG/30CMC 混合物は、調査した割合の中で最も均質であることが特定され、この組成物で見出されたより大きな機械的抵抗によって確認されました。一方、PVOH を含むフィルムの構造では、ある程度の粗さの存在がより顕著であり、機械的結果と一致しており、FG/CMC の引張強度の値がより高いことが示されました。しかし、どの複合フィルムでも相分離の証拠は観察されず、両方のポリマー混合物の相溶性が実証されました。

FG フィルムの物理的、化学的、機能的特性は、CMC と PVOH の添加によって変更されました。ゼラチンフィルムと比較して、より優れた機械的耐性、水蒸気バリア性、および水溶性特性を備えたフィルムを製造するには、10%のCMCまたはPVOHを組み込むだけで十分であることが判明した。

FG/CMC フィルムは、より大きな機械的抵抗を示しましたが、FG/PVOH よりも水に対してより敏感でした。 SEM 分析により、フィルムの成分間の適合性が示唆されました。 70FG/30CMC フィルムはより高い引張強度を示しましたが、70FG/30PVOH は水への溶解度が低くなりました。

結果は、この研究で研究したポリマー混合物が魚ゼラチンフィルムの機能特性を改善するのに適切であることを示しました。生分解性と低生産コストの利点を活かし、廃棄物の使用とその結果としての環境への影響の削減により、包装分野での応用が期待できるフィルム製造の可能性を広げることができるもの。

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、筆頭著者に修士課程の奨学金を与えた高等教育人材改善調整機構（CAPES）、国家科学技術開発評議会（CNPq）、および研究大学院部長（PROPESP）に感謝したい。この研究に資金を提供していただきました。

動物実験室 - LAPOA、食品科学および技術大学院プログラム - PPGCTA、パラ連邦大学 - UFPA、ベレン、ペンシルバニア州、ブラジル

グリカ・デ・ヘスス・コスタ・フェルナンデス＆ルシア・デ・ファティマ・エンリケス・ロレンソ

ヴィコサ連邦大学食品技術学部、アベニュー州 PH Rolfs、s/n、ヴィコサ、MG、36570-900、ブラジル

ペドロ・エンリケ・カンペロ

食品科学部、ラブラス連邦大学、ラブラス、MG、37200-000、ブラジル

ジェーン・デ・アブリュー・フィゲイレード & ウーゴ・ジュニオール・バルボサ・デ・ソウザ

パラ連邦教育科学技術研究所 - IFPA、カスタンハル、ペンシルベニア州、ブラジル

マリア・レジーナ・サルキス・ペイショト・ジョエレ

ミナスジェライス連邦大学化学部、ベロオリゾンテ、MG、ブラジル

Maria Irene Yoshida

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GJCF: 概念化、検証、正式な分析、調査、視覚化の作成 - レビューと編集、調査。 PHC: 概念化。 JAF: リソース。 HJBS: 概念化、リソース、編集。 MRSPJ: 概念化、リソース。 MIY: リソースです。 LFHL: 構想、監督、プロジェクト管理。著者全員が原稿をレビューしました。

グリカ・デ・ヘスス・コスタ・フェルナンデスへの通信。

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転載と許可

フェルナンデス、GdC、カンペロ、PH、デ・アブリュー・フィゲイレド、J. 他魚ゼラチンフィルムの技術的特性に対するポリビニルアルコールとカルボキシメチルセルロースの影響。 Sci Rep 12、10497 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-14258-y

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受信日: 2022 年 2 月 25 日

受理日: 2022 年 6 月 3 日

公開日: 2022 年 6 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14258-y

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包装技術と研究ジャーナル (2022)

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