166
- 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:

Natural polymer aplication

  • Upload
    re88

  • View
    263

  • Download
    14

Embed Size (px)

DESCRIPTION

trvale udržitelný rozvoj, polymery ze škrobu a pod.

Citation preview

Page 1: Natural polymer aplication

- 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:

Page 2: Natural polymer aplication

- 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,

Page 3: Natural polymer aplication

- 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.

Page 4: Natural polymer aplication

- 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

Page 5: Natural polymer aplication

- 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),

adsorpce, agregace a srážení. Denaturaci proteinů ovlivňuje pH, vlhkost, teplota, smyk,

organická rozpouštědla, soli, hydrofilita/hydrofobita proteinu. Při denaturaci nastávají

nevratné změny. Hydrofilita/hydrofobita proteinu ovlivňuje schopnost jeho adsorpce na

povrchy. Změny pH mohou ovlivnit polární a nepolární intramolekulární přitažlivé a

odpudivé síly proteinu. Některé hydrolytické enzymy žaludku (pepsin a chymotrypsin) jsou

účinné při velmi nízkých kyselých pH. Naproti tomu enzymy slin v ústech (α-amylása) jsou

účinné blízko neutrální oblasti a lipásy zase v alkalické oblasti.

Chemická nestabilita proteinů se týká reakcí kovalentních vazeb proteinů (např.

hydrolýsa, deaminace či oxidace). Rozpustnost proteinů se může měnit přídavkem solí.

1.1 Modifikace vlastností proteinů

Vzhledem k tomu, že proteiny obsahují mnoho reaktivních skupin, je možné upravit jejich

vlastnosti a vyhovět tak požadavkům souvisejících s jejich aplikací. Tato vysoká funkčnost

odlišuje bílkoviny od ostatních biopolymerů.

Příkladem je schopnost adhese proteinů, která je dosažena po exposici specifických

skupin proteinu k povrchu substrátu:

polární skupiny proteinu k polárním skupinám substrátu (např. sklo, kovy)

nepolární skupiny proteinu k nepolárním skupinám substrátu (většina plastů)

Vzhledem k tomu, že proteiny obsahují 20 aminokyselin s rozdílnými funkčními

skupinami a chemickou reaktivitou, lze je modifikovat různými způsoby. Stupeň jejich

hydrofobního nebo hydrofilního charakteru je rozhodujícím činitelem prostorové struktury

proteinů.

Základní struktura proteinu:

Page 6: Natural polymer aplication

- 6 -

Hydrofobní aminokyseliny jsou často umístěny uvnitř proteinové spirály či klubka a

patří mezi ně aminokyseliny:

a) s nepolárními alifatickými bočními skupinami (H, CH3): glycin, alanin, valin, leucin,

isoleucin, methionin, prolin

b) s nepolárními aromatickými bočními skupinami (aromatické): fenylalanin, tryptofan

Hydrofilní aminokyseliny (s polárními bočními skupinami: –COOH, –NH2, –OH, –SH,

–CONH2) jsou často umístěny vně proteinové spirály či klubka a patří mezi ně: arginin,

histidin, lysin, tyrosin, cystein, kyselina asparagová, kyselina glutamová, asparagin, glutamin,

serin, threonin.

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.

Page 7: Natural polymer aplication

- 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

Page 8: Natural polymer aplication

- 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

Page 9: Natural polymer aplication

- 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.

Page 10: Natural polymer aplication

- 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.

Page 11: Natural polymer aplication

- 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:

Page 12: Natural polymer aplication

- 12 -

Dvě hlavní metody zpracování proteinů jsou znázorněny na schématu:

LITÍ THERMOPLASTIFIKACE

PROTEIN

Rozpad nativní formy

Mechanická energie, tepelná energie,

přídavek plastifikátorů Rozpouštedla (voda, alkoholy, kyseliny)

Rozpuštění či dispergace v kapalině

Roztavení, <Tg, Tm>

Formování tvaru Lití, sprejování, máčení Průchod přes formu

Stabilisace tvaru

filmotvorný roztok plastifikovaná kaučuková hmota

Sušení Ochlazení, pod Tg

Eliminace rozpouštědla Eliminace tepla

HOTOVÝ VÝROBEK

Filmy a povlaky

Filmy nebo jiné formy

Vlastnosti: rozpustnost

optické parametry mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, tažnost, flexibilita)

biodegradabilita bariérové vlastnosti

KOMERČNÍ APLIKACE

Page 13: Natural polymer aplication

- 13 -

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Doba rozpouštění (h)

Roz

pušt

ěný

podí

l vzo

rku

film

u (%

))

0 % DAS 2 % DAS 4 % DAS 6 % DAS 8 % DAS 10 % DAS

0 % DAS 2 % DAS 4 % DAS 6 % DAS 8 % DAS 10 % DAS

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400Doba rozpouštění (h)

Roz

pušt

ěný

podí

l vzo

rku

film

u (%

)

film tepelně exponovaný při 60 C film tepelně exponovaný při 70 Cfilm tepelně exponovaný při 80 C film tepelně exponovaný při 90 C

Vliv přídavku síťovadla (dialdehydu škrobu) na rychlost rozpouštění

biodegradabilních filmů ve vodě při 37 oC

[Filmy připraveny z kolagenního hydrolysátu, 50 % (w/v), tloušťka filmů 0,85 mm]

Vliv působení teploty (fysikální sí´tování) na rychlost rozpouštění

biodegradabilních filmů ve vodě při 37 oC

[Filmy připraveny z kolagenního hydrolysátu - 30 % (w/v) + 10 % dialdehydu škrobu (w/w) +

5 % glycerinu (w/w), tloušťka filmů 0,80 mm]

Page 14: Natural polymer aplication

- 14 -

Vliv přídavku síťovadla (dialdehydu škrobu) a doby kondicionování (při 25 oC nad

vysušeným silikagelem) na rychlost rozpouštění filmů ve vodě při 25 oC

[Filmy připraveny z kolagenního hydrolysátu, 50 % (w/w), tloušťka filmů 0,85 mm]

Vliv přídavku síťovadla (dialdehydu škrobu) na Tg biodegradabilních filmů

[Filmy připraveny z kolagenního hydrolysátu, 30 % (w/w), tloušťka filmů 0,8 mm]

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500

Doba rozpouštění (h)

% r

ozpu

štěn

ého

film

u .

0 % DAS, kondicionování 2 dny 0 % DAS, kondicionování 15 dní6 % DAS, kondicionování 2 dny 6 % DAS, kondicionování 15 dní10 % DAS, kondicionování 2 dny 10 % DAS, kondicionování 15 dní

170

180

190

200

210

0 2 4 6 8 10

Přídavek dialdehydu škrobu, % (w/w)

Tepl

ota

skel

ného

pře

chod

u (d

eg. C

)

Page 15: Natural polymer aplication

- 15 -

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Doba (h)

Roz

pušt

ění p

odíl

film

u (%

)

0 % GLY 4 % GLY 10 % GLY 20 % GLY

Vliv přídavku změkčovadla (glycerin) na rychlost rozpouštění biodegradabilních filmů

(ve vodě při 25 oC)

[Filmy připraveny z kolagenního hydrolysátu, 30 % (w/w), tloušťka filmů 0,8 mm]

Vliv přídavku změkčovadla (glycerin) na rychlost rozpouštění biodegradabilních filmů

[Filmy připraveny z hydrolysátu amarantové mouky, 10 % (w/v), tloušťka filmů 0,5 mm] Rozpouštění ve vodě při 5 oC:

0

20

40

60

80

100

0 40 80 120 160 200 240

Doba rozpouštění (min)

% r

ozpu

štěn

ého

film

u

Film bez glycerinu Film s 5 % glycerinuFilm s 15 % glycerinu Film s 30 % glycerinu

Page 16: Natural polymer aplication

- 16 -

Rozpouštění ve vodě při 25 oC:

Vliv přídavku síťovadla (dialdehydu škrobu) na vlastnosti gelů

[Gely připraveny z kolagenního hydrolysátu, 38 % (w/w), tloušťka filmů 0,8 mm] Pevnost gelu:

0

20

40

60

80

100

0 40 80 120 160 200 240

Doba rozpouštění (min)

% r

ozpu

štěn

ého

film

u

Film bez glycerinu Film s 5 % glycerinuFilm s 15 % glycerinu Film s 30 % glycerinu

0

200

400

600

800

1000

1200

6 7 8 9 10 11 12

Přídavek DAS (%, na hmotnost hydrolysátu)

Pevn

ost g

elu

(Blo

om)

Page 17: Natural polymer aplication

- 17 -

Rozpustnost gelu:

1.3 Potravinářské aplikace proteinů

V posledních letech se hledají nové materiály pro balení a ochranu potravin, léčiv a

podobných produktů. Vedou k tomu zejména tyto faktory: rostoucí populace, omezené zdroje

obalových surovin, požadavky hygieny a ochrany životního prostředí. Produkce jedlých

biodegradabilních materiálů přispívá k lepšímu využívání obnovitelných surovinových zdrojů

a řešení problémů se skládkováním odpadů.

Pro přípravu jedlých filmů se používají výhradně potravinářsky čisté proteiny, a

potravinářská additiva. Proteiny se modifikují tepelně, úpravou pH, přídavkem solí, enzymů

či úpravou obsahu vody.

1.3.1 Bílkovinné přísady

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)

Page 18: Natural polymer aplication

- 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

Page 19: Natural polymer aplication

- 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

Page 20: Natural polymer aplication

- 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

Page 21: Natural polymer aplication

- 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

Page 22: Natural polymer aplication

- 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.

Page 23: Natural polymer aplication

- 23 -

Obvyklé složení filmu či povlaku založeném na proteinu:

1. Proteiny

a) živočišné zdroje: kolagen, želatina, rybí myofibrilární protein, keratin, vaječný žloutek,

kasein, syrovátka

b) rostlinné zdroje: kukuřičný zein, pšeničný gluten, sojový protein, arašidový protein,

protein z bavlníkového semene

Každý protein obsahuje odlišný aminokyselinový profil a každá aminokyselina má odlišné

boční skupiny, které jsou připojeny na centrální uhlík, což vede k unikátním vlastnostem

každé aminokyseliny a následně každého proteinu. Boční skupiny aminokyselin mohou být

nepolární (hydrofobní), polární nenabité (hydrofilní), positivně nabité či negativně nabité.

2. Polysacharidy

Přídavkem polysacharidů lze modifikovat převážně mechanické vlastnosti filmů.

Polysacharidy zahrnují škrob, deriváty škrobu, celulosové deriváty, algináty, carrageenan,

chitosan a přírodní gumy. Polysacharidy se pomaleji rozkládají.

3. Lipidy Přídavkem lipidů je možné dosáhnout vysokého lesku filmů a vylepšit bariérové vlastnosti

proti vlhkosti. Používají se včelí vosk, karnaubský vosk, triacylglyceroly, acetylované

triacylglyceroly, mastné kyseliny, mastné alkoholy, estery vyšších mastných kyselin s cukry a

jedlé pryskyřice (šelak, terpenové pryskyřice).

4. Změkčovadla (plastifikátory)

Přídavkem změkčovadel se snižuje tuhost filmů a zlepšuje se jejich flexibilita a stupeň

protažení. Molekuly změkčovadel o relativně malých molekulových hmotnostech omezí

interakce mezi proteinovými řetězci a snižují teplotu skelného přechodu. Působí tedy jako

mazadlo usnadňující vzájemný pohyb proteinových řetězců. Bohužel pevnost filmů

s přídavkem změkčovadel klesá a rovněž se sníží bariérové vlastnosti filmů proti vodě,

kyslíku, olejům a aromatickým látkám. Akceptovatelná změkčovadla použitelná pro

potravinářské aplikace zahrnují glycerin, sorbitol, propylen glykol, polyethylen glykol,

mastné kyseliny, monoglyceridy.

Page 24: Natural polymer aplication

- 24 -

5. Další additiva

Používají se zejména antioxidanty, antimikrobika, emulgátory (např. lecitin), výživné

látky, chuťové přísady, barviva, které zlepšují kvalitu filmů. Dále se mohou přidávat

síťovadla.

1.3.2.3 Vlastnosti proteinových filmů

U proteinových filmů se sledují především tyto vlastnosti:

1. Bariérové vlastnosti

a) propustnost pro vodní páry

b) propustnost pro O2

c) propustnost pro aromatické látky

d) propustnost pro oleje

2. Pevnostní charakteristiky: pevnost v tahu, prodloužení, Youngův modul pružnosti

3. Rozpustnost filmu – velmi důležitá charakteristika pro praktické použití

4. Rozpustnost proteinu

5. Stupeň lesku

6. Barva

Kohese filmu závisí na mnoha faktorech:

struktura polymeru

způsob přípravy filmu (rozpouštědlový, thermoplastifikační)

podmínky přípravy filmu: teplota, pH, mechanické působení

přídavek additiv: změkčovadla, síťovadla

Page 25: Natural polymer aplication

- 25 -

1.4 Nepotravinářské aplikace proteinů

Proteiny se využívají v mnoha průmyslových odvětvích, např. jako:

adhesiva

nátěry

smáčedla

bioplasty

(mikro)kapsule

pytle na odpadky (pro domácnosti i průmysl)

vodorozpustné obaly na hnojiva, pesticidy, insekticidy

agrotechnické mulčovací fólie

dětské pleny

1.4.1 Adhesiva

Přestože adhesiva založená na přírodních polymerech představují asi jen 7 % celkového

trhu s lepidly, nachází uplatnění ve specifických případech, např.:

lepení etiket na lahve

výroba vlnité lepenky

lepení tapet

známky

Adhesiva z přírodních polymerů mají několik výhod:

relativně nízká cena

biodegradabilita

rozpustnost nebo dispergovatelnost ve vodě

Mezi nevýhody pak patří zejména:

relativně vysoká viskosita

nízká kohese (vzhledem k nízké molekulové hmotnosti)

při kontaktu s vodou protein bobtná nebo se rozpouští, čímž ztrácí adhesivní vlastnosti

Page 26: Natural polymer aplication

- 26 -

1.4.2 Nátěry

Příkladem aplikací technických nátěrů jsou papíry. Výhodou povlaků je skutečnost, že se

aplikují z vodných roztoků/dispersí litím nebo stříkáním.

V obalové technice se v mnoha případech vyžaduje nepropustnost obalu pro vodní páry a

plyny. Za tímto účelem se používají PE obaly. Papírové obaly nemohou v tomto smyslu

konkurovat obalům z PE, neboť ty mají propustnost pro vodní páry 6 g/m2/den. Recyklovaný

papír má propustnost pro vodní páry cca 1.000 g/m2/den. Aplikací proteinového nátěru

(želatina, pšeničný gluten, sojový protein) se propustnost pro vodní páry sníží na 500

g/m2/den. Přídavkem hydrofobních additiv (např. mastné kyseliny) do proteinového povlaku

se tato hodnota sníží přibližně na 150 g/m2/den.

Přídavkem hydrofobních additiv se podobným způsobem redukuje propustnost obalu pro

plyny. Další možnosti úpravy jsou síťování či roubování, kterými se zlepšují hlavně

mechanické vlastnosti (pevnost, odolnost proti poškrábání) a odolnost vůči vodě. Odolnost

vůči poškrábání je klíčovou aplikací pro finišové nátěry a povlaky na dřevo, podlahy či

nábytek.

1.4.3 Smáčedla

Smáčedla (detergenty) jsou často založeny na proteinových hydrolysátech (molekulová

hmotnost < 1.000 Da), které se ještě hydrofobisují. Připojením hydrofobní skupiny na

aminokyselinový zbytek vzniká produkt s výbornou povrchovou aktivitou. Smáčedla založená

na aminokyselinách mají výborné emulgační a pěnicí vlastnosti.

1.4.4 Bioplasty

První bioplasty z kaseinu byly vyrobeny ve 30. letech 20. století a první bioplasty ze

sojového proteinu pak ve 40. letech 20. století. Plasty založené proteinech jsou žádanými

materiály, neboť jsou biodegradabilní, snadno dosažitelné a šetrné k životnímu prostředí.

Používají se na výrobu obalů na potraviny, příborů, talířků, sportovních potřeb a

Page 27: Natural polymer aplication

- 27 -

zemědělských mulčovacích fólií. Poslední dobou se výzkumy zaměřují na možnosti přípravy

bioplastů pro lékařské aplikace.

1.4.5 Systémy s řízeným uvolňováním složek

Pro (mikro)enkapsulačmí aplikace jsou nejvhodnější ve vodě vysoce rozpustné proteiny,

jako např. želatina, albumin či kaseináty. Méně ve vodě rozpustné proteiny, např. sojový

protein, pšeničný gluten nebo protein hrachu se mohou po úpravách pH a po modifakci jejich

struktury také použít k (mikro)enkapsulaci. Mikrokapsule se připravují různými technikami,

např. komplexní koacervací, sprejovým sušením, extrusí.

Příklady mikroenkapsulací v nepotravinářských oborech:

textilní průmysl: barviva, pigmenty, změkčovadla, retardéry hoření, parfémové

přísady, repelenty a další

chemický průmysl: stabilisátory, katalysátory, retardéry hoření, adhesivní

komponenty, tvrdidla, organická rozpouštědla, adsorbenty, bělící prostředky, plniva,

barviva, pigmenty, detergenty, vonné složky, antikorozivní přísady, antistatické

přípravky, optické zjasňovače, odpěňovací prostředky, lubrikanty, těkavé látky a další

zemědělství: přípravky na ochranu a ošetřování rostlin, hnojiva, malá semínka

kosmetika: parfémy a další kosmetické ingredience

grafický průmysl: barviva a inkousty (např. bezbarvý kopírovací papír, v němž je

enkapsulováno barvivo)

medicína a farmaceutický průmysl

Systémy s řízeným uvolňováním látek jsou produkty s vysokou přidanou hodnotou.

V současné době se výzkum orientuje na:

možnost náhrady drahých zvířecích proteinů levnějšími rostlinnými

studium interakce proteinů s vodou, neboť voda může mít jak positivní, tak negativní

vliv na konečný produkt

Page 28: Natural polymer aplication

- 28 -

2. PRŮMYSLOVÉ APLIKACE KOLAGENU

A HYDROLYSÁTŮ KOLAGENU

Klíčová slova Key words gel gel

hydrolysát hydrolysate klih glue

kosmetika cosmetics hnojivo fertiliser

kůže hide lepidlo adhesive

medicína medicine membrána membrane

pěna foam potravinářství food-processing industry

useň leather vlákno fiber výživa nutrition želatina gelatin

Od konce 70. let 20. století se kolagen stal středem pozornosti zejména v těchto oblastech:

● potravinářství ● výživa ● kosmetika ● medicína ● farmacie

Přehled o možném využití kolagenu je uvedeno v tabulce:

Forma kolagenu Oblasti průmyslového využití

Přírodní kůže Kožedělná výroba – usně Přečištěný kolagen Vlákna Membrány Pěny

Jedlá střívka Humánní medicína

Želatina

Fotografický průmysl – nosič fotocitlivých systémů Potravinářský průmysl – např. zahušťovadlo Farmaceutický průmysl – kapsle pro léčiva Medicína

Klih Adhesiva Parciální hydrolysáty

Humánní medicína Výživa Redukční diety Potravinářské doplňky Povlaky, filmy Kosmetika Přípravky pro ošetřování pokožky Přípravky pro ošetřování nehtů

Page 29: Natural polymer aplication

- 29 -

Ukazatelem efektivitě průmyslového využití kolagenu může býti tzv. faktor zhodnocení,

který je podílem prodejní ceny kolagenního výrobku a nákupní ceny kolagenní suroviny, viz

tabulka:

Půmyslové využití kolagenu Faktor zhodnocení

Krmivo 1 – 2 Klih 1 – 4 Želatina 6 – 25 Umělá střeva 8 – 12 Masné výrobky 5 – 20 Usně 6 – 25 Rozpustný kolagen 100 – 500 Medicinální aplikace > 3.000 Kosmetické aplikace (injektabilní kolagen atd.) ≈ 50.000

2.1 Kolagen v potravinářství

Klíčová slova Key words film film

kolagen collagen masné výrobky meat-products nastavovadlo extender

obal casing, wrap plnivo filler pojidlo binder povlak coating

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

Page 30: Natural polymer aplication

- 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

Page 31: Natural polymer aplication

- 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

Essenciální aminokyseliny: fenylalanin, histidin, isoleucin, leucin, lysin, methionin,

threonin, tryptofan, valin, arginin.

Metabolismus bílkovin a výživa

Potrava je trávena proteolytickými enzymy na jednoduché složky. Hydrolýsa začíná

v ústech (enzym amylasa) a pokračuje v žaludku (enzymem pepsin), tenkém střevu (enzym

trypsin) a tlustém střevu. Většina bílkovin se v organismu neustále odbourává a znovu tvoří.

Bílkoviny se odbourávají na aminokyseliny, které se využijí na stavbu bílkovin těla a také se

rozkládají na močovinu (NH2–CO– NH2), vodu a CO2.

Energetická hodnota:

tuky: 38 kJ/g 9 kcal/g

bílkoviny: 17 kJ/g 4 kcal/g

sacharidy: 17 kJ/g 4 kcal/g

Basální metabolismus = uchování tělesných funkcí organismu

je podmíněn příjmem energie ve výši 1.400 až 1.900 kJ/den

k tomu je třeba přičíst pracovní spotřebu 10.000 kJ u lehké práce

15.000 kJ u těžké práce

výživová norma pro zdravou výživu doporučuje asi 10.000 kJ energie, která by měla být

pokryta z cca 50 % sacharidy, z 30 % tuky a z 20 % bílkovinami

velmi důležitá je kontrola hmotnosti jedince

Page 32: Natural polymer aplication

- 32 -

Spotřeba polysacharidů ve vyspělých státech

polysacharidy by měly tvořit většinu přijímané energie: 50 až 60 % potravy člověka

z polysacharidů se nejvíce doporučují obilniny, vláknina, rýže, ovoce a zelenina

na osobu a den: 160 g škrobu, 120 g sacharosy, 30 g laktosy a 10 g monosacharidů

Pyramida příjmu polysacharidů a tuků – v porcích na osobu a den (USDA):

2.1.3 Zdroje kolagenu

Množství rozpustného kolagenu přítomného v tkáních je ovlivněno věkem zvířete. Tkáně

ze starých zvířat obsahují velmi málo rozpustného kolagenu.

Možné zdroje kolagenu:

hovězinová škára

hlavní zdroj kolagenu

získává se z loužených odchlupených kůží, u nichž se poté na štípacích strojích

odstraní lícová vrstva

šlachy z hovězího dobytka

vepřovicová kůže

ovčí kůže

Page 33: Natural polymer aplication

- 33 -

kolagenní extrakty z kostí

odpadní kolagen

Masové využití kolagenu v potravinářském průmyslu je limitováno jednak cenou

vyrobeného kolagenu a také přísnými hygienickými předpisy na čistotu kolagenu.

2.1.4 Požadavky na potravinářský kolagen

Potravinářský kolagen má bílou barvu, jemnou chuť a slabou vůni. Vykazuje vysokou

schopnost vázat vodu. Je velmi dobře stravitelný ve všech formách.

Požadavky na potravinářský kolagen:

kůže musí pocházet pouze z dobytka, který byl poražen pro zpracování v masném

průmyslu a byl veterinárně zkontrolován inspekčními orgány

absence jakýchkoliv kontaminujících toxických chemikálií a pesticidů (hlavně

pentachlorfenol a naftalen)

bez jakéhokoliv mikrobiálního napadení

nulová přítomnost cizorodých látek – špína, hmyz, prach …

celkový maximální obsah těžkých kovů 10 ppm (odpovídá kodexu pro potravinářské

chemikálie – Food Chemical's Codex)

Náklady na produkci jedlých proteinů (%) Poznámka: sojový protein je brán jako základ (100 %).

100 300 500 700 900

hrachový protein

pšeničnýgluten

sojový protein

kukuřičnýzein

krevní protein

želatina kasein kolagen

Page 34: Natural polymer aplication

- 34 -

Bobtnací charakteristiky nativního kolagenu

0

200

400

600

800

0 7 14pH

Bob

tnán

í (%

)

2.1.5 Vlastnosti potravinářského kolagenu

Kolagen vykazuje vynikající vlastnosti, a proto je vhodný jako funkční additivum v mnoha

potravinářských výrobcích.

Vlastnosti potravinářského kolagenu:

1. Vláknitá struktura

vzhledem k velmi husté vláknité struktuře, vykazuje kolagen vysokou pevnost v tahu

2. Schopnost vázat vodu – v důsledku obsahu hydrofilních skupin

3. Schopnost dodat výrobku požadovaný tvar a strukturu

4. Neutrální (jemná) chuť a vůně

5. Bílá barva

6. Rozpustnost za určitých podmínek

7. Schopnost bobtnat v kyselé i alkalické oblasti – viz obrázek

2.1.6 Potravinářské aplikace kolagenu

Přehled o komerčním využití kolagenu pro potravinářské účely je uveden níže:

jedlé obaly pro uzeniny

výchozí materiál pro výrobu jedlých želatin

jedlé obaly pro balení masa – ochranná funkce (zabránění oxidace, zadržení masových

šťáv při rozmrazování)

jedlé obaly pro ryby a další výrobky

Page 35: Natural polymer aplication

- 35 -

kolagenní kapsle či prášky jako doplněk stravy

tekuté proteinové doplňky stravy

k dodání žádoucího tvaru a struktury masných výrobků (v důsledku vláknité struktury a

schopnosti vázat vodu)

modifikátor struktury u pekárenských výrobků

k regulaci viskosity ovocných nápojů

k čeření piva

jedlé identifikační štítky potravin (např. na maso)

složka potravinářských povlaků

Kolagen pro potravinářské aplikace by měl pocházet z kůží mladých zvířat.

2.1.6.1 Obaly masných výrobků

Vlastnosti obalů masných výrobků jsou velmi důležité, jak z hygienického, tak rovněž z

prodejního hlediska. Velmi výstižná je následující definice, vyjadřující funkčnost obalu: „obal

chrání to, co prodává a prodává to, co chrání“.

Po zamíchání salámového či párkového díla je dalším krokem naplnění díla do

technologického obalu, který vymezí finálnímu výrobku tvar a velikost. Dále obal umožňuje

tepelné opracování a chrání výrobek před vnějšími vlivy, zejména před kontaminací a

osycháním.

Obaly, do kterých se naráží (plní) dílo masných výrobků, je možno rozdělit na:

a) přírodní obaly (přírodní střeva)

b) umělé obaly z přírodních materiálů (klihovková střeva)

c) umělá střeva z plastů (např. PA, PE, PES) – je nutné přidávat velké množství

plastifikátorů pro dosažení vhodné flexibility

d) celulosová (celofánová) střeva

e) střeva nátronová (papírové obaly) – mají omezenou odolnost proti vodě a vysokou

propustnost pro vodní páry

f) střeva kombinovaná – textilní potahovaná

Poznámka: ad c) až f) – nevýhodou těchto obalů je nestravitelnost, někdy křehkost a malá

elasticita.

Page 36: Natural polymer aplication

- 36 -

2.1.6.1.1 Přírodní střeva

Přírodní střeva jsou u mnohých masných výrobků zcela nenahraditelným obalem.

Umožňují tepelné opracování naraženého díla, dávají výrobku tvar, mají ochrannou funkci a

prodlužují trvanlivost výrobku. Positivně ovlivňují chuť výrobku, jsou stravitelná.

Nevýhodou přírodních střev je nestandardní délka a průměr a rozdíly v jakosti, což

znesnadňuje mechanisaci a automatisaci postupů při výrobě uzenářského zboží.

Přírodní střeva byla původně jediným obalem výrobků masného průmyslu. Dnes se

používají v daleko menší míře, nicméně nadále se používají pro některé druhy uzenářských

výrobků, jaternic, jelit aj.

Na jatkách se těží především střeva hovězí, vepřová, skopová, telecí, kozí a koňská.

Střeva starších zvířat jsou pevnější, střeva mláďat se na obaly nehodí. Střeva musí být

veterinárně prohlédnuta před předáním ke zpracování ve střevárně. Zde se odstraní obsah

střev, tuk a hlen. Pak se střeva propírají. Při sdírání střev se odstraní všechny střevní stěny,

kromě vrstvy podslizničního vaziva, tj. submukózy a slizniční svaloviny. Používají se k tomu

šlemovací stroje. Střeva se třídí podle průměru a jakosti, konservují se solí (NaCl s hrubějším

zrnem) nebo sušením (25, 30 a 40 oC) a balí do svazků o určité délce. Každý druh a průměr

(kalibr) se označuje určitou barvou.

Pro výrobu chirurgického šicího materiálu se těží skopová a kozí tenká střívka

konservovaná NaCl pocházející z čerstvě poražených zvířat, nejlépe jednoročních.

V jedné partii musí být střívka z vyrovnané skupiny zvířat (stejné plemeno, věk, stupeň

výživy). Střívka musí být vyjmuta hned po poražení zvířat, jejich obsah vyprázdněn,

propláchnuta vodou, odstraněny všechny vrstvy, kromě vrstvy podslizniční, která se ihned

konservuje NaCl potravinářské jakosti. Střeva se třídí do dvou skupin jakosti, každá zásilka

musí být opatřena veterinárním osvědčením. Střívka se přepravují ve zdravotně nezávadných

obalech, např. z plastů. Obal musí být označen – provenience, druh výrobku, číslo partie,

počet svazků, délkové skupiny, datum plnění obalu.

Page 37: Natural polymer aplication

- 37 -

2.1.6.1.2 Kolagenní (klihovková) střeva

Současné výrobky masného průmyslu značně závisí na obalech vyrobených

z extrudovaných rekonstituovaných kolagenních vláken. Klihovková střívka musí být

zdravotně nezávadná, dostatečně pevná, aby uchovala masové dílo během tepelné úpravy.

Musí mít schopnost roztáhnout se nebo se naopak smrštit tak, aby se přizpůsobila

objemovým změnám masového díla během zpracování (plnění, spojování, vaření, chlazení,

balení, skladování). Důležité jsou rovněž bariérové vlastnosti, odolnost vůči tukům a

olejům, vzhled podobný přírodnímu střevu, chuť, eye appeal.

Klihovková střeva jsou nejrozšířenějším typem obalů. Jako surovina pro výrobu slouží

hovězinová štípenka (nejlépe z kůží zvířat mladších 2 let), což je spodní vrstva kůže, která

zůstane jako vedlejší produkt po štípání v koželužnách. Využívají se také štípenkové odřezky.

Používají se jen ty štípenky, které pocházejí z kůží jatečných zvířat (ne ze zvířat uhynulých !).

Významnými činiteli pro výrobu jsou kvalita (bez znečištění chemikáliemi a nečistotami) a

čerstvost suroviny. Odhaduje se, že asi 1.000.000 tun štípenkové klihovky se každoročně

spotřebuje na tyto aplikace. V Č.S.R. byla výroba klihovkových střev zahájena v roce 1933

firmou Naturin v Kořenově. V současné době jsou klihovková střívka vyráběna v podniku

Cutisin a.s. v Jilemnici (člen společnosti Devro group). Vzhledem k omezeným tuzemským

zdrojům se hovězí štípenka podle potřeby dováží.

Na trhu jsou známa klihovková střeva především od firem Cutisin, Devro, Naturin.

Oproti přírodním střevům bývají klihovková střeva tlustší, méně elastická. Pro průmyslové

účely jsou dodávána kalibrovaná, v roubících, což umožňuje vysokou produktivitu operace

narážení díla. V důsledku vláknité podoby kolagenu vykazují střeva vysokou mechanickou

pevnost i při velmi malé tloušťce a dobře odolávají mechanickým tlakům při plnění díla.

Klihovková střeva snadno propouští aromatické složky udícího kouře a vodní páru, což se

využívá při výrobě trvanlivých sušených a všech uzených výrobků. U měkkých salámů je

propustnost pro vodní páru spíše nevýhodou z důvodu příliš vysokých hmotnostních ztrát a

nižší údržností finálního výrobku. Proto se pro narážení měkkých salámů uplatňují umělá

střeva z plastů. Klihovková střeva na bási kolagenu jsou také jedinečná tím, že se při ohřívání

smršťují stejnou rychlostí, jako masné dílo.

Pevnost je ovlivněna množstvím sušiny (obsah kolagenních vláken), způsobem sušení

střívek a přídavkem síťovadel. Působením solného roztoku (NaCl) a následným vysušením

vzroste pevnost střívek o 15–40 %. Zvýšení pevnosti lze dosáhnout také ultrafialovým

Page 38: Natural polymer aplication

- 38 -

(180–420 mμ) ozářením. Podobně enzymovým opracováním se zlepší pevnost stěn střívek.

Přidáním malého množství (5 %) jedlého rostlinného či živočišného oleje se získají

transparentní střívka, která mají navíc vyšší pevnost.

Klihovková střeva mají řádově stejnou propustnost pro vodní páry jako celulosová střeva;

propustnost pro kyslík mají pak cca 3x vyšší. Ve srovnání se střevy vyrobenými z plastů (PA,

PES) mají klihovková střeva cca 10x vyšší propustnost pro vodní páry; propustnost pro kyslík

je řádově stejná.

Klihovková střívka mohou být rovněž zauzená a barvená potravinářskými barvivy. Barva

může charakterisovat výrobek:

načervenalá = čerstvý výrobek

hnědá = předvařený výrobek (např. párky); tato barva se používá z toho důvodu, že při

vaření maso získá spíše šedou barvu, která je méně sensoricky atraktivní, než hnědá

(která navozuje dojem uzeného výrobku)

(ostře)červená = ostře kořeněné produkty a dojem lepšího vyuzení

Příklady aplikací klihovkových střívek:

a) výroba špekáčků, párků

– průměrné složení střívek (vztaženo na sušinu): kolagen 60 %

celulosa 19 %

glycerol 18 %

přírodní olej 3 %

b) výroba salámů

Page 39: Natural polymer aplication

- 39 -

K sešívání jedlých obalů na maso a masné výrobky se s úspěchem používají jedlá

kolagenní vlákna, která se za tímto účelem připravují vytlačováním.

V Německu byla vyvinuta patentovaná technologie svařování párkových kolagenových

střívek, která spočívá ve vytvoření pevného spoje za použití tepla.

Narážení díla do klihovkového obalu:

Klihovková střeva se vyrábí buď konvenční technologií, která zahrnuje mokrý

postup výroby, suchý postup výroby, respektive jejich kombinaci (tzv. hybridní postup

výroby). Konvenční technologie výroby je charakterisována tím, že vyrobená střeva mají

předem zformovaný tvar. Alternativní technologie výroby je v současné době nový výrobní

Page 40: Natural polymer aplication

- 40 -

2.1.6.1.2.1 Mokrý postup výroby klihovkového střeva

Tomuto způsobu se také říká tzv. mokré spřádání.

Technologický postup výroby se skládá z těchto operací:

1. Výběr, příjem, praní a třídění suroviny

2. Kůže se zbaví chemickými (alkalický nebo enzymový způsob) a mechanickými operacemi

chlupů → získá se tzv. štípenková klihovka

3. Chemické opracování štípenkové klihovky

a) vápnění suroviny

Klihovka se vypere v pračkách, vytřídí se a rozřeže se na drobnější kousky. Potom se

ukládá do jam s vápenným mlékem a vápní se dlouhou dobu za občasného promíchání

(zrání).

Účelem vápnění je odstranění nižších podílů bílkovin, nečistot, zmýdelnění zbytků tuků.

Nejdůležitější je však zbobtnání klihovky.

b) praní a třídění suroviny

Klihovka se pere za neustálého přítoku a odtoku vody v pračkách.

Účelem je odstranit všechny látky uvolněné při vápnění (bílkoviny, mýdla, nečistoty).

c) kyselé opracování klihovky

Na vypranou a vytříděnou klihovku se působí roztokem zředěné HCl (množství kyseliny

cca 5 % na hmotnost klihovky) v sudech za pomalého otáčení. Kyselina převede podíly

vápna, vázaného na kolagen na rozpustné chloridy a těžko rozpustná mýdla.

d) praní klihovky

Vyprané kousky klihovky mají mít pH 2,5.

4. Mechanické opracování zbobtnalé klihovky

Provádí se proto, aby se získala jemná homogenní vláknina a zahrnuje tyto operace:

a) rozmělňování a rozvlákňování

Klihovka se rozřeže na kousky cca 4 cm2 a rozvlákňuje se v holandrech nebo upravených

strojcích na maso. Nejčastěji se používají rozvlákňovací stroje se dvěma válci podélně vlnitě

rýhovanými. Je nutné dosáhnout dokonalého rozdělení svazků vláken. Rozvlákněná hmota

(kolagenní pasta) se ve formě tenké blanité třásně z válců stírá.

Page 41: Natural polymer aplication

- 41 -

b) úprava a tažení vlákniny

Získaná hmota rozvlákněného kolagenu se důkladně homogenisuje v míchacích strojích za

přídavku vody. Podle druhu výrobku se upravuje koncentrace na 8 až 10 % sušiny:

pro zboží malého profilu se připravuje směs řidší

pro zboží velkého profilu se připravuje směs hustší

Přídavek trvdících látek, glycerinu.

c) „sítování“

Provádí se za účelem dosažení jemnějších vláken a zlepšení homogenisace vlákniny.

Hmota se protlačuje přes jemná síta (průměr 1 mm) tlakem 15 až 20 MPa (tj. 150 až 200

kg.cm-2).

d) tvarování hmoty

Hmota se tvaruje do tlustých pramenců a spirálovitě se stlačí do paletovacího koše a nechá

se zrát v chladírně při teplotě 6 až 10 oC několik dnů.

5. Vytlačování a další úprava střeva

Vytlačováním vlákniny přes tažný stroj (extruse) se získá střevo požadovaného průměru.

Střevo naplněné vzduchem se suší v uzavřených komorách při teplotě cca 50 oC asi 20 minut.

Obsah vlhkosti ve střevě má být 12 až 15 %. Střeva je možné také po extrusi plnit

amoniakem. Vysušená střeva se vytvrzují chemicky (slabými roztoky formaldehydu,

glutaraldehydu, glyoxalu), termicky (teplem) nebo kouřovým kondensátem vznikajícím při

spalování dřeva či pilin (účinnou složkou je formaldehyd a acetaldehyd). Mohou se rovněž

upravit plastifikátorem. Poté se promývají a neutralisují tak, aby měla pH 4,5 až 5,0. Nakonec

se navíjejí.

6. Konfekce

Střeva zrají, vlaží se, případně se provede olejový postřik, potsikují se, provede se výstupní

kontrola, balí se a expedují se.

2.1.6.1.2.2 Suchý postup výroby klihovkového střeva

Tomuto způsobu se také říká tzv. suché spřádání a byl vyvinut v Evropě ve 30-tých letech

19. století. Suchý způsob výroby klihovkových střívek je výhodný pro velké průměry (nad 30

mm) střev.

Page 42: Natural polymer aplication

- 42 -

Technologický postup výroby se skládá z těchto operací:

1. Kůže se zbaví chemickými (alkalický nebo enzymový způsob) a mechanickými operacemi

chlupů → získá se tzv. štípenková klihovka

2. Alkalické opracování štípenkové klihovky a následné okyselení na pH 3

3. Rozvláknění zbotnalé klihovky tak, aby se maximálně zachovala vláknitá struktura

4. Homogenizace vlákniny: hmota má více než 12 % sušiny

5. Přídavek plastifikátorů a síťovadel

6. Vysokotlaké vytlačování hmoty (až 30 MPa, tj. až 300 kg.cm-2) na střeva požadovaného

průměru

7. Sušení, kondicionování, neutralisace

2.1.6.1.2.3 Hybridní postup výroby klihovkového střeva

Při tomto způsobu výroby se kombinují prvky mokrého a suchého způsobu výroby.

Kolagenní hmota obvykle nemá více jak 5 % sušiny (podobně jako mokrý proces). Po extrusi

je kolagenní obal naplněn směsí amoniaku a vzduchu, čímž dochází ke koagulaci kolagenních

vláken a zabrání se tak rozpadu střívka. Poté obal prochází parami amoniaku a dochází k další

koagulaci kolagenních vláken, následně se obal zploští, promyje vodou a plastifikuje se

v několika lázních. Nakonec se opět naplní a vysuší se v naplněném stavu na požadovaný

obsah vlhkosti.

2.1.6.1.2.4 Alternativní technologie výroby klihovkového střeva

Tato technologie, kterou vyvinula společnost Unilever je unikátní tím, že kolagenní obal

je spoluvytvořen (spoluvytlačen) kolem masného díla (viz obrázek). Tento ko-extrusní

proces je kontinuální a lépe kontrolovatelný, než konvenční způsob výroby, při němž je dílo

naplněno do předem zformovaného obalu. Obalené masové dílo poté prochází solnou lázní,

čím se kolagenní obal dehydruje a „usadí“. Poté se oddělují výrobky požadovaného tvaru.

Dodatečným sušením a uzením se dále zvýší interakce mezi masovým dílem a jeho

kolagenním obalem.

Výhodou této technologie je, že masové výrobky jsou jemnější a sensoricky přitažlivější

pro spotřebitele. Tato technologie se využívá v závodech s vysokokapacitní výrobou.

Page 43: Natural polymer aplication

- 43 -

V poslední době byla tato technologie dále vylepšena, při níž se kolagenní obal vytváří ze 2

vrstev.

Ke tvorbě povlaku se používá kolagenní koláč připravený z hovězích kůží. Loužené hovězí

kůže se kysele opracují – zbotnají (pH < 5,5) – tak, aby hodnota pH na řezu kůže byla

v rozmezí 4,0 až 5,5. Poté se kůže neutralisuje, vypere, rozemele a formuje se kolagenní

koláč.

Poznámka: tato technologie byla rovněž vyzkoušena i s jinými proteiny: pšeničný gluten,

kukuřičný zein, sojový protein, protein z burských oříšků či keratin z peří.

Vytlačovací hlava při koextrusi.

2.1.6.2 Jedlé filmy a povlaky na maso a masné výrobky

Jedlé filmy a povlaky jsou materiály, které se aplikují na / do potravinových výrobků

(např. na maso, drůbež a ryby) za účelem prodloužení jejich trvanlivosti a zlepšení dalších

vlastností. Je nutné rozlišovat mezi dvěma pojmy:

povlak (v angličtině „coating“) – tvoří se na potravinách obvykle máčením potravin do

roztoku nebo nastříkáním roztoku na potravinu

Page 44: Natural polymer aplication

- 44 -

film (v angličtině „film“) – je vytvořen samostatně litím nebo extrusí a poté je

aplikován na / do potraviny

Stále narůstající zájem o vývoj a výrobu jedlých povlaků a obalů na maso, drůbež a

ryby je zejména z těchto důvodů:

spotřebitelé vyžadují vyšší kvalitu výrobků

výrobci požadují nové způsoby skladování

s ohledem na životní prostředí je nutné redukovat množství nerozložitelných nebo

omezeně rozložitelných obalů

filmotvorné vlastnosti některých zemědělských komodit (proteiny, sacharidy, lipidy)

mohou znamenat nové možnosti jejich odbytu

2.1.6.2.1 Výhody jedlých filmů a povlaků

1. Omezení ztrát vlhkosti ze surovin

Při skladování čerstvého či zmraženého masa ztráty vlhkosti způsobují změnu struktury,

barvy a vůně a rovněž snižují prodejní hmotnost, což se projevuje značnými ekonomickými

ztrátami.

Bylo zjištěno, že po vytažení masa z vakuového obalu dojde, v důsledku odpařování

vlhkosti, ke ztrátě hmotnosti v rozmezí 3 až 5 %. Aplikací proteinového povlaku před

vakuovým balením se tento problém výrazně omezí.

2. Zadržení masových šťáv

U zabaleného masa, drůbeže či kousků ryb dochází po zabalení do spotřebitelského obalu

k úniku šťáv, což způsobuje určitou neatraktivnost takového produktu pro spotřebitele.

Proteinový povlak zadrží masové šťávy, zabrání jejich odkapávání z masa a tácek zabaleného

produktu nemusí obsahovat absorpční podušku.

3. Omezení propustnosti pro kyslík

Proteinový povlak omezí jednak žluknutí, které je způsobeno oxidací tuků a jednak

hnědavé zabarvení, které je způsobeno oxidací myoglobinu. Antioxidační účinek

proteinového povlaku může být zkvalitněn přidáním antioxidačních látek (např. tokoferol) –

takové obaly se poté často označují jako tzv. „aktivní obaly“.

Page 45: Natural polymer aplication

- 45 -

4. Omezení vzniku mikroorganismů

K tomu slouží proteinové roztoky, které se před aplikací na masný výrobek zahřejí. Horký

roztok omezí růst mikroorganismů a částečně inaktivuje proteolytické enzymy na povrchu

produktu. Aktivní obal pak obsahuje různá antimikrobika (např. organické kyseliny).

5. Omezení ztrát aromatických látek

Nejenom, že proteinový povlak omezí ztráty typického aroma produktů, ale zabrání též

nežádoucímu pohlcování cizorodého zápachu.

6. Zvýšení nutriční hodnoty a snížení obsahu tuku

Proteinový povlak aplikovaný na produkt před pečením či smažením zvýší nutriční

hodnotu omezením absorpce tuku a zadržováním vlhkosti při tepelném zpracování výrobku.

7. Zlepšení vzhledu výrobků a jejich tvaru

8. Nosič aromat

Proteinové obaly mají, ve srovnání s běžným polymerními obalovými materiály jako jsou

PE, PP a PVC, o 2 až 4 řády vyšší propustnost pro vodní páry. To je způsobeno hydrofilností

proteinů a také obsahem změkčovadel (např. glycerin, sorbitol), které se používají při výrobě

obalů z důvodu zlepšení jejich mechanických vlastností.

Určitou nevýhodou proteinových obalů je jejich citlivost k proteolytickým enzymům

obsažených v potravinách.

Metody přípravy filmů a povlaků:

máčení – ponořením výrobku do roztoku obalového materiálu

stříkání obalového materiálu na výrobek – používá se v těch případech, kdy je žádoucí

vytvořit tenký rovnoměrný povlak

lití – filmotvorný roztok je vylit na rovnou desku o dané ploše a ponechá se vysušit

zpěňování

extruse

Additiva používaná k přípravě filmů:

změkčovadla

síťovadla

antioxidanty

antimikrobiální přípravky

Page 46: Natural polymer aplication

- 46 -

vitamíny

vůně

pigmenty

Sledované vlastnosti filmů:

mechanické vlastnosti

chemické vlastnosti

propustnost pro vodní páry a plyny

termická analysa

mikrostruktura

faktory ovlivňující filmotvorné vlastnosti

2.1.6.2.2 Příklady aplikací

Hovězí pečeně, vykostěná kýta, pečená masa, rybí filety

Kolagenní povlaky aplikované na tyto polotovary snižují smrštění připraveného pokrmu a

zvyšují jeho šťavnatost. V případě tepelné úpravy polotovarů zabalených do elastických sítí

umožňuje kolagenní povlak snazší odstranění této sítě – viz obrázek.

Novinku představují kolagenové síťové obaly, které mají od tradičních plastových

nesporné výhody. Plastové obaly musí být před konsumací výrobku odstraněny, což může být

v některých případech problém, neboť při tepelném zpracování masového výrobku na tento

často adherují. Jedlý kolagenový síťový obal může být po uvaření masného výrobku s tímto

výrobkem sněden. Tato technologie se využívá zejména pro plněná masa a ryby, ale také na

zmražené potraviny, včetně zeleniny.

Příklad masa na pečení obaleného kolagenovým síťovým obalem:

Page 47: Natural polymer aplication

- 47 -

Dlouhodobé skladování masa Armáda U.S.A. provedla testy, při nichž se zaměřila na možnosti náhrady plastových obalů

masa obaly založenými na kolagenu. Pokusy s kousky hovězího masa zabalených do

kolagenních filmů a uchovaných při –18 oC po dobu 20 týdnů prokázaly, že nebyly významné

rozdíly v barvě, ve stupni oxidace, mikrobiálním růstu a sensorických hodnotách oproti masu

zabaleného do plastových obalů.

Jedlé povlaky se také uplatňují při výrobě cukrářských výrobků.

2.1.6.2.3 Možnosti zlepšení vlastností filmů

Síťování

chemické, fysikální, enzymové

zlepší mechanické a bariérové vlastnosti

Jednoduchým způsobem síťování je teplená úprava a to buď zahřátím filmotvorného

roztoku, nebo zahřátím připraveného filmu.

S použitím aldehydů (např. formaldehyd, glutaraldehyd) dojde k intra- a inter-

molekuárnímu zesíťování proteinu. Nicméně, filmy opracované aldehydy lze použít pouze

k nepotravinářským aplikacím. Z těchto důvodů se hledají možnosti jiných způsobů síťování.

V poslední době se začaly používat transglutaminasy, což jsou enzymy, které poskytují filmy

s velmi dobrou pevností v tahu. Tyto filmy jsou také méně rozpustné – např. omezeně se

rozpouští v 2-merkaptoethanolu; jsou ale rozpustné proteolytickými enzymy.

Přídavek lipidů (vosky, mastné kyseliny)

takto připravené filmy vykazují menší propustnost pro vodní páry

2.1.6.3 Antimikrobiální obaly

V potravinách dochází během skladování k řadě chemických, fysikálních a

mikrobiálních změn, které jsou vyvolány např. vystavením potraviny světlu, vlhkosti,

teplotě. Trvanlivost potraviny závisí na změnách v jednotlivých složkách potravin (proteiny,

lipidy, cukry, voda). Vhodný obal může zpomalit zhoršování kvalitativních ukazatelů

potravin.

Page 48: Natural polymer aplication

- 48 -

Poslední dobou se do popředí dostávají obaly, které obsahují antimikrobiální přípravky

zbraňující množení bakterií. Výhodou takových obalů je prodloužení trvanlivosti

potravinářského výrobku, uchování jeho nutriční hodnoty a sensorických vlastností.

Čerstvé potraviny mohou obsahovat mikroorganismy jak na povrchu, tak uvnitř

potraviny. Ochranné přípravky musí být dávkovány a začleněny do obalu takovým způsobem,

aby pouze malé množství těchto přípravků přicházelo do kontaktu s potravinou.

Antimikrobiální prostředky:

a) slabé organické kyseliny – patří mezi nejčastěji používané přípravky

- např. kyselina octová, benzoová, mléčná, citrónová, jablečná, vinná, sorbová

b) enzymy

c) chitosan

Rozlišují se dva typy proteinových filmů s antimikrobiálními přípravky:

1. Filmy obsahující antimikrobiální prostředky, které migrují na povrch a dovnitř potraviny

2. Filmy, které obsahují antimikrobiální prostředky zabraňující mikrobiálnímu růstu bez

toho, aniž by migrovaly do potraviny

Hlavní složkou jedlých filmů mohou být kromě proteinů (např. kolagen, sojový protein,

kukuřičný zein, pšeničný gluten) také polysacharidy (škrob, celulosa, chitosan, agar, algináty)

a lipidy (vosky, acylglyceroly a mastné kyseliny). Je možné připravit kompositní filmy

z uvedených surovinových zdrojů.

Filmy se podrobují dalším úpravám k regulaci jejich vlastností. Např. reakcí volných

aminoskupin aminokyselin s formaldehydem dochází k zesíťování filmu a je možné regulovat

stupeň jeho rozpustnosti. V poslední době se pro potravinářské aplikace používá jako síťovací

činidlo transglutaminasa (enzym), která tvoří inter- a intra-molekulární zesíťování na lysinu.

Pro zlepšení elastických vlastností filmu se při dávají změkčovadla, které však snižují

pevnostní vlastnosti filmů (pevnost v tahu).

Použití antimikrobiálních proteinových obalů:

povlaky na ovoce a zeleninu, které poskytují dobrou bariéru proti O2 a CO2; bariéra vůči

vodě je nižší

povlaky na chleba

Page 49: Natural polymer aplication

- 49 -

2.1.6.4 Kolagenní povlaky na ovoce a zeleninu

Kolagenní (obecně jakékoliv proteinové) povlaky na ovoce a zeleninu mají především

zabránit ztrátám vlhkosti a zlepšit vzhled. Zlepšení vzhledu je nejčastěji žádané u citrusových

plodů. Povlaky se také používají na zrající ovoce a zeleninu po sklizni, aby se zpomalilo zrání

(např. při lodní dopravě) a prodloužila se doba trvanlivosti.

Fysiologické změny na ovoci a zelenině po sklizni:

Ovoce a zelenina prodělává po sklizni metabolické reakce vedoucí k dozrávání a stárnutí.

Čerstvé plody potřebují kyslík, aby mohly „dýchat“. Naopak uvolňují CO2 a vodu jako

vedlejší produkty reakce glukosy s O2. Dalším problémem při skladování ovoce a zeleniny je

obsah vody. Vzhledem k tomu, že obsah vody je vysoký, dochází ke ztrátám vlhkosti, což

vede k hmotnostním ztrátám, smršťování plodu a celkovému „vadnutí“. To je možné omezit

skladováním plodů při vysoké relativní vlhkosti (85–99 %) aby došlo k co největší redukci

gradientu koncentrace vodních par vzhledem k vnitřním částem ovoce (100 % r.v.).

Působením O2 dochází rovněž k barevným změnám. Proteinový povlak zpomaluje

metabolické reakce a omezuje ztráty vlhkosti a tím prodlužuje dobu trvanlivosti. Proteinové

povlaky, a také polysacharidové, mají propustnost pro vodní páry vyšší než lipidy a menší

než pryskyřice.

Ochranný povlak na ovoce a zeleninu se obvykle skládá z několika složek: proteiny,

polysacharidy, lipidy a pryskyřice. Tyto povlaky se označují jako kompositní povlaky.

Kombinací hydrofilního proteinu např. s lipidy se sníží propustnost pro vodní páry.

2.1.6.5 Proteinové povlaky na potraviny určené ke smažení

Ve většině průmyslově vyspělých zemích je fritování nejrychleji se rozvíjející technikou

kulinářského zpracování. Typickým příkladem jsou USA, kde jen smažená kuřata představují

průmysl s ročním obratem cca 6 miliard dolarů. Zdravotní komise OSN doporučila vyspělým

státům omezit přísun tuku v hotových potravinách, a proto je zvýšený zájem o přípravu

„nízkotučných“ smažených pokrmů.

Smažené pokrmy se připravují v oleji při teplotách 150–200 oC. Rychlý vzestup teploty na

povrchu potraviny způsobí rychlý přenos tepla a vlhkosti mezi potravinou a olejem. Teplo je

na povrch potraviny přenášeno konvekcí (proudění tepla) a dovnitř potraviny kondukcí

Page 50: Natural polymer aplication

- 50 -

(vedení tepla). Dále dochází k přenosu oleje do potraviny difusí a tuk z potraviny migruje do

okolního oleje kapilárními silami.

Příklady aplikací ochranných povlaků:

Nástřikem kolagenních nebo želatinových roztoků na masové polotovary z mletého

masa (např. hamburgery) se vytvoří ochranný film, který redukuje množství

absorbovaného oleje při smažení o 20–40 %

U hranolků namočených do 1–2 % roztoku kolagenu došlo ke snížení obsahu tuku po

smažení o více než 40 %

Níže uvedený obrázek znázorňuje přenos vlhkosti a oleje během smažení potraviny bez

ochranného povlaku (vlevo) a s ochranným povlakem (vpravo). Ochranný proteinový film

působí jako bariéra proti penetrujícímu oleji do smažené potraviny a proti penetrující

vlhkosti z potraviny do oleje. Proteinový film dále přispívá k lepšímu udržení textury

smažené potraviny a zadržuje přirozené šťávy a vůně, čímž zvyšuje sensorickou přitažlivost

hotové potraviny.

2.1.6.6 Proteinové filmy a povlaky na armádních potravinách

Potraviny určené pro vojenské účely by měly mít co nejnižší hmotnost a objem a

prodlouženou dobu trvanlivosti. Z těchto důvodů se jeví proteinové filmy a povlaky jako

velmi lukrativní obalový materiál. Nicméně, na tyto druhy obalů jsou kladeny další vysoké

požadavky – např. zlepšení strukturní integrity výrobku či zabránění penetrace tuku

z potraviny.

Page 51: Natural polymer aplication

- 51 -

Příklady aplikací v armádě:

1. Kompositní povlaky z želatiny + methylcelulosy + včelího vosku na uvařené hovězí

plátky: zvýšení odolnosti potraviny vůči vyšším teplotám

2. Kompositní povlaky z želatiny + methylcelulosy na mrkev, hrášek a ananas: zvýšení

odolnosti zeleniny vůči vyšším teplotám

3. Povlaky na zmražené či sušené potraviny: bariéra proti O2, vlhkosti, mikrobiálnímu

napadení, mechanickému poškození. Používá se zejména želatina, ale také sojový protein,

pšeničný gluten, vaječný albumin či kukuřičný zein

4. Pro kosmický výzkum musí povlaky zajistit trvanlivost potravin při nestandardních

podmínkách: teplota až 43 oC, krátkodobě až 55 oC, 100 % r.v., 100 % O2 atmosféra, tlak

v kabině 37 kPa (0,37 kg/cm2), zrychlení rakety, vibrace, akustický hluk. Příklady aplikací:

a) povlaky z vodného roztoku želatiny se aplikují na zákusky

b) potravinové kostky se ponoří do roztoku želatiny a vymrazí

c) dušená nebo opékaná hovězí masa, mletá kuřecí nebo krůtí masa, sýry: používá se

povlak složený z želatiny + kaseinátu Na + vody + rostlinného oleje + glycerolu

2.1.6.7 Výroba uzenin a masných výroků

Obecně se uvádí, že až 15 % přídavek kolagenu na celkový obsah masa masného

výrobku se obvykle negativně neprojeví na zhoršení vlastností výrobku. Jakýkoliv

přídavek kolagenu zvýší nutriční hodnotu výrobku. Kolagen je v masném průmyslu

významným faktorem ovlivňujícím strukturu a tvar výrobku, který je pak mnohem více

přijatelný pro spotřebitele. Kolagen totiž dokáže navázat na svou hmotnost až 4 násobné

množství vody a vytvořit pevný elastický gel s podobnou texturou, jako má maso. Gel

přispívá k lepší textuře a působí jako matrice zadržující tuky, vodu a ostatní složky. Toho se

využívá při emulgování náplně výrobků, jako jsou zejména párky. Nezanedbatelná může být i

ekonomická stránka (úspora nákladů při částečných náhradách za maso) a vylepšení

organoleptických vlastností. Po tepelné úpravě dojde rovněž k jistému nárůstu objemu stravy

(zejména párků).

Hotové výrobky s přídavky kolagenu se podrobují zkouškám, jejichž výsledky se

srovnávají s referenčními výrobky (bez přídavku kolagenu). Tyto zkoušky obvykle zahrnují:

Page 52: Natural polymer aplication

- 52 -

1. Sensorickou analýsu

a) barva

b) chuť a vůně

c) celkový vzhled

2. Chemickou analýsu

a) stanovení obsahu proteinu

b) stanovení obsahu tuku

c) stanovení obsahu vlhkosti

d) stanovení obsahu popela

3. Fysikální analýsu

a) vaznost, textura (trhací přístroje, např. Instron)

b) emulgační schopnosti (tzv. Georgia test)

Příklady některých výrob, při nichž se přidává kolagen:

Sekaná

Používá se obvykle kolagen o obsahu vlhkosti cca 80 %, který se přidává k masu před

rozmělněním. Poměr libového masa k tuku je obvykle 80 / 20, maximální přídavek kolagenu

je 30 % jako náhrada libového masa. Přídavek kolagenu významně ovlivňuje barvu a vůni. Se

zvyšujícím se přídavkem kolagenu roste vaznost výrobku.

Salámy

Používá se obvykle kolagen o obsahu vlhkosti cca 80 %, který se přidává k masu před

rozmělněním. Maximální přídavek kolagenu je 30 % jako náhrada libového masa. Přídavek

kolagenu zapříčiňuje slabý nárůst objemu výrobku, neovlivňuje smršťování, povrchovou

strukturu výrobku. Emulgační schopnosti tuku a vaznost vody jsou výborné.

Kuřecí párky

Bylo zjištěno, že 2 % přídavek vláknitého kolagenu do kuřecích párků zvýší množství

vázané vody bez toho, aniž by došlo ke zhoršení strukturální přijatelnosti výrobku. Tato

přednost se využívá především při výrobě nízkotučných párků.

Paštiky

Při výrobě paštik se uplatňuje podobný přídavek kolagenu. K výrobě nízkotučných paštik

(do 8 % tuku) se přidá 2 % vláknitého kolagenu, který umožní navázat 8 % přidané vody.

Page 53: Natural polymer aplication

- 53 -

Takto připravené paštiky jsou stejně chutné, jako paštiky s tradičním přídavkem tuku (18 %) a

mají dokonce lepší strukturu.

Maso na hamburgery

Rozemletý kolagen se rozmíchá společně s glycerolem ve vodném roztoku kyseliny

mléčné a roztok se zahřeje na 75 oC a následně se zneutralizuje na pH 7. Do tohoto roztoku se

poté namáčí vytvarované masové placky. Masové placky ošetřené vrstvou proteinu při

tepelném zpracování si lépe udržují tvar a neroztékají se.

Šunka

Kolagen zvyšuje vazbu mezi masovými kousky, čímž se zlepší textura a usnadní se rovněž

porcovatelnost.

2.1.6.8 Pekárenství

Hotové výrobky s přídavky kolagenu se podrobují zkouškám, jejichž výsledky se

srovnávají s referenčními výrobky (bez přídavku kolagenu). Tyto zkoušky obvykle zahrnují:

1. Sensorickou analýsu

a) barva

b) chuť a vůně

c) celkový vzhled

2. Chemickou analýsu

- stanovení obsahu vlhkosti

3. Fysikální analýsu

a) křehkost, respektive měkkost (např. Instron)

b) celkový objem

Příklady některých aplikací kolagenu:

Výroba závinů (např. jablkový, mrkvový)

Používá se vysušený vláknitý kolagen, který se rozemele přes síto o velikosti zrn 0,15 mm.

Kolagen se přidává obvykle do 20 % jako náhrada mouky. Nutriční hodnota závinu je

zvýšena bez podstatného ovlivnění funkčních vlastností. 10 % dávka kolagenu zvýší obsah

celkových bílkovin o 57 % a 20 % přídavek kolagenu pak o 110 %. Obzvláště je patrný nárůst

Page 54: Natural polymer aplication

- 54 -

u některých essenciálních aminokyselin (leucin, isoleucin, lysin, valin, methionin,

fenylalanin, tyrosin, treonin), zatímco obsah tryptofanu a cystinu se nezmění.

Sensorická analýsa většinou potvrzuje mírnou změnu vlhkosti, jemnosti v ústech a vůni.

S rostoucí dávkou kolagenu se nemění tvar a struktura výrobku. Smyková síla (kg.g-1) se s

rostoucím přídavkem kolagenu zvyšuje, což značí vyšší vaznost výrobku projevující se ve

změně jeho křehkosti.

Výroba chleba

Používá se vysušený vláknitý kolagen, který se rozemele přes síto o velikosti zrn 0,15 mm.

Kolagen se přidává obvykle do 8 % jako náhrada mouky. Se zvyšujícím se přídavkem

kolagenu klesá objem výrobku. Přítomnost kolagenu dodává výrobku jemnější texturu a

zvyšuje jeho schopnost zadržovat vlhkost a jeho odolnost vůči tržným silám.

Další výrobky

vdolečky – přídavek kolagenu neovlivní pórovitou strukturu, ale dojde k větší zrnitosti

výrobku

těstoviny

vaječné nudle

koláčky

2.1.6.9 Ostatní potravinářské aplikace kolagenu

Flokulační činidlo – jedná se o poměrně novou aplikaci kolagenu při čiření piv a vín, která

se využívá hlavně v Austrálii. Kolagen vykazuje lepší vlastnosti, než tradičně používaná

želatina, vaječný bílek, mléko či produkty z mléka. Čiřící činidlo funguje tak, že se kolagen

váže svými aminoskupinami s fenolovými skupinami přítomnými ve víně za tvorby

nerozpustných sraženin. Chemicky jde o vytvoření vodíkových můstků mezi peptidovou

vazbou (CO–NH) proteinu a hydroxylovou skupinou (OH) fenolu vína. Nerozpustné

sraženiny klesají ke dnu nádrží a odstraňují se filtrací nebo odstředěním.

Proteinové povlaky na oříšky (mandle, vlašské ořechy, lískové ořechy, para ořechy,

burské ořechy, pistácie, kešu, macadamia a další). Ořechy obsahují 40–65 % tuku a proteiny.

Obsahují nenasycené a nasycené mastné kyseliny a příznivě se podílejí na prevenci vzniku

Page 55: Natural polymer aplication

- 55 -

kardiovaskulárních onemocnění či mrtvice. Nicméně, při skladování působením světla,

vlhkosti, kyslíku, vysoké teploty, mikrobů a dalších faktorů dochází ke ztrátám kvalitativních

parametrů oříšků. Proteinový povlak působí zejména jako bariéra proti O2, který

způsobuje oxidaci tuků s nežádoucími doprovodnými projevy: změny barvy – žluknutí, ztráta

vůně, ztráta přirozené textury – „měknutí“. Proteinový povlak rovněž zabraňuje migraci

tuků z vnitřních částí oříšků na povrch. Proteinový povlak aplikovaný na oříšky se neobejde

bez přídavku změkčovadel (15–50 %).

Potravní doplňky a kolagenní nápoje – další oblast aplikace kolagenu. Jako potravní

doplněk slouží většinou kolagenní kapsle či prášek, které jsou bílé barvy a jsou 100 %

rozpustné ve vodě, neutrálního aroma. Mají nízkou molekulovou hmotnost (cca 3 kDa), čímž

jsou rychle absorbovány tělem. Přidávají se do mléka, polévek, rýže a nápojů.

Další oblasti použití: filmotvorné vlastnosti kolagenu se využívají při výrobě jedlých pečících obalů na maso

novinkou je také komerční využití kolagenu k výrobě jedlých identifikačních štítků na

masa, pro jejichž popisky se používají potravinářské inkousty

při pečení pizzy kolagen zajistí určitý nárůst objemu (8 až 10 %) hotové pizzy.

2.1.6.10 Aktivní a inteligentní obaly

Aktivní obaly – aktivně mění podmínky, za kterých je balená potravina uchovávána. Mohou

prodlužovat údržnost, bezpečnost, senzorické vlastnosti (tedy chuť, vůni, vzhled, texturu) či

nutriční vlastnosti potraviny. V angličtině se tyto obaly nazývají „active packaging“ nebo

„interactive packaging”.

Inteligentní obaly – monitorují stav potraviny a (spotřebiteli) poskytují informace o její

kvalitě; vlastnosti potravin neovlivňují. V angličtině se tyto obaly nazývají „intelligent

packaging“.

Page 56: Natural polymer aplication

- 56 -

Typy aktivních obalů:

1. Obalové materiály, které dokáží eliminovat nežádoucí plyny z okolní atmosféry potravin –

například kyslík, oxid uhličitý, vlhkost, ethylen (reguluje – urychluje – zrání plodů), a nebo

zápachy které jsou nejčastěji způsobeny těkavými aldehydy a aminy.

Příklady aplikací aktivních obalů:

Typ aktivního obalu Aktivní látky Příklad využití

absorbér O2 sloučeniny na bázi železa,

askorbová kyselina, enzymy sýry, pečivo, oříšky, sušené mléko,

káva, čaj, fazole, …

vlhkosti glycerol, silicagel, polyakryláty pečivo, maso, ryby, drůbež, …

ethylenu oxid hlinitý, manganistan draselný, zeolit

ovoce např. banány, jablka, mango, zelenina, květák, …

zápachu kyselina citrónová, estery celulózy

jídlo snadno podléhající oxidaci (např. potraviny obsahující rybí tuk)

2. Obalové materiály, které obsahují nebo produkují látky migrující do prostoru mezi

potravinou a obalem, případně přímo do potraviny. Tyto látky pak mohou mít různý efekt.

Příklady aplikací aktivních obalů:

Typ aktivního obalu Efekt Příklad použití

emitéry CO2 inhibice růstu některých bakterií,

prodloužení životnosti maso, drůbež,

zelenina a ovoce

ethanolu inhibice růstu bakterií pečivo, sušené rybí produkty

organ. kyselin antimikrobní účinek různorodé

oxidů síry ● odbarvující účinek ● antioxidační účinek ● antimikrobní účinek

●sušená zelenina a ovoce ● různé předvařené suroviny

● různorodý obsahující additiva (cukry, škrob, sůl a další) chuťové změny

různorodý

Aktivní obaly jsou v současnosti používány v USA, Japonsku a Austrálii; v EU je jejich

použití, v důsledku přísných legislativních předpisů, v současné době omezeno.

Inteligentní obaly dokáží monitorovat různé fysikální veličiny, kterým je potravina v čase

vystavena. V úvahu připadají indikátory teploty, mikrobiální kontaminace, integrity obalu.

Indikátory mohou být zabudovány do materiálu nebo také umístěny na jeho povrchu. Některé

z indikátorů vyžadují přímý kontakt s potravinou jiné ne.

Page 57: Natural polymer aplication

- 57 -

Příklady aplikací inteligentních obalů:

Typ indikátoru Efekt

teplotní (časový) informace o teplotní historii a průběhu teploty (například při skladování)

teplotní (aktuální) informace o aktuální teplotě uvnitř obalu (např. pro potraviny určené k přípravě v mikrovlnné troubě)

O2 indikace mechanického poškození obalu

CO2 informace o množství CO2, např. v případě použití

modifikované atmosféry pathogenní mikroflóra indikace nežádoucí kontaminace

zlomení indikace zlomení obalu

Barevné teplotní indikátory jsou určeny k přibližnému stanovení teploty potravin. Při

určité teplotě dojde ke změně vzhledu indikátoru. Indikátory mohou být založeny na vratné či

nevratné chemické reakci. Většinou jsou to nálepky vyrobené s nánosem teplotně citlivých

pigmentů. Při dosažení teploty zvratu se chemickou reakcí změní spektrum odrazivosti nátěru

a tím i jeho barva. Na identifikační fólii může býti několik nánosů s různou teplotou zvratu.

Porušení teplotního režimu se projeví změnou barvy; spotřebitel tak může přímo

posoudit čerstvost potraviny a nemusí se spoléhat jen na datum spotřeby:

Kromě visuální indikace stavu potraviny je možné využít inteligentní obaly typu RFID

(Radio Frequency Identification). Potravina je opatřena RFID štítkem (obdobně jako čárový

kód). Samotný štítek nevysílá žádný signál, Pokud se v blízkosti štítku (přijímač) objeví

vysílač, štítek reaguje na signál a odešle odpověď s požadovanými informacemi o produktu –

výrobce, doba výroby, aktuální poloha, teplotní historie produktu, složení vnitřní atmosféry,

mechanický stav obalu a další. Tyto informace mohou sloužit přepravci, obchodním

řetězcům a spotřebitelům.

Page 58: Natural polymer aplication

- 58 -

2.2 Kolagen v lékařství

Klíčová slova Key words bio-kompatibilita bio-compatibility

filmy films gel gel

houby sponges lékařství medicine, surgery

membrány membranes pásky strips prášek powder rouno fleece roztok solution trubice pipe, tube vlákna fibres

V lékařství má kolagen velmi významné použití vzhledem ke své vláknité struktuře,

vysoké pevnosti v tahu, kontrolovatelnému síťování a možnostem rozkladu enzymy

lidského těla. Vyžaduje se vysoká čistota preparátů z kolagenu připravených.

Kolagen je základní a klíčovou látkou pro tvorbu a rekonstrukci všech pojivových tkání.

Isoluje se především z kůží a šlach. Musí být zbaven všech nekolagenních kontaminujících

složek, které jsou obvykle příčinou všech imunologických (antigenních) reakcí implantátů.

Kolagenní preparáty pro medicínské aplikace jsou vyráběny z kolagenu typu I

pocházejícího hlavně z hovězích kůží. Kolagen typu I obsahuje velké trojšroubicové domény

a také krátké koncové nehelikální telopeptidy, které určuje aminokyselina tyrosin.

Čištění kolagenu (ale také jiných bílkovin, např. keratinu) se nejčastěji provádí

enzymovou degradací nežádoucích složek. Konečným produktem isolace a čištění kolagenu

jsou kolagenní molekuly tropokolagenu (tyčinkovité útvary o rozměrech 15 x 3000 Å), které

lze rekonstituovat do podoby vláken, mebrán, filmů, hub, prášků apod. Oproti nativnímu

kolagenu mají nižší mechanickou pevnost. Poznámka: kolagenní vlákno o průřezu 1 mm2

vykazuje pevnost řádově několik tisíc N. Proto pro některé aplikace se isolace a čištění

kolagenu vede tak, aby se zachovala přirozená struktura vláken, která mohou být dále

zpracována na nitě, netkaná rouna či tkaniny standardními textilními technikami.

Aplikace výrobků z kolagenu v medicímě, ale i farmacii a kosmetice je umožněna

fysiologickou blízkostí zvířecího kolagenu s kolagenem lidským (příjemce), což vyvolává

jen slabé imunologické reakce. Významná je i schopnost kolagenu vázat vodu (vlhkost).

Page 59: Natural polymer aplication

- 59 -

V souvislosti s narůstající aplikací kolagenu v medicíně je nutné zmínit také množství

patentů, které se vztahují k výrobě a metodám čištění různých forem kolagenu a k jejich

aplikacím, např.:

Patent z roku 1962 – GB 903,975 – Improvements in and relating to the solubilisation

of collagen and reconstitution thereof. Tento patent popisuje rozpouštění kolagenní

tkáně na rozpustný produkt bez toho, aniž by došlo k destrukci 3-šroubovicové

struktury. Při těchto operacích se používají enzymy trypsin, pepsin a další mikrobiální

enzymy.

Patenty zabývající se metodami opětovného spojení kolagenu (a také želatiny), např.

patent US 5,405,757 – Synthesis of human procollagens and collagens in recombinant

DNA system.

Základní termíny: In vivo v živém organismu, v těle („in life“)

In vitro mimo tělo, mimo žijící organismus, v laboratoři („in glass“)

In situ na původním místě, v přirozené posici

Biodegradabilní materiál schopný rozkaldu biologickou akcí živého organismu

Biokompatabilní materiál nezpůsobující imunitní reakce živého organismu

Extracelulární matrice mezibuněčný prostor mezi tkáněmi sloužící k adhesi buněk a jejich

organisaci

Scaffold matrice, hustá síť, tkáňový nosič, podporující růst buněk a tkání

Page 60: Natural polymer aplication

- 60 -

2.2.1 Fysikální formy kolagenu v medicíně

Fysikální formy kolagenu a jeho aplikace v medicíně jsou uvedeny v tabulce:

Forma kolagenu Lékařské aplikace

Roztok

expander plasmy nosič léčiv injekce pro kosmetické defekty

Gel náhrada sklivce krémy pro kosmetiku (tzv. „moisturing agents“)

Prášek haemostatické činidlo Vlákna

chirurgický šicí materiál cévní náhrady prothesy chlopní haemostatické rouno tkaný či pletený nosič tkáně

Filmy, fólie, membrány, pásky

náhrada rohovky kontaktní čočky haemodialysa umělé ledviny oxidační membrány náhrada šlach pokrytí ran

Houby, rouna

pokrytí ran náhrada kostních chrupavek lékařské tampony laparotomické vycpávky vaginální kontraceptivní bariery reservoiry pro dávkování léčiv scaffoldy

Trubice prothesy cév rekonstrukční chirurgie dutých orgánů (trachea)

2.2.1.1 Kolagenní roztoky a gely

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,

Page 61: Natural polymer aplication

- 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.

Page 62: Natural polymer aplication

- 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

Page 63: Natural polymer aplication

- 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.

Page 64: Natural polymer aplication

- 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

Page 65: Natural polymer aplication

- 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

Page 66: Natural polymer aplication

- 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.

Page 67: Natural polymer aplication

- 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).

Page 68: Natural polymer aplication

- 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

Page 69: Natural polymer aplication

- 69 -

Kolagennní (atelokolagenní) výrobky pro lékařské aplikace membrány plstě obvazy čípky

Čípky Plstě

Tampóny Trojúhelníky

Fólie / membrány Obvazy

Page 70: Natural polymer aplication

- 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

Page 71: Natural polymer aplication

- 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

Page 72: Natural polymer aplication

- 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

Page 73: Natural polymer aplication

- 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.

Page 74: Natural polymer aplication

- 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

Page 75: Natural polymer aplication

- 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

Page 76: Natural polymer aplication

- 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:

Page 77: Natural polymer aplication

- 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

uvolňováním účinné látky. Mikroenkapsulace zabraňuje předčasným ztrátám účinné látky,

prodlužuje dobu účinku a zajišťuje vysokou selektivitu vůči konkrétnímu druhu plevele za

rozmanitých povětrnostních podmínek. Nejprve praskají a uvolňují účinnou látku kapsule

velké, zatímco kapsule nejmenší velikosti odolávají mnohem déle. Jako materiál pro výrobu

mikrokapsulí se hodí mimo jiných materiálů také kolagenní hydrolysát.

Dusík (celkový, podle Kjeldahla) 10 – 12 % Popel 27 – 32 % P 5 – 7 % P2O5 11,5 – 16 % K 15 – 18 % K2O 18 – 22 % Mg 0,2 – 0,4 % MgO 0,35 – 0,7 % Cr < 90 ppm

Poznámka: hodnoty jsou vztaženy na sušinu hydrolysátu Roztok hydrolysátu: žlutá barva, velmi mírně zakalený, pH ≈ 6,8

Page 78: Natural polymer aplication

- 78 -

Doba rozpadu kapsulí různých velikostí je znázorněna na obrázku:

2.3.2.5 Další aplikace

Jedná se zejména o tyto průmyslové aplikace:

a) adhesiva (např. na etikety)

b) plniva do plastů

c) přídavek do gumárenských směsí (výroba pneumatik)

d) při výrobě dřevotřískových desek – jako absorbent formaldehydu

e) při výrobě cementu (úspora energie při mletí)

f) koželužské pomocné přípravky

povrchová úprava: barvy, pojidla (hlavně kasein), černé úpravy (krev), lesklé úpravy

(želatina)

plnidla – hydrolysát vykazuje plnicí vlastnosti

přečiňovadla – po reakci hydrolysátu s formaldehydem je uváděn činící účinek

Page 79: Natural polymer aplication

- 79 -

2.5 Využití kolagenu, elastinu a keratinu v kosmetologii

Klíčová slova Key words elastin elastin

hydrolysát hydrolysate keratin keratin kolagen collagen

kosmetika cosmetics pleťová voda lotion

rozpustný kolagen soluble collagen vláknitý kolagen fibre collagen

zvlhčovalo humectant

Stárnutím organismu dochází ke zpomalování procesů obnovy kolagenu, postupně vysychá

a ochabuje pokožka, objevují se vrásky. Pochody postupné degradace lze do určité míry

zpomalit přípravky s obsahem kolagenu, elastinu a keratinu. V kosmetice se tyto bílkoviny

aplikují v rozpustné formě, ve formě vláken, prášků a gelů.

2.4.1 Přehled aplikačních forem kosmetických přípravků a jejich

uplatnění

1. Roztoky Patří mezi běžné aplikační formy. Obecně rozeznáváme roztoky hydrofilní a lipofilní.

Vodné roztoky – jsou roztoky, v nichž je základním rozpouštědlem voda, např. všechny

přípravky s tensidy (povrchově aktivními látkami), šampony, koupelové přípravky, některé

pleťové vody, přípravky na ruce apod.

Vodně-alkoholické roztoky – patří mezi ně např. kolínské a toaletní vody, tužidla na vlasy,

vody po holení, pleťové vody, vlasové a ústní vody, některé typy tělových dezodorantů apod.

Alkoholické roztoky – uplatňují se při výrobě parfémů a základních roztoků pro výrobu

některých aerosolových přípravků.

Lipofilní roztoky – zejména účinné látky ve vazelínovém oleji, se užívají např. jako pleťové

oleje, oleje na vlasy, oleje na opalování apod.

Roztoky v dalších rozpouštědlech – se uplatňují např. při výrobě laků na nehty, odlakovačů,

speciálních parfémů apod.

Page 80: Natural polymer aplication

- 80 -

2. Gely Představují novější, značně oblíbenou aplikační formu kosmetických přípravků. Gely je

možné rozdělit na hydrofilní a lipofilní. Nejznámější jsou gely po holení, gely na vlasy, na

ruce, gelové osvěžovače vzduchu, gelové šampony a další. Hydrofilní gely jsou také

viskozitními stabilisátory tekutých emulsí, zubních past a dalších výrobků.

3. Emulse Emulse jsou systémy, ve kterých je tuková fáze dispergována (rozptýlena) ve vodné fázi

(emulze olej ve vodě – O/V) nebo je vodná fáze dispergována v oleji (emulze voda v oleji –

V/O). Jsou stabilisovány emulgátory, nejčastěji tensidy, v některých případech ještě

hydrofilními nebo lipofilními gely. Emulse O/V se nazývají suché, emulse V/O mastné.

Emulse patří mezi základní typy kosmetických přípravků, zejména v oblasti péče o pleť.

Emulsemi jsou např. pleťová mléka, krémy a masky, opalovací a masážní přípravky apod.

4. Suspense Suspense je systém tuhých částic dispergovaných (rozptýlených) v kontinuální fázi, kterou

obvykle tvoří voda nebo vodné roztoky. Typickým příkladem jsou zubní pasty, kde je

suspense abrasivních (brusných) a čisticích látek stabilizována hydrofilním gelem. Mezi

suspense patří také některé přípravky dekorativní kosmetiky, jako např. mastná líčidla.

Kombinací emulse a suspense jsou např. dětské krémy s obsahem oxidu zinečnatého, rtěnky

a emulzní líčidla.

5. Pěnové přípravky Pěnové přípravky se obvykle vytvářejí pomocí tzv. hnacího plynu v tlakových

aerosolových nádobkách. Nejznámější jsou pěny na holení, pěnová tužidla na vlasy,

sprchovací přípravky apod.

6. Práškové přípravky Do skupiny práškových přípravků patří zásypy, pudry, některá líčidla, dříve i šampony na

vlasy.

7. Aerosolové přípravky Aerosolová forma umožňuje aplikaci účinných látek v podobě jemného rozprachu nebo

pěny. Nejvíce je rozšířena v oblasti laků na vlasy, tělových desodorantů apod.

Aerosolové přípravky se vyrábějí smícháním roztoku účinné substance s nízkovroucími

látkami, převážně sloučeninami uhlíku, fluoru a chloru (vznikne tzv. hnací plyn) a adjustací

Page 81: Natural polymer aplication

- 81 -

do malých tlakových nádobek. Stisknutím ventilku pak dochází k výronu aerosolu. Tuto

formu je možno získat i pomocí mechanických rozprašovačů.

O volbě aplikační formy pro kosmetický přípravek rozhodují hlediska technická,

ekonomická a zejména funkční, tj. dosažení maximální účinnosti a využití receptury

k danému cíli.

2.4.2 Základní pleťové přípravky

Do souboru přípravků určených k běžné denní péči o pleť patří pleťové vody, mléka,

krémy, pleťové masky a oleje. Bývají obvykle řazeny do sérií. Přípravky jedné série mají

společný název a vyznačují se řadou společných znaků, jako je podobné obalové provedení,

stejný charakter speciálních aktivních látek, parfemace apod. Výrobce pak podle vlastností

jednotlivých přípravků doporučuje nejvhodnější způsob péče o různé typy pleti. Přípravky

z různých sérií by se neměly zbytečně kombinovat. Pleťové přípravky, které obsahují různé

speciální aktivní látky, je vhodné předem vyzkoušet, abychom zjistili, zda je naše pleť bude

dobře snášet.

Pleťové vody a tonisační přípravky jsou vodné nebo vodně-alkoholické roztoky, jejichž

základní funkcí je (podle druhu) čištění pleti, stahování póru, popř. další účinky. Čistícího

účinku se využívá zejména v případech, kdy pleť nesnáší mýdlo, resp. přípravky s alkalickou

reakcí. Vyrábějí se čistící pleťové vody s různým obsahem ethylalkoholu. Přípravky s vyšším

obsahem ethylalkoholu (až do 50 %) jsou vhodné pro mastnou pleť, pro normální pleť se

používají přípravky s obsahem cca 30 % ethylalkoholu a pro suchou pleť přípravky

s obsahem 20 % ethylalkoholu. Jejich důležitou součást je glycerol, který dodává pleti

pružnost a vláčnost. Pleťové vody stahující póry se užívají zejména pro mastnou pleť.

Všechny pleťové vody mají mírně kyselou reakci, takže pomáhají udržet kyselý ochranný

povlak. Jsou známy i tonisační vody, u kterých je možno nastavit pH na přesnou hodnotu

v kyselé oblasti.

Speciální typy pleťových vod obsahují různé biologicky aktivní látky, rostlinné extrakty

apod., které vhodným způsobem doplňují celkovou péči o pleť.

Pleťová mléka jsou tekuté emulse typu olej ve vodě, méně často pak voda v oleji. Jejich

základní funkcí je čištění a odličování pleti. Tukové složky, kterých bývá použito cca 20%,

Page 82: Natural polymer aplication

- 82 -

emulgují spolu s přítomnými tensidy nečistoty a zbytky líčidel, a tak je odstraňují z povrchu

kůže. Pro suchou pleť jsou vhodné typy s vyšším podílem tukové fáze, pro mastnou pleť typy

s malým obsahem tuku. Speciální druhy pleťových mlék obsahují přídavky účinných látek

(např. hydratačních, uklidňujících, stahujících, regeneračních apod.). Pleťová mléka, jejichž

podstatou je emulse typu voda v oleji, jsou vhodná pro péči o velmi suchou pleť a dále pro

náročnější nebo častější odličování.

Pleťové krémy jsou, pro svůj obsah tukové fáze a speciálních aktivních látek, základními

přípravky péče o pleť. Slouží k ochraně, čištění a promašťování pleti. Dále mají hydratační,

regenerační a další účinky. Podle typu emulse se pleťové krémy obvykle rozdělují na krémy: a) suché, tzv. denní, typ emulse O/V,

b) polomastné, typ emulse O/V,

c) mastné, tzv. noční, typ emulse V/O.

Rozvoj chemie emulgátorů a pomocných látek poněkud pozměnil toto hledisko dělení

v tom smyslu, že lze připravit emulse typu olej ve vodě v širokých rozmezích obsahu tukové

fáze, a proto se můžeme setkat s výrobky označovanými jako mastné nebo noční, přestože jde

o emulse typu olej ve vodě.

K základním funkcím pleťových krémů, tj. chránit, čistit a promašťovat pleť, přibyly další,

které prohlubují péči o pleť a stavějí ji na vědečtější základ. Je to zejména dodávání vody,

jejíž obsah v kůži v důsledku procesů stárnutí organismů klesá. Ke zpětnému dodávání vody

slouží přípravky hydratační. Dalšími typy jsou přípravky regenerační, stimulační,

biostimulační apod. Ty zásadnějším způsobem ovlivňují stav kůže tím, že ji dodávají některé

další potřebné látky, o nichž se ví nebo předpokládá, že mohou být biochemicky využity.

V řadě přípravků se volbou druhů biologicky aktivních látek jednotlivé funkce spojují a tyto

přípravky mají kombinované účinky (např. přípravky proti vráskám).

Další významnou funkcí pleťových krémů je obnova ochranného kožního povrchu, který

v důsledku buď procesu stárnutí nebo vnějších vlivů v kůži chybí.

Page 83: Natural polymer aplication

- 83 -

2.4.3 Přednosti bílkovinných preparátů v kosmetice

Bílkoviny mají vysokou bobtnací schopnost a mohou zadržovat značná množství vody

(vlhkosti). Pro svou schopnost regulovat obsah vlhkosti v pokožce nebo ve vlasech jsou

významnými komponentami kosmetických přípravků k péči o tělo i vlasy. Svými účinky

přispívají bílkovinné preparáty ke zvlhčování pokožky, ke zvýšení její flexibility a k efektu

vyrovnávání vrásek.

Výrobci kosmetických přípravků uvádějí také schopnost kolagenu uspíšit hojení ran,

hlavně na pokožce, a dále zabrzďovat proces stárnutí pokožky. Vysvětlují to tím, že zejména

aplikace rozpustného kolagenu vedou ke vzniku nových fibril, které působí jako matrice nově

vytvořených buněk.

Kolagen a elastin se snadno vážou na pokožku a vlasy, kde působí jako látky zadržující

vlhkost (humektanty), zvláčňují je a zároveň na nich vytvářejí ochrannou vrstvu. Po nanesení

kolagenu (např. ve formě gelu) na pokožku dochází k rychlému vstřebávání kolagenu do

spodních vrstev. Kolagen (společně s elastinem) jsou součástí regeneračních krémů a gelů.

Hydrolysáty keratinu se mohou vázat na strukturu vlasů nebo nehtů a vyhlazovat jejich

povrch a zpevňovat je. Využívají se také jako přídavky do krémů na ruce a nehty.

2.4.3.1 Rozpustný kolagen

Rozpustný kolagen se získává extrakcí z kůží mladých zvířat, např. telecích, králičích.

K extrakci se používají:

a) roztoky solí při neutrálním pH – výtěžnost klesá se stářím zvířete, max. je 0,5 %; tento

kolagen se označuje jako nativní kolagen neutrálně rozpustný

b) roztoky kyselin – např. 0,01–0,5 M kyselina octová; používají se rovněž pufry (tlumivé

roztoky), např. citrátové: pH ~ 3,5

V obou případech přechází část kolagenu do roztoku, protože struktura mladého kolagenu

není ještě tak zesíťovaná, jako u starších zvířat. Kolagen je přítomen v extraktu jako monomer

(tropokolagen), nejvýše dimer či trimetr. Molekulová hmotnost je cca 1 kDa.

Rozpustný kolagen se používá jako přídavek do krémů na ošetřování pokožky, k redukci

vrásek a k úpravě poprsí. Kolagenové injekce se používají ke zlepšení vzhledu kůže

(vyhlazení rýh, jizev, k léčbě propadlé tváře) či ke zlepšení vzhledu rtů.

Page 84: Natural polymer aplication

- 84 -

V poslední době se rozpustný kolagen pro kosmetické účely extrahuje rovněž z ryb.

2.4.3.2 Hydrolysáty kolagenu

Vzhledem k nízkému výtěžku rozpustného kolagenu se mnoho kosmetických firem

přiklonilo k používání hydrolysátů kolagenu, které mají molekulovou hmotnost až 10 kDa.

Hydrolysáty kolagenu se získávají:

1. Alkalickou hydrolýsou

Dosahuje se větších výtěžků, než při přípravě rozpustného kolagenu, a proto je získaný

produkt levnější, než rozpustný kolagen. Zpravidla se používají vepřové a hovězí kůže.

Alkalickým opracováním hovězích šlach lze získat nejen hydrolysát kolagenu, ale i

elastinu, nebo jejich směs, což záleží na postupu extrakce.

Produkty alkalické hydrolýsy se prodávají ve formě 1 až 5 % roztoků.

2. Enzymovou nebo kyselou hydrolýsou

Podle zvoleného postupu lze získat hydrolysáty o molekulové hmotnosti do 30 kDa. Pokud

se na enzymovou hydrolýsu použije vyčištěná a podkožního vaziva zbavená surová kůže, lze

vedle hydrolysátu kolagenu a elastinu získat také hydrolysát keratinu.

Předností všech druhů hydrolysátů je jejich snadná rozpustnost a schopnost vytvářet čiré a

bezbarvé roztoky bez zápachu. Jsou rozpustné ve vodě a v alkoholech. Nejčastěji se používají

jako přídavek do přípravků na vlasy. V kosmetologii se mohou použít jako obalový materiál

pro vonné přísady.

2.4.3.3 Vláknitý kolagen

Působením silných kyselin na připravenou holinu lze získat rozpustný a nerozpustný

kolagen. Holina se připraví tak, že se surové kůže vyperou vodou. Poté se louží v roztoku

Ca(OH)2 + Na2S a následně se mechanicky odstraní chlupy a podkožní vazivo. Holina se

vypere, rozmělní a extrahuje kyselinou. Kolagen se vysráží a vysuší. Získaný produkt je

bakteriologicky nezávadný a velmi čistý.

Dialýsou roztoků kolagenu lze získat jemná kolagenová vlákna. Vláknitá disperse se

vysuší vymrazením. Kolagenovou vlákninu lze rozmělnit na prášek.

Page 85: Natural polymer aplication

- 85 -

2.4.4 Aplikace kolagenních preparátů

Vláknitý kolagen ve formě pěn s přídavkem účinných látek slouží k přípravě kosmetických

pleťových masek.

Přehled aplikací kolagenních a keratinových preparátů je uveden v tabulce:

Typ preparátu

Aplikace Koncentrace preparátu (%)

Deklarovaný efekt

Rozpustný kolagen

krémy, mléka a masti na ošetřování pokožky

podle potřeby

humektant, zvýšení hladkosti a elasticity

pokožky podkožní injektáže podle potřeby odstraňování vrásek

úprava poprsí Hydrolysáty kolagenu a keratinu (molekulová hmotnost do 30 kDa)

šampony na vlasy 5 – 15

vytvářejí ochranný film, uhlazují strukturu vlasu, zvyšují snášivost vlasu,

zlepšují konsistenci přípravku

prostředky pro opláchnutí vlasů

3 – 15

vlasové kondicionéry 3 – 5 lotiony na vlasy 0,25 – 0,5 spreje na vlasy 0,5 – 1,0 výživná séra na konečky vlasů

pěnové lázně 5 podpora tvorby pěny oční make-up laky na nehty hladký film

řasenky Vláknitý kolagen

pleťové masky do 5 matrice nově vytvářených buněk

2.4.5 Mikroenkapsulace v kosmetickém průmyslu

Hydrolysáty kolagenu jsou vhodné také jako obalový materiál (mikro)kapsulí.

V současné době se enkapsulují zejména vonné přísady. Ty jsou základem výroby velmi

oblíbených deodorantů a tuhých antiperspirantů, v nichž jsou vonné substance enkapsulovány

do mikročástic, které mají houbovitou strukturu. Porézní struktura zajišťuje trvalé

uvolňování vůně, které může být opakovaně pozastaveno a znovu spuštěno. Jako spouštěcí

mechanismus pro uvolnění vůně působí teplota a vlhkost – v tomto případě tedy pot. Tento

princip vysvětluje reklamní slogany o dlouhodobém účinků antiperspirantů a že se zvyšujícím

se stupněm zapocení se zvýší účinnost jejich přípravku. Další oblastí použití

mikroenkapsulace jsou pěny a soli do koupele. Aby bylo zajištěno pozvolné uvolňování

Page 86: Natural polymer aplication

- 86 -

vůně, provádí se její mikroenkapsulace. Spouštěcím mechanismem pro uvolnění je pak

rovněž vlhkost.

Dále se enkapsulují:

essenciální oleje

hydratační prostředky

lipidy

vitamíny

antimikrobiální látky

antioxidanty

antiperspiranty

deodoranty

UV absorbéry

barviva

pigmenty

hormony

proteiny

detergenty aj.

Mikroenkapsulace se používá také pro další výrobky osobní hygieny, šampóny a

kondicionérů na vlasy, krémy, balsámy na rty, pleťové vody, pleťová mléka a dalších.

Zajímavou aplikací je parfémování vybraných stran katalogů kosmetických přípravků

(toaletní vody, parfémy, šampóny, sprchové gely…). Strana, která je určena pro grafickou

reprodukci je tradičně upravena. Strana, na níž je třeba uchovat vůni je tvořena

mikrovláknitou texturou, která je schopna pojmout vůni. Jednoduchým přetřením strany

zápěstím se tak vůně uvolní.

Page 87: Natural polymer aplication

- 87 -

3. PRŮMYSLOVÉ APLIKACE ŽELATIN

Klíčová slova Key words farmaceutický pharmaceutical fotografický photographic

gel gel jedlý edible

technický technical želatina gelatin

3.1 Vlastnosti a výroba želatin

Želatina je ve vodě rozpustný protein se schopností tvořit za specifických podmínek

transparentní gely. Obecně se želatina získává extrakcí za tepla v kyselém nebo alkalickém

prostředí. Surovinové zdroje jsou zejména kůže zvířat, kosti, šlachy.

3.2 Farmaceutický průmysl

Klíčová slova Key words (mikro)enkapsulace (micro)encapsulation

farmacie pharmacy měkké želatinové kapsle soft gelatin capsules

použití application tablety tablets

tvrdé želatinové kapsle hard gelatin capsules želatina gelatin

Při výrobě léků a v lékařství se používá želatin, které se svými vlastnostmi blíží jedlé

želatině.

Filmotvorné vlastnosti želatiny se využívají ve farmaceutickém průmyslu. Především

se jedná o výrobu tvrdých želatinových kapslí skládajících se ze dvou částí, měkkých

želatinových kapslí, tablet, k potahování tablet, k přípravě emulsí a k (mikro)enkapsulaci.

V průmyslově vyspělých státech jde na tyto aplikace cca 15 % produkce želatiny. Jen

v U.S.A. se takto každoročně spotřebuje několik milionů kilogramů.

Farmaceutická želatina se vyrábí hlavně z hovězích nebo vepřových kůží. Barva je světle

žlutá až bílá. Roztok želatiny je čirý. Želatina se dodává granulovaná. Je velmi dobře

Page 88: Natural polymer aplication

- 88 -

rozpustná. Vzhledem k tomu, že obsahuje 9 z 10 essenciálních aminokyselin, její nutriční

hodnota je velmi dobrá. Charakteristika farmaceutické želatiny je uvedena v tabulce.

Farmaceutická želatina musí splňovat náročné požadavky:

a) mikrobiologické vlastnosti – nepřítomnost patogenních a nepatogenních mikrobů

Escherichia coli, salmonela)

b) fysikálně-mechanické vlastnosti – struktura, viskosita, pevnost gelu

c) chemické vlastnosti – hodnota pH, isoelektrický bod

d) nepřítomnost těžkých kovů

3.2.1 Tvrdé želatinové kapsle

Historie výroby tvrdých želatinových kapslí sahá do roku 1833, kdy byly kapsle

vynalezeny a zpočátku se používaly k maskování nepřijatelné chuti léčiv. Podobně jako

měkké želatinové kapsle se léčivo v kapslích lépe polyká, protože mají příznivý tvar pro

polknutí a jsou kluzké po smočení v ústech.

Tvrdé želatinové kapsle (HGC) mají oválný tvar, jsou silnostěnné, rozpustné.

Skládají se ze dvou částí – těla a uzávěru. Na rozdíl od měkkých želatinových kapslí (SGC)

Pevnost gelu (6,67% roztok), Bloom (g) 100 – 280 Pevnost gelu (12,5% roztok), Bloom (g) cca 500 Vlhkost (%) max. 16 % Popel (%) max. 1,6 % Tuky 0 Cukry 0 Cholesterol 0

Page 89: Natural polymer aplication

- 89 -

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.

Page 90: Natural polymer aplication

- 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

Page 91: Natural polymer aplication

- 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).

Page 92: Natural polymer aplication

- 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.

Page 93: Natural polymer aplication

- 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

Page 94: Natural polymer aplication

- 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).

Page 95: Natural polymer aplication

- 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)

rostlinné výtažky (aloe vera, ginko biloba, olivové listy)

bílkovinné hydrolysáty atp.

3. Kosmetika

oleje a soli do koupelových lázní

přípravky pro ošetřování pokožky

šampony, kondicionery aj. přípravky

Page 96: Natural polymer aplication

- 96 -

Tvary a velikosti kapslí jsou různé. Mohou být kulaté, oválné a jiných tvarů nejrůznějších

velikostí. Příklady jsou na obrázcích.

Kapsle kulovitého tvaru Typ kapsle (Noventis) 2 3 40 50 Hmotnost náplně (g) 0,074–0,124 0,136–0,185 1,971–2,526 1,860–3,080

Kapsle válce tvořeného polokoulemi

Typ kapsle (Noventis) 6 22 Hmotnost náplně (g) 0,308–0,370 1,109–1,355

Kapsle oválného tvaru

Typ kapsle (Noventis) 3 6 7,5 10

Hmotnost náplně (g) 0,148–0,185 0,320–0,370 0,382–0,462 0,462–0,616

Kapsle lahvicovitého

tvaru

Typ kapsle (Noventis) 5 6 17,5

Hmotnost náplně (g) 0,154–0,308 0,308–0,370 0,924–1,047

Page 97: Natural polymer aplication

- 97 -

Tvary kapslí pro uchování koupelových olejů a solí

Ovál Delfín Kačena Ježek

Želva Tučňák Koule Srdce

„Twist off“ „Ceramide“ Hvězda Mušle

3.2.3 Tablety

Tablety se definují jako pevné farmaceutické dávkovací formy obsahující léčivo,

rozpouštědlo, pojivo, případně mazadla. Připravují se lisováním, přičemž výroba se skládá

z několika kroků. Prvním krokem je obvykle rozemletí aktivní složky na požadovanou

zrnitost. Poté se přidají další složky (lubrikanty, additiva) a po rozmíchání se přidá roztok

želatiny (želatina funguje jako pojivo) a vytvářejí se větší shluky (granuláty) jako základ

budoucích tablet. Granuláty jsou poté slisovány v tabletovacím lisu na požadovaný tvar,

velikost a hustotu.

Tabletovací stroj:

Page 98: Natural polymer aplication

- 98 -

Vyrobené tablety se obvykle potahují, aby se zamezilo jejich možnému zpráškování,

dále aby se skryla nepříjemná chuť a aby se vytvořil základ, na který je možné nanášet barvu

či různé tiskové informace sloužící k identifikaci výrobku. Tablety potahované želatinou jsou

chráněny vůči oxidaci a slunečnímu záření, čímž se prodlužuje trvanlivost medikamentu.

Mimo to, povlak výrazně ovlivňuje sensorické vlastnosti, neboť tablety se snadněji a

bezpečněji polykají. K potahování se používají často želatina (želatina funguje jako

filmotvorná látka) s přídavkem cukrů a pigmentů. Potahování větších tablet se provádí

ponořením tablet do vodného roztoku želatiny, který obvykle obsahuje 45 % želatiny (w/w) a

9 % plastifikátoru (w/w). Vytvořený želatinový povlak je nutné vysušit – na obsah vlhkosti

5–8 %. Tloušťka povlaku je velmi tenká (25–100 μ), nicméně výrazně se sníží koeficient

tření v ústech a usnadní se tak polykání tablet.

Potahování drobných tabletek probíhá obvykle následovně: Autokláv se naplní

želatinou, vodou a tabletami = 1. etapa. Poté se obsahem míchá za přesně definovaných

podmínek (doba, teplota, tlak), aby se rozpustil obalový materiál (želatina) = 2. etapa.

Nakonec se sníží tlak a teplota, aby začalo srážení obalového materiálů na tabletách (3. etapa)

a postupně se tvořil povlak (4. etapa). Celý proces je znázorněn na následujících obrázcích:

tablety obalový materiál

1. etapa 2. etapa 3. etapa 4. etapa

Poznámka: Tablety je možné také potahovat stříkáním želatinového roztoku.

Page 99: Natural polymer aplication

- 99 -

3.2.4 Mikroenkapsulace

V českém jazyce prozatím neexistuje český ekvivalent slova enkapsulace, proto se tento

pojem převzal z angličtiny. Želatina, stejně jako další proteiny, má vynikající funkční

vlastnosti, zejména schopnost tvořit gely a emulse, které ji předurčují v enkapsulačních

technikách pro enkapsulaci aktivních složek. Mohou být připraveny hydrogely, mikro- a

nanočástice.

Želatina se hojně užívá k mikroenkapsulaci, tj. uzavírání additiv (léčiv, olejů, vitamínů a

jiných aktivních látek) do obalů pro potravinářské a farmaceutické aplikace. Velikost a tvar

mikrokapsulí je ovlivněn volbou použité techniky mikroenkapsulace. Obvykle jsou

mikrokapsule kulovitého tvaru velikosti 1 μ až 2 mm, nicméně je možné vyrobit i nanočástice

(10 až 1000 nm). Additiva se z mikrokapsulí uvolňují buď postupně, nebo v žádoucím čase.

Různé typy mikrokapsulí:

3.2.4.1 Metody přípravy mikrokapsulí

Obecně se metody přípravy mikrokapsulí dělí na:

a) chemické – při nich dochází k polymeraci obalového materiálu (proteinu)

b) fysikální – při nich se kontrolovaně sráží polymerní roztok

Page 100: Natural polymer aplication

- 100 -

3.2.4.1.1 Koacervace

Koacervace je nejrozšířenější (chemickou) metodou mikroenkapsulace, při níž je aktivní

ve vodě nerozpustná složka (např. olej či pevná látka) rozptýlena ve vodném roztoku želatiny.

Postupným přidáváním nevodného rozpouštědla, změnou teploty nebo pH systému dochází ke

srážení želatiny okolo aktivní složky (rozhraní vodné fáze a nevodné fáze) a k vytvoření

kapsle. Velikost mikrokapsulí se pohybuje od 10 do 2000 μm, přičemž tloušťka a pevnost

stěny může být různá. Enkapsulováno může být až 95 % aktivní látky. Průběh koacervace se

řídí poměrem obalového materiálu (želatiny)/enkapsulované látce, dálem hodnotou pH a

tlakem.

Proces enkapsulace aktivní látky (pevná látka či kapalina) se skládá z těchto částí (viz

obrázek):

(A) … Enkapsulovaná látka je mícháním rozptýlena ve vodném roztoku želatiny

(B) … Přídavkem alkoholu, změnou teploty či pH systému dojde ke vzniku 3 fázového

systému – suspense nebo emulse, který se obvykle udržuje neustálým mícháním:

1 – kapalná fáze

2 – fáze polymerního obalového materiálu

3 – enkapsulovaná látka

(C) … Polymerní obalový materiál se začíná ve formě mikrokapiček usazovat na povrchu

enkapsulovaného materiálu a kapičky začínají splývat a tvořit membránu; toto probíhá za

stálého míchání

(D) … vytvořená membrána (obalový materiál) na enkapsulované látce je dále vytvrzena,

např. tepelnou či chemickou metodou

Page 101: Natural polymer aplication

- 101 -

2

2

2

Podle výrobního postupu rozlišujeme dvě metody koacervace:

1. Jednoduchá koacervace

Příkladem je vodný roztok želatiny s dispergovanou enkapsulovanou látkou (tuhá či

kapalná). Postupným (po kapkách) přidáváním alkoholu dochází k fázové separaci a ke

vzniku dvou fází: fáze bohaté na želatinu a fáze s minimálním obsahem želatiny. K této

fázové separaci dochází, protože podmínky pro interakci voda-alkohol jsou v želatinovém

1

3 3

3 3

1

1

Page 102: Natural polymer aplication

- 102 -

roztoku příznivější, než pro interakce voda-želatina. Tím dochází k mnohem větším

interakcím mezi molekulami želatiny a ke tvorbě agregátů.

2. Složená koacervace

Příkladem je kombinace želatiny a arabské gumy jako obalového materiálu. Nejdříve se

připraví vodný roztok želatiny (při 45 oC) a roztok arabské gumy (při 55 oC). Enkapsulovaná

látka se disperguje či emulguje v roztoku želatiny při teplotě nad 45 oC. Suspense nebo

emulse se poté zředí přídavkem vodného roztoku arabské gumy a upraví se pH na 3,8–4,4,

čímž želatina získá kladný náboj, zatímco arabská guma má záporný náboj. V tomto stavu se

systém za současného míchání ochladí na pokojovou teplotu a kapalný koacervát se začíná

postupně usazovat na enkapsulované látce a tvořit obal. V poslední operaci se směs ochladí na

teplotu pod 10 oC a přidá se síťující látka (glutaraldehyd), která obalový materiál zesíťuje.

3.2.4.1.2 Sprejové sušení

Sprejové sušení je příkladem fysikální metody mikroenkapsulace, které se používá

především k uchování vonných olejů. Při výrobě se postupuje tak, že se aktivní látka určená

k enkapsulaci smíchá s roztokem obalového mateiálu (želatina), obvykle v poměru 1 : 4.

Touto směsí je poté naplněn rozprašovák, který za pomoci vzduchu rozptýlí kapalnou směs na

drobné částečky. V sušicí komoře dojde k odpaření rozpouštědla (vody). Vzniklé

mikrokapsule mající práškovou konsistenci padají na dno komory a jsou odváděny do sběrné

nádoby.

Postupné uvolňování látek ve správném čase a na správném místě je klíčovou

vlastností mikroenkapsulace. Včasné a řízené uvolňování zlepšuje účinnost léčiv a

zajišťuje jejich optimální dávkování. K zahájení uvolňování enkapsulované látky slouží

různé spouštěcí mechanismy: změna pH, mechanické namáhání, teplota, aktivita enzymů,

osmotický tlak, čas. Uvolňování léčiva z mikročástice závisí na difusi z oblasti vyšší

koncentrace (uvnitř mikročástice) do oblasti s nižší koncentrací (přiléhající okolí

mikročástice). Modelovat mechanismus uvolňování je dosti obtížné, neboť tento závisí na

velikosti, tvaru, vnitřním objemu mikrokapsule, na vlastnostech materiálu mikrokapsule, na

množství pórů mikročástice apod.

Page 103: Natural polymer aplication

- 103 -

3.2.4.2 Aplikace mikrokapsulí

Výhodou mikrokapsulí je, že se mohou cíleně dávkovat a výrazně tak zvýšit účinnost

aktivní látky (léku) a snížit risiko vedlejších účinků na organismus. Díky působení léku

v místě nákazy se mohou také snížit jeho dávky, čímž se rovněž sníží zátěž pro okolní

zdravou tkáň (např. při léčbě rakoviny). Je možné vyrobit mikrokapsule s povrchem

upraveným tak, aby se mikrokapsule přichytila na specifickou tkáň. Mikroenkapsulovaná

léčiva se používají k terapii rozličných nemocí, např. rakoviny, diabetu, či AIDS.

Enkapsulují se např. analgetika, antibiotika, protilátky, kontrastní látky, enzymy, insulin,

sedativa, vakcíny a další.

Kromě cíleného dávkování mají želatinové (proteinové) mikrokapsule další výhody:

maskování, chuti, barvy či vůně léku

zlepšení skladovatelnosti a stability léku

ochrana léku před trávícími šťávami

lepší manipulace

3.2.5 Jiné formy aplikací

Čípky – želatina slouží k výrobě vaginálních čípků, čípků do konečníku a do močových

trubic. Pevnost čípku je ovlivněna tloušťkou stěn (zvolenou koncentrací želatinového

roztoku).

Emulse – aby bylo možné uchovat olej po dlouhou dobu, připravují se stabilní emulse voda,

želatina – olej.

Absorpční želatinové houby – úspěšně se používají k zastavování krvácení během operací,

jako prostředku k zastavení vnitřního krvácení po úrazech.

Absorpční želatinové filmy – jsou filmy připravené z roztoku želatiny a formaldehydu a

používají se v lékařských aplikacích. Příkladem je povrchové tvrzení vnějších obvazů na

ranách a zlomeninách.

Želatinové roztoky – ve veterinářské praxi slouží k uchovávání semene pro umělé

oplodňování dobytka.

Page 104: Natural polymer aplication

- 104 -

3.3 Potravinářský průmysl

Klíčová slova Key words aktivní složky active compounds

cukrovinky confectionary emulgátor emulsifier

mikroenkapsulace microencapsulation pěnotvornost foaming properties

pojivo binder potravinářský průmysl food industry

stabilisátor stabiliser zahušťovadlo thickening agent

želatina gelatin želatinace gelation

V potravinářském průmyslu nachází jedlá želatina stále větší uplatnění. Její používání je

dnes již tak rozmanité, že není možno vyjmenovat všechny druhy výrobků, kde se zužitkuje.

Jedlá želatina je vedle fotografických želatin jedním z nejkvalitnějších výrobků želatinářského

průmyslu. Při její výrobě je nutno úzkostlivě dodržovat čistotu a provádět důkladnou

kontrolu, aby nedošlo k hromadným onemocněním. Nesplnění zdravotních a hygienických

podmínek bývá hlavním důvodem, že se velké množství jedlých želatin přeřazuje do želatin

technických.

Potravinářská želatina se vyrábí hlavně ze zvířecích kůží a také z kostí. Výroba se

skládá z několika operací: extrakce, čištění, zahušťování, sušení, mletí, prosévání a balení. Má

bílou až světle žlutou barvu a dodává se granulovaná nebo v prášku.

Značná část želatiny se spotřebuje při výrobě zákusků, cukroví, ale také mléčných

výrobků, zmrzliny či v pekárenství. Dále se používá k čiření (piva, vína), jako stabilisátor

nebo ochranný koloid.

Potravinářské želatiny mají pevnost gelu 50 až 300 Bloom, vyjma speciálních aplikací

jsou bezbarvé, bez látek upravující vůni, bez konservačních látek a dalších chemických

additiv. Potravinářská želatina se v anglosaských zemích označuje symbolem GRAS

(Generally Recognised as Safe).

Funkční vlastnosti želatiny: schopnost vázat vodu

pěnící schopnost

emulgační vlastnosti

Page 105: Natural polymer aplication

- 105 -

pojivo

elasticita

schopnost tvorby filmu

želatinace, tvorba thermo-reversibilního gelu

dobré sensorické vlastnosti (dobře se rozpouští v ústech, má neutrální chuť a vůni)

dobrá stravitelnost

Průměrná charakteristika a složení potravinářských želatin:

Želatina typu A Želatina typu B pH 3,8 – 5,5 5,0 – 7,5 Isoelektrický bod 7,0 – 9,0 4,7 – 5,4 Pevnost gelu, Bloom (g) 50 – 300 50 – 300 Viskosita (mPas) 15 – 75 20 – 75 Vlhkost (%) 9 – 12 9 – 12 Dusík (%) ~ 16 ~ 16 Tuky 0 0 Cukry 0 0 Popel (%) 0,3 – 2,0 0,5 – 2,0 Energetická hodnota (kJ.100 g-1) (cal.100 g-1)

1.680 360

1.680 360

Na (ppm) 300 – 700 2.000 – 5.000 P (ppm) ~ 1 – Fe (ppm) 2 – 6 5 – 25 Pb (ppm) 0 – 0,002 0,03 – 0,07 Zn (ppm) 1 – 2 2 – 8 Ca (ppm) 60 – 120 800 – 100 K (ppm) 75 – 175 280 – 380

Page 106: Natural polymer aplication

- 106 -

3.3.1 Tradiční aplikace želatiny

Přehled oblastí potravinářského průmyslu, v nichž se používá želatina

s doporučeným hodnotami pevnosti gelu:

% podíl želatiny ve výrobku

Pevnost gelu, Bloom (g)

Mléčné výrobky 0,2 – 1,0 150 – 250 Zmrazené potraviny 0,1 – 0,5 225 – 250

Deserty, zákusky 7 – 9 175 – 275

Výroba cukrovinek

„gumové“ medvídky 7 – 9 200 – 275 „pěnové, našlehané“ bonbóny

(tzv. marshmallows) 1,7 – 2,5 225 – 275

kruhové arašídové bonbóny 2 – 2,5 225 – 250 karamelové bonbóny 0,5 – 1,0 50 – 100

oplatky 0,5 – 1,0 50 – 100 Polevy a plniva 1 – 2 225 – 250 Masné výrobky 1 – 5 175 – 275

Čiření nápojů (víno, pivo, šťávy) 0,002 – 0,015 100 – 200

Funkční vlastnosti želatiny a jejich potravinářské aplikace:

Funkční vlastnost Aplikace

Tvorba gelu deserty, zákusky, masové přesnídávky, cukrářské výrobky, paštiky, polévky v sáčku, rosoly

Tvorba pěny pěnové bonbóny, měkké cukrářské výrobky, nugáty, šlehané pěny a krémy, sněhové deserty

Ochranný koloid cukrářské výrobky, polevy, zmrzliny, zmrazené deserty Pojidlo masové rolky, nakládaná masa, cukrářské výrobky, sýry a mléčné

výrobky Čiřidlo pivo, víno, ovocné šťávy, ocet Tvorba filmu povlaky na ovoce, maso Zahušťovadlo práškové nápoje, bujony, omáčky, polévky, pudinky, rosoly, sirupy,

mléčné výrobky Emulgátor krémové polévky, omáčky, masové pasty, šlehané krémy, cukrářské

výrobky, mléčné výrobky Stabilisátor krémové sýry, čokoládové mléko, jogurty, polevy, krémové náplně,

zmrazené deserty Adhesivo připevnění oříšků k cukrářským výrobkům, ke spojování řezů, ke

spojení polev s pečeným zbožím

Page 107: Natural polymer aplication

- 107 -

Vlastnosti želatinových filmů s různými plastifikátory:

Složení želatinového

filmu

Propustnost pro vodní páry (g/m2.den)

[32 oC, 90% R.V.]

Rozpustnost při 82 oC

Teplotní snášenlivost

při –23 oC při 49 oC Bez plastifikátoru vysoká: 2077 rozpustný křehký flexibilní + 2% glycerolu vysoká: 1690 rozpustný křehký flexibilní + 30% glycerolu vysoká: 2062 rozpustný křehký flexibilní + 2% propylenglykolu vyšší: 1364 rozpustný křehký flexibilní + 10% propylenglykolu vyšší: 1178 rozpustný křehký flexibilní

3.3.1.1 Výroba desertů, zákusků a cukrovinek

V cukrářských aplikacích a při výrobě omáček se využívají gelo-tvorné vlastnosti želatiny.

V USA je více než 50 % jedlé želatiny používáno při výrobě zákusků. Nejdůležitějším

faktorem ovlivňujícím vytvoření želatinového desertu je pH, které by se mělo udržovat mezi

3,0–3,5 aby byla dosažena přijatelná kyselost.

Při výrobě různých zákusků se využívá pěno-tvorných a gelo-tvorných vlastností želatiny,

schopnosti vytvořit tuhou fázi, která se pomalu rozpouští v ústech. Želatina slouží také jako

stabilisátor a zahušťovadlo. Historie použití želatiny pro tyto účely sahá až do roku 1845, kdy

bylo v U.S.A. patentováno použití na výrobu zákusků. V současné době se jen na území

U.S.A. spotřebuje na tyto účely cca 50.000.000 kg želatiny za rok.

Oblíbeným produktem jsou želatinové medvídky, které se vyrábějí litím směsi želatiny,

cukru, glukosy, příchutí a barviv do rámů se škrobovou moučkou; po 3 až 5 dnech se vyklopí.

Cukrovinky s přídavkem želatiny se v ústech rozpouštějí mnohem pomaleji a prodlužují tak

sensorickou atraktivnost výrobku (déletrvající vůně, příjemný pocit) při jeho konsumaci.

Při výrobě pěnových bonbónů (marshmallows) želatina snižuje povrchové napětí sirupu,

v důsledku vyšší viskosity stabilizuje pěnu a zabraňuje krystalisaci cukrů. Želatina se dávkuje

obvykle do 7 % podle požadované textury výrobku.

Želatina také slouží k přípravě pěn – v tomto směru se vyrovná vaječné bílkovině. Při

přípravě želatinové pěny se sol ochladí na 10 oC, čímž se dosáhne konsistence vaječného

bílku, který se následně našlehá. Objem takto našlehané pěny je minimálně dvojnásobný

objemu původního solu. Pěnotvorné vlastnosti se využívají při výrobě měkkých cukrářských

Page 108: Natural polymer aplication

- 108 -

výrobků, které se připravují rozptýlením plynu uvnitř kapaliny a takto připravené pochoutky

mají příjemně nadýchanou strukturu.

Želatina se přidává také ke zmrazeným ovocným dortům.

3.3.1.2 Masné výrobky

Želatinový roztok, do nějž se přidá antioxidant, se s úspěchem používá jako antioxidační

povlak na polotovary z drůbežího masa. U takto ošetřených drůbežích plátků dochází

k nižší oxidaci tuků v pokožce a v mase (pokles peroxidového čísla o 60 až 90 %).

Vodný roztok želatiny se používá k ošetření uzenářských výrobků – např. párků, slaniny.

Při sušení dochází ke tvorbě transparentního filmu, který chrání výrobek proti vzniku plísní,

vykvétání solí, oxidaci a migraci tuků a také proti mechanickému poškození.

Při výrobě uzeného masa po jeho ošetření povlakem z polyethylenglykolu a želatiny

(poměr 4:1) byl u hotového výrobku po 7 denním skladování zaznamenán větší obsahu

vlhkosti (o 15 až 21 %) ve srovnání s referenčními vzorky, u nichž tento povlak nebyl

aplikován.

Přídavek želatiny při výrobě masných výrobků (párky, konservovaná šunka, uzená šunka

bez kosti, masové rosoly) zabrání ztrátám důležitých šťáv.

Roztoky želatiny s přídavkem glycerinu nebo propylen-glykolu zabraňují ztrátám vlhkosti

ze zmrazených kousků masa a vytékání šťávy z rozmrazených kousků masa.

Vodný roztok želatiny (o minimální koncentraci 35 %), do nějž se namočí kousky masa či

drůbeže, vytvoří ochranný film, který sníží absorpci oleje o 25 až 50 % při smažení.

3.3.1.3 Čiření nápojů

Želatina se používá jako čiřící činidlo pro nápoje obsahující tannin (tříslovina), např. piva,

vína a dalších. Princip čiření je založen na reakci želatiny s tříslovinou, při níž vznikají

koaguláty či sedimenty, které se následně odstraní, např. filtrací.

Čiření vyžaduje velmi malý přídavek želatiny (40 až 80 ppm). V praxi se postupuje tak, že

se 1 až 3 % roztok želatiny nalije do nádrže, koagulát se nechá se usadit, poté se provede

filtrace.

Page 109: Natural polymer aplication

- 109 -

3.3.1.4 Nutriční výrobky

Želatinou je možné obohatit polévky. Želatina se používá také k částečné či úplné náhradě

tuků a cukrů.

Jako doplněk životně důležitých proteinů v lidské potravě se využívají želatinové

hydrolysáty. Pomáhají obnovovat kloubní maz, působí preventivně při artrose a osteoporose.

Velmi vhodné jsou jako doplněk potravy u lisí s vysokým stupněm namáhání kloubů a kostí

(např. sportovci). Hydrolysou dohází u želatiny ke snížení molekulové hmotnosti, čímž se

zvýší stravitelnost a využití aminokyselin v želatině obsažených. Hydrolýsou vyrázně omezí

nebo zcela zničí schopnost želatiny tvořit gel – želatinové hydrolysáty jsou tak za studena

dobře rozpustné ve vodě, čehož se využívá pro přípravu různých nápojů.

Želatinový hydrolysát připravený enzymovým způsobem v kombinaci s kaseinovým

hydrolysátem se používá při výrobě nutričně bohatých nápojů, polévek a také prostředků na

redukční diety.

3.3.1.5 Mléčné výrobky

U některých mléčných výrobků (např. jogurty) se želatina využívá k úpravám (ke

zvýšení) viskosity a ke zlepšení soudržnosti fází. Používá se také úspěšně jako zahušťovadlo

nízkotučných výrobků. Obdobně je tomu při výrobě šlehaných krémů – přídavkem želatiny se

zvýší viskosita, zlepší se stabilita pěny a hladkost textury pěny. V ovocných jogurtech

želatina udržuje žádoucí texturu ovoce.

Roztoky želatiny se používají jako stabilisátory a ochranné koloidy zvyšující stálost a

rovnoměrnost výrobků z emulsí, např. zmrzliny. Přídavkem želatiny se u výrobku během

zmražení tvoří vzduchové bublinky, které zabraňují jeho smršťování. Zlepší se rovněž

míchací schopnost materiálu. Přídavek želatiny je cca 0,5 %. Podobně je tomu u pěnivých

nápojů.

Při výrobě tavených sýrů se používá k dosažení lepší hladkosti povrchu, žádoucí textury,

lesku a roztíratelnosti.

Page 110: Natural polymer aplication

- 110 -

3.3.1.6 Konservárenství

Želatinovací schopnosti se využívá při úpravě ovocných a živočišných rosolů, rybích

výrobků, aspiků, džemů a marmelád. Stejně je tomu při výrobě tlačenek, játrových konserv a

jiných uzenářských výrobků.

3.3.1.7 Další aplikace

V domácnostech se želatina používá především pro přípravu sladkých želé-desertů, sulců,

tlačenek, krémů a dalších specialit.

Potravinářská želatina se používá také v kosmetickém průmyslu k výrobě kosmetických

přípravků k péči o pleť, ruce a nohy. Kůže na rukou se nejvíce poškozuje při práci. Alkalické

roztoky mýdel a tensidů (např. při praní a mytí nádobí) odstraňují ochrannou kyselou bariéru,

kterou je pokožka chráněna, a tak ji silně odmašťují. Kůže pak zhrubne, ztvrdne a často

rozpraská. Do trhlin vnikají nečistoty a škodliviny. V těchto případech je vhodné ruce ošetřit

kosmetickým mlékem nebo krémem na ruce, které pomohou obnovit kyselý ochranný povlak

a dodají kůži potřebné tukové látky. Složení přípravku k péči o ruce obsahují také želatinu

potravinářské čistoty. Příkladné složení takového přípravku a postup jeho přípravy je

následující: V 90 g horké vody se rozpustí 3 až 4 g potravinářské želatiny a k teplému roztoku

se přidá 10 g glycerolu, 0,5 g kyseliny borité a 2 g včelího medu rozpuštěného v 10 g vody.

Ještě za tepla se plní do kelímků. Tento přípravek je vhodný pro denní péči o ruce.

Želatina se také používá ke zvýšení stability emulsí voda-olej.

Při výrobě žvýkaček se želatina používá k udržování vůně.

3.3.2 Mikroenkapsulace

Želatina se v důsledku filmotvorných vlastností používá jako nosič (obalový materiál)

k uchovávání aktivních potravních složek (barvy, vůně, oleje, vitaminy, koření,

antioxidanty, minerální látky, ochucovadla). Mikrokapsule se připravují např. sprejovým

sušením. Velikost mikrokapsulí se pohybuje nejčastěji v rozmezí 5–500 μm. Hlavním

účelem mikroenkapsulace je zamaskovat nepříjemnou chuť, barvu nebo zápach a obecně

zlepšit sensorické vlastnosti výrobku, jeho kvalitu a trvanlivost. Velký význam spočívá také

Page 111: Natural polymer aplication

- 111 -

v tom, že mikroenkapsulované přísady jsou odolnější proti zvýšeným teplotám, kterým jsou

vystaveny během tepelné úpravy. Aktivní substance tak neztrácejí svou barvu ani chuť.

Spouštěcím mechanismem při uvolňování aktivní substance z mikrokapsule je především

působení rozpouštědla. Typickým příkladem je přídavek vody do sušených nápojů nebo do

sypkých směsí na přípravu těsta (koláčů, dortů, smažených výrobků atd.). Mikroenkapsulace

se uplatňuje při výrobě instantních polévek, omáček, hotových jídel, pekařských výrobků,

těstovin, cukrovinek, sušenek, žvýkaček, mléčných a masných výrobků.

Příklady mikroenkapsulace v potravinářství:

1. Pekařství a) kyselina askorbová (vitamin C) – enkapsulovaná forma je chráněna před vodou a

kyslíkem, které jsou v chlebu obsaženy a mohly by způsobit degradaci kyseliny

b) skořice – používá se běžně jako přísada do některých pekařských výrobků a její

jednorázový přídavek může způsobit problémy při kynutí těsta; pozvolným uvolňováním se

ale tomuto problému dá předejít

c) umělé sladidlo (aspartam) – enkapsulací se stane odolné proti vysokým teplotám a při

pečení nedochází k jeho degradaci

d) hydrogenuhličitan sodný (kypřící prostředek) – díky enkapsulaci je omezena možnost

jeho reakce s vodou nebo s kyselinami

e) chlorid sodný – enkapsulovaná forma redukuje shlukování, spékání, degradaci barvy,

žluknutí a pomáhá kontrolovat absorpci vody a kynutí těsta

2. Citrusové oleje, vonné látky a koření Enkapsulované formy mentholu, peppermintu a spearmintu jsou odolné vůči degradaci,

k níž dochází vlivem vysoké teploty, např. při mikrovlnném ohřevu. Mikroenkapsulovaná

forma essenciálního oleje černého pepře vydrží o 6 měsíců déle než původní koření a na

rozdíl od něj odolává náročným podmínkám, jímž je vystavena během zpracování potraviny;

výrobek s enkapsulovaným černým pepřem obsahuje také méně bakterií a jeho chuť a kvalita

je lepší.

3. Vitamíny a minerální látky

Účelem mikroenkapsulace je hlavně zvýšit stabilitu těchto látek, které se přidávají do

cereálních výrobků (corn flakes aj.), cukrářských výrobků, kojenecké výživy a dalších.

Page 112: Natural polymer aplication

- 112 -

4. Cukry a umělá sladidla

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

Page 113: Natural polymer aplication

- 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)

Page 114: Natural polymer aplication

- 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.

Page 115: Natural polymer aplication

- 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

fotografickými vlastnostmi (citlivost, neutrálnost, minimální zákal).

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.

Page 116: Natural polymer aplication

- 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

Page 117: Natural polymer aplication

- 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

Page 118: Natural polymer aplication

- 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.

Page 119: Natural polymer aplication

- 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

účinky na zesílení vlasů.

Page 120: Natural polymer aplication

- 120 -

3.6 Technické aplikace

Klíčová slova Key words adhesiva adhesives

brusné papíry abrasive papers dekorační předměty decoration items

ochranné koloidy protective colloids povlaky, nátěry coatings

želatina gelatin

Technická želatina se od fotografické, potravinářské a farmaceutické želatiny liší tím, že

na ni nejsou stanoveny tak přísná kritéria kvality. Technická želatina vzniká vlastně jako

vedlejší výrobek při výrobě jedlé, fotografické a farmaceutické želatiny. Výrobky, které

nevyhovují potřebám potravinářského, fotografického nebo farmaceutického průmyslu, se

zařazují mezi technické želatiny.

Technické želatiny se obvykle vyrábějí ve třech druzích s označením: T I, T II, T III..

Používá se jak želatina typu A, tak typu B. V mnoha aspektech je podobná jedlé želatině.

Technická želatina má barvu žlutou až světle hnědou. Vyrábí se ve formě zrn, perliček nebo

šupinek (viz např. ČSN 66 8526). Nejčastěji je dodávána v zrnité konsistenci s nepravidelnou

velikostí zrn: drcená (průměr zrn cca 1,5–2,5 mm) a nedrcená (průměr zrn cca 3,5–4,5 mm).

Některé charakteristiky technické želatiny:

Pevnost gelu A, Bloom (g) 170 – 280 Vlhkost (%) max. 16 Viskosita A (mPas) 45 – 130

A 12,5% roztok

Page 121: Natural polymer aplication

- 121 -

Uplatnění technické želatiny v praxi je velmi rozmanité a příklady některých

aplikací jsou uvedeny níže:

Povlaky a nátěry – želatina se používá k ošetření osnovy při výrobě acetátových a

hedvábných tkanin. Želatina dodává osnově pevnost a odolnost proti obrušování. K těmto

aplikacím se želatina výborně hodí vzhledem ke své výborné rozpustnosti a pevnosti filmu.

V praxi se připraví vodný roztok želatiny spolu s dalšími přísadami (oleje, plastifikátory,

přípravky proti pěnění), který se aplikuje před tkaním a po tkaní se odstraní horkou vodou.

Výroba papíru – při výrobě papíru se želatina používá k nanesení finišového povlaku na

papír. Želatina vyplní drobné rýhy, nerovnosti, čímž se dosáhne kvalitního povrchu papíru a

zlepší se reprodukce při tisku. Zvýší se rovněž pevnost papíru a jeho odolnost proti vlhkosti.

Příklady použití: postery, hrací karty, tapety, kvalitní časopisy apod.

Tiskařství – některé tiskařské techniky využívají účinku světla na želatinový film, u něhož

byla zvýšena citlivost na světlo jeho opracováním roztokrm dvojchromanu amonného nebo

draselného.

Flokulace, čiření – technická želatina se používá k odstraňování velmi malých částeček,

které nelze separovat usazením nebo filtrací. Želatina se absorbuje na povrch částeček za

vzniku koagulátů, které je možné separovat usazením nebo filtrací. Koloidních vlastností

roztoků želatin se využívá v analytické chemii jako ochranného koloidu a činidla.

Výroba zápalek – želatina slouží jako pojivo pro chemikálie, z jejichž směsi se připravují

hlavičky zápalek. Významná je také povrchová aktivita (smáčecí schopnost) želatiny, neboť

pŕovitost hlavičky zápalky je velmi důležitá při zážehu.

Brusné papíry – želatina slouží ke spojení abrasivních částeček s podkladovým materiálem

(papír). Při výrobě brusných papírů se postupuje tak, že se papír nejdříve opatří povlakem

z koncentrovaného roztoku želatiny a poté se rozpráší abrasivum (písek) o definované

velikosti částic. Nakonec následuje sušení a síťování. Podobně se připravují brusné kotouče a

pásy.

Lepidla – i když se za poslední roky podíl želatinových adhesiv snížil ve prospěch

syntheticky založených adhesiv, v některých aplikacích se želatina používá vzhledem ke své

biodegradabilitě. Příkladem je vázání telefonních seznamů, nebo výroba obalů na knihy.

Page 122: Natural polymer aplication

- 122 -

Želatinové lepidlo ve formě 2 %-ního až 3 %-ního vodného roztoku dobře lepí celofán a sklo.

Spoje jsou čiré (transparentní).

Světelné filtry – z želatiny je možné připravit různobarevné filtry, které se používají při

osvětlování scén v divadlech či fotoateliérech.

Dekorační výrobky – výroba umělých květin, ovoce, ozdobných předmětů, umělé bižuterie

a různých fólií.

Antikorosní nátěry – ochranné nátěry, např. pro dopravu strojů. Aplikace v metalurgii jako

inhibitory korose – jako přídavek do lázní při elektrolytickém galvanickém nanášení

některých kovů. Dále při přípravě čistících prostředků na kovy.

Koželužský a textilní průmysl – dohotovování některých výrobků, k přípravě apretur a

šlicht, k lepení usní (např. řemenů) apod.

Povrchová vrstva typografických válců (měkčená glycerinem) – pro nanášení barvy

na písmena tiskařských strojů.

Ochranný povlak umělých střev vyrobených z papíru, přičemž fixace se provádí

formalínem.

Metalurgie – želatina se přidává do elektrolytů, aby se vyčistil zinek a kadmium, což

umožní výrobu vysoce vyčistěných kovů.

Plastifikátor při výrobě plastů

Page 123: Natural polymer aplication

- 123 -

4. PRŮMYSLOVÉ APLIKACE KLIHŮ

Klíčová slova Key words dřevařský průmysl wood industry chemický průmysl chemical industry

klih glue papírenský průmysl paper-making industry

stavebnictví building industry textilní průmysl textile industry

Celosvětová produkce klihů je cca 200.000 tun/rok.

4.1 Rozdělení klihů

První zmínky o obchodní výrobě živočišných klihů a želatin pocházejí z Holandska a

Anglie (1690-1700).

Podle použitých surovin se rozeznávají klihy:

a) kožní

b) kostní

c) usňový

d) rybí

e) smíšený

U nás se vyrábí hlavně klih kožní a kostní. Kožní klih se vyrábí v několika druzích (viz

např. ČSN 66 8521) ve tvaru perliček, drolků, šupinek a mletý.

Barva suchého kožního klihu je žlutá až tmavě hnědá, zápach je charakteristický. Kostní

klih se vyrábí jen v jedné jakosti a dodává se v těchto formách:

A – drolky

B – perličky

C – prášek = mletý klih

D – tabulky

Page 124: Natural polymer aplication

- 124 -

kožní klih kostní klih

4.2 Použití klihů

1. Dřevařský průmysl

Jedním z největších spotřebitelů klihů je průmysl pro zpracování dřeva, kde se ho používá

k lepení při výrobě nábytku.

Kvalitních, středně viskózních klihů se používá při výrobě rámů na obrazy a lišt pro tapety.

Základní křídový nátěr, kterým se opatřuje dřevěná část, se připravuje se zinkové běloby

(kysličník zinečnatý) a litoponu (směs síranu barnatého a sirníku zinečnatého) s přidáním

potřebného množství klihu. Po zaschnutí se dobře přiléhající vrstva natírá, bronzuje a zlatí.

2. Textilní průmysl

Velké množství klihu spotřebuje textilní průmysl. Z klihu se připravují apretury a šlichty

pro tkaní a dohotovování výrobků. Nejčastěji se zde používá kožních klihů, klihů chrómových

a kvalitních klihů kostních. Klih se zde uplatňuje nejen pro svou lepicí schopnost, ale působí

také jako ochranný koloid. Klihu se používá také při výrobě krejčovské vaty, k vyztužování

textilu pro čalounické účely apod.

3. Sirkárenský průmysl

Značné množství vysokoviskózních klihů se zpracovává v sirkárenském průmyslu při

výrobě zápalek. Dřívka upevněná v sirkárenském stroji se ponořují do hmoty, která po

ztuhnutí utvoří hlavičku. U kožního klihu jsou k tomuto účelu dovolena konzervovadla, která

Page 125: Natural polymer aplication

- 125 -

nemají vliv na jeho vlastnosti, jako pH, viskozitu a bod tání (např. ČSN 66 8520). Kostní klih

není pro svůj kyselý charakter vhodný, protože rozkládá zápalnou hmotu.

4. Papírenský průmysl

Papírenský průmysl je dalším velkým spotřebitelem klihů. Používá se jich ke klížení

papíru jako náhrady za pryskyřice. Přídavek roztoku živočišného klihu do papíroviny před

papírenským strojem způsobuje koagulaci kaolínové suspense a zvyšuje tak retenci kaolínu.

Přídavek klihu způsobuje i zvýšení plošné váhy papíru a napomáhá jeho zhutnění. Při výrobě

fotografických papírů se nejdříve nanáší vrstva síranu barnatého smíchaná s klihem

(barytování, půdování) a na tuto vrstvu se nanáší vrstva citlivá na světlo. Tím se zabrání

pronikání emulse dovnitř papíru. Používá se k tomu kožních klihů, které jsou neutrální,

vyžaduje se vysoká viskosita, světlost a naprostá čirost klihu.

5. Brusná plátna

Vysokoviskózní klihy požadují výrobci brusných smirkových pláten, papírů, kotoučů atd..

Mletý smirek nebo sklo se upevňuje na podkladu v tenké vrstvě klihu. Vyrábějí se siliko-

papíry pro strojní broušení kůží, nábytku a tmelů, pazourkový papír pro ruční broušení dřeva,

rubínový a korundový papír pro strojní broušení dřeva, vodovzdorný papír pro ruční broušení

tmelů a laků (auta), korundový kepr pro ruční a strojní broušení kovů atd.

6. Chemický průmysl, adhesiva

Velké množství klihů spotřebuje chemický průmysl při výrobě různých lepicích směsí.

Klihy slouží také jako přísada při výrobě barev, jako pojidlo při výrobě umělých hmot, při

výrobě isolačních desek pro stavební účely, pro výrobu klihových přísad do gumárenských

směsí atd.

Na výrobu lepicích pásek se používá klihu místo arabské gumy a rostlinných lepidel. Ve

velké míře se ho používá hlavně při výrobě lepicích obalových pásek. V evropských zemích

se pro tento účel spotřebuje cca 20 % celkové spotřeby klihu. Zpravidla se při přípravě lepivé

složky používá směsi kožního a kostního klihu ve vhodném poměru. Kožní klih podporuje

pevnost lepení a kostní klih urychluje adhesi. K lepivé směsi se přidávají látky pro zvýšení

lepivosti, úpravu pH, zvýšení elastičnosti a odstranění charakteristického zápachu klihů.

Pro lepení mastných a voskovaných papírů se používá klihových lepidel s přídavkem

rozpouštědla, např. benzenu, toluenu nebo xylenu.

Page 126: Natural polymer aplication

- 126 -

Kostních klihů se často používá jako přísady do barev pro malíře pokojů. K tomu se hodí

tekuté klihy, které se nemusí stále ohřívat.

Směsi klihu, parafinu a ceresínu slouží jako tzv. lubrikační lázně pro povrchovou úpravu

skleněných vláken před tkaním.

7. Stavebnictví

Stavebnictví vyžaduje vodovzdorná lepidla. Spojují se okna, dveře, nosníky a jiná zařízení

vystavená klimatickým vlivům. Čím je dřevo hutnější (ořech, dub), tím jsou lepené spoje

pevnější. Optimální vlhkost dřeva při lepení je 8 až 12 %. Nejlépe se lepí dřeva s dokonale

hladkým povrchem. Lisovací tlak je 0,3 až 2,5 MPa (3 až 25 kp/cm2). K lepení dřeva se hodí

klih kožní i kostní.

Page 127: Natural polymer aplication

- 127 -

5. ZPŮSOBY VYUŽITÍ KERATINU

Klíčová slova Key words čalounictví upholstery

kartáče brushes keratin keratin

keratinové filmy keratin films keratinové hydrolysáty keratin hydrolysates

peří feathers plsti felt vlna fleece

zvířecí srst animal hair

Keratiny se od ostatních proteinů (kolagen, hedvábí atd.) odlišují tím, že mají vysoký

obsah cysteinu. Molekulová hmotnost keratinu se pohybuje od 10.000 do 70.000 kDa (záleží

na zdroji). Keratiny se vyskytují především jako odpady masného, popř. koželužského

průmyslu. Tyto odpady se třídí a dodávají se k dalšímu zpracování. Jedná se např. o peří,

štětiny a srst, koňské žíně a hřívy, rohy, kopyta, vlnu atd.

Ve vlně tvoří keratiny hlavní složku – 30 až 60 % – hmotnosti vlákna.

5.1 Molekulární charakteristika keratinů

Keratin patří mezi fibrilární (vláknité) proteiny se silně protáhlými molekulami, jejichž

sekundární struktura má dominantní charakter. Keratin je biologický útvar složený z řady

vzájemně se lišících bílkovin. Společným znakem těchto bílkovin je nerozpustnost ve vodě,

odolnost proti působení proteolytických enzymů a přítomnost příčných vazeb disulfidického

typu. K typickým aminokyselinám patří cystin, cystein a methionin. Tyto aminokyseliny

obsahují ve své molekule síru. Obsah síry se pohybuje od 2 do 5 % (na sušinu). Dalším

typickým znakem aminokyselinového složení keratinů jsou poměrně vysoký obsah argininu

(6–11 %), nízký obsah histidinu (0,6–1,5 %), střední množství lysinu a přítomnost tryptofanu.

Keratiny obsahují poměrně velké množství hydroxyaminokyselin – serinu a threoninu a

kyselin asparagové a glutamové. Polovina karboxylových skupin je ve formě amidů.

Vzhledem k tomu, že jsou keratiny složeny z mnoha aminokyselin, jsou schopné reagovat

s mnoha chemickými látkami. AMK složení se stanovuje po úplné hydrolýse keratinu v 6 N

HCl při 120 oC po dobu 6 hod.

Page 128: Natural polymer aplication

- 128 -

Keratin se vyskytuje u všech vyšších obratlovců. α-formy keratinu se vyskytují u savců,

β-formy keratinu u plazů a ptáků. α-keratin je bohatý na cysteinové zbytky, které spojují

příčnými vazbami sousední polypeptidové řetězce. Tím jsou vysvětleny jeho dvě

nejdůležitější biologické vlastnosti, nerozpustnost a pevnost v ohybu. α-keratiny jsou buď

tvrdé nebo měkké, podle toho, zda mají vysoký nebo nízký obsah síry. Tvrdé keratiny vlasů,

rohoviny a nehtů jsou méně pružné než měkké keratiny kůže a mozolů, protože disulfidové

vazby odolávají deformačním silám.

5.2 Keratinové filmy

Keratinové filmy se připravují oxidací redukovaných forem keratinu.

5.2.1 Příprava redukovaného keratinu

Redukovaný keratin je výhodné připravit 2-stupňovým rozkladem za použití

proteolytického enzymu:

a) v 1. stupni je keratinový materiál předzpracován za vhodných podmínek (redukční činidlo,

teplota, doba)

b) ve 2. stupni přídavkem proteolytického enzymu nastává rozklad

Blokové schéma zpracování keratinového odpadu na keratinový hydrolysát je znázorněno na

obrázku. Mezi prvním a druhým stupněm zpracování je možné alternativně zařadit filtraci, při

níž se separuje roztok redukčního činidla a po následném proplachu předzpracovaného

keratinového materiálu vodou se ve druhém stupni pracuje pouze ve slabě alkalickém vodném

prostředí za použití enzymu. Tato metoda má výhodu v tom, že roztok redukčního činidla je

možné použít opakovaně a že není nutné redukční činidlo z keratinového hydrolysátu

odstraňovat (např. dialýsou). Nevýhoda spočívá v nižší výtěžnosti keratinového hydrolysátu.

Page 129: Natural polymer aplication

- 129 -

Blokové schéma zpracování keratinového odpadu na keratinový hydrolysát.

5.2.2 Příprava keratinových filmů

Vodné roztoky redukovaných keratinů o koncentraci 2,1 % (w/w) se smíchají s glycerinem

(50 %, w/w proteinu). Tento roztok se vylije na hladkou plochu – např. na PP desku a nechá

se vysušit v exsikátoru nad vysušeným silikagelem za pokojové teploty. Vysušené filmy se

poté zahřejí na 15 minut při 80 oC a sloupnou se z desky. K usnadnění separace filmu od

podložky se podložka s vytvořeným filmem ponoří do vody. V případě potřeby se filmy ještě

propláchnou vodou a nechají se vysušit při pokojové teplotě.

Proces přípravy keratinového filmu z vodného roztoku redukovaného keratinu:

Keratinový odpad Desintegrace, praní

1. stupeň zpracování = otevření struktury (redukční činidlo)

2. stupeň zpracování = rozklad (proteolytický enzym)

Odtučnění, sušení

Filtrace Keratinový hydrolysát Nerozložený podíl

Filtrace

Page 130: Natural polymer aplication

- 130 -

Kousky keratinového

filmu sloupnuté z desky:

Podle patentových technologií je možné filmy připravovat i extrusí (thermoplastifikací)

keratinu, respektive směsi keratinu a pšeničného glutenu obsahující další additiva

(plastifikátory).

5.2.3 Vlastnosti keratinových filmů

Filmy se vyznačují hladkým povrchem a hustě zesíťovanou strukturou, jsou transparentní.

Bobtnají ve vodě a mohou zvětšit svoji délku až o 50 %. Ve vroucí vodě se smrštují.

Zahříváním ve vodném roztoku 2-merkaptoethanolu se filmy rozpadají na menší fragmenty

nebo se rozpouštějí především kvůli štěpení disulfidických vazeb.

Při zahřívání filmů za vysokých teplot dochází k tání přibližně kolem 250 oC. Při DSC

analýse se tento jev projeví výrazným endotermním píkem, který je způsoben táním či

rozkladem β-struktury keratinových filmů. Při vyšších teplotách pak nastává rozklad.

Keratinové filmy vykazují menší propustnost pro vodní páry a plyny než kolagenové filmy

zesíťované glutaraldehydem. Se zvyšující se molekulovou hmotností permeujících látek

propustnost klesá. Keratinové filmy jsou biologicky rozložitelné. Při hydrolýse filmů

trypsinem (z hovězího pankreasu) při 37 oC a pH 7,6 se za 20 týdnů rozložilo 55 % filmu.

Fysikální vlastnosti keratinových filmů:

Vlastnost Film tloušťka 40 μm, RV=65%

Film tloušťka 33 μm, RV=85%

Pevnost v tahu (MPa) 11 5 Protažení při přetržení (%) 32 42 Youngův moful (MPa) 250 88 Obsah vody (%) 9 12 Bobtnání v délce (%) 140 140

Page 131: Natural polymer aplication

- 131 -

5.2.4 Aplikace keratinových filmů a hydrolysátů

Vodné roztoky redukovaného keratinu se používají pro přípravu obalových materiálů pro

mikrokapsule. Enkapsulují se zejména barviva, ochucovadla, vůně, léčiva, oleje, tuky.

Enakpsulovaná substance si zachovává svoji aktivitu po delší dobu a je možné regulovat její

uvolňování na specifickém místě.

V praxi se mikrokapsule připravují nejčastěji ultrazvukovou vibrací. Proces

mikroenkapsulace zahrnuje emulsifikaci a chemické síťování proteinových molekul.

Předpokládá se, že se na síťování podílejí zejména disulfidické vazby mezi cysteinovými

zbytky proteinu. Postupuje se takto: Připraví se směs vodného roztoku redukovaného keratinu

(1,8 %), organického rozpouštědla (50 %) a enkapsulované látky. Jako rozpouštědlo se

osvědčil toluen, xylen či isopropylfenol. Do směsi se ponoří ultrazvuková sonda a 3 min při

22 oC probíhá sonifikace. Vzniklá suspense se odstředí (1000 ot.min-1, 15 min). Separuje se

horní vrstva obsahující mikrokapsule a několikrát se propere vodou (vodou a odstředí se) až je

vodná fáze téměř čistá. Účinnost enkapsulace je více než 95 %, velikost mikrokapsulí je 6–10

μm a tloušťka stěny 0,05–1 μm. Keratinové mikrokapsule ztrácejí svůj tvar při zahřívání ve

zředěných vodných roztocích 2-merkaptoethanolu (štěpení –S–S– vazeb).

Keratinové hydrolysáty jsou vhodné jako povlaky a obaly na maso, drůbež a ryby.

Hydrolysáty keratinu se dále používají při výrobě kosmetických přípravků.

5.3 Využití zvířecí srsti

Ke zpracování se používají tyto druhy zvířecí srsti: hovězí srst, telecí srst, ovčí vlna, kozí

srst, zaječí a králičí srst, vepřové štětiny, srst ze spárkaté zvěře.

Kozí srst tvoří velkou část koželužských odpadních chlupů a používá na výrobu

technických plstí.

Zaječí srst je jednou z nejcennějších surovin pro výrobu vysoce kvalitních plstí. Tloušťka

a délka srsti závisí na podmínkách, v nichž zvířata žijí. Používá se v kloboučnictví. Srst

divokých zajíců je kvalitnější než srst domácích králíků. Srst získaná z odřezků se používá při

výrobě plsti, v čalounictví.

Page 132: Natural polymer aplication

- 132 -

Srst ze spárkaté zvěře – jelení, srnčí, daňčí a mufloní – odpadá při jirchářském

zpracování. Její výskyt není veliký. Této srsti se používá hlavně v čalounictví.

Ovčí vlna je považována za jednu z nejcennějších koželužských srstí. Tato srst je hrubá,

nestejnorodá, obsahuje mnoho dlouhých a hrubých chlupů i krátkou a jemnou podsadu. Ovčí

vlnu lze výborně spřádat, plstit a valchovat. Stupeň těchto vlastností závisí především na

kvalitě srsti. Čím je srst jemnější a čím více drobných zvlnění má vlas na jednotku délky, tím

je lepší pro zpracování. Z tohoto hlediska je nejlepší vlna z ovcí druhu merino a kříženců,

která má stejnou délku a je jemná. Ovčí srst slouží na výrobu nejjakostnějších plstěných

výrobků a lepší druhy na výrobu česané vlněné příze. Ovčí vlna je nejvýznamnější textilní

vlákno živočišného původu. K oděvním účelům se využívá již několik tisíc let. Vlna na

ovcích tvoří souvislou vrstvu, která se nazývá rouno. Stříháním živých ovcí se získává tzv.

střižní vlna. Rouno nemá všude stejnou kvalitu. Nejkvalitnější vlna je na lopatkách a bocích

ovce, střední jakost má vlna z hřbetu, nejméně hodnotná je vlna na nohou, ocasu a hlavě na

těch míctech, kde roste hrubá krycí srst.

Nutriční hodnotu peří lze využít jako zdroj krmiva pro dobytek. Pokrok v enzymové

technologii nabízí významný prostor pro využití takto biologicky přeměněného peří.

Keratinový odpad znečišťujícího životní prostředí se může použít k přípravě na bílkoviny

bohaté přísady do krmiv pro dobytek.

Vepřové štětiny se získávají pařením vepřových kůží a odštětinováním na strojích nebo

při loužení kůží. Z jednoho vepře je až 180 g štětin. V bubnové pračce se zbaví nečistot,

odstředí se a suší při teplotě 60–70 C. Používají se v kartáčnické výrobě.

Koňské hřívy a žíně se sestřihují těsně u kůže a třídí se podle délky. Používají se jako

výplňový materiál v kartáčnictví. Na jatkách se těží srst a chlupy z ušních boltců krav, které

se používají na výrobu malířských štětců.

Mezi nejčastěji získávanou rohovinu patří hovězí rohy. Ty se paří v duplikátorové vaně při

80 C po dobu 15 minut. Pomocí kleští se oddělí vnitřek dužiny neboli rohové lůžko od

samotné rohoviny, tzv. rohového toulce. Tento proces se nazývá vytloukání. Paznehty (nožiny

zbavené šlach) se paří a rohovina se také vytluče. Získává se také tuk, tzv. paznehtový olej.

Vytlučená rohovina z koňských kopyt se pro další zpracování suší na 24 % obsah vlhkosti.

Rohovina se používá k výrobě uměleckých a řezbářských výrobků podobně jako slonovina.

Odpad z rohoviny se v asanačních podnicích zpracovává hydrolýsou za zvýšené teploty na

krmný hydrolysát. Rozemletím rohoviny se vyrábí moučka a používá se jako hnojivo.

Page 133: Natural polymer aplication

- 133 -

6. ZPŮSOBY VYUŽITÍ KASEINU A SYROVÁTKY

Klíčová slova Key words kasein casein

kaseinové filmy casein films kaseinové fólie casein foils

syrovátka whey syrovátkový protein whey protein

Celkový obsah bílkovin v mléce je cca 33 až 35 g.l-1. Množství se mění v závislosti na

stupni laktace a ročním období. Mléko obsahuje dvě hlavní bílkoviny, kasein (cca 80 %) a

syrovátku (cca 20 %).

Sušené proteinové mléčné koncentráty či isoláty mají výbornou nutriční hodnotu, a

proto jsou vyhledávaným potravním doplňkem. Mají také výborné fysikálně-chemické a

funkční vlastnosti (váží a emulgují tuk, váží a pohlcují vodu, a proto se také využívají

k regulaci texturních a rheologických vlastností potravinářských výrobků, dále přispívají

k lepší stabilitě výrobku a lepším sensorickým vlastnostem.

kasein syrovátka

6.1 Kasein

Kasein je po chemické stránce fosfoprotein (obsahujíce cca 0,85 % P), který se sráží při

pH 4,6 (při teplotě 30 oC) a po strukturální stránce je to globulární bílkovina tvořená

otevřenými náhodně svinutými klubky. V isolelektrickém bodě je tedy nerozpustný.

Molekulová hmotnost koloidních asociálů (micel) kaseinu je cca 100.000 kDa. Na stabilisaci

micelové struktury se podílejí nevazbné interakce – H-můstky, hydrofobní interakce a

elektrostatické interakce. Kasein je bohatý na essenciální aminokyselinu lysin, která

v rostlinných proteinech chybí. Kasein není homogenní protein. Vyskytuje se v mléce ve

Page 134: Natural polymer aplication

- 134 -

formě micel ve čtyřech typech (α1, α2, β a К) spolu s koloidním fosfátem Ca. Jejich

molekulová hmotnost se pohybuje od 19 do 25 kDa.

Kasein se získává: a) kyselým způsobem – okyselením mléka na pH 4,6 při 30 oC (tzv. kyselý kasein)

b) syřidlem (enzymový přípravek ze žaludků telat) (tzv. sladký kasein)

Vysrážený kasein se oddělí od zbylé syrovátky odstředěním.

Kasein nemá sekundární a terciární strukturu, protože vysoký obsah prolinu, který

způsobuje rozpad α-spirály i β-skládaných listů. Zůstává otevřená, flexibilní a mobilní

konformace – statistické klubko.

Zpracováním kysele vysráženého kaseinu v alkalických roztocích vznikají tzv. kaseináty.

V praxi se postupuje tak, že se kasein disperguje ve vodě a přídavkem alkálie se upraví pH na

6,5 až 7,0. Nejrozšířenější je kaseinát sodný. Další kaseináty jsou: K, Ca, Mg či NH4.

Z roztoku se dají připravit filmy litím nebo stříkáním. Filmy jsou transparentní a ohebné.

6.1.1 Aplikace kaseinu v potravinářském průmyslu

Mléčné proteiny (kasein, syrovátka a kaseináty) velmi dobře emulgují tuky, čehož se využívá

v mnoha aplikacích potravinářského průmyslu:

Pekárenství

Mléčný protein Použití Vlastnosti

Kasein cereálie, chléb, sušenky ● nutriční doplněk Kasein se zvýšeným obsahem AMK lysinu

cereálie

● nutriční doplněk

Sladký kasein sušenky, keksy, jemné pečivo ● regulace textury ● zlepšení vzhledu

Kyselý kasien náhrada odtučněného sušeného mléka

● zlepšení struktury výrobku (např. koblihy)

Kaseinát Na zmražené pečené koláče, náplně do buchet a koláčů

● stabilisátor ● enkapsulace tuků ● nutriční doplněk

Page 135: Natural polymer aplication

- 135 -

Mléčné výrobky Mezi významné funkční vlastnosti kaseinu v těchto aplikacích patří především schopnost

vázat vodu, emulgovat tuk a zlepšovat texturu.

Mléčný protein Použití Vlastnosti

Kaseinát Na

smetana do kávy

● emulgátor tuku ● bělidko ● dodání žádoucího tvaru ● redukuje koagulaci smetany v horkém roztoku kávy ● prodloužení doby trvanlivosti

Kaseinát Na (ovocné) jogurty ● regulace konsistence ● stabilisátor

Kaseináty náhrada mléka ● nahrazuje mléko tam, kde je třeba vyloučit laktosu (osoby na ni alergické)

Sladký kasien tavené sýry náhražky mozarelly

● emulgátor tuku ● dodání žádoucí textury

Nápoje Při výrobě nápojů se využívají se funkční vlastnosti kaseinu – schopnost tvorby pěny,

emulgace tuku a stabilisátor.

Mléčný protein Použití Vlastnosti

Kaseinát Na smetanové likéry (ethanol+cukr+smetana)

● emulgátor tuku ● stabilisátort ● tvorba pěny

Kaseinát Na jablečné šťávy ● odbarvovací prostředek Kasein

víno, pivo

● čiření ● odbarvovací prostředek ● omezení svíravosti

Kaseinát Na

bílé víno

● čiření (odstranění tříslovin a fenolických sloučenin) ● odbarvovací prostředek

Dietní a lékařské aplikace Kasein/kaseináty se významně užívají k výrobě dietních přípravků pro nemocné, pro lidi

v rekonvalescenci, pro podvyživené děti či pro osoby na redukčních dietách.

Kaseiny se přidávají do zvláštních výživ pro sportovce a pro astronauty, také pro pacienty

s rakovinou či chudokrevností.

Hydrolysáty mléčných proteinů se využívají jako nitrožilní výživa pro pacienty trpící

poruchou metabolismu bílkovin, střevními poruchami či pro osoby po operačních zákrocích.

Page 136: Natural polymer aplication

- 136 -

Kaseinové hydrolysáty se používají ve specielních výživách pro nedonošené děti a pro děti

trpící různými střevními poruchami.

Cukrářství Kaseiny se používají např. při výrobě karamelů – při zahřívání tvoří pevné a pružné struktury

a přispívají k vyšší vaznosti vody a usnadňují emulgaci.

Mléčný protein Použití Vlastnosti

Kaseinát Na

čokolády cukroviny

● nutriční doplněk ● zvýšená stabilita při skladování ● zlepšení textury ● lepší sensorické vlastnosti (vůně, pocit v ústech)

Hydrolysát kaseinu

„pěnové“ bonbóny (marshmallow) nugáty

● pěnotvorné ● stabilita při tepelném zpracování ● barvená změna (hnědnutí)

Zmrazené / dehydrované potraviny Kaseináty se používají jako emulgátory a regulátory viskosity. Zlepšují také texturu a

napomáhají udržení přirozeného aroma potravin zpracovávaných v mikrovlnné troubě.

Mleté masné výrobky Při výrobě párků, klobás se využívají se tyto vlastnosti kaseinu – schopnost vázat vodu (tvořit

gely), emulgovat tuk, nutriční hodnota.

Těstoviny Kasein/kaseináty se mohou přidávat do těsta – zlepšují texturu a nutriční hodnotu.

Deserty, zmrzlina, zmrazené pudingy, šlehané pěny Přidává se většinou kaseinát Na – ke zlepšení textury, jako stabilisátor, emulgátor.

Poznámka: Využívají se také jako složka krmiv, při výrobě bioplastů a lepidel.

Page 137: Natural polymer aplication

- 137 -

6.1.2 Kaseinové filmy

Otevřené sekundární struktura kaseinu umožňuje připravit film, jehož meziřetězová kohese

je stabilisována vodíkovými, elektrostatickými a hydrofobními vazbami. Filmy se mohou

tvořit dvěma způsoby:

a) litím roztoku kaseinu na hladkou plochu a následným vysušením (papírenský způsob)

b) extrusí kaseinového roztoku (17 %) do koagulační lázně roztoku NaOH a následným

vytvrzením (aldehydy), promytím a vysušením. pH roztoku výrazně ovlivňuje vlastnosti

filmů. Takto připravené filmy mají podobné vlastnosti (pevnost v tahu, prodloužení,

propustnost pro vodní páry), jako filmy připravené litím.

Vlastnosti filmů lze ovlivnit, mimo změny pH při zpracování, rovněž rychlostí sušení a

přídavkem funkčních additiv (síťovadel, plastifikátorů). K síťování se používají chemické

látky (aldehydy), enzymy (transglutaminasy) a byly vyzkoušeny také fysikální metody

(záření). Mechanickou energií lze zlepšit meziřetězcové interakce a vylepšit tak mechanické a

bariérové vlastnosti filmu. Byl vyzkoušen např. ultrazvuk, který zmenšuje částečky polymeru

a homogenisuje emulse.

6.1.2.1 Vlastnosti kaseinových filmů

Fysikální vlastnosti kaseinu jsou jiné, než mají typické glubulární proteiny, např. myosin.

Přestože obsahuje nepolární aminokyseliny (35 až 45 %), je kasein docela dobře rozpustný ve

vodě. Vodné roztoky kaseinu do koncentrace 20 % mohou být připraveny za mírných

podmínek. Dobrá rozpustnost kaseinu je přičítána nízké hladině sirných AMK, obsah S je

nízký (0,8 %) ve srovnání se syrovátkou (1,7 %). Kasein má také dobrou schopnost vázat

vodu: 1 g kaseinu může navázat až 2,5 g vody.

Jedlé filmy musí splňovat mnoho funkčních vlastností, uchovávat kvalitu potravin a

zlepšovat jejich sensorické charakteristiky.

Propustnost pro vodní páry:

Propustnost pro vodní páry roste v řadě: kaseinát Mg < kaseinát Ca < kaseinát Na < kasein.

Filmy připravené z mikrofluidisovaného roztoku kaseinu (vyšší stěsnání molekul) mají

sníženou propustnost pro vodní páry až o 30 %. Je-li pH nastaveno v okolí IB (isoelektrický

Page 138: Natural polymer aplication

- 138 -

bod), mají proteiny tendenci vytvářet pevnější molekulární interakce (koagulace kaseinu).

Omezením rozpustnosti ve vodě se zlepšují bariérové vlastnosti.

Propustnost kaseinových filmů pro vodní páry je o 2 až 4 řády vyšší, než filmů

z LDPE.

Přídavek lipidů modifikuje bariérové vlastnosti kaseinových filmů. Odlévané filmy z

emulsních kaseinátů Na a acetylovaného monoacylglycerolu mají o 40 % nižší propustnost

pro vodní páry, než filmy připravené bez lipidů. Kombinace kaseinátu Na a

monoacylglycerolů s nižším stupněm acetylace a méně nasycenými kyselinami snižuje

propustnost pro vodní páry až o 50 %. Emulse kaseinátu Na a včelího vosku (nebo

karnaubský, parafinový) dává filmy s propustností pro vodní páry až o 73 % nižší ve srovnání

s filmem ze samotného kaseinátu Na.

Vlastnosti kaseinových 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

Kaseinát sodný + 25% glycerolu

vysoká: 1426 rozpouští se flexibilní flexibilní

Pšeničný gluten + 30% ester polyglycerolu

nízká: 620

rozpouští se

flexibilní

flexibilní

Mechanické vlastnosti:

Pro dosažení vhodných mechanických vlastností, zejména flexibility, se přidávají

plastifikátory. Nejčastěji se používá glycerin. Filmy vykazují vyšší stupeň protažení. Naopak

sníží se jiné charakteristiky, zejména pevnost v tahu. Filmy mají také vyšší propustnost pro

vodní páry. Použije-li se jako změkčovadlo sorbitol, vykazují filmy nižší propustnost pro

vodní páry, neboť sorbitol je méně hygroskopický.

Kaseinové filmy a povlaky zesíťované transglutaminasami zlepšují jejich mechanické

vlastnosti (pevnost v tahu), které jsou řádově stejné, jako u filmů ze synthetických polymerů.

Zesíťované filmy se hůře rozpouští.

Page 139: Natural polymer aplication

- 139 -

Rozpustnost:

Rozpustnost kaseinových filmů ve vodě lze ovlivnit pH prostředím při jejich přípravě. Ve

vodě rozpustné kaseinové filmy a fólie jsou žádoucí např. při výrobě obalů (sáčků) na koření,

příchutí do polévek, dávkování kvasnic do těsta apod. Filmy jsou biodegradabilní.

Rozpustnost kaseinových filmů lze modifikovat rovněž zesíťováním dvojmocnými

kationy, např. ponořením fólií z kaseinátu Na do roztoku vápenaté soli. Síťování je možné

realisovat také radiačním zářením, při kterém se nezmění sensorické vlastnosti filmů.

Sensorické vlastnosti:

Kaseinové filmy a fólie jsou transparentní, bezbarvé, bez chuti a zápachu, hladké a jemné.

6.1.2.2 Aplikace kaseinových filmů a fólií

Kasein má vysokou nutriční hodnotu, vynikající sensorické vlastnosti a výborně se hodí

jako obalový materiál na potraviny.

Roztok kaseinu s přídavkem kyseliny stearové je možné použít jako ochranný povlak

zadržující vlhkost např. na ovocné plody (jablka), zeleninu (např. celer, mrkev, cuketa),

cereálie určené k přímé konsumaci (cornflakes), rozinky, zmraženou zeleninu nebo na kousky

sýra. U banánů slouží povlaky ke snížení rychlosti zrání. Směs kaseinu s acetylovanými

monosacharidy se užívá k ochrannému povlaku na zmrazené ryby.

Kasein (rovněž v kombinaci se sacharidy) se s úspěchem používá jako

mikroenkapsulační materiál pro rozmanitou škálu potravních additiv (např. nosič barviv)

a také pro zemědělské aplikace.

Roztoky kaseinu s přídavkem antioxidantů (kyselina askorbová, vitamín E) se používají

k nástřiku zmražených ryb (např. lososových kousků) zpomalujícímu oxidaci tuků.

Povlaky na pekařské výrobky, čokoládu a čokoládové výrobky, kandované výrobky

prodlužují dobu trvanlivosti. Povlaky kaseinátu Ca nebo Na s lipidy (poměr 1:1) se používají

k zadržování vlhkosti u loupané mrkve.

Page 140: Natural polymer aplication

- 140 -

Zkouší se také výroba jedlých střívek (na uzeniny) z kaseinu. Kasein slouží také

k výrobě krmiv, nátěrových hmot apod. V poslední době se také používají kaseinová adhesiva

k lepení etiket na lahve.

V kombinaci s jinými materiály se kasein používá pro výrobu několikavrstvých

obalových materiálů.

6.2 Syrovátka

Syrovátkové proteiny jsou proteiny, které zůstanou v séru mléka po vysrážení kaseinu.

Syrovátka tvoří cca 20 % celkových proteinů mléka a obsahuje:

a) β-laktoglobulin – nejvíce zastoupená bílkovina syrovátky

b) α-laktoalbumin – druhá nejvýznamnější bílkovina syrovátky

c) immunoglobulin a pepton

Syrovátka je při pH 4,6 rozpustná. Má globulární charakter, a proto je nutná pro přípravu

filmů tepelná denaturace, aby došlo k otevření globulární struktury, k přerušení existujících

disulfidických vazeb. Při tvorbě filmu vznikají nové disulfidické vazby. Filmotvorné

vlastnosti syrovátky ji umožňují využívat jako enkapsulační materiál.

Průmyslové postupy využívají pro získání proteinu ze syrovátky ultrafiltraci, gelovou

filtraci, elektrodialysu aj.

Přídavkem změkčovadla do tepelně denaturovaného syrovátkového proteinu je možné

připravit transparentní, jemné, flexibilní ve vodě rozpustné jedlé filmy, které mají výborné

bariérové vlastnosti vůči kyslíku, aromatickým látkám a oleji. Jako změkčovadlo se nejčastěji

používá glycerol. Odolnost proti vodě se zvyšuje přídavkem lipidů.

Filmy se připravují nejčastěji litím. Směs se musí předtím odplynit, aby bublinky

nenarušovaly homogenitu filmů. Schopnost vytvářet film určuje AMK složení, vznik příčných

vazeb aminoskupin (–NH2) a karboxylových skupin (–COOH) a disulfidických vazeb (S–S).

Page 141: Natural polymer aplication

- 141 -

6.2.1 Aplikace syrovátky v potravinářském průmyslu

Pekárenství

náhrada vajec při výrobě sušenek a keksů (ekonomické úspory a nutriční výhody)

Mléčné výrobky

přídavek do (tavených) sýrů – zlepšení jemnosti a vůně

Nápoje

přídavek do ovocných šťáv, nealkoholických nápojů, mléčných nápojů – vysoce

nutriční nápoje (např. pro sportovce)

Mleté masné výrobky

při výrobě párků se může až 20 % masa nahradit syrovátkou – zvyšuje schopnost vázat

vodu a emulgovat tuk

Těstoviny

nudle vyrobené s přídavkem syrovátky jsou po uvaření pevnější, stabilnější při

zmrazování-rozmrazování a vhodné rovněž pro vaření v mikrovlnné troubě

Zmrazené / dehydrované potraviny

ke stabilisaci šťáv a omáček (při zmrazování-rozmrazování), jako emulgátor

náhrada vaječného žloutku, případně tuků např. v salátových dresincích

6.2.2 Jedlé filmy a povlaky ze syrovátky

Využití syrovátkového proteinu jsou následující:

mikroenkapsulace tuků – bariéra pro O2

povlaky pražených burských oříšků – bariéra pro O2, což zamezí žluknutí

povlaky pro mražená kuřata a ryby – zlepšují integritu výrobků a chrání je při

manipulaci, zpomalují oxidaci tuků

nosič antioxidantů (na zmražené lososy) – povlak z proteinu s antioxidanty zpozdí

nástup oxidace tuků

Page 142: Natural polymer aplication

- 142 -

7. SÓJOVÝ PROTEIN

Klíčová slova Key words sojová vlákna soy fibres sojové filmy soy films sojové fólie soy foils

sojové plasty soy plastics sojový isolát soy isolate

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,

Page 143: Natural polymer aplication

- 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.

Page 144: Natural polymer aplication

- 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).

Page 145: Natural polymer aplication

- 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.

Page 146: Natural polymer aplication

- 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

Page 147: Natural polymer aplication

- 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)

Page 148: Natural polymer aplication

- 148 -

8. AMARANTOVÁ BÍLKOVINA

Klíčová slova Key words amaranth amaranth

amarantová bílkovina amaranth flour biodegradabilní filmy biodegradable films

esenciální aminokyseliny essential amino-acids krmivo feed mouka flour

nutriční hodnota nutrition value zrno grain

Amarant je jednoletá, širokolistá, hluboce kořenící rostlina. Přímý nebo rozložitý stonek,

který více nebo méně větví, může dosahovat délky až 2 m. Listy mají většinou zelenou barvu,

u některých odrůd s fialovou kresbou ve tvaru podkovy nebo na okraji listů. Květy jsou

seskupené v klubíčkách, plod je nejčastěji vejčitá tobolka, v níž jsou okrouhle elipsovitá,

čočkovitá semena s hladkým, lesklým povrchem, viz fotografie rostliny:

Amarantové zrno má velmi malé rozměry, v průměru 1 až 1,5 mm, malou váhu

(1000 semen.g-1), barvu od bělavé do béžové, hnědavé až černé. Tvar zrna je čočkovitý, pod

tuhou slupkou je na periférii roviny největšího obvodu stočen klíček, zabírající jednu třetinu

objemu zrna a obkružující perisperm zásobárnu škrobu. Zásoby živin se nacházejí právě

v zrnu. Zrno obsahuje proteiny, lipidy, polysacharidy, anorganické složky. Živiny nejsou

uloženy v zrnu rovnoměrně. Zásoby bílkovin jsou uloženy v membráně, vázané na buňky

embrya a endospermu. Zde se nacházejí také lipidy. Naopak polysacharidy se vyskytují jako

škrob v perispermu, nenacházejí se v endospermu.

Page 149: Natural polymer aplication

- 149 -

Příčný středový řez amarantovým zrnem:

PE – oplodí (povrchová část zrna), EN – endosperm, P – perisperm (jádro), R – kořínek, F – vlákno, C – dělohy, H – podděložní kořínek.

Průměrné složení amarantového zrna: Amarantová mouka:

8.1 Složení amarantové bílkoviny

Amarantová bílkovina je kvalitní, obsahuje všechny esenciální aminokyseliny.

Bílkovina je charakteristická vysokým podílem albuminů s obsahem 48,9–65,0 % a nízkým

obsahem prolaminů (1,0–3,2 %). Druhou největší frakci tvoří gluteliny s obsahem 22,4–42,3

%, a třetí frakci pak globuliny s obsahem 13,7–18,1 %. Amarantové zrno obsahuje více

bílkovin než jiné cereálie, viz následující obrázek.

Složka Množství (%)

Polysacharidy 65 Bílkoviny 18

Voda 8 Lipidy 6,5

Minerální látky 2,5

Page 150: Natural polymer aplication

- 150 -

Amarant

18Pšenice

10

Žito

9

Rýže

6

Kukuřice

5,5

0

5

10

15

20

1

Obs

ah b

ílkov

in (g

.100

g

-1)

Obsah lysinu a tryptofanu amarantové bílkoviny je komparabilní s bílkovinami

živočišnými. Až 65 % proteinu v amarantu je koncentrováno v klíčku. Obsah proteinů kolísá

podle druhů amarantu a podmínek jejich kultivace.

Obsah aminokyselin v amarantové mouce:

Aminokyselina Množství (g.100g-1) Aminokyselina Množství

(g.100g-1) Tryptofan 0,181 Threonin 0,558 Isoleucin 0,582 Leuicin 0,879

Lysin 0,747 Methionin 0,226 Cystin 0,191 Fenylalanin 0,542

Tyrosin 0,329 Valin 0,679 Arginin 1,060 Histidin 0,389 Alanin 0,799 Asparagová kys. 1,261

Glutamová kys. 2,259 Glycin 1,636 Prolin 0,698 Serin 1,148

Srovnání nutričního hodnot proteinu amarantu a jiných bílkovin:

Zdroj bílkovin

Nutriční hodnota proteinů

Amarant 75 Kravské mléko 72

Sojové boby 68 Ječmen 62

Burský oříšek 52 Kukuřice 44

Poznámka: hodnota 100 je považována za ideální

Page 151: Natural polymer aplication

- 151 -

0

1

2

3

4

5

6O

bsah

am

inok

ysel

in (g

.100

g -1

)

1Amarant Pšenice

lyzin

leucin

izoleucin

fenylalanin

methionin

treonin

tryptofan

valin

3,85

1,82

3,25

4,7

2,71

4,2

5,95

1,78

2,75

1,511,38

0,381,1

0,39

1,450,64

0

1

2

3

4

5

6

7

valin

trypto

fan

threon

in

methion

infen

ylalan

in

isoleu

cin

leucin lysin

Mno

žstv

í (g.

100g

-1)

sója amarant

Profil esenciálních aminokyselin amarantového zrna ve srovnání s pšeničným zrnem:

Srovnání obsahu esenciálních aminokyselin amarantového zrna se sójou:

Page 152: Natural polymer aplication

- 152 -

Amarantová bílkovina se isoluje většinou extrakční metodou a to ve více fázích.

Extrakcí vodou se získá frakce obsahující albuminy, extrakcí zředěnými solemi (0,5 M

NaCl) se získá frakce obsahující globuliny, ethanolem se získávají prolaminy a kyselinou,

respektive alkálií gluteliny.

V praxi se postupuje takto: suchá amarantová mouka se odtuční v n-hexanu (1/3, w/v) při

pokojové teplotě po dobu 8 hodin. Odtučněná amarantová mouka se poté smíchá s vodou

v poměru 1:10 a pH se upraví na hodnotu 10. Směs se míchá 40 minut při pokojové teplotě.

Následně se směs odstředí (5.000 ot.min-1), supernatant obsahující protein se slije. Z důvodu

zvýšení vyextrahovaného podílu proteinu se zbylý koláč znovu smíchá s vodou (poměr 1:5) a

opět se míchá 40 minut a poté se odstředí. Supernatanty s vyextrahovaným proteinem se slijí

dohromady. Takto se isoluje protein od nerozpustných polysacharidů a hrubé vlákniny. pH

supernatantu se upraví na 7. Protein se vysráží při pH 4,6.

8.2 Možnosti využití amarantové bílkoviny

Amarantové bílkovina se používá jako výživová komponenta, jako dietetikum přidávané

do tekutých výživ ke zlepšení bílkovinné rovnováhy těžce nemocných, pacientů v

rekonvalescenci, jedinců trpících potravinovými alergiemi, dětí i dospělých s glutenovou

enteropatií.

Výhodné je použití pro vegetariány a sportovce zejména tam, kde je nutné vzhledem k

nekompletní výživě, k velké fysické zátěži a výjimečným podmínkám zajistit dobrou výživu

bílkovinami. Strava vegetariánů v nevyvážené formě je chudá na lysin a železo. Časté

zařazení amarantových potravin, které mají v uvedeném smyslu příznivé složení, může

nedostatky tzv. ozdravných makrobiotických diet překlenout a přispět k jejich vyváženosti.

Bílkovina amarantu má složení, které nevyvolává tak častou alergickou reakci, jako je

tomu u jiných bílkovin. Jeho přídavek do potravinářských výrobků je tedy vhodný pro

pacienty s potravinovou alergií.

Pekárenské výrobky s přídavkem amarantové mouky se vyznačují zvýšeným obsahem

rostlinných bílkovin, minerálních látek, vlákniny, nenasycených mastných kyselin a vitamínů

B1 a B2. Obvykle se přidává 7–10 % amarantové mouky.

Page 153: Natural polymer aplication

- 153 -

Biodegradabilní filmy založené na amarantové bílkovině: Amarantová mouka má

filmotvorné vlastnosti. S přídavkem glycerinu (změkčovadlo) je možné připravit filmy. Podle

výzkumných studií se filmy s optimální rozpustností a mechanickými vlastnostmi připraví

podle následujícího postupu. K 10 % roztoku bílkoviny se přidá 22,5 % glycerinu (vztaženo

na navážku bílkoviny) a po úpravě pH na 10,7 se míchá při 82 oC a po vysušení při 40 oC a

relativní vlhkosti vzduchu 55 % se získá film. Takto připravené biodegradabilní filmy mají

nažloutlou barvu, jsou mírně polotransparentní, mají dobrou ohebnost, ale malou pevnost

v tahu. Filmy rovněž vykazují nízkou propustnost pro kyslík a vodní páry ve srovnání

s jinými polysacharidovými a proteinovými filmy.

Amarantová zrna v krmných směsí pro drůbež: Amarant je kvalitní potravinový

doplňk částečně nahrazující kukuřici i sojové maso. Přídavek amarantu se obvykle pohybuje

do 400 g.kg-1 krmné směsi bez nežádoucích účinků na růst drůbeže.

Příklady složení krmných směsí s přídavkem amarantu:

Složka

Množství amarantu (g/kg)

0 200 400 Kukuřice 556 396 232 Amarantové zrno – 200 400 Maso 75 75 75 Sojové maso 310 269 227 Vápno 6 5 5 Sojový olej 49 51 57 Sůl 1,5 1,5 1,5 Vitamíny a stopové prvky (Zn. Mn, Cu, Mo, Co, Fe, Se, I) 0,5 0,5 0,5 Methionin 2 2 2

Page 154: Natural polymer aplication

- 154 -

9. PŠENIČNÝ GLUTÉN

Klíčová slova Key words filmy films fólie foils

povlaky coatings pšeničný gluten wheat gluten

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.

Page 155: Natural polymer aplication

- 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.

Page 156: Natural polymer aplication

- 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

Page 157: Natural polymer aplication

- 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)

Page 158: Natural polymer aplication

- 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.

Page 159: Natural polymer aplication

- 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.

Page 160: Natural polymer aplication

- 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

Page 161: Natural polymer aplication

- 161 -

Kukuřičný zein / přírodní oleje

oříšky, cukroví bariéra proti vlhkosti, O2; nosič antioxidantů

Kukuřičný zein / přírodní olej / vosk

sušené potraviny nosič antioxidantů, prevence slepování

Nepotravinářské aplikace kukuřičného zeinu zahrnují především:

potahování farmaceutických tablet

maskování chuti perorálně podávaných medikamentů

výroba adhesiv, kosmetických a jiných přípravků

Page 162: Natural polymer aplication

- 162 -

11. PROTEIN BAVLNÍKOVÉHO SEMENE

Klíčová slova Key words bavlník cotton plant filmy films

protein protein

Filmy založené na proteinu z bavlníkového semene se připravují z bavlníkové mouky

litím na desky. Nejdříve se za vhodných podmínek (rozpouštědlo, pH, teplota) rozpustí

bavlníková mouka, čímž dojde k omezení interakcí mezi proteinovými polymerními řetězci.

Disperse se odstředí, aby se odstranil nerozpustný podíl, supernatant se poté homogenisuje.

Podle potřeby se přidá změkčovadlo, obvykle 10–40 % (w/w). Roztok se vylije na desku a po

odpaření rozpouštědla se vytvoří trojrozměrná síť (film) v důsledku vzniku nových inter- a

intra-molekulárních vazeb. Příprava filmů je poměrně náročná, v důsledku složitosti

výchozího materiálu, který obsahuje proteiny, tuky, celulosu, popeloviny a cukry. Podle

literárních údajů je optimální pH 8–12, teplota 20–60 oC, poměr tuhé fáze a rozpouštědla od

10 do 50 % (w/v), množství plastifikátorů 10 až 50 % (w/w). Při obsahu plastifikátorů pod 10

% (w/w) jsou filmy velmi křehké a při obsahu nad 30 % (w/w) naopak lepivé. Přídavkem

plastifikátoru se snižují intermolekulární vazby mezi polymerními řetězci, což snižuje kohesi

filmu, pevnost v tahu a teplotu skelného přechodu.

Filmy jsou vhodné pro některé nepotravinářské aplikace vyžadující dobrou

mechanickou pevnost a omezenou rozpustnost ve vodě. Velmi často se používají pro

výrobu zemědělských obalů či kompostovatelných sáčků na odpadky. Další použití je na

výrobu mulčovacích fólií k ochraně rostlin a k fixaci semen. Poté, co mulčovací fólie splní

Page 163: Natural polymer aplication

- 163 -

svůj účel, biodegraduje a působí navíc jako přírodní hnojivo. Sofistikovanější použití

mulčovacích fólií spočívá v jejich využití jako nosiče insekticidů či fungicidů, které za

kontrolovatelných podmínek migrují z fólie a jejich účinek je efektivnější.

Pro zvýšení mechanické pevnosti filmů se do filmu přidávají síťovadla nebo bavlněná

vlákna.

Page 164: Natural polymer aplication

- 164 -

12. VAJEČNÝ BÍLEK

Klíčová slova Key words filmy films Fólie foils

protein protein vaječný bílek egg white

Vaječný bílek je složený protein skládající se z roztoku globulárních proteinů a

fibrilárního ovomucinu. Hlavní bílkovinou je ovoalbumin, který tvoří více než ½ hmotnosti

vaječného bílku a je jedinou bílkovinou frakcí obsahující volné skupiny –SH. Ostatní proteiny

bílku obsahují vazby disulfidické (–S–S–). Protože se vaječné žloutky používají

v potravinářském průmyslu mnohem více než bílky, zaměřil se výzkum na možnost

zužitkování vaječných bílků k výrobě jedlých povlaků a filmů.

Příprava filmů z vaječného bílku:

Většina metod přípravy filmů je založena na denaturaci vaječného bílku ve vodném

roztoku vylitím roztoku na hladkou plochu a odpaření rozpouštědla. V praxi se filmy

připravují za těchto podmínek: koncentrace vaječného bílku 9 % (w/v), vodný alkalický

roztok o pH 10,5–11,8 (nezbytné pro tvorbu homogenního a hladkého filmu), přídavek

plastifikátorů. Jako plastifikátor se používá glycerol (30–50 %, w/w), polyethylenglykol (50–

60 %, w/w) či sorbitol (50–60 %, w/w). Přidává se také protipěnící činidlo – nejčastěji

silikonový olej (0,1 %, w/w) Roztok se zahřeje na teplotu 40 oC a míchá se 20 minut. Po vylití

na vhodnou hladkou plochu (např. teflonem potažená skleněná deska) se film získá

odpařením rozpouštědla (sušení při 25 oC, 20 min). Vyšší teploty sušení zhoršují sensorické

ukazatele filmů.

Poznámka: Filmy připravené z kyselých roztoků (pH 3–4) jsou hrudkovité, neboť obsahují

nerozpuštěné proteinové částečky. V alkalické oblasti naopak dochází k rozrušení intra- a

inter-molekulárních vazeb proteinu (–S–S– vazby) na –SH vazby, což usnadňuje dispergaci

proteinu. Zahříváním roztoku se řetězce proteinu rozvinují a vazby –SH se zpřístupní.

Při tvorbě filmu (sušení) nastane opačný postup: dochází k oxidaci –SH vazeb a

vznikají kovalentní inter- a intra-molekulární S–S vazby, které způsobí vznik nové

trojrozměrné sítě. Kromě disulfidových vazeb se při tvorbě filmu uplatňují také hydrofobní

a elektrostatické interakce.

Page 165: Natural polymer aplication

- 165 -

Filmy připravené z alkalických vodných roztoků vaječného bílku jsou více transparentní

než filmy připravené z kukuřičného zeinu, pšeničného glutenu či sojového proteinu. Funkční

vlastnosti filmů lze modifikovat přídavkem plastifikátorů a síťovadel. Síťování je možné

provést chemicky (např. dialdehydem škrobu), fysikálně (UV zářením) či enzymově. Síťování

zlepšuje mechanické vlastnosti, např. tahovou pevnost.

Vlastnosti filmů z vaječného bílku:

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

Vaječný bílek vysoká: 1659 měkne, smršťuje se flexibilní křehký

Výhody použití filmů a fólií z vaječného bílku:

filmy se vytvářejí přímo na povrchu potravin a přizpůsobují se jejich tvaru

filmy mají funkční vlastnost – zpomalují ztrátu hmotnosti, čehož se využívá např. u

rozinek a jejich směsí s cereáliemi, masa, šunky, sýrů a dalších potravin

Page 166: Natural polymer aplication

- 166 -

13. MYOFIBRILÁRNÍ PROTEINY

Klíčová slova Key words filmy films maso meat

myofibrilární protein myofibrilar protein

Myofibrilární proteiny se nachází v mase (hovězí, skopové, vepřové, drůbež) a

v rybách. Jsou to významné proteiny bohaté na essenciální aminokyseliny. Tvoří hlavní

složku svalů (více než 50 %). Svaly savců jsou složeny z velkých buněk, zatímco rybí svaly

jsou rozděleny do vrstev. Svaly se skládají z velkého množství paralelně uspořádaných vláken

složených z vláken myofibril, které jsou tvořeny myofibrilárními proteiny. Myofibrilární

proteiny jsou tvořeny dvěma hlavními bílkovinami:

a) myosin – fibrilární bílkovina, která je tvořena dvěma spletenými vysokomolekulárními

řetězci (m.v. = 200 kDa), na jejichž koncích jsou dva nízkomolekulární řetězce (m.v. =

16–20 kDa)

b) aktin – je bílkovina, která se vyskytuje jak v globulární formě (m.v. = 42 kDa), tak ve

fibrilární formě (m.v. = 14.000 kDa)

Myofibrilární proteiny se po isolaci z masa či ryb čistí a poté se mohou použít

k filmotvorným aplikacím. Vlastnosti filmů závisí na podmínkách jejich přípravy. Filmy je

možné připravit jednak litím a odpařením rozpouštědla, nebo thermoplastifikačním

způsobem. Filmy se připravují z alkalických roztoků. Filmy jsou jedlé, transparentní, ve vodě

nerozpustné, mají slabý zápach po rybině či po mase. Používají se zejména k obalování

kousků masa za účelem zlepšení jejich pevnosti.