- 1 - ÚVOD Celosvětový důraz na ochranu životního prostředí a zajištění trvale udržitelného rozvoje si v posledních desetiletích vynutily přehodnocení výroby a spotřeby syntetických polymerů. Je možné alespoň zpomalit nepříznivý vývoj trvale udržitelného rozvoje? Jak zajistit trvale udržitelný rozvoj: znalost vlivu nových chemických látek na zdraví a životní prostředí omezit ukládání odpadů do půdy a moře rovnováha mezi spotřebou obnovitelných surovin a jejich obnovou orientace na dlouhodobější perspektivy ohleduplný přístup k přírodě a k přírodním zdrojům snižovat materiálovou a energetickou náročnost výroby a uplatňovat nízkoodpadové technologie Biodegradabilní polymery jsou atraktivní alternativou k tradičním nebiodegradabilním polymerům vyráběných z ropy. Životní cyklus biodegradabilních polymerů je znázorněn na obrázku:
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
- 1 -
ÚVOD
Celosvětový důraz na ochranu životního prostředí a zajištění trvale udržitelného
rozvoje si v posledních desetiletích vynutily přehodnocení výroby a spotřeby
syntetických polymerů.
Je možné alespoň zpomalit nepříznivý vývoj trvale udržitelného rozvoje? Jak zajistit trvale
udržitelný rozvoj:
znalost vlivu nových chemických látek na zdraví a životní prostředí
omezit ukládání odpadů do půdy a moře
rovnováha mezi spotřebou obnovitelných surovin a jejich obnovou
orientace na dlouhodobější perspektivy
ohleduplný přístup k přírodě a k přírodním zdrojům
snižovat materiálovou a energetickou náročnost výroby a uplatňovat nízkoodpadové
technologie
Biodegradabilní polymery jsou atraktivní alternativou k tradičním nebiodegradabilním
polymerům vyráběných z ropy.
Životní cyklus biodegradabilních polymerů je znázorněn na obrázku:
- 2 -
Celosvětová produkce plastů byla v roce 1996 asi 150.000.000 tun, což odpovídá spotřebě
cca 30 kg na osobu. Údaj průměrné roční spotřeby plastů je považován za měřítko
průmyslové vyspělosti země. V Evropě se vyrábí ročně přes 20.000.000 tun plastů. V USA
v r. 1979 výroba plastů předstihla v objemových jednotkách produkci kovů.
Z výše uvedeného je zřejmé, že celosvětově vzniká problém skládkování plastových obalů
(včetně ukládání odpadu do moře, který může ohrozit mořský život). Proto je v posledních
desetiletích snaha vyvíjet a vyrábět plasty biologicky rozložitelné.
Podle svého vzniku se plasty dělí na: 1. Přírodní polymery – mezi ně patří proteiny, škrob, celulosa a další
2. Semi-syntetické polymery – mezi ne patří plněné a kompositní materiály
3. Syntetické polymery – mezi ně patří např. PE, PP, PVC, PETF, PAD, PP a další
4. Mikrobiální polymery – které mají následující charakteristiku:
jsou produkovány mikroorganismy, živnou půdou je pro ně hydrolysovaný škrob
připravují se obvykle směsi různých polyesterů
produkty jsou úplně biodegradabilní, resp. recyklovatelné
náklady na jejich isolaci a čištění jsou vysoké
Plasty se obecně rozdělují podle schopnosti podléhat biologickému rozkladu na:
a) nerozložitelné – resistentní
b) těžce rozložitelné
c) hůře rozložitelné
d) snadno rozložitelné
Pět nejrozšířenějších syntetických plastů není biodegradabilní:
PE … používá se na výrobu pytlů na odpady, agrikulturní filmy, v automobilovém
průmyslu, na výrobu kontejnerů
PP … používá se např. na výrobu koberců, plen
PS … používá se např. na výrobu pohárků na nápoje, kontejnerů na potraviny
PETF … používá se na např. výrobu lahví na nápoje a vodu
PVC … používá se na potrubí, tuhé obaly
Úprava biologické rozložitelnosti syntetických plastů spočívá v tom, že se tyto mísí
s biopolymery. Úpravy vychází z předpokladu, že jsou-li do plastu přidány biopolymery,
stanou se tyto náchylnější k biodegradaci. Tyto produkty se vyrábějí např. vstřikováním,
- 3 -
označují se jako biologicky desintegrovatelné, nikoliv však biodegradovatelné! Jedná se o
tyto materiály:
1. Plněné materiály – tzv. materiály 1. generace
Vyrábějí se extrusí směsi syntetického polymeru, plniva (5–20 %, w/w) a dalších additiv.
Jako plniva se používá zejména škrob, ale také proteiny či celulosa. Příkladem je škrobem
plněný PVA. Škrob urychluje biologický rozklad PVA, ale i žádoucím způsobem ovlivňuje
zpracovatelské vlastnosti plněného PVA. Zrna škrobu jsou dispergována v polymerní matrici
bez toho, že by docházelo k chemické reakci. Škrob se enzymově degraduje a snižují se
mechanické charakteristiky produktu. Zároveň se působením vody a kyslíku degraduje i
syntetický polymer. Obvykle se materiály plněné škrobem rozpadají za dobu 3,5 roku.
Vznikají fragmenty syntetického polymeru.
Známé jsou také PE fólie plněné škrobem (až do 50 % hmotnosti), které se používají
hlavně jako pytle na odpadky či jednorázové tašky. V biologickém prostředí – v kompostu či
půdě – se tyto fólie rozpadají. Škrob se rozloží, ale PE podíl zůstává vůči tomuto prostředí
intaktní. Výhodou je značná redukce objemu odpadního materiálu.
Přídavek hydrolysátu kolagenu (Hykol) do PVA způsobuje, že volné bazické skupiny
(–NH2) příznivě ovlivňují tepelnou stabilitu PVA při zpracování, dále jeho mechanické
vlastnosti a konečně biologický rozklad v aerobním i anaerobním prostředí.
2. Kompositní materiály – tzv. materiály 2. generace
V tomto případě se používají jemné směsi škrobu a syntetického polymeru. Škrobová zrna
se rozmělní a želatinují v prostředí vody, amoniaku za zvýšené teploty. Druhou složku tvoří
hydrofilní kopolymery, např. PE / kyselina akrylová, popř. vinylalkohol. Biodegradace škrobu
proběhne asi za 40 dní. Biodegradace celého kompositního materiálu za 2–3 roky.
Většina přírodních polymerů je z obnovitelných zdrojů a jsou biodegradabilní, neboť
v průběhu času podléhají přirozenému rozkladu. Kromě bio-rozložitelnosti po době jejich
použitelnosti musí přírodní polymery splňovat řadu funkčních vlastností a musí být stabilní
v průběhu jejich skladování a použití. Pro příznivé ekologické a ekonomické vlastnosti se
biodegradabilní polymery uplatňují např. jako:
materiály pro agrikulturní filmy, např. secí pásky, kompostovací materiály
obaly pro kontrolovatelné uvolňování pesticidů, insekticidů
pleny, potravinářské obaly atd.
- 4 -
I. APLIKACE BÍLKOVIN
Klíčová slova Key words aplikace, použití application, utilisation
bílkoviny proteins rostlinná bílkovina plant protein živočišná bílkovina animal protein
Bílkoviny jsou polypeptidy s molekulovými hmotnostmi od několika tisíc do několika
milionů kDa. Kolagen je nejhojněji se vyskytující bílkovina u obratlovců, má molekulovou
hmotnost cca 285 kDa. Želatina je polypeptid s vysokou molekulovou hmotností (od 50 do
70 kDa) získaná částečnou hydrolýsou kolagenu. Kasein a syrovátka jsou bílkoviny mléka.
Mezi rostlinné bílkoviny patří např. sojový protein, pšeničný gluten, kukuřičný zein.
Mezi méně známé rostlinné bílkoviny patří např. bílkovina hrachu. Hrachové zrna obsahují
cca 25 % bílkovin, jejichž vlastnosti a složení jsou obdobné sojovým bílkovinám.
1. VLASTNOSTI A MOŽNOSTI ZPRACOVÁNÍ BÍLKOVIN
Klíčová slova Key words adhesivum adhesives
aminokyselina amino-acid aplikace application, utilisation
bariérové vlastnosti barrier properties bioplasty biopolymers fysikální physical
hydrofilní hydrophilic hydrofobní hydrophobic chemický chemical
lití casting mechanické vlastnosti mechanical properties
modifikace modification nepotravinářské použití non-food application
obal wrapping potravinářské použití food application
povlaky, nátěry coatings rozpustnost solubility
složení composition thermoplastifikace thermoplastic treatment
vlastnosti properties zpracovatelský proces processing
- 5 -
Proteiny jsou velmi citlivé na chemické a fysikální vlivy, což přináší problémy při jejich
zpracování, stabilisaci a skladování.
Fysikální nestabilita proteinů se týká změn na úrovni sekundární, terciární a
kvartérní struktury proteinu. Příkladem je ztráta nativních vlastností (denaturace),
Reaktivní skupiny aminokyselin a jejich procentuelní podíl v proteinech:
amidické skupiny (15 – 40 %)
karboxylové (kyselé) skupiny (2 – 10 %)
neutrální skupiny (6 – 10 %)
zásadité skupiny (13 – 20 %)
thiolové skupiny (0 – 3 %)
Modifikace proteinů:
1. Fysikální – působení teploty, tlaku, použití plastifikátorů, plniv a dalších additiv
Plastifikátory (změkčovadla) jsou obecně malé molekuly, např. polyoly (glycerol, sorbitol,
polyethylenglykol atd.), které pronikají do prostorů mezi polymerními řetězci, rozrušují
mezimolekulární síly (vodíkové vazby), čímž oddalují polymerní řetězce, zvyšující tak
flexibilitu polymerních řetězců a rovněž permeabilitu proteinu.
- 7 -
2. Chemická – kovalentní vazba chemického činidla na protein (např. síťování)
Naprostá většina proteinů (a také polysacharidů) tak, jak v přírodě vznikají, nemá
dostatečné vlastnosti pro technické aplikace a musejí být více či méně chemicky
modifikovány. Obecně platí, že čím větší stupeň chemické modifikace biopolymeru, tím
obtížněji pak podléhá biologickému rozkladu.
a) zvýšení hydrofility proteinu – začlenění polárních skupin do struktury proteinu, např.
–COOH, –NH2, –OH, –PO22-, –SO4
2-
b) zvýšení hydrofobity proteinu – začlenění nepolárních skupin do struktury proteinu,
např. aromatické nebo alkyl
c) síťování – kovalentní vazby mezi proteinovými molekulami
Chemické modifikace se např. používají např. k omezení citlivosti proteinů vůči vodě a to:
esterifikací karboxylových skupin methanolem či jinými alkoholy – touto úpravou se
omezí hydrofilní vlastnosti karboxylových skupin
síťováním – síťující činidla reagují s aminoskupinami
3. Enzymová – hydrolysující nebo síťující enzymy
Možnosti chemické modifikace proteinů znázorňuje níže uvedené schéma:
PROTEIN
Funkční skupina proteinu
Typ
modifikace (činidlo)
Nové funknční skupiny proteinu
–CO–NH2 (amidická)
deaminace (HNO2)
–COOH
–S–S– (disulfidická) redukce –SH
–SH (thiolová skupina)
oxidace (HO-)
–S–S–
oxidace (HCOOH)
–SO32-
–NH2
(aminoskupina)
acylace (acetanhydrid)
– NH–CO–CH3
deaminace (HNO2)
–OH
–COOH (karboxylová skup.)
esterifikace (CH3OH+HCl)
–CO–O–CH3
- 8 -
Modifikují se následující vlastnosti proteinů:
rozpustnost
rheologické vlastnosti
adhese na různé substráty
mechanické vlastnosti
bariérové vlastnosti
citlivost vůči vodě
Síťování kolagenu:
F funkční skupiny kolagenu
DA látky s dvojitou afinitou
V síťující látky
G standardní činění
a), b) součinně působící učínek
c) běžný činící účinek
Vliv chemické modifikace na vlastnosti proteinů shrnuje následující tabulka:
Modifikace Vlastnosti modifikovaného proteinu
Typ Začlenění skupin
Rozpustnost ve vodě
Povrchová adhese
Rozpustnost
Pevnost Polární Nepolární
Hydrofilisace
(schopnost přijímat vodu)
–COOH –NH2 –OH
–PO22-
–SO42-
↑↑
↑↑
↓↓
↓↓
↓
Hydrofobisace aromatické alkyl (–R)
↓↓ ↓↓ ↑↑ ↑↑ ↑
Síťování
kovalentní vazby
proteinových molekul
↓↓
?
?
↓
↑↑
↑ … vzestup ↑↑ … vysoký vzestup ↓ … pokles ↓↓ ….. významný pokles ? … záleží na konečném chemickém složení materiálu
- 9 -
1.2 Zpracovatelské techniky proteinů
Proteiny mohou být zpracovány v přítomnosti vysokého množství vody (např. filmy,
povlaky, adhesiva, povrchově-aktivní látky) nebo s nízkým množství vody (extruse).
Obecně se příprava filmů, povlaků a dalších forem z proteinů skládá ze tří kroků:
a) přerušení intermolekulárních vazeb (nekovalentní, případně kovalentní) stabilisujících
protein v jeho nativní formě chemickými nebo fysikálními metodami, čímž se dosáhne
větší pohyblivosti polymerních řetězců = rozpad nativní formy
b) uspořádání polymerních řetězců do požadovaného tvaru = formování tvaru
c) tvorba nových intermolekulárních vazeb a interakcí stabilizujících 3D-síť = stabilisace
nově vzniklého tvaru
Dva hlavní zpracovatelské procesy proteinů:
1. Rozpouštědlový způsob (lití)
Principem je, že se protein rozpustí nebo disperguje v rozpouštědle a požadovaná forma
výrobku vznikne litím roztoku, sprejováním roztoku nebo máčením a následným odpařením
rozpouštědla.
Proteinové filmy, povlaky a adehesiva se připravují rozpuštěním proteinu v rozpouštědle
(obvykle voda nebo ethanol) při nízkém nebo vysokém pH za zvýšené teploty, která zvyšuje
jejich rozpustnost. Koncentrace proteinu je obvykle do 20 % (w/w). S výjimkou kukuřičného
zeinu, pšeničného glutenu a keratinu je většina filmotvorných proteinů rozpustná ve vodě.
Filmy se připravují tak, že se nejdříve rozpustí v rozpouštědle protein za zvýšené teploty a
úpravy pH. Poté se přidají další složky (lipidy, síťovala, povrchově aktivní látky atd.).
Následně se směs zahřeje nad teplotu tání lipidů a homogenizuje se. Vylitím roztoku na desku
(sklo, silikon, ušlechtilá ocel) vznikne po odpaření rozpouštědla film. Tvorba filmu probíhá
v několika stupních. V prvním stupni jsou molekuly proteinu suspendovány ve vodě, čímž
dojde k určitému stupni rozkladu. Při aplikaci roztoku na vhodný substrát (sklo, silikon, ocel)
dochází ke strukturním změnám, při nichž jsou molekuly plošší a začínají se shlukovat.
V poslední fázi při odpařování rozpouštědla dochází mezi molekulami k interakcím a tvorbě
vazeb (iontové, hydrofobní), které zvyšují soudržnost materiálu.
- 10 -
2. Thermoplastifikace
Thermoplastifikace je velmi atraktivní alternativou přípravy filmů, neboť některé proteiny
vykazují termoplastické vlastnosti. Na rozdíl od rozpouštědlové technologie se při tomto
způsobu vyhneme odpařování rozpouštědla sušením. Princip spočívá v tom, že se protein
s použitím plastifikátorů zpracovává plastikářskými technikami nad Tg a ze vzniklé
kaučukovité hmoty se formuje požadovaný výrobek, který následným ochlazením získává
stabilní tvar.
V praxi se obvykle postupuje takto: Práškový protein se naplní do extrudéru, přidá se voda
(cca 20 %) a další plastifikátory (např. glycerin). Směs se intensivně míchá při určité teplotě
(cca 100 oC), aby se vytvořila těstovitá konsistence, která se poté vytlačuje přes formu na
požadovaný tvar a rozměry a nakonec se rychlým ochlazením fixuje tvar. Nejdůležitějším
rysem extruse je volba vhodných podmínek při zpracování směsi, tj. doba – teplota – tlak.
Teplota se pohybuje v rozmezí 140–200 oC, doba zpracování směsi v extrudéru od několika
sekund po několik minut Během extruse mění struktura proteinů: α-šroubovice přechází na β-
strukturu.
Fixace tvaru = zeskelnatění – jedná se o omezení pohyblivosti molekul proteinu, čímž
dojde k jejich fixaci. Omezení pohybu molekul se v praxi děje těmito způsoby:
a) snížením teploty pod Tg (teplota skelného přechodu) – např. po extrusi
b) snížením obsahu vlhkosti – sušení filmů či adhesiv
c) tvorba β-struktury, což je velmi účinný mechanismus fixace
d) chemická fixace – tvorba kovalentních vazeb mezi reaktivními skupinami proteinu nebo
vodíkových můstků
e) síťování – přídavek síťovadel
Specielním případem zpracování proteinů je výroba měkkých želatinových kapslí, kde se
používá tzv. technika rotačního disku, při níž se želatinová kapsle vyrobí v jedné operaci ze
dvou předem plastifikovaných želatinových pásů, mezi něž se vstříkne léčivo.
- 11 -
Změny probíhající na úrovni polymerních řetězců (chování proteinů) při přípravě
filmů znázorňuje následující obrázek:
Protein
Rozpuštění proteinu v rozpouštědle (voda, ethanol …).
Přídavkem změkčovadla se sníží intermolekulární síly mezi polymerními řetězci ve filmotvorném roztoku.
Odpařování rozpouštědla. Tvorba filmu (tvorba mezimolekulárního zesítění). Přítomnost změkčovadla modifikuje mechanické vlastnosti (nižší kohese proteinové sítě).
Filmotvorný roztok na silikonových deskách a připravený film:
- 12 -
Dvě hlavní metody zpracování proteinů jsou znázorněny na schématu:
Bílkovinné přísady se nejčastěji používají v práškovité formě, některé (např. krevní plasma,
vaječný bílek) v tekuté formě nebo zmrazené. Texturované nebo hrudkovité bílkoviny
0
30
60
90
120
150
180
6 8 10 12 14 16
Přídavek DAS (%, na hmotnost hydrolysátu)
Roz
pušt
ění g
elu
(h)
- 18 -
napodobují struktura masa. Používají se hlavně do hruběji mletých výrobků, jako jsou
hamburgery, sekaná masa a hotová jídla.
Bílkovinné přísady rozdělujeme podle původu:
1. Rostlinné
Nejvíce se používají bílkoviny sóji – jsou vedlejším produktem při výrobě sojového oleje.
Vyrábí se prakticky ve třech jakostních druzích (podle obsahu bílkovin):
obohacená sojová mouka – obsahuje asi 50 % bílkovin
sojové koncentráty – obsahují cca 70 % bílkovin
sojové isoláty – obsahují cca 90 % bílkovin
Další používanou bílkovinou je pšeničná bílkovina – lepek. Je to vedlejší produkt při výrobě
škrobu. Je to levný přípravek, který však nemá nejvhodnější vlastnosti jak po stránce nutriční
hodnoty, tak i po stránce technologických vlastností.
V praxi se zkouší další druhy bílkovin: z hrachu, slunečnice, řepky, bavlníkových semen,
brambor apod.
2. Živočišné
Z živočišných bílkovin nacházejí největší uplatnění bílkoviny mléka. Nejdostupnější je
sušené mléko – obsahuje asi 33 % bílkovin a 55 % laktosy. Právě vysoký podíl laktosy
způsobuje problémy při jeho aplikaci. Při vyšším přídavku se uplatňuje sladká chuť laktosy a
při zahřívání na vyšší teploty, např. při sterilaci konserv, dochází k hnědnutí výrobku tzv.
Maillardovou reakcí. Proto je snaha připravit různé koncentráty s obsahem bílkovin 70 až
90 % a s nízkým obsahem laktosy. Nejužívanější je kaseinát sodný.
Proti bílkovinám sóji mají bílkoviny mléka tu výhodu, že zřetelně neovlivňují chuť výrobku,
avšak při přídavku vyšším jak 2 % dochází k vybělení barvy. To je však možné kompensovat
přídavkem stabilisované potravní krve v množství 0,3–0,5 %.
Bílkovinné přísady se využívají hodně v masném průmyslu a to zejména z těchto
důvodů:
1. Zvýšení nutriční hodnoty masných výrobků
nutriční hodnota se posuzuje podle obsahu essenciálních AMK
- 19 -
vysoká nutriční hodnota: bílkoviny živočišného původu (svalové bílkoviny, bílkoviny
krve, mléka, vajec)
bílkoviny rostlinného původu mají nižší obsah essenciálních AMK (zejména lysinu) a
AMK obsahujících síru
vhodného poměru AMK lze dosáhnout kombinací surovin – např. bílkovin pšenice a
sóji: pšeničná bílkovina obsahuje sirné AMK a sojová bílkovina obsahuje lysinu
2. Zlepšení technologických vlastností zpracovávání suroviny
modifikace textury (konsistence) masného díla
při nevhodném poměru tuku a bílkovin dochází k problémům s homogenisací masného
díla
je vhodné používat bílkoviny, které mají podobné vlastnosti jako hlavní svalové
bílkoviny (aktin a myosin) – zejména živočišného původu
bílkovina má být dobře rozpustná v solných roztocích, má tvořit viskosní roztok a
během tepelného opracování má zkoagulovat a vytvořit pevný gel
3. Modifikace sensorických vlastností
mění se dosti výrazně přídavkem bílkovinných přísad
se stoupajícím přídavkem bílkovinné přísady dochází:
- ke změně barevného odstínu
- k poklesu intensity masné chuti, případně i k její odchylce
více jak 2 % přídavek sojové bílkoviny způsobuje odchylku chuti: masný výrobek
dostává luštěninovou chuť
4. Úprava ceny
1.3.2 Proteinové filmy
Proteiny jako biopolymery z obnovitelných zdrojů představují ekonomicky a ekologicky
výhodnou surovinu. Některé potenciální aplikace produktů na bázi bílkovin
v potravinářství:
obaly a povlaky potravin, separační vrstvy
střívka (casings, sáčky)
potravinářské fólie a filmy, nálepky
- 20 -
mikrokapsule pro potravinářská additiva
1.3.2.1 Výhody proteinových filmů
Jedlé obaly potravinářských výrobků, meziproduktů nebo polotovarů plní několik
funkcí a mají mnoho výhod:
mohou být konsumovány společně s potravinou
jsou z obnovitelných zdrojů a jsou biodegradabilní
poskytují dodatečnou nutriční hodnotu
bariéra proti vlhkosti, proti působení O2 a oxidaci (hlavně tuků)
bariéra proti nežádoucím plynům, zápachům
bariéra proti aromatickým látkám – většina aromatických látek jsou totiž molekuly
podobné organickým rozpouštědlům (alkoholy, estery, ketony, aldehydy) mající nízkou
molekulovou hmotnost a poměrně rychle prchající z výrobku
bariéra proti penetrujícímu tuku a vlhkosti z vnitřních částí potravin
ochrana proti mikroorganismům
nosič potravinových additiv (tzv. aktivní obaly): antioxidantů, antimikrobik,
chuťových látek, barviv, výživných látek a dalších
mohou sloužit jako teplotní indikátory nebo jako indikátory přemnožení nežádoucí
mikroflóry či vzniku nežádoucích látek (barevnými změnami indikátoru)
ochrana proti mechanickému poškození
zlepšené organoleptické vlastnosti, např. vzhledu výrobku (zejména lesk), vůně atd.
zlepšená strukturní integrita výrobku
zvýšená trvanlivost výrobku
redukce hmotnosti a objemu obalového materiálu, což přináší ekonomické výhody
- 21 -
Jedlý polymerní povlak na jahody (připraven máčením), úbytek hmotnosti vzorků
[Povlak připraven z hydrolysátu amarantové mouky - 50 % (w/v)]
▬▬▬▬▬R Vzorek bez povlaku ▬▬▬▬▬ Vzorek s povlakem vytvořeným při 23 oC ▬ ▬ ▬ ▬ Vzorek s povlakem vytvořeným při 30 oC ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Vzorek s povlakem vytvořeným při 40 oC
Jedlý polymerní povlak na mrkve (připraven máčením), úbytek hmotnosti vzorků
[Povlak připraven z hydrolysátu amarantové mouky, 50 % (w/v)]
Fotografie: roztok povlaku; vzhled mrkví po 168 h skladování při 5 oC (nahoře bez povlaku,
dole s povlakem)
46 hod skladování bez povlaku s povlakem
140 hod skladování bez povlaku s povlakem
164 hod skladování bez povlaku s povlakem
50
60
70
80
90
100
0 40 80 120 160 200
Doba (hod)
Hm
otno
st v
zork
u (%
) Bez povlakuPovlak, fixace při 23 CPovlak, fixace při 30 CPovlak, fixace při 40 C
5060708090
100
0 25 50 75 100 125 150 175
Doba skladování (h)
Hm
otno
st (%
)
R
skladováno při 23 oC
- 22 -
Obaly přestanou být jedlými, pokud se při jejich zpracování použijí chemikálie
neschválené pro potravinářské a farmaceutické výrobky – viz např. seznamy FAO / WHO,
lékopisy.
Proteiny a prostředí, nejběžněji využívané pro přípravu jedlých proteinových
(biodegradabilních) filmů:
Protein Rozpouštědlový systém
Voda Kyselina/Voda Zásada/Voda Ethanol/Voda
Kolagen X Želatina X Rybí myofibrilární protein X X Keratin X Vaječný albumin X Kasein X Syrovátkový protein X Kukuřičný zein X Čirokový kafirin X Pšeničný gluten X X Protein rýže X X Sojový protein X X Arašidový protein X X Protein bavlníkového semene X
V obalové technice se používají:
a) fólie (filmy) – vyrábějí se samostatně a poté se aplikují k balení a ochraně potravin,
farmaceutických, kosmetických a jiných výrobků
b) povlaky – vytvářejí se přímo na povrchu obalovaného materiálu, jsou jeho součástí a
spolu s ním se konsumují
1.3.2.2 Složení proteinových filmů
Proteinové filmy a povlaky obsahují další modifikátory. Jde především o polysacharidy a
lipidy. Často je nezbytný přídavek změkčovadla, aby se omezila křehkost filmů. Další
přidávané látky jsou povrchově-aktivní látky, antioxidanty, antimikrobika a další. Národní i
nadnárodní standardy regulují obsahy těchto látek. Např. v USA musí být přesné složení
jedlých filmů a povlaků uvedeno na obalu výrobku. V případě povlaků na čerstvé ovoce a
zeleninu musí být toto složení vystaveno v těsné blízkosti výrobku.
- 23 -
Obvyklé složení filmu či povlaku založeném na proteinu:
přísada, doplněk additive přísada, složka, součást ingredient přísada, složka, součást ingredient
tvar a struktura texture výživa nutrition zdroje sources
zvlhčovač moisturiser
Užitečné údaje:
Zkratka Organisace Adresa
FDA U.S. Food and Drug Administration http://www.fda.gov USDA United States Department of Agriculture http://www.usda.gov WHO World Health Organisation http://www.who.int/en EFSA European Food Safety Authority http://www.efsa.europa.eu/en.html MZe Č.R. Ministerstvo zemědělství Č.R. http://www.mze.cz WTO World Trade Organisation http://www.wto.org
- 30 -
Denně jíme určité množství kolagenu, např. v mase, uzeninách, ve výrobcích obsahujících
jedlou želatinu apod.
Kromě konsumace různých druhů rozmanitě upraveného masa z potravin se zpracovává
také kolagen z odřezků hovězích a vepřových kůží ve formě rozmělněných kousků nebo
kolagenových gelů. Používají se např. do salámů, tlačenek, jaternic, jelit atd.
Kolagen obsahuje relativně nízké množství některých esenciálních AMK (tyrosin),
některé mu chybí (tryptofan), nadbytek glycinu a argininu, proto je nutné obsah kolagenu
v potravinářských výrobcích limitovat předpisy.
2.1.1 Úvod
Kolagen je hlavní bílkovinou kůže, kostí, šlach a dalších forem pojivových tkání a
vzhledem ke svému hojnému výskytu je předmětem zájmu potravinářského využití.
Potenciální možnosti využití kolagenu v potravinářství jsou: pojidlo, plnivo, nastavovalo,
zvlhčovač, dodání žádoucího tvaru a struktury, zvýšení výživové hodnoty.
Kolagen využívaný v potravinářských aplikacích musí splňovat vysoké požadavky kladené
na stupeň čistoty.
2.1.2 Kolagen ve výživě
V posledních letech narostl zájem o nutriční využití kolagenu a to v souvislosti
s redukčními dietami. Kolagenu chybí některé essenciální aminokyseliny (tryptofan), ale
má nadbytek glycinu a arginin. To může v případě nevyváženého nasazení takových diet vést
k nevyváženosti stravy a tím k nežádoucím doprovodným jevům (a to rovněž i v případech,
že se kolagenní základ diet obohatí o tryptofan), např.:
srdeční arythmii
hypoglycaemii – snížení hladiny glukosy v krvi
dehydrataci
svalové slabosti
život ohrožující ztrátě hmotnosti
- 31 -
Lékařské studie doporučují kolagenem nahrazovat potřebné bílkoviny maximálně do
30 %. Totéž platí pro léčení obesity, kde se větší množství kolagenu nedoporučuje. Vzniká
snaha nalézt takovou kombinaci neplnohodnotných bílkovin (např. sója či kasein) doplněnou
kombinací esenciálních aminokyselin, která bude ekvivalentní plnohodnotné bílkovině. Nebo
nalézt v podstatě ideální kombinaci bílkovin.
Bílkoviny patří mezi essenciální složky stravy (které si tělo neumí vytvořit). Je nutná
vyvážená dusíková bilance = příjem a výdej. Dusík metabolisovaných bílkovin se vylučuje
močí. Minimální příjem bílkovin je 0,5 g/kg tělesné hmotnosti/den. Uvádí se, že minimem je
30 g/den, optimum je pak kolem 60 g/den. Je tedy nutné zajistit takové složení potravy, které
zajistí tělu dostatečný přísun bílkovin.
Plnohodnotná bílkovina = obsahuje všechny essenciální aminokyseliny
Kolagenní roztok se získává rozpuštěním molekul kolagenu ve vodném prostředí.
Kolagenní molekuly se získávají enzymovým rozkladem (pepsin) nerozpustného vlákna, při
kterém dochází ke štěpení zesíťovaných částí kolagenu (telopeptidů). Rozpustnost kolagenu je
ovlivněna pH prostředím, teplotou, iontovou silou roztoku a molekulovou hmotností. Obecně
se kolagen lépe rozpouští za nižších teplot. Vzroste-li teplota roztoku na teplotu lidského těla,
- 61 -
začínají kolagenní molekuly agregovat na vlákna. Rozpustnost kolagenu klesá s rostoucí
velikostí agregujících molekul.
Gelová forma je stupeň mezi kapalinou a tuhou fází. Za gel lze tedy považovat
jakoukoliv formu mezi hustě viskosní kapalinou a vysoce koncentrovaným fysikálním stavem
připomínajícím kaučuk nebo tmel. Kolagenní gely vznikají z roztoků, jejichž pH bylo
upraveno nad nebo pod isoelektrický bod kolagenu. Kolagen může být také vystaven
chemické modifikaci, při níž se upraví jeho náboj (kladný nebo záporný). Např. nativní
kolagen v isoelektrickém bodě (pH 7) je rozptýlený ve vodě. Úpravou pH prostředí na 3
rozptýlená vlákna přejdou v gel.
2.2.1.2 Kolagenní vlákna, folie, membrány
Kolagenní vlákna se připravují extrusními technikami. Nejdříve se připraví kolagenní
roztok nebo disperse o koncentraci 0,5–1,5 % (w/v). Kolagen je poté vytlačován do
koacervační lázně obsahující vysoce koncentrovaný roztok soli nebo vodný roztok o pH
isoelektrického bodu kolagenu. Takto připravená vlákna se vyznačují pevností až 30 MPa.
Kolagenní membrány se vyrábějí sušením kolagenního roztoku nebo disperse
vláknitého kolagenu odlitých na nepřilnavé podložky. Tloušťka membrány se reguluje
koncentrací a počáteční tloušťkou odlitého roztoku či disperse. Většinou se tloušťka membrán
do 0,5 mm dosahuje prostým vysušením filmu na vzduchu. Obvykle se membrány dodatečně
načiňují, aby se omezila jejich rozpustnost. Membrány připravené litím jsou neporesní, jsou
amorfní a vykazují minimální permeabilitu.
Porésní membrány se většinou připravují lyofilisací (=odstraňování rozpouštědla za
sníženého tlaku ze zmrazeného roztoku) odlitého roztoku kolagenu. Struktura pórů je závislá
na koncentraci kolagenu v roztoku či dispersi, dále na rychlosti vymrazování či na velikosti
vláken v dispersi. Velikost pórů se pohybuje obvykle v rozmezí 50 až 1.500 μm. Aby se
stabilisovala struktura poresní matrice, je nutné tuto dodatečně zesíťovat. To se provádí
parami těkavého síťovala (např. formaldehyd či glutaraldehyd).
Chirurgické šicí nitě se vyrábějí z kolagenové tkáně střev některých zvířat, které jsou
daleko více resorbovatelné, než synthetické nitě.
- 62 -
Šicí materiál sloužící k uzavírání ran musí splňovat některé požadavky:
vlákno musí být dostatečně pevné, nesmí se přetrhnout ani při hrubší manipulaci
(dotahování uzlů)
vlákno nesmí být příliš hrubé, nesmí ani příliš klouzat
materiál nesmí být příliš ssavý, neboť vysoká ssavost usnadňuje šíření infekce
materiál by měl mít minimální antigenní potenciál – materiály z přírodních zdrojů
mohou v některých případech vyvolávat alergické reakce
Používají se jak hovězí střívka (která mají vyšší pevnost), tak skopová a kozí tenká střívka
z čerstvě poražených zvířat, která se konservují solí. V jedné partii musí být střívka
vyrovnané skupiny zvířat: stejné plemeno, věk, stupeň výživy. Střívka musí být vyjmuta hned
po poražení zvířat, jejich obsah vyprázdněn, musí být propláchnuta. Vzhledem k tomu, že se
střívka skládají ze tří vrstev, musí být zbavena vnější a vnitřní vrstvy a jiných součástí.
Využívá se vrstva podslizniční, konservují se. Každá zásilka střev musí býti opatřena
veterinárním osvědčením. Kolagenová jemná šicí vlákna se získávají z kůží mladých zvířat do
2 let věku. Kolagenové nitě se mohou slabě načinit a použít při šití implantátů poškozených
cév a asterií. Průměr šicích nití se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1–0,9 mm. Konečná úprava
nití zahrnuje opracování roztokem vody a glycerolu, aby se snížilo tření. Pro praktickou
potřebu se nitě dodávají ve sterilním balení o potřebné délce připravené k šití.
Poznámka: Důkazy o sešívání ran na těle pochází z doby již 16 tisíc let před Kristem.
Nejčastěji se používala vlákna lněná, konopná, někdy také vlasy či dlouhá srst z ulovených
zvířat nebo lýko.
Resorpční čas – jde o čas, po kterém se sníží pevnost chirurgické nitě na polovinu
v důsledku působení proteolytických enzymů těla. Tento čas činí u běžné produkce 6–8 dnů
(např. nitě označené Cutgut – plain). U nití načiněných (např. nitě pod označením
Chromcutgut) je resorpční čas větší.
Poznámka: nebiodegradabilní šicí nitě se vyrábějí např. z vláken PA-6 či PP.
Kolagenové folie se používají buď jako přírodní vlákenné pletivo získané štípáním kůží
nebo jako netkané textilie.
Fólie získané štípáním kůží – nejčastěji se používají kůže z telat do 2 let věku nebo
z mladých vepřů. Seštípnutá kůže se zbaví nekolagenních složek alkalickým, kyselým nebo
- 63 -
enzymovým opracováním. Pak se vysuší vymrazením a sterilují se radiačně. Získané folie se
používají při léčbě popálenin.
Netkané kolagenní textilie – k jejich výrobě se používá velmi čistý kolagen, za mokra
rozvlákněný. Suspense jemných vláken se vysuší vymrazením a zpracuje se do rouna
technikou netkaných textilií a pak se sterilují radiačně. Rouna z kolagenu se dobře osidlují
buňkami tělesného vaziva a podporují revitalisaci pokožky. Zabraňují krvácení.
Folie z vláknitých dispersí – disperse vyčištěného kolagenu se protlačuje úzkou štěrbinou do
folie. Vysuší se a steriluje. Folie slouží k zakrytí ran. Mohou se do nich přidávat i baktericidní
přísady.
Scaffoldy mohou být vyrobeny technologiemi netkaných textilií, jako tkaniny, pleteniny,
2.2.1.3 Kolagenní pěny a prášky
Houby se připravují ze zpěněných roztoků želatiny a prášky se připravují zpráškováním
roztoku želatiny.
Houby se používají např. jako nosný materiál při chirurgických zákrocích na kloubech,
nebo jako krycí materiál otevřených ran, popálenin atd. Práškový kolagen lze použít i ve
spreji jako postřik při bandážování ran. Kolagenní pěny a prášky jsou během několika měsíců
resorbovány. Naproti tomu, přípravky zesíťované glutaraldehydem zůstávají mnohem déle,
protože podléhají dlouhodobé hydrolýse (závisí na pH, nejlepší je kyselé prostředí). Při
aplikaci na otevřené rány vytváří kolagenní pěna (houba) matrici, kterou prorůstá nově
vznikající tkáň. Kolagenní pěna se užívá také jako substrát pro ukládání minerálů
v poškozených kostech. Aplikuje se rovněž jako nosič antikoncepčních intravaginálních
prostředků.
- 64 -
Kolagenní pěny lze také připravit z hmoty, která je podobná hmotě, z níž se připravují
umělá klihovková střeva (Cutisin), ale má nižší obsah sušiny. Hmota se nalije na ploché desky
a nechá se vymrazit (lyofilisace). Vyrábějí se asi 1 cm silné destičky podobné
polystyrénovým, jejich struktura je dána krystalisací ledu. Pěny mají otevřené póry, vysokou
kapilární ssavost vody, což se využívá nejen v medicíně, ale i v kosmetice.
Houbovité resorbovatelné polymery – jsou polymery na bázi kyseliny mléčné a dají se
plnit rozpustným kolagenem z vepřové kůže (tzv. atelokolagen). Produkty slouží jako náhrada
pokožky. Tyto preparáty vykazují velmi dobré pevnostní vlastnosti a mají dobrý účinek při
zastavování krvácení.
2.2.1.4 Kolagenní kloubní preparáty
Kolagen je základní stavební látka pro klouby a kosti. Kostra člověka je ukázkou
vyspělé architektury přírody. Více než 200 kostí spojuje přes 100 pohyblivých kloubů, které
spolu tvoří velmi dobře organisovaný a funkční systém dokonalé opory těla.
Kostní tkáně průběžně vyměňují své základní stavební jednotky, tj. kolagen (bílkoviny) a
minerální látky, hlavně vápník. Chrupavka a kloubní výstelka je díky kolagenu velmi pevná a
elastická. Chrupavka je relativně jednoduchá tkáň, neobsahuje nervy a cévy. Proto klouby
dokáží odolat tlakům, které mnohonásobně převyšují hmotnost těla a odpruží i velkou
dynamickou zátěž spojenou s náročným pohybem, např. při těžké fysické práci, sportu apod.
Klouby člověka jsou často zatěžovány více, než unesou. Prevencí proti opotřebování
kloubů je dodávání cílených dávek kolagenu a vápníku pomocí vhodných preparátů proti
artrose (předčasné opotřebení kloubů) a osteoporose (řídnutí kostí).
Vhodnými přípravky proti artrose jsou různé kolagenní látky získané např. z mořských
živočichů, kůží atd. Tyto přípravky zabraňují destrukci chrupavčité hmoty a vysychání
kloubního mazu, působí regeneračně účinnou obnovou kolagenních buněk.
Stav kloubní chrupavky v různých stádiích opotřebení je znázorněn na obrázku:
1 … neopotřebovaná kloubní chrupavka
2 … kloubní chrupavka s počínající destrukci chrupavčité hmoty
3 … kloubní chrupavka s pokročilou destrukci chrupavčité hmoty
- 65 -
Kolagenní přípravky obsahují:
Kombinaci 20 aminokyselin, které jsou základem nosných typů kolagenu:
Kolagen typu I – kosti, svaly, aorta, kůže, šlachy
Kolagen typu II – chrupavky
Kolagen typu III – svaly, aorta, kůže
Kolagen typu XI – chrupavky
Důležité jsou zejména tyto aminokyseliny:
a) prolin + lysin: pro restrukturalisaci a obnovu pojivových tkání a celé kostry
b) L-methionin + cystein: pro zvýšení odolnosti a výkonnosti chrupavčitých a kostních
tkání
c) arginin: pro podporu biosynthesy kolagenu a rychlé hojení tkání
d) glycin: pro zajištění stability a pevnosti kolagenovým vláknům kloubní výstelky a kostí
e) phenylalanin: pro budování svalových úponů zpevňujících oporový aparát (klouby a
kosti)
Biogenní látky: Ca, Mg, Fe
- 66 -
Další regenerační komponenty:
a) glukosamin: významně stimuluje novou tvorbu kolagenu a tak velmi účinně přispívá
k obnově, restrukturalisaci a k celkové vitalisaci kloubních i kostních tkání
b) chondroitin: podílí se na protizánětových procesech a tak pomáhá omezit bolestivost
kloubů a uchovat jejich zdraví
c) MSM (methylsulfonylmethan – organická sirná sloučenina): ovlivňuje metabolismus
kloubních i kostních buněk a přispívá k lepšímu využití živinných látek a zabudování
kolagenu
d) GAG (glykosaminglykany): působí protizánětlivě a účinně podporují kolagenní
výstavbu kloubní i kostní tkáně
Kolagenní přípravky nemají vedlejší nežádoucí účinky a jejich užívání je snadné (většinou
ve formě tobolek).
2.2.2 Vlastnosti kolagenu pro lékařské aplikace
Kolagen jako biopolymer je významným resorbovatelným materiálem používaným
v medicíně a na jeho vlastnosti jsou kladeny vysoké nároky.
2.2.2.1 Biokompatibilita
Vzhledem k tomu, že primární struktura hovězích kolagenních molekul je podobná
lidskému kolagenu, lze předpokládat, že in-vivo degradace hovězích kolagenních produktů
bude probíhat u příjemce (pacienta) obdobně jako proces hojení ran. Z lékařských studií je
prokázáno, že kolagenní produkt je v průběhu času resorbován tělem příjemce. Enzymy
těla začínají štěpit kolagenní molekuly z jejich C-konce, přičemž tyto jsou nejprve rozštěpeny
na dvě menší šroubovice, které jsou při tělesné teplotě nestabilní a jsou tak následně
denaturovány na náhodně svinuté polypeptidy. Takto vzniklé polypeptidy jsou dále
rozštěpeny proteásami na krátké peptidy a aminokyseliny, které jsou poté metabolisovány
běžnými cestami.
In-vivo stabilitu preparátů je možné ovlivnit změnou hustoty a stupně intermolekulárního
zesíťování. Jako síťovala slouží zejména formaldehyd, glutaraldehyd, hexamethylen
diisokyanát. Množství takto vytvořených chemických příčných vazeb ovlivňuje teplotu
smrštění zesíťovaného preparátu a tím i stupeň jeho stability.
- 67 -
I přesto, že se při přípravě přečištěných forem kolagenu přísně dbá na čistotu, může se stát,
že během náročného způsobu přípravy dojde ke kontaminaci nežádoucími složkami, např.
solemi či síťovadly. Proto každá forma kolagenu určená pro medicinální aplikace podléhá
testům biokompatability podle mezinárodní směrnice ISO-10993 (Biological Evaluation of
Medical Device).
2.2.2.2 Fysikální vlastnosti
Objemová hustota – je definována jako hmotnost suché formy vztažená na jednotku objemu
formy. Je tedy přímým ukazatelem množství pórů v materiálu a ovlivňuje mechanickou
pevnost formy kolagenu.
Pórovitost – lékařskými studiemi bylo zjištěno, že k optimální regeneraci kolagenních
preparátů do tkání dochází tehdy, když se velikost pórů pohybuje v rozmezí 100–400 μm.
Větší póry znamenají rychlejší resorpci preparátu.
Mechanické vlastnosti – jsou významné zejména v případě aplikací kolagenních preparátů
na regeneraci kloubů. Pevnost kolagenního substrátu musí být taková, aby tento odolal
zatěžujícím silám vznikajícím při činnosti kloubů.
Permeabilita – je významná pro transport živin z těla do kolagenního preparátu přímo
ovlivňující jeho úspěšnou adaptaci na tělo příjemce.
2.2.3 Závěr
Medicinální aplikace kolagenu narůstají. Objevují se nové myšlenky a nové produkty.
Často se pracuje s kolagenem definované molekulární struktury, aby se dosáhlo potřebných
fysikálních vlastností (např. index lomu pro aplikaci na oční čočky, nebo náhrady sklivce,
speciální prothesy apod.).
Výhodou je, že kolagenová vlákna a matrice jsou výborným substrátem pro napojení a
vrůstání buněk. Napomáhá tomu hlavní protein membrán fibrogenních buněk – fibronektin,
který reaguje s kolagenem tak, že kolagenní pěna, prášek, vlákna aj. se rychle osidlují
buňkami, které se podílejí na regeneraci tkáně. Mimo to, také brání penetraci bakterií do
poškozené tkáně (např. při léčbě popálenin).
- 68 -
Přehled aplikací kolagenu v medicině:
Oblast humánní mediciny Aplikace
Neurochirurgie
Kolagenní trubice jako obal nervových transplantátů Kolagenní membrány
Otologie
Kolagenní film jako náhrada bubínkové membrány
Vaskulární oblast Kolagenní trubice v myokardické revaskulaci Prothesy na basi kolagen – dakron
Orthopedie
Reparace zlomenin (čepy na spojování kostí) Kolagenní prášek při ošetření kostí Kolagenní pěna při rekonstrukci arteriálních chrupavek Roztoky kolagenu a léčba zlomenin
Ofthalmologie
Kolagenní membrány jako rouby rohovky Kolagen jako náhrada sklivce Roztoky pro podporu slzení Kolagenní pásky pro odchlíplou sítnici Kolagenní film pro znovu připojení příčného svalu
Urologie Kolagenní dialyzační membrány Želatinové pěny (houby) pro chirurgii měchýře
Dermatologie Přírůstek tkáně
Obecně Kolagenní sítě pro chirurgii kýly Gelové trubice pro intestinální anastomosu (spojení střev) Kolagenní obvazy Kolagenní pěny pro obvazování ran, pro ošetření otevřených infikovaných ran
Chirurgie (vč.hrudníku a srdce)
Léčba velkých poškození tělného povrchu Podpůrné elementy Dočasné kryty kůže (např. po popáleninách) Kolagenní trubice jako náhrada trachei Kolagenní mřížky (sítě)
Plastická chirurgie Kolagenní film pro chirurgii kožních defektů Kolagenní gely při léčení bércových vředů Pěny jako náhrada plosky nohy a jejího tvaru
Zubní lékařství
Kolagení gely Ukotvení zubnice
Gynekologie
Kolagenní vlákna při rekonstrukci pánevního dna
- 69 -
Kolagennní (atelokolagenní) výrobky pro lékařské aplikace membrány plstě obvazy čípky
Čípky Plstě
Tampóny Trojúhelníky
Fólie / membrány Obvazy
- 70 -
Charakteristika těchto produktů:
vyrobeny z hovězího kolagenu (typu I) pocházejícího výhradně z jatečného dobytka
veterinárně zkontrolovaného, který je speciálně přečištěn a modifikován (zbaven
immunogenních telopeptidů) - jedná se 99,9 % nativní (nezesíťovaný) kolagen
jsou sterilní a použitelné do infikovaných ran
nepodporují růst mikroorganismů (protože obsahují méně než 0,1 % nekolagenních
bílkovin)
po aplikaci si udržují kompaktnost obvykle po dobu 2 až 3 týdnů
během 4 týdne po aplikaci se začínají rychle vstřebávat (protože během hojení se
začínají aktivovat tkáňové kolagenásy, které atelokolagen hydrolysují
kompletní biologická resorbace do 6 měsíců po aplikaci
rychlá adaptace k defektům (obsahují hydrofilní skupiny)
snižují risiko rozevření ran
v důsledku dobré adhese urychlují hojení rozevřených ran
při aplikaci je možné je uchytit šitím či svorkami
při orálních aplikacích je doporučeno omezit intensivní orální hygienu a nahradit ji
antibakteriálním vyplachováním
u osob citlivých na hovězí kolagen jest možná alergická reakce
skladování je doporučeno v rozmezí –25 oC až 40 oC na suchém místě bez výparů
těkavých rozpouštědel s ochranou před přímým slunečním zářením
Některé typické oblasti použití:
haemostatické aplikace (zastavování krvácení)
léčba kožních defektů
léčba popálenin
léčba povrchových zranění kůže
krytí citlivých povrchů těla
výplň tělních dutin
oční chirurgie
ORL
gynekologie
stomatochirurgie
- 71 -
Haemostatické aplikace (zastavování krvácení):
obvaz (případně jiná forma) se přitlačí k ráně
k zastavení krvácení dojde za 2 až 6 minut
výhodou je, že dochází k výrazně nižším ztrátám krve, než při použití jiných přípravků
Atelokolagenní obvaz Jiné typy obvazů (celulosa)
V medicíně se používají také textilie vyrobené ze základních vlákenných materiálů, např.:
bavlna
hedvábí
chitosan
kyselina polymléčná
Některé aplikace zdravotnických textilií:
obvazy, bandáže, náplasti
šicí nitě
pleny, ručníky, ubrousky
- 72 -
2.3 Hydrolysáty kolagenu
2.3.1 Výroba hydrolysátů kolagenu
Na výrobu hydrolysátu kolagenu lze použít odpady masného průmyslu a kožedělného
průmyslu. Lze použít kyselou, alkalickou a enzymovou hydrolýsu.
Celosvětová produkce hydrolysátů kolagenu je cca 80.000 tun/rok.
V současné době je favorisována enzymová hydrolýsa, zejména v důsledku výrazně nižší
spotřeby chemikálií a menší energetické náročnosti, než je tomu v případě kyselé, respektive
alkalické hydrolýsy.
Blokové schéma zpracování usňových odpadů ve 3 stupních je znázorněno na obrázku:
a) v 1. stupni je usňový odpad zpracován ve vhodném alkalickém prostředí, které zajistí
„otevření struktury usně“
b) ve 2. stupni je, po úpravě pH, přidán proteolytický enzym, který, v důsledku „otevřené
struktury“, snadněji difunduje do usňového materiálu a dochází k rozrušování peptidických
vazeb
c) ve 3. stupni je pH prostředí upraveno do mírně kyselé oblasti, která umožní snadnou
separaci proteinového hydrolysátu a zbylého chromitého kalu filtrací
Poznámka: po 1. stupni zpracování je možné filtrací získat tzv. želatino-protein, který se
vyznačuje solidními hodnotami pevnosti gelu a ve 2. a ve 3. stupni zbylý filtrační koláč
podrobit enzymovému zpracování k získání kolagenního hydrolysátu.
Filtrace Kolagenní hydrolysát Chromitý kal
Usňový odpad Mletí 1. stupeň zpracování = otevření struktury (alkalické prostředí)
2. stupeň zpracování = rozklad (proteolytický enzym) Úprava pH
3. stupeň zpracování = úprava pH prostředí
- 73 -
2.3.2 Aplikace hydrolysátů kolagenu
2.3.2.1 Potravinářský průmysl
Hydrolysáty pro potravinářské účely se dodávají jako tzv. natrávené bílkoviny a
obsahují štěpné produkty bílkovin. Přípravky jsou různé, podle způsobu přípravy, stupně
odbourání původní bílkoviny, složení, čistoty a smyslových vlastností.
Objevitelem zajímavých chuťových vlastností bílkovinných hydrolysátů je švýcarský
mlynář J. Maggi (1890). Hydrolysát kolagenu se od té doby používá zejména jako kořenící
směsi, např. do polévek, omáček, salátů a dalších pokrmů. Účelem je zlepšení chuti,
aromy a výživné hodnoty (když se zvolí žádaný poměr essenciálních AMK). Japonský
chemik R. Ikeda označil za hlavní a účinnou složku bílkovinných hydrolysátů kyselinu
glutamovou (kyselý glutaman amonný), která určuje jejich smyslové vlastnosti. Tradičním
výrobcem hydrolysátů bílkovin pro potravinářské účely je v Č.S.R. firma Vitana.
Hydrolysované kolagenní přípravky mohou sloužit jako náhrada sušeného mléka
v masových emulsích.
Hydrolysáty kolagenu se úspěšně aplikují do nápojů z mléka, aniž by došlo ke zhoršení
celkové stability nápoje. Reguluje se jimi také viskosita ovocných nápojů.
Kolagenní hydrolysáty se dále aplikují jako nosiče antioxidantů. Aplikací takového
povlaku např. na masné výrobky dojde k zefektivnění účinku antioxidantů, než když tyto byly
aplikovány přímo na masný výrobek. Masný výrobek takto ošetřený vykazuje nižší stupeň
oxidace tuků, což se při laboratorních analýsách projeví poklesem peroxidového čísla a
thiobarbiturového čísla.
Kromě kolagenních hydrolysátů připravených z kožních zdrojů se používají i další
suroviny. Z živočišných to je kasein, odtučněné lojové a vepřové škvarky, rohovina, a sušený
vaječný albumin. Z rostlinných surovin pak pšeničný lepek, sojové, arašidové a slunečnicové
výlisky a řepkové semeno.
- 74 -
2.3.2.2 Výroba tensidů
Princip jejich výroby je znám od roku 1930. Kolagen musí být hodně rozštěpen –
molekulová hmotnost má být do 800 Da (jde o polypeptidy s 6–8 aminokyselinami).
Kondensací hydrolysátu s chloridy mastných kyselin vzniknou tensidy tzv. Lameponového
typu. Později byly chloridy mastných kyselina nahrazeny alkylsulfochloridy,
alkylsulfokyselinami a podobnými látkami. Reagují s aminokyselinami hydrolysátu a tvoří
hydrofobní složku tensidu. Předností takto připravených tensidů je dobrá povrchová aktivita,
vysoké detergenční schopnosti a tvorba pěny. Mají také příznivé dermatologické vlastnosti,
např. nízkou kožní dráždivost.
Povrchově aktivní látky (PAL) z hydrolysátů kolagenu se používají jako přísada do pracích
prášků, šamponů a jiných kosmetických přípravků.
2.3.2.3 Růstové stimulátory
Růstové stimulátory (hnojiva) se dodávají na trh jako kapalné koncentráty nebo jako
pevné substráty. Jedná se o kolagenní hydrolysáty vyráběné hlavně z chromočiněných
postružin s přidanými mikroelementy aktivující výživu a růst rostlin. Principem přípravků je
optimální kombinace vlastností proteinové báze (obsah dusíku), některých makroživin a
mikroelementů v poměrech doporučených odborníky na výživu rostlin.
Odhaduje se, že cca 250.000 tun kolagenních hydrolysátů za rok se využije jako hnojiva.
Přípravky mají tyto vlastnosti:
obsahují mikroelementy (např. Cu, Zn, Mn, Mo, Ti atd.), které podporují růst rostlin
vykazují povrchově aktivní vlastnosti – působí jako přírodní smáčedlo a umožňují lepší
kontakt složek roztoku s povrchem listů
omezují smývání přípravků z povrchu rostlin
účinné složky jsou přijímány listy i kořeny a v půdě jsou využívány i půdními
mikroorganismy
vzhledem ke své přírodní podstatě jsou ekologicky nezávadné, netoxické
umožňují tvorbu reprodukčních orgánů rostlin a zlepšují jejich vyzrávání
usnadňují příjem a distribuci minerálních živin
- 75 -
rostliny jimi ošetřené mají tzv. antistresové účinky (odolnost vůči výkyvům počasí
apod.)
2.3.2.3.1 Kapalné růstové stimulátory
Kapalné růstové stimulátory se používají k aktivisaci růstu obilnin, zeleniny, okrasných
rostlin, trávníku, chmele, řepky atd.
Aplikací růstových stimulátorů, jejichž báse je založena na hydrolysátech kolagenu, je
možné dosáhnout v průměru 5 až 10 % navýšení výnosu agroprodukce. Tyto přípravky
vykazují navíc kladný vliv na půdní vlastnosti (kvalita a obsah humusu), které jsou přičítány
jejich schopnosti aktivizovat půdní mikroflóru.
Přípravky se dodávají v baleních vhodných pro velkoodběratele (obvykle 10 až 800 litrové
balení), tak i pro maloodběratele (balení do 1 litru). Přípravky se aplikují obvykle postřikem.
Průměrné složení kapalných přípravků:
Sušina 30 – 40 %hmotn. Dusík (celkový, podle Kjeldahla) 40 – 70 g/l MgO 30 – 40 g/l Hustota 1,1 – 1,2 g/ccm pH 5,1 – 6,1 Obsah mikroelementů (přibližně)
Fe 2 g/l
Zn 0,6 Mn 1 Mo 0,02 Cu 0,6
Obsahy těžkých kovů (maximálně)
Hg 0,1 ppm
Cd 1 Pb 10 Cr 50 As 5
2.3.2.3.2 Pevné růstové stimulátory
Pevné růstové stimulátory se používají k aktivisaci růstu např. zeleniny a okrasných
rostlin. Dávkují se přímo ke kořenovému systému rostliny.
K přípravě pevných růstových stimulátorů se používá kapalný koncentrát, který se mísí
s vhodným substrátem (např. v poměru 1 : 9) a ze vzniklé kaše se formují hnojivové
- 76 -
tyčinky. Jako substráty jsou vhodné jílové minerály s dostatečnou sorpční kapacitou, přičemž
v našich podmínkách (Česká republika, respektive Slovenská republika) se jedná zejména o
dva druhy, zeolit a bentonit. Hnojivo je typu NPK (dusík-fosfor-draslík), obsahující živiny
nezbytné pro zdravý růst a vývoj rostlin. Mimoto, obsahuje také hořčík. Obsah dusíku je
nezbytný pro dobrý růst rostlin, sytého zeleného zabarvení listů a pro tvorbu nových výhonků.
Fosfor podporuje především tvorbu kořenů a významně ovlivňuje tvorbu květů a plodů.
Draslík je důležitý pro transport sacharidů a pro hospodaření s vodou. Hnojivo s obsahem
K má tzv. „antistresové“ účinky, protože draslík vytváří pevné buněčné stěny rostlin a tyto
jsou pak více odolné proti výkyvům počasí, např. mrazu a také vůči některým nemocem.
Hořčík je nezbytný pro tvorbu chlorofylu, jeho nedostatek se projevuje blednutím a
zbarvováním listů do žluté barvy a tmavě zelenými žilkami listů rostlin.
U takto připraveného pevného růstového stimulátoru dochází k významné redukci již tak
nízkého obsahu chrómu (v kapalném hydrolysátu).Toto hnojivo se úspěšně používá pod
kořenový systém rostlin bavlníku a zeleniny např. ve Vietnamské socialistické republice.
Obrázky roztoku kolagenního hydrolysátu a hnojivových tyčinek:
- 77 -
Průměrné složení kolagenního hydrolysátu:
2.3.2.4 Mikroenkapsulace v zemědělství
Na moderní zemědělství jsou kladeny požadavky na zvýšení výnosů sklizně, zlepšení
kvality úrody a ekonomiku produkce. K dobrému hospodaření přispívá zejména složení půdy
a hnojiva, sluneční záření, vítr a vlhkost. Významné je také použití fungicidů (přípravky na
hubení patogenních hub), pesticidů (přípravky na hubení škůdců), insekticidů (přípravky na
hubení hmyzu) a herbicidů (přípravky proti nežádoucím rostlinám). Nevhodné dávkování
umělých hnojiv a ochranných přípravků může mít katastrofické následky. V případě
jednorázové dávky přípravků vzniká riziko předávkování nadbytečnou koncentrací
účinné látky v půdě. Druhým rizikem je nebezpečí vyplavení do kořenové zóny plodiny a
tím nechtěná fytotoxicita a zkrácení doby účinku na cílené plevele. Kontrolované
uvolňování těchto přípravků je možné zajistit použitím mikrokapsulí s polopropustnou
membránou umožňující dlouhodobé postupné uvolňování hnojiv a dalších aktivních složek.
Proto se provádí uzavření účinné látky do mikrokapsulí o různé velikosti s řízeným
neobsahují změkčovadla a mají rigidní strukturu. Kapsle se vyrábí z želatinové směsi, do
které se mohou přidávat:
barviva – zejména pro spotřebitelskou atraktivnost
tensidy (např. laurylsulfonát sodný) – zmenšují interakci želatina–výrobní zařízení a
zajišťují rovněž stejnou tloušťku stěn tobolek
antimikrobika – brání růstu plísní a bakterií na povrchu tobolek
Materiál, který se má plnit do želatinových tobolek, musí být homogenní a vhodný ke
zpracování v automatických plnicích strojích. Do roku 1985 se do tvrdých želatinových
tobolek plnily jen tuhé látky. Vyvinutím plnicích automatů pro kapalné látky (oleje a pasty) se
vytvořila možnost použití tvrdých želatinových tobolek i pro tyto materiály.
Při výrobě HGC se postupuje tak, že se do připravené želatinové směsi ponořují trny
připevněné na ocelové desce na cca 12 s. Po ochlazení a přesušení v sušárně (22–28 oC) se
vytvoří tělo. Uzávěry mají o málo větší průměr. Při výrobě se udržuje konstantní viskosita,
neboť ta ovlivňuje tloušťku filmu. Kapsle se stahují z trnů kovovými čelistmi a na standardní
délku se upravují ořezáním. Kapsle se automaticky naplní daným farmakem (většinou
v práškové formě), uzavřou se, očistí a vyleští. Vzhledem k povaze želatiny nelze plnit do
kapslí kapalinu obsahující vodu. Je možné plnit oleje či pastovité látky.
Zvolená teplota při ochlazováním roztoku želatiny je klíčovým krokem pro tvorbu těla a
uzávěru. Při teplotách pod 40 oC se želatinové molekuly seskupují zpětně do struktury velmi
podobné původnímu kolagennímu materiálu. Vzniká 3-prostorová síť, která způsobuje vznik
gelu, což je nezbytná podmínka pro tvorbu kapsulí. Pevnost a rigidita vzniklého gelu je
důležitým faktorem pro tvorbu kapslí a je závislá na molekulové hmotnosti želatiny. Další
podmínky, které ovlivňují kvalitativní ukazatele gelu jsou: koncentrace, pH, doba zrání.
V některých případech se kapsle opatřují povrchovou úpravou (filmem) z acetátu nebo
fosfátu celulosy. Zlepší se tak jejich odolnost proti kyselému prostředí v žaludku a snadněji se
rozpouštějí v alkalickém prostředí tenkého střeva. Uvolňování léčiv z kapslí je dáno
schopností želatiny rozpouštět se v gastrointestinálním (zažívacím) traktu.
Bioavailabilita = podíl terapeuticky účinné látky, která dosáhne krevního oběhu. Je
ovlivněna rozpustností želatiny v gastrointestinálním traktu, kterou lze upravit (většinou
snížit) zesíťováním materiálu kapslí např. aldehydy, enzymy (aminotransferasy) apod.
Želatinové kapsle umožňují přesné dávkování farmaka tam, kde nelze použít tabelisaci.
- 90 -
Pacienti je po zvlhčení povrchu v ústech snadno polykají. Positivně ovlivňují chuť.
Zpomalené rozpouštění kapsle umožňuje dosáhnout konstantní koncentrace farmaka v krvi.
Tvrdé želatinové tobolky se dodávají v několika velikostech, označených většinou čísly,
která udávají vnitřní objem tobolek. Vnitřní objem tobolek se obvykle pohybuje od 0,1 ml do
2 ml.
Typy vyráběných želatinových tobolek:
a) původní želatinové tobolky
mají hladké stěny
obě části tobolky (tělo a uzávěr) je nutné slepit páskem želatiny, aby nedošlo při
manipulaci k jejich otevření
b) tobolky lock – caps
tělo a uzávěr do sebe přesně zapadají a minimalisuje se tak otevření tobolky
c) tobolky coni – snap
tělo a uzávěr mají v částech, v nichž se do sebe nasouvají, mírně kónický tvar, čímž se
usnadní jejich vzájemné sesazení a více se minimalisuje risiko otevření tobolky
d) tobolky coni – snap – supra
uzávěr výrazně přesahuje tělo tobolky, z kterého je vidět jen zakulacené dno, a které se
nedá prsty ani kleštěmi bez zmáčknutí zachytit, čímž se významně minimalisuje risiko
otevření tobolky
e) tobolky licaps
jsou určeny pro plnění kapalných látek a mají výrobní toleranci vnitřního objemu ±1 %
f) tobolky Eta – lock
mají v těle tobolky zabudovaný kanálek, kterým při nasazování víčka a uzavírání uniká
vzduch, což umožňuje zvýšit rychlost jejich plnění; v Č.R. tyto tobolky vyrábí např.
firma Noventis Zlín
- 91 -
Želatinová tobolka (Eta – lock):
Stroje na plnění tvrdých želatinových tobolek jsou založeny na dvou principech:
1. Krokový (starší)
U strojů krokových se do stroje vsypou prázdné želatinové tobolky, stroj separuje
jejich tělo a uzávěr, naplní tobolku, vyřadí vadně naplněné, tobolky uzavře a vypustí je do
zásobníku hotových tobolek. Nejmenší stroje mají výkon cca 1000 až 6000 tobolek / hodinu,
vysoce výkonné stroje jsou schopny vyrábět až 70.000 tobolek / hodinu.
2. Kontinuální (novější)
Tyto stroje jsou vysoce výkonné a naplní až 120.000 tobolek / hodinu. Používají se
k plnění jen práškových látek. Celý proces je automatisovaný a operace probíhají
v následujícím sledu: technologická příprava – přísun prázdných tobolek – plnění – transport
naplněných tobolek – odběr vzorků pro laboratorní kontrolu.
Součástí plnících strojů je kontrola správnosti plnění. Ve zvoleném cyklu se odebírají
naplněné tobolky, které se váží na přesných váhách (např. typu Sartorius nebo Mettler).
- 92 -
Pokud hmotnost neodpovídá, řídící počítač dá pokyn k úpravě hmotnosti náplně. Úplná
kontrola hmotnosti náplně spočívá v tom, že všechny tobolky prochází vážící buňkou a
automaticky se vyřazují nevyhovující tobolky. Celý proces automatického plnění tobolek je
dokumentován pro každou výrobní šarži plněného přípravku.
Naplněné želatinové tobolky je možné potiskovat, barvit, leštit, eliminovat jejich pach
apod.
Barva tobolek je vhodným identifikačním znakem a také výrazně působí na psychiku
uživatelů, proto např.
žlutá, oranžová a levandulová působí psychostimulačně a jsou vhodná pro
antidepresiva, psychofarmaka (= látky na časově omezenou dobu pozměňující psychiku
člověka v oblasti vnímání a vědomí)
šedá a tmavomodrá a jasně zelená jsou indiferentní
bílá je vhodná pro analgetika (= bolest tlumící prostředky)
Výrobci nabízejí tobolky v desítkách různých odstínů, čiré či matné, čímž odlišují různé
přípravky. Barvení tobolek se může provádět buď ve hmotě (želatinové) nebo se barví
tobolky vysušené, popř. i po expedici ze skladu. Barviva musí být zdravotně nezávadná a
rozpustná v ethanolu nebo ve vodě. Nejčastěji se používají barviva rozpustná ve vodě.
Z nerozpustných barviv se používají hlavně pigmenty (TiO2, oxidy železa). Barviva působí
také jako ochrana proti možné oxidaci léčiva světlem.
Typické složení směsi na tvrdé želatinové kapsle:
Želatina 30 % Voda 65 % Barviva 5 % Pigmenty dle potřeby Změkčovadla dle potřeby
3.2.2 Měkké želatinové kapsle
Měkké želatinové kapsle (SGC) jsou jednokusové, hermeticky uzavřené
kontejnery pro uchovávání kapalin, suspensí a polopevných látek. Na rozdíl od tvrdých
želatinových kapslí se do želatinového roztoku přidávají změkčovadla (glycerin,
propylenglykol, sorbitol) a kapsle jsou tak mnohem flexibilnější. SGC, podobně jako HGC,
jsou určeny především pro orální dávkování, nicméně je možné je také aplikovat vaginálně.
- 93 -
Poprvé byly měkké želatinové kapsle připraveny roku 1830 dvěma francouzskými
lékárníky. Podle jejich patentu se SGC připravily ponořením usňového váčku naplněného rtutí
do tekuté želatiny. Želatinový povlak se pak nechal ztuhnout, váček se odstranil a do
vytvořené želatinové kapsle se medikament nadávkoval pipetou. Kapsle se nakonec uzavřela
roztavenou želatinou.
V roce 1930 byl vynalezen rotační kontinuální způsob výroby SGC dovolující produkovat
hromadnou výrobu. V současné době většina strojů používaných na výrobu SGC pracuje na
principu rotačního kontinuálního způsobu. Princip je takový, že se dva gelové (rosolové)
filmy želatiny přivádí ke dvěma rotujícím lisovnicím, které mají velikost a tvar budoucí
kapsle. V místě, kde se rotující lisovnice setkají se v přesně načasovaném okamžiku mezi
želatinové pásy dávkuje aktivní látka; následně je kapsle vytvořena působením tlaku a teploty.
Výhody SGC: obvykle rychleji uvolňují enkapsulovanou látku, protože absorbují vodu
dovolují dávkovat velmi malé množství léku
enkapsulovaná látka může být dávkována s vyšší přesností
aktivní enkapsulované složky citlivé na oxidaci je možné ochránit jejich rozpuštěním či
dispergací v oleji uvnitř SGC
želatinová kapsle funguje jako přirozená bariéra proti oxidaci
maskuje nepříjemnou chuť či vůní aktivní složky
je možné vyrobit prakticky jakoukoliv velikost, tvar a barvu, čím je možné SGC snadno
identifikovat
jsou spotřebitelsky přitažlivé, snadno se polykají
Neýhody SGC: ve srovnání s tabletováním je výrobní proces pomalejší
obsluha složitého zařízení (rotační enkapsulační stroje) vyžaduje kvalifikované
pracovníky
v souvislosti s vyššími investičními náklady a vyššími nároky na kvalitní obsluhu
zařízení jsou SGC obvykle dražší než tablety
před vysušením mají SGC vysoký obsah vlhkosti, což způsobuje reakce mezi obalem
kapsle a aktivní složkou uvnitř
- 94 -
Schéma kontinuálního rotačního lisu na výrobu SGC:
Legenda:
A hadice dopravující želatinou B dávkovací trubice aktivní složky (např. léku) C čerpadlo aktivní složky D vedení aktivní složky E vstřikovací tryska aktivní složky F vodící válečky G gelový (rosolový) film H rotující lisovnice
I válce J dávkovač želatiny
Typické složení směsi na měkké želatinové kapsle:
Želatina 40 – 45 % Změkčovadla 30 – 35 % Voda 20 – 30 % Barviva dle potřeby Pigmenty dle potřeby
Na výrobu (SGC) jde asi 10% celosvětové produkce želatiny. Je-li původ želatiny
překážkou pro vegetariány či některá náboženství (židovské, hinduistické či islámské oblasti),
používá se želatina rybí, které se extrahuje např. z kůží mořských ryb (treska).
- 95 -
Do měkkých kapslí se dávkují náplně, které mají obecně hydrofobní charakter a
nenarušují tak stěnu kapsle. Procento vodného podílu by nemělo přesáhnout 5%. Dávkují se
např.:
a) kapaliny s vodou nemísitelné (přírodní oleje, aromatické uhlovodíky, estery, alkoholy)
b) suspense látek v kapalinách
c) roztoky látek v rozpouštědlech mísitelných s vodou
Měkké kapsle jsou nevhodné pro:
a) aldehydy – částečně síťují želatinu
b) proteolytické enzymy – želatinu hydrolysují
c) redukující cukry – způsobují hnědnutí (Maillardovy reakce)
d) těkavé látky – mohou migrovat přes želatinu nebo netěsnosti kapslí
e) silné kyseliny a zásady – destruují želatinu
f) látky nestabilní v přítomnosti vlhkosti (např. aspirin)
Nejběžnější aplikace měkkých želatinových kapslí:
1. Farmaka
analgetika (acetaminofenon)
protizánětlivá léčiva (např. Ibuprofen)
projímadla
léčiva proti kašli, nadýmání atp.
2. Potravinové doplňky
vitamíny (A, E, D, K), multivitamínové kombinace
antioxidanty
fosfolipidy (lecithiny)
karotenoidy
oleje bohaté na essenciální mastné kyseliny (lněný olej, olej z černého pepře)
Enkapsulované formy se používají např. do žvýkaček, kde se tato sladidla poté uvolňují
pomaleji během žvýkání a vlivem vlhkosti v ústech.
5. Enkapsulace kyseliny citrónové do čaje
Do čaje se ke zvýšení kyselosti přidává kyselina citrónová, přičemž jednorázový přídavek
vede k reakci kyseliny s taninem a k odbarvení. Pozvolným uvolňováním se však tomuto
problému lze vyhnout.
6. Maso a masné výrobky
Do konservovaného masa, párků nebo suchých salámů se ke zlepšení chuti přidává
kyselina mléčná a kyselina citrónová. Mikroenkapsulace těchto kyselin zabrání znehodnocení
výrobku (překyselení masa, předčasné ztuhnutí).
7. Barviva
Mikroenkapsulovaná barviva (β-karoten, kurkumám) mají prodlouženou životnost z cca
šesti měsíců až na dva roky. Mimo to se zlepší se manipulace.
8. Výroba sýrů Při výrobě (zrání) sýrů se mirkokapsule používají pro řízené uvolňování specifických
enzymů, specifických aromat. Výhodou je, že k tomuto uvolňování dochází ve specifickém
okamžiku, změnou pH.
9. Výroba probiotických potravin
Antibiotika (= proti životu) – ničí škodlivé bakterie, ale spolu s nimi i ty užitečné
Probiotika (= pro život) – pomáhají udržet příznivou střevní mikroflóru a posilují
obranyschopnost organismu.
Probiotika jsou schopné stimulovat mechanismy imunitního systému, produkovat
antimikrobiální substance a příznivě ovlivňovat metabolismus – produkce vitamínů, účinnost
trávících procesů. Konsumací probiotických potravin nebo potravinových doplňků se posiluje
posice užitečných mikroorganismů, které ve střevní sliznici bojují s nepříznivými
mikroorganismy. To je obzvláště důležité při průjmových onemocněních či při užívání
antibiotik. Přemnožení škodlivých bakterií, způsobujících poruchy imunitního systému, může
býti způsobeno rovněž špatnou životosprávou či nedostatkem vlákniny ve stravě.
Mezi probiotické potraviny řadíme např. sýry, jogurty, mražené krémy a majonesy s
přídavkem živých bakterií mléčného kvašení (především laktobacilů, bifidobakterií a
- 113 -
streptokoků) nebo kvasinek. Problém spočívá v tom, že obsažené bakterie obtížně přežívají.
Mikroenkapsulací jsou tyto bakteriální buňky chráněny (fysikální bariérou) před vnějšími
podmínkami.
3.3.3 Filmotvorné vlastnosti želatiny
Velmi významnou vlastností želatin je schopnost tvorby filmu. Želatinové filmy a povlaky
se používají jako (jedlé) obalové materiály na ovoce, zeleninu, chlazené a mražené potraviny,
na potravinové polotovary, na oříšky atd. Přídavkem změkčovadel o nízké molekulové
hmotnosti se snižuje teplota tání (Tm) a teplota skelného přechodu (Tg) želatinových filmů.
Mechanické vlastnosti filmů jsou výrazně ovlivněny způsobem jejich přípravy. Filmy získané
odpařováním při vyšších teplotách (cca 60 oC) měly nižší pevnost v tahu a % prodloužení než
filmy připravené získané odpařováním při nízkých teplotách s přídavkem plastifikátorů do
25 %.
Příkladné schema přípravy želatinových filmů:
Želatinový prášek 5 g
Voda 100 g
Glycerol 0-50 % (na želatinu)
Míchání v baňce na vakuové odparce při nízké rychlosti za mírného vakua, lázeň vakuové odparky naplněna směsí studené vody a ledu, 1 hodina (chlazení ledem po celou dobu)
Míchání na vakuové odparce při nízké rychlosti za mírného vakua při 75 oC, 4 hod
Lití zahřátého roztoku na horizontální desku (silikon, teflon apod.)
Odpaření rozpouštědla za mírných podmínek (při teplotách do 40 oC)
- 114 -
3.3.4 Omezení aplikací želatiny z živočišných zdrojů
Některé židovské a muslimské náboženské oblasti stanovují pravidla pro konsumaci
živočišných produktů. Pro tyto oblasti je důležité, aby na potravině bylo jednoznačně
uvedeno, do které kategorie obalový materiál svým složením patří: živočišný produkt,
rostlinný produkt, minerální produkt, syntetický produkt. Totéž se týká také vegetariánů,
veganů, osob majících alergie na živočišné produkty či některých náboženských sekt (např.
Adventisté 7 dne). Tato upozornění by měla být uváděna obzvláště u povlaků na ovoci a
zelenině, u nichž naprostá většina konsumentů nepředpokládá podíl živočišných složek.
- 115 -
3.4 Fotografický průmysl
Klíčová slova Key words emulsní želatiny emulsion gelatin
fotografický průmysl photographic industry neemulsní želatiny non-emulsion gelatin
ochranná vrstva protective layer želatina gelatin
Ve fotografickém průmyslu se želatiny používá jako základní složky emulsí, kterými se
polévají fotografické filmy, papíry a desky. První zmínka o použití želatiny k tomuto účelu
pochází z r. 1850, kdy A. L. Poiterin použil želatiny místo kolódia. Později provedli úspěšné
pokusy se želatinou A. Gaudin v roce 1853, W. J. Harrison v roce 1868 a R. L. Maddox v
roce 1871. U nás byla pokusná výroba fotografických materiálů zahájena v roce 1913 v Brně
(Neobrom) a v roce 1916 v Praze (Fototyp).
Tradičně se želatina používá ve fotografických emulsích cca od roku 1870 a je stále
nejlepším substrátem pro fotografické emulse. Používá se hlavně želatina typu B (získaná
alkalickou extrakcí). Želatina typu A (získaná kyselou extrakcí) má limitované použití na
povrchové povlaky a na mezivrstvy.
3.4.1 Zdroje a dělení fotografických želatin
Želatina se získává převážně z kostí, přičemž proces přípravy a extrakce surového
materiálu je veden za přísně kontrolovaných podmínek vedoucích k želatině s požadovanými
Inertní fotografická želatina tvoří také podkladní vrstvu barevných fotografických
materiálů. Zabezpečuje dobré přilnutí celé emulse skládající se z několika vrstev (každá je
citlivá na jednu ze základních barev) k podložce. Tvoří i ochranné vrstvičky citlivých vrstev.
- 116 -
Požadavky na fotografickou želatinu:
Vlastnost Hodnota
Vlhkost (%) 10,5 – 13,0 Viskosita (mPas) A 74 – 95 pH A 5,65 – 5,85 Pevnost gelu, Bloom (g) A 250 – 310 Absorbance při 420 nm A 0,0 – 0,158 Absorbance při 650 nm A 0,0 – 0,032 A platí pro 6,16 % roztok želatiny (w/v) při 40 oC
Podle použití se fotografické želatiny dělí takto:
1. Emulsní želatiny
a) Pozitivní emulse: brómostříbrné, chlórostříbrné, jódostříbrné, chlórobrómostříbrné.
Emulzní pozitivní fotografické želatiny se dále dělí posle gradace na měkké (S),
normální(N), kontrastní(C) a ultratvrdé (U).
b) Negativní emulse: čpavkové, varové, hypersensibilované zlatem.
2. Neemulsní želatiny
používají se pro barytáž, pro zadní vrstvu (izolární), pro ochrannou vrstvu, pro
povrchové klížení
mají mít dobré fysikální vlastnosti a mají být inertní
Vhodně zvolená želatina působí jako ochranný koloid a umožňuje přípravu homogenních
emulsí halogenidů stříbra v takové formě, že zůstanou ve velmi jemném rozptýlení na nosném
podkladu. Želatiny se používá nejen pro fysikální vlastnosti, které způsobují náležitou hustotu
i viskositu emulsí a konečnou odolnost citlivé vrstvy proti vnějším mechanickým vlivům, ale
zvláště pro své speciální fotochemické vlastnosti, jako schopnost podporovat rychlost zrání a
- 117 -
dodávat materiálu náležitou citlivost. Fotochemické vlastnosti želatin jsou závislé na
stopových látkách, které jsou v nich obsaženy.
3.4.2 Úprava vlastností fotografických želatin
Fotochemický průmysl požaduje želatiny standardních fysikálních i fotochemických
vlastností, což značně usnadňuje práci a bezprostřední použití želatiny pro výrobu určitého
druhu fotografického materiálu s minimálním počtem změn a úprav procesu vaření emulse a
jejího dalšího zpracování.
Z hlediska výrobců želatin je tento zdánlivě jednoduchý požadavek jedním z největších
problémů, protože záleží mnohdy na okolnostech, které jsou často mimo rámec jejich
možností a vlivu. Např. jen zajištění plynulé dodávky vhodných a správně ošetřených surovin
lze těžko dodržet, protože suroviny jsou různorodé, často nedostatečně vytříděné a upravené.
Přesto však mohou výrobci želatin částečně zlepšit kvalitu vyráběných želatin vhodným a
správným vedením technologického procesu, uplatněním praktických zkušeností, přidáním
látek ovlivňujících fotochemické vlastnosti želatin a vzájemným mícháním vyrobených šarží.
Fotochemické vlastnosti želatiny je možno zlepšit správným výběrem vhodných druhů
surovin. Vhodné jsou hovězinové štípenky, zaječí nudle, teletinové štípenky a hlavy a kvalitní
druhy kostí. Velký vliv na fotochemické vlastnosti má skutečnost, zda surovina byla
opracována v kyselém nebo alkalickém prostředí, a rovněž důkladnost praní. Delší vápnění
klihovek poskytuje želatiny s nižší citlivostí a s měkkou gradací. U kostních želatin se
důkladnější vápnění projeví zvýšením rychlosti zrání a dobrým černáním. Důležitá je také
kvalita používané vody.
Obsah účinných stopových prvků lze upravit přídavkem vhodných chemikálií v množství
asi 0,1 % z hmotnosti suché želatiny. Např. přídavkem peroxidu vodíku se oxidují aktivní
látky a želatina se stává inertní, tj. dává emulse pomalu zrající, méně citlivé, s nepatrným
sklonem k závoji, avšak s malým černáním. Přídavek redukčních látek (kysličník siřičitý,
sirnatan) zvyšuje sensibilační účinek želatiny. Snížení závoje působí např.
merkaptobenzthiazol (MBT).
Požadavky každého výrobce fotografického materiálu jsou velmi přesné, a proto se
fotografická želatina prodává většinou podle vzorků. Fotochemické závody si je vyzkoušejí a
podle výsledků zkoušek kupují. Výrobce želatin musí mít proto k dispozici fotochemické
- 118 -
laboratoře, kde se zkoušejí fotochemické vlastnosti každé várky želatiny. Při objednávkách se
často předepisuje druh, typ a třída požadované zásilky (např. u negativní fotografické želatiny
podle ČSN 66 5910).
Želatinárny mnohdy upravují vlastnosti fotografických želatin vzájemným
smícháním jednotlivých vyrobených šarží v takovém poměru, aby vyhovovaly emulsní
zkoušce a jejímu vyhodnocení. To dovoluje připravit velké dávky fotografické želatiny
stejných vlastností, současně však požaduje nákladný sklad základních typů.
Při přípravě stříbrných emulsí želatina plní funkci ochranného koloidu během srážení
halogenidů stříbra. Složení a příprava fotografických emulsí je ošetřeno patenty, nicméně
princip přípravy je následující. Nejprve je želatina rozpuštěna ve vodě a přidá se roztok
halogenidů alkalického kovu (sodíku nebo draslíku). Poté se za stálého míchání po malých
dávkách přidá roztok dusičnanu stříbrného. Směs se zahřeje na danou teplotu (až 50 oC) a po
určitou dobu se při této teplotě míchá. Nakonec se přidá další želatina a voda a směs se upraví
na požadovanou viskositu. Proces se reguluje tak, aby se získala požadovaná velikost zrn
halogenidů stríbra. Takto připravenou emulsí se poté potahuje film, papír, kov či sklo.
- 119 -
3.5 Humánní medicína
Klíčová slova Key words kosmetologie cosmetics
lékařství medicine želatina gelatin
Želatina se s úspěchem používá k prevenci vzniku kloubních onemocnění (zejména
kolenních a kyčelních kloubů) a osteoporosy. Na trhu jsou želatinové přípravky, přičemž
některé z nich byly vyvinuty ve spolupráci s profesionálními sportovci. Velmi rozšířené jsou
také aplikace želatiny pro přípravu biomateriálů pro injekční aplikace v kostní chirurgii.
Lékařské studie prokázaly účinek želatiny při léčení nemocí pojivových tkání – např.
revmatická artritida.
Samostatně nebo v kombinaci s lipidy se želatina užívá na výrobu přípravků (houby,
polštářky) zastavujících krvácení.
Želatina se také využívá v kosmetologii k výrobě mastí, k přípravě emulsí, dále je vhodná
pro stabilisaci krémů. V roce 1973 firma Cooperman and Johnson uvedla na trh šampóny a
přípravky na ošetřování vlasů, jejichž součástí byl hydrolysát želatiny, který má positivní
sojový koncentrát soy concentrate sojový protein soy protein
Sója je významná olejnina. Produkce sóji v USA kryje 40 % světové produkce a 60 %
světového obchodu se sójou. Sojové boby obsahují asi 20 % tuků a až 55 % bílkovin.
Poslední dobou roste zájem o využití sojové bílkoviny, např. pro tvorbu povlaků na
papíry, jako adhesiva na překližky, k mikroenkapsulaci insekticidů, potravních doplňků či
léčiv.
7.1 Produkty ze sóji
Sojový olej – získává se lisováním nebo extrakcí sojových bobů, nebo jejich kombinací.
Sojový protein (globuliny)
Při zpracování sojových bobů se po odstranění slupky a oleje získají odtučněné vločky,
které se používají pro výrobu odtučněné sojové mouky, sojových koncentrátů a sojových
isolátů. Odtučněná sojová mouka je nažloutlá hmota.
Sojový protein (taktéž sojové koncentráty a isoláty) je nejbohatším zdrojem isoflavonů
(látky fenolické povahy), které mají prokazatelné vlastnosti v prevenci rakoviny, osteoporosy
a některých symptomů menopauzy (náhlé mravenčení). Dále snižují hladinu krevního
cholesterolu (snižují LDL cholesterol; na hladinu HDL nemají žádný vliv), triglyceridů a
snižují risiko srdečních chorob až o 20 %. Obsah isoflavonů v proteinu je však vysoce závislý
na způsobu zpracování a může se pohybovat téměř od nuly až na 5 mg/1 g proteinu.
V některých asijských zemích, kde je výskyt rakoviny, srdečních potíží nebo symptomů
menopauzy velmi nízký, je denní příjem isoflavonů odhadován na 25–50 mg. Naproti tomu,
- 143 -
západní státy nedosahují v průměru ani 5 mg. V případě vysoké hladiny estrogenů, která
může podporovat vznik rakoviny, potlačují isoflavony nepříznivé efekty estrogenu a mohou
tak bránit růstu rakovinových buněk. V opačném případě, pokud je hladina estrogenu nízká,
což je typické pro období menopauzy, působí isoflavony jako slabý estrogen a utišují některé
symptomy, jako bolesti hlavy, mravenčení či změny nálady.
Kvalita bílkoviny se posuzuje podle několika kritérií, např. stravitelnost,
aminokyselinová skladba, biologická hodnota. Následující tabulka udává obsah esenciálních
AMK na 100 g vybraných proteinů:
Obsah esenciálních AMK v g na 100 g proteinu Sojový protein – isolát 26
Sojový protein – koncentrát 22,5 Vaječný protein 22
Mléčný protein – isolát 20 Syrovátkový protein – isolát 17
V sojovém proteinu jsou zastoupeny všechny essenciální (nezbytné) aminokyseliny a
v aminokyselinovém složení to je jeden z nejkomplexnějších rostlinných proteinů. Svou
kvalitou se pak, v porovnání s ostatními rostlinnými proteiny, nejvíce blíží živočišným
proteinům. Na druhou stranu je sojová bílkovina poměrně chudá na síru obsahující
aminokyseliny, jako cystein a methionin. Stravitelnost sojového proteinu je velmi dobrá, i
když nedosahuje tak příznivých hodnot jako syrovátkový protein, viz následující tabulka:
Biologická hodnota Stravitelnost (%) Syrovátkový protein 100 99 Vejce 88 – 100 98 Kasein 80 99 Myofibrilární protein z hovězího masa 80 98 Sojový protein – koncentrát 74 95
I když existují kvalitnější proteiny, má sojový protein určité vlastnosti, které ho řadí na
přední místa. Je například jedním z nejdůležitějších základů vegetariánské diety.
Koncentrát sojové bílkoviny
Upravuje se extrakcí a bělením sojového proteinu a obsahuje asi 70 % bílkovin. Koncentrát
je zbavený většiny vody, tuku a nebílkovinných složek, polysacharidy jsou zachovány. Aroma
sojového koncentrátu připomíná sojové boby.
- 144 -
Isolát sojové bílkoviny
Isolát je mnohem čistší než koncentrát. Vzhledem k tomu, že většina ostatních složek a
nečistot je odstraněna, pohybuje se koncentrace bílkoviny kolem 90 % a aroma je mnohem
neutrálnější.
Sojové mléko
Obsahuje asi 55 % bílkovin, 28 % lipidů, 12 % cukrů a 2 % popelovin. V USA se asi 60 %
sóji spotřebuje v potravinářské výrobě, 20 % pro výrobu adhesiv, 10 % pro výrobu plastů a
asi 10 % pro jiné účely.
7.2 Aplikace sojového proteinu
7.2.1 Filmy a fólie ze sojového proteinu
Filmy se připravují se litím a sušením asi 10 % roztoku bílkoviny. Teplota sušení a
relativní vlhkost vzduchu ovlivňují rychlost sušení a vlastnosti fólií např. tloušťku, tuhost,
pevnost, tažnost. Složení a flexibilita filmů se ovlivňují hlavně přídavkem plastifikátorů např.
glycerolu, glukósy, monoacylglycerolu atd. Filmy lze připravit také vytlačováním při
teplotách do 180 oC, vyšší teplota způsobuje rozklad. Filmy jsou málo propustné pro kyslík,
protože jsou hydrofilní, mají nižší odolnost proti vodě. Přídavekem lipidů ze zlepší integrita
filmu a jeho schopnost adherovat na povrchy ovoce.
Sojové filmy se často síťují, aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti. Při
zahřívání filmotvorných roztoků nad 60 oC, zejména v alkalickém prostředí, se podporuje
vznik intra- a intermolekulárních příčných vazeb, zejména S–S a vodíkových vazeb.
Nízkomolekulární aldehydy reagují s primárními aminoskupinami a –SH skupinami bílkoviny
a síťují ji. Formaldehyd se přidává buď přímo do roztoku sojového proteinu, nebo se
vytvořené filmy do roztoku ponořují. Obdobně působí i dialdehyd škrobu. Síťování aldehydy
není vhodné pro jedlé filmy a fólie. Síťování lze provést i působením UV-záření, kdy
aromatické aminokyseliny (tyroxin a fenylalanin) vytvářejí příčné vazby.
Obecně mají sojové filmy a fólie nižší mechanické vlastnosti, než filmy připravené ze
synthetických polymerů (PE, PP, PVC).
- 145 -
Použití sojových filmů při výrobě vícevrstvých obalů, kdy sojová vrstva brání průniku O2
při výrobě obalů na masné výrobky a polotovary, kde film zabraňuje oxidaci tuků (a
tím také barevným změnám) a snižuje ztráty vlhkosti
po přídavku antimikotik brání účinkům tvorby bakterií např. lactobacilus plantarum
jako obalový materiál pro (mikro)kapsule k uchovávání chuťových aditiv do potravin,
léčiv atd.
ve vodě rozpustné sáčky pro sušené potraviny
Vlastnosti sojových filmů:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Sojová mouka + 30% glycerolu
nízká: 620 měkne, bobtná flexibilní flexibilní
Isolát sojové bílkoviny + 30% glycerolu
nízká: 605 měkne, bobtná flexibilní –
7.2.2 Povlaky na smažené potraviny
Roztok sojového proteinu (10 %, w/w) se používá k vytvoření povlaků na smažené
potraviny, u kterých se významným způsobem snižuje obsah absorbovaného oleje při
smažení, a to až o 50 %. Postupuje se tak, že se potraviny před smažením namočí do horkého
(80 oC) roztoku proteinu na 20 minut a poté se ochladí na pokojovou teplotu.
7.2.3 Sojová vlákna
Přípravují se tak, že se bílkovina se rozpustí v roztoku 1,3 M NaOH na viskósní směs
(pH=12,5), která se filtruje a zároveň pod tlakem extruduje do acetátového pufru (pH=4,7),
kde koaguluje. Jako plastifikátor se používá glycerol. Při spřádání sojových vláken se
používají sloučeniny Zn2+ a Ca2+, které snižují křehkost za mokra spřádaných vláken. Po
spředení se vlákna opracují roztokem acetanhydridu nebo acetaldehydu a tím se zvýší
houževnatost.
- 146 -
7.2.4 Výroba masových polotovarů
Vysušené libové maso se mechanicky rozmělní na vlákna a smíchá se s vodným roztokem
sojového proteinu obsahujícího vaječný bílek. Z vytvořené kaše se přes formu vytlačí pás,
který se rozkrájí na požadované kousky, a ty se následně tepelně upraví, aby došlo ke
koagulaci proteinu. Získá se polotovar, který má zachovánu masovou příchuť vyznačující se
dobrou texturou a dobrou nasákavostí (rehydratací).
7.2.5 Plasty ze sojového proteinu
Sojový protein může být zpracováván běžnými plastikářskými technikami (lisování,
vytlačování, vstřikování). Při vstřikování se obvykle připraví směs sojového proteinu
s dalšími additivy tak, aby obsah vlhkosti směsi byl 11,5 %. Bylo zjištěno, že plasty
vstřikované za teploty 80 oC mají pevnost v tahu 15 MPa a plasty vstřikované za teploty
140 oC mají pevnost v tahu 39 MPa. Vstřikují se také směsi sojového proteinu se škrobem
(20–40 %, w/w) či s celulosou (1–25 %, w/w).
Při vytlačování se nejčastěji jako změkčovadlo používá glycerol. Je nutné se vyvarovat
vysokých teplot, které vedou k agregaci proteinových molekul, což způsobuje těžkosti při
vytlačování a formování tvaru hotového výrobku. Vystavení proteinu velmi vysokým
teplotám vede k jeho degradaci.
Modifikace vlastností plastů ze sojového proteinu:
a) síťování – přídavkem 5 % formaldehydu (w/w) výrazně vzroste pevnost v tahu a klesne
absorpce vody sojovým plastem
b) změkčování – změkčovadla reagují s hydrofobními bočními řetězci proteinu a rozbalují
molekuly; plastifikační efekt závisí na teplotě, přičemž změkčovadla jsou účinná až při
teplotách nad svou teplotou tání
c) přídavek krátkých celulosových vláken do 20 % (w/w) zvýší pevnost v tahu a Youngův
modul pružnosti sojového plastu
Aplikace plastů ze sojového proteinu: jednorázové nádobí: lžičky, misky, kelímky
tašky na nákupy a odpadky
květináče a mísy na rostliny
- 147 -
tepelné isolace
pomocné součásti pro stavební účely
Sojový protein je možné také smísit se syntetickými biodegradabilními polymery (PVAL,
kyselina polymléčná), které se přidávají od 2 do 40 % (w/w).
Výrobky ze sojového proteinu:
7.2.6 Další sojové výrobky
Mezi další sojové výrobky patří např.:
sója (celé sojové boby), sojová mouka a lisované vločky
Miso (hladká pasta používaná jako slané koření)
Okara (drť vlákniny vznikající při výrobě sojového mléka)
sojové sýry a sojové jogurty, sojové omáčky, sojové ořechy
tofu a výrobky z tofu (srážením čerstvého sojového mléka koagulátorem)
- 148 -
8. AMARANTOVÁ BÍLKOVINA
Klíčová slova Key words amaranth amaranth
amarantová bílkovina amaranth flour biodegradabilní filmy biodegradable films
Při suchém mletí pšenice se získává mouka pro pekárenské účely. Obsahuje až 80 %
škrobu a cca 10 % bílkovin. Pšeničný glutén je vedlejším produktem při výrobě škrobu
z pšenice mokrým způsobem. Z rozemleté pšenice se škrobová zrna vymývají vodou. Zbytek
je pšeničný glutén, který obsahuje na sušinu až 80 % bílkovin, stopy škrobu, asi 14 %
neškrobových polysacharidů, 8 % lipidů a 1 % popelovin. Glutén v mouce podmiňuje
soudržnost těsta.
Glutén tvoří z hlavní části bílkovina glutenin (55 %) a gliadiny (40 %). Zbytek je tvořen
albuminy a globuliny. Glutenin a gliadin jsou nerozpustné ve vodě.
Bílkoviny tvoří síť, na jejíž soudržnosti se podílí kovalentní i nekovalentní vazby.
Bílkovina glutenu je pevná a elastická díky přítomnosti disulfidických vazeb, má vysokou
molekulovou hmotnost a je převážně nepolární.
- 155 -
Deamidovaný glutén se získává opracováním glutenu kyselinami nebo zásadami. Přechází
na kys. glutamovou a uvolňuje se NH2 → tzv. deaminace. Deamidace v rozmezí 2–6%
dostačuje k tomu, aby se glutén stal ve vodě rozpustný. V této formě se používá k přípravě
filmotvorných roztoků, neboť gluten vykazuje dobré filmotvorné vlastnosti (soudržnost a
elasticita filmů) a nízkou propustnost pro aromatické látky. Filmy se připravují většinou
z alkoholických roztoků v alkalické i kyselé oblasti.
Pšeničný glutén vykazuje kohesivní vlastnosti, je viskoelastický, rozpustný. Ve většině
případů se zpracovává z disperse. Z těchto důvodů může být použit v potravinářských i
nepotravinářských aplikacích, jako jsou např. ochranné povlaky, filmy, adhesiva či
detergenty.
9.1 Glutenové filmy a fólie
9.1.1 Příprava filmů
Filmy a fólie lze připravit dvěma způsoby, rozpouštědlovým nebo thermoplastifikačním.
9.1.1.1 Rozpouštědlový způsob
Rozpouštědlový systém se připravuje buď kyselý nebo basický a v obou případech se
přidává redukční činidlo (např. 2-mercaptoethanol, Na2S), které štěpí inter- a intra-
molekulární S–S vazby. Kyselé prostředí tvoří např. kyselina citrónová, octová, mléčná,
propionová, fosforečná. Bazický systém tvoří nejčastěji NH4OH a také KOH, NaOH.
Odpařováním rozpouštědel roste koncentrace proteinu a obnovují se vodíkové vazby a sirné
můstky a vznikají trojrozměrné struktury. Po nalití roztoku na podložku a po vysušení při
normální teplotě se vytvoří kompaktní lesklý film. Při sušení působením vzdušného kyslíku
vznikají S–S vazby, které síťují proteinové molekuly. Zahříváním a změnou pH se ovlivňuje
rozpustnost proteinu a vlastnosti filmu. Filmy připravené z prostředí o pH 4 jsou mnohem
více rozpustné, než filmy připravené z prostředí o pH 11. Filmy mohou být připraveny
z prostředí pod nebo nad isoelektrickým bodem. Přesto se z alkalického prostředí získají filmy
s větší pevností než filmy připravené z neutrálního či kyselého prostředí, což je přisuzováno
vzniku příčných vazeb.
- 156 -
Reaktivní aminokyselinou glutenu je lysin, který se podílí na síťovacích reakcích. Bylo
zjištěno, že filmy připravené ze zahřátých alkalických dispersí obsahovaly zesíťované
aminokyseliny (lysinoalanin, ornithinoalanin), které vznikly z původních aminokyselin
(cystin, alanin, arginin, threonin, lysin a serin). Ke vzniku lysinoalaninu, který přispívá ke
zvýšení mechanické pevnosti filmů dochází při teplotě 70 oC a při pH nad 10.
V praxi se glutenové filmy obvykle připravují jedním z následujících postupů:
a) 10 g glutenu se disperguje ve 90 g vody, přidají se 2 g glycerolu a směs se míchá. pH
disperse se upraví buď na 4 (HCl) či na 11 (NaOH). Poté se 30 min míchá, disperse se umístí
na vodní lázeň a při teplotě 70 oC se zahřívá 10 minut (odplynování). 20 g disperse se vylije
na Petriho misku o průměru 9 cm a nechá se vytvořit film sušením při pokojové teplotě po
dobu 2 dnů. Vzniklý glutenový film se kondicionuje 3 dny při 60 % relativní vlhkosti.
b) 10 g glutenu se disperguje v 50 ml ethanolu za míchání. poté se přidá 40 ml vody a
pokračuje se v míchání. Aby se zabránilo vzniku bublinek při lití filmu, disperse se vloží na
krátkou dobu do ultrazvukové lázně. 20 g disperse se vylije na Petriho misku o průměru 9 cm
a nechá se vytvořit film sušením při teplotě 40 oC po dobu 1 hod v troubě a následně při
pokojové teplotě po dobu 2 dnů. Vzniklý glutenový film se kondicionuje 3 dny při 60 %
relativní vlhkosti.
9.1.1.2 Termoplastifikační způsob
Za přídavku plastifikátoru se pšeničný glutén dá převést do viskoelastického stavu.
Jako plastifikátor se dá použít voda (nevýhodou je, že amfoterní část gluténu se nerozpustí),
nebo glycerín a sorbitol. Používá se 30–40 % plastifikátorů. Plastifikátory snižují teplotu
skelného přechodu glutenu (Tg). Plastifikovaný glutén je možné zpracovat nad Tg běžnými
technikami používanými při zpracování synthetických polymerů – extrusí, lisováním,
hnětením nebo vstřikováním. Tepelné opracování filmů a fólií vede k dalšímu zesíťování.
9.1.2 Vlastnosti glutenových filmů
Glutenové filmy se vyznačují těmito vlastnostmi:
jsou homogenní, transparentní
- 157 -
jsou biodegradabilní a jedlé
tvoří bariéru proti O2, CO2 a ethylenu
při teplotách 95 oC žloutnou
fysikálně-mechanické vlastnosti jsou ovlivněny distribucí a hustotou příčných vazeb a
dají se ovlivňovat přídavkem vhodných změkčovadel nebo jiných additiv (lipidů)
Srovnání mechanických vlastností gluténových filmů:
Film Pevnost v tahu (MPa) Protažení (%) Pšeničný gluten 0,9 26 Sojový protein 1,9 36,5 Myofibrilární rybí protein 17,1 22,7 Acetát celulosy 56,1 18,5 Methylcelulosa 66,5 30
Vlastnosti glutenových filmů:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Pšeničný gluten + 20% glycerolu
vyšší: 1224 měkne flexibilní flexibilní
Pšeničný gluten + 40% glycerolu
vyšší: 1318 měkne flexibilní flexibilní
Bariérové vlastnosti proti vodě lze podstatně zlepšit začleněním lipoidních látek do
struktury filmu, např. včelího vosku či parafinu. V těchto případech se bariérové vlastnosti
vůči vodě alespoň řádově blíží PE.
Mechanické vlastnosti se zlepšují přídavkem síťovadel, zejména formaldehydu.
9.1.3 Použití glutenových filmů
fóliování semen, pilulek, potravin
potahování kapslí léčiv
nosič antioxidantů a antimikrobik v cereálních potravinách
selektivní permeabilita plynů a vlhkosti umožňují aplikace filmů a fólií v obalové
technice
mikroenkapsulace léčiv (kontrolovatelné uvolňování léčiva do krevního oběhu)
- 158 -
výroba slaných oříšků (filmy vážou sůl)
po nanesení včelího vosku jsou filmy vhodné pro balení pečiva nebo pizzy, protože
dostatečně brání unikání vlhkosti
pro balení ovoce a zeleniny, případně sýrů, neboť glutenové filmy mají velkou
propustnost pro vodu, a proto jsou pro tyto aplikace velmi vhodné
Výroba nízkotučných brambůrek ošetřených povlakem z pšeničného glutenu.
Připravené bramborové plátky se před smažením ponoří do roztoku pšeničného proteinu.
Tento povlak zajistí nižší absorpci oleje při smažení brambůrek a to až o 15%. Dále se
zvýší množství zadržené vody. Pokles peroxidového čísla je u takto zpracovaných
brambůrek 30 až 50 % .
9.2 Další aplikace glutenu
a) kosmetika
Hydrolysáty glutenu se používají jako aktivní složka do kosmetických přípravků, zejména
na čištění pokožky, k vyhlazování vrásek a jako přídavek do kondicionérů na vlasy.
b) adhesiva
c) vícevrstvé obalové materiály
např. gluténová fólie / papír
gluténová fólie / bavlna
využívá se předností použití čistých komponent
Přídavek pšeničného glutenu do fólií vyrobených z methylcelulosy nebo
hydroxymethylcelulosy zlepšuje jejich propustnost pro plyny (O2, CO2). Takové fólie se
pokládají za biodegradabilní.
- 159 -
10. KUKUŘIČNÝ ZEIN
Klíčová slova Key words filmy films fólie foils
kukuřičný zein corn zein povlaky coatings
Kukuřičný zein je obsažen v kukuřičném endospermu – zásobním pletivu semene.
Tvoří přes 50 % všech bílkovin endospermu. Kukuřice obsahuje několik bílkovin, které se liší
svou rozpustností. Albumin je extrahovatelný vodou, globulin je extrahovatelný roztoky solí,
zein je extrahovatelný alkoholy, glutenin je extrahovatelný zředěnými alkáliemi.
Roční produkce zeinu jen v USA přesahuje 500.000 kg a využívá se zejména na
výrobu filmů a povlaky v potravinářském a farmaceutickém průmyslu.
Kukuřičný zein má filmotvorné schopnosti, tvoří lesklé filmy (rozpouštědlem je ethanol),
odolné vůči tukům a mikrobům, které jsou rozpustné ve vodě. Filmy se používají
v potravinářském průmyslu k ochranným povlakům na vyloupané ořechy, karamely,
bonbóny, v cukrářství, nebo jako povlak na pečené krůtí plátky. Takto ošetřené produkty
vykazují delší dobu trvanlivosti. Při výrobě bramborových lupínků se bramborové plátky
opatří před smažením vrstvou proteinového povlaku, který sníží absorpci tuku při následném
smažení.
Příprava zeinových filmů a fólií:
Práškový zein (obvykle 14–22 %, w/v) se rozpustí při teplotě 65–85 oC ve vodném roztoku
ethanolu. Jako změkčovadlo se přidává glycerol, propylenglykol, mastné nebo acetylované
glyceridy, čímž se zlepší flexibilita filmu. Film se připraví litím roztoku na skleněné desky a
vysušením. Výrobek, který se má obalit, se může do roztoku přímo ponořit. Do připraveného
roztoku lze přidat antioxidanty pro zpomalení oxidace tuků. Přídavek sojového nebo
bavlníkového oleje dodává fólii lesk. Filmy a fólie tvoří bariéru proti O2 a CO2, chrání zboží
proti působení vlhkosti a tuků. Mechanické a bariérové vlastnosti filmů se modifikují
přídavkem síťovadel. Tepelným působením spolu s vysokým tlakem se zlepší textura a čirost
filmu. Obaly jsou jedlé (biodegradabilní). Zeinové filmy jsou odolné vůči dlouhodobé
exposici slunečnímu záření a dešti. Dobře odolávají opakovaném cyklům zmražení a
rozmražení. V poslední době se vyvíjejí extrusní technologie výroby zeinových filmů.
- 160 -
Vlastnosti zeinového a glutenového filmu:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Kukuřičný zein + 20% glycerolu
vyšší: 1224 měkne flexibilní flexibilní
Pšeničný gluten + 40% glycerolu
vyšší: 1318 měkne flexibilní flexibilní
Přehled o použití filmů a povlaků z kukuřičného zeinu v potravinářském průmyslu:
Aplikace zeinových filmů a povlaků
Protein Aplikace Funkční vlastnosti Kukuřičný zein
rýže nosič vitamínů sušené potraviny vodorozpustný obal párky, klobásy bariéra proti vlhkosti vejce bariéra proti vlhkosti a bakteriím,
zvýšení pevnosti skořápky popcorn bariéra proti vlhkosti papír bariéra proti tukům rajčata bariéra proti vlhkosti, O2, CO2;
zabraňuje změně barvy při transportu, brání ztrátám vlhkosti, zpomaluje barevné změny a měknutí, prodlužuje dobu trvanlivosti o 6 dní
jablka, hrušky bariéra proti O2, CO2; brání ztrátám vlhkosti, zpomaluje barevné změny a měknutí, zvyšuje pevnost
pečený krocan bariéra proti O2, nosič antioxidantů škrobové potraviny bariéra proti vlhkosti a olejům sýry bariéra proti vlhkosti smažené bramborové krokety snížení absorpce oleje při smažení o
cca 59 %, zamezení ztrátám vlhkosti při smažení až o 15 %
maso a ryby jedlý obalový materiál, nižší ztráty vlhkosti a omezení oxidace tuků
Kukuřičný zein / acetylované monoglyceridy/ změkčovadlo
cukroví bariéra proti vlhkosti, O2 a olejům; nosič antioxidantů, prevence slepování
mandle, burské oříšky, lískové oříšky
bariéra proti vlhkosti, O2 a olejům; nosič antioxidantů
potraviny s vyšším obsahem vlhkosti
nosič konservačních prostředků
pečené krůtí plátky obalový materiál pro krátkodobé skladování (v chladicích zařízeních do cca 9 dnů), ochrana před oxidací tuků
- 161 -
Kukuřičný zein / přírodní oleje
oříšky, cukroví bariéra proti vlhkosti, O2; nosič antioxidantů