Upload
re88
View
263
Download
14
Tags:
Embed Size (px)
DESCRIPTION
trvale udržitelný rozvoj, polymery ze škrobu a pod.
Citation preview
- 1 -
ÚVOD
Celosvětový důraz na ochranu životního prostředí a zajištění trvale udržitelného
rozvoje si v posledních desetiletích vynutily přehodnocení výroby a spotřeby
syntetických polymerů.
Je možné alespoň zpomalit nepříznivý vývoj trvale udržitelného rozvoje? Jak zajistit trvale
udržitelný rozvoj:
znalost vlivu nových chemických látek na zdraví a životní prostředí
omezit ukládání odpadů do půdy a moře
rovnováha mezi spotřebou obnovitelných surovin a jejich obnovou
orientace na dlouhodobější perspektivy
ohleduplný přístup k přírodě a k přírodním zdrojům
snižovat materiálovou a energetickou náročnost výroby a uplatňovat nízkoodpadové
technologie
Biodegradabilní polymery jsou atraktivní alternativou k tradičním nebiodegradabilním
polymerům vyráběných z ropy.
Životní cyklus biodegradabilních polymerů je znázorněn na obrázku:
- 2 -
Celosvětová produkce plastů byla v roce 1996 asi 150.000.000 tun, což odpovídá spotřebě
cca 30 kg na osobu. Údaj průměrné roční spotřeby plastů je považován za měřítko
průmyslové vyspělosti země. V Evropě se vyrábí ročně přes 20.000.000 tun plastů. V USA
v r. 1979 výroba plastů předstihla v objemových jednotkách produkci kovů.
Z výše uvedeného je zřejmé, že celosvětově vzniká problém skládkování plastových obalů
(včetně ukládání odpadu do moře, který může ohrozit mořský život). Proto je v posledních
desetiletích snaha vyvíjet a vyrábět plasty biologicky rozložitelné.
Podle svého vzniku se plasty dělí na: 1. Přírodní polymery – mezi ně patří proteiny, škrob, celulosa a další
2. Semi-syntetické polymery – mezi ne patří plněné a kompositní materiály
3. Syntetické polymery – mezi ně patří např. PE, PP, PVC, PETF, PAD, PP a další
4. Mikrobiální polymery – které mají následující charakteristiku:
jsou produkovány mikroorganismy, živnou půdou je pro ně hydrolysovaný škrob
připravují se obvykle směsi různých polyesterů
produkty jsou úplně biodegradabilní, resp. recyklovatelné
náklady na jejich isolaci a čištění jsou vysoké
Plasty se obecně rozdělují podle schopnosti podléhat biologickému rozkladu na:
a) nerozložitelné – resistentní
b) těžce rozložitelné
c) hůře rozložitelné
d) snadno rozložitelné
Pět nejrozšířenějších syntetických plastů není biodegradabilní:
PE … používá se na výrobu pytlů na odpady, agrikulturní filmy, v automobilovém
průmyslu, na výrobu kontejnerů
PP … používá se např. na výrobu koberců, plen
PS … používá se např. na výrobu pohárků na nápoje, kontejnerů na potraviny
PETF … používá se na např. výrobu lahví na nápoje a vodu
PVC … používá se na potrubí, tuhé obaly
Úprava biologické rozložitelnosti syntetických plastů spočívá v tom, že se tyto mísí
s biopolymery. Úpravy vychází z předpokladu, že jsou-li do plastu přidány biopolymery,
stanou se tyto náchylnější k biodegradaci. Tyto produkty se vyrábějí např. vstřikováním,
- 3 -
označují se jako biologicky desintegrovatelné, nikoliv však biodegradovatelné! Jedná se o
tyto materiály:
1. Plněné materiály – tzv. materiály 1. generace
Vyrábějí se extrusí směsi syntetického polymeru, plniva (5–20 %, w/w) a dalších additiv.
Jako plniva se používá zejména škrob, ale také proteiny či celulosa. Příkladem je škrobem
plněný PVA. Škrob urychluje biologický rozklad PVA, ale i žádoucím způsobem ovlivňuje
zpracovatelské vlastnosti plněného PVA. Zrna škrobu jsou dispergována v polymerní matrici
bez toho, že by docházelo k chemické reakci. Škrob se enzymově degraduje a snižují se
mechanické charakteristiky produktu. Zároveň se působením vody a kyslíku degraduje i
syntetický polymer. Obvykle se materiály plněné škrobem rozpadají za dobu 3,5 roku.
Vznikají fragmenty syntetického polymeru.
Známé jsou také PE fólie plněné škrobem (až do 50 % hmotnosti), které se používají
hlavně jako pytle na odpadky či jednorázové tašky. V biologickém prostředí – v kompostu či
půdě – se tyto fólie rozpadají. Škrob se rozloží, ale PE podíl zůstává vůči tomuto prostředí
intaktní. Výhodou je značná redukce objemu odpadního materiálu.
Přídavek hydrolysátu kolagenu (Hykol) do PVA způsobuje, že volné bazické skupiny
(–NH2) příznivě ovlivňují tepelnou stabilitu PVA při zpracování, dále jeho mechanické
vlastnosti a konečně biologický rozklad v aerobním i anaerobním prostředí.
2. Kompositní materiály – tzv. materiály 2. generace
V tomto případě se používají jemné směsi škrobu a syntetického polymeru. Škrobová zrna
se rozmělní a želatinují v prostředí vody, amoniaku za zvýšené teploty. Druhou složku tvoří
hydrofilní kopolymery, např. PE / kyselina akrylová, popř. vinylalkohol. Biodegradace škrobu
proběhne asi za 40 dní. Biodegradace celého kompositního materiálu za 2–3 roky.
Většina přírodních polymerů je z obnovitelných zdrojů a jsou biodegradabilní, neboť
v průběhu času podléhají přirozenému rozkladu. Kromě bio-rozložitelnosti po době jejich
použitelnosti musí přírodní polymery splňovat řadu funkčních vlastností a musí být stabilní
v průběhu jejich skladování a použití. Pro příznivé ekologické a ekonomické vlastnosti se
biodegradabilní polymery uplatňují např. jako:
materiály pro agrikulturní filmy, např. secí pásky, kompostovací materiály
obaly pro kontrolovatelné uvolňování pesticidů, insekticidů
pleny, potravinářské obaly atd.
- 4 -
I. APLIKACE BÍLKOVIN
Klíčová slova Key words aplikace, použití application, utilisation
bílkoviny proteins rostlinná bílkovina plant protein živočišná bílkovina animal protein
Bílkoviny jsou polypeptidy s molekulovými hmotnostmi od několika tisíc do několika
milionů kDa. Kolagen je nejhojněji se vyskytující bílkovina u obratlovců, má molekulovou
hmotnost cca 285 kDa. Želatina je polypeptid s vysokou molekulovou hmotností (od 50 do
70 kDa) získaná částečnou hydrolýsou kolagenu. Kasein a syrovátka jsou bílkoviny mléka.
Mezi rostlinné bílkoviny patří např. sojový protein, pšeničný gluten, kukuřičný zein.
Mezi méně známé rostlinné bílkoviny patří např. bílkovina hrachu. Hrachové zrna obsahují
cca 25 % bílkovin, jejichž vlastnosti a složení jsou obdobné sojovým bílkovinám.
1. VLASTNOSTI A MOŽNOSTI ZPRACOVÁNÍ BÍLKOVIN
Klíčová slova Key words adhesivum adhesives
aminokyselina amino-acid aplikace application, utilisation
bariérové vlastnosti barrier properties bioplasty biopolymers fysikální physical
hydrofilní hydrophilic hydrofobní hydrophobic chemický chemical
lití casting mechanické vlastnosti mechanical properties
modifikace modification nepotravinářské použití non-food application
obal wrapping potravinářské použití food application
povlaky, nátěry coatings rozpustnost solubility
složení composition thermoplastifikace thermoplastic treatment
vlastnosti properties zpracovatelský proces processing
- 5 -
Proteiny jsou velmi citlivé na chemické a fysikální vlivy, což přináší problémy při jejich
zpracování, stabilisaci a skladování.
Fysikální nestabilita proteinů se týká změn na úrovni sekundární, terciární a
kvartérní struktury proteinu. Příkladem je ztráta nativních vlastností (denaturace),
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:
- 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.
- 7 -
2. Chemická – kovalentní vazba chemického činidla na protein (např. síťování)
Naprostá většina proteinů (a také polysacharidů) tak, jak v přírodě vznikají, nemá
dostatečné vlastnosti pro technické aplikace a musejí být více či méně chemicky
modifikovány. Obecně platí, že čím větší stupeň chemické modifikace biopolymeru, tím
obtížněji pak podléhá biologickému rozkladu.
a) zvýšení hydrofility proteinu – začlenění polárních skupin do struktury proteinu, např.
–COOH, –NH2, –OH, –PO22-, –SO4
2-
b) zvýšení hydrofobity proteinu – začlenění nepolárních skupin do struktury proteinu,
např. aromatické nebo alkyl
c) síťování – kovalentní vazby mezi proteinovými molekulami
Chemické modifikace se např. používají např. k omezení citlivosti proteinů vůči vodě a to:
esterifikací karboxylových skupin methanolem či jinými alkoholy – touto úpravou se
omezí hydrofilní vlastnosti karboxylových skupin
síťováním – síťující činidla reagují s aminoskupinami
3. Enzymová – hydrolysující nebo síťující enzymy
Možnosti chemické modifikace proteinů znázorňuje níže uvedené schéma:
PROTEIN
Funkční skupina proteinu
Typ
modifikace (činidlo)
Nové funknční skupiny proteinu
–CO–NH2 (amidická)
deaminace (HNO2)
–COOH
–S–S– (disulfidická) redukce –SH
–SH (thiolová skupina)
oxidace (HO-)
–S–S–
oxidace (HCOOH)
–SO32-
–NH2
(aminoskupina)
acylace (acetanhydrid)
– NH–CO–CH3
deaminace (HNO2)
–OH
–COOH (karboxylová skup.)
esterifikace (CH3OH+HCl)
–CO–O–CH3
- 8 -
Modifikují se následující vlastnosti proteinů:
rozpustnost
rheologické vlastnosti
adhese na různé substráty
mechanické vlastnosti
bariérové vlastnosti
citlivost vůči vodě
Síťování kolagenu:
F funkční skupiny kolagenu
DA látky s dvojitou afinitou
V síťující látky
G standardní činění
a), b) součinně působící učínek
c) běžný činící účinek
Vliv chemické modifikace na vlastnosti proteinů shrnuje následující tabulka:
Modifikace Vlastnosti modifikovaného proteinu
Typ Začlenění skupin
Rozpustnost ve vodě
Povrchová adhese
Rozpustnost
Pevnost Polární Nepolární
Hydrofilisace
(schopnost přijímat vodu)
–COOH –NH2 –OH
–PO22-
–SO42-
↑↑
↑↑
↓↓
↓↓
↓
Hydrofobisace aromatické alkyl (–R)
↓↓ ↓↓ ↑↑ ↑↑ ↑
Síťování
kovalentní vazby
proteinových molekul
↓↓
?
?
↓
↑↑
↑ … vzestup ↑↑ … vysoký vzestup ↓ … pokles ↓↓ ….. významný pokles ? … záleží na konečném chemickém složení materiálu
- 9 -
1.2 Zpracovatelské techniky proteinů
Proteiny mohou být zpracovány v přítomnosti vysokého množství vody (např. filmy,
povlaky, adhesiva, povrchově-aktivní látky) nebo s nízkým množství vody (extruse).
Obecně se příprava filmů, povlaků a dalších forem z proteinů skládá ze tří kroků:
a) přerušení intermolekulárních vazeb (nekovalentní, případně kovalentní) stabilisujících
protein v jeho nativní formě chemickými nebo fysikálními metodami, čímž se dosáhne
větší pohyblivosti polymerních řetězců = rozpad nativní formy
b) uspořádání polymerních řetězců do požadovaného tvaru = formování tvaru
c) tvorba nových intermolekulárních vazeb a interakcí stabilizujících 3D-síť = stabilisace
nově vzniklého tvaru
Dva hlavní zpracovatelské procesy proteinů:
1. Rozpouštědlový způsob (lití)
Principem je, že se protein rozpustí nebo disperguje v rozpouštědle a požadovaná forma
výrobku vznikne litím roztoku, sprejováním roztoku nebo máčením a následným odpařením
rozpouštědla.
Proteinové filmy, povlaky a adehesiva se připravují rozpuštěním proteinu v rozpouštědle
(obvykle voda nebo ethanol) při nízkém nebo vysokém pH za zvýšené teploty, která zvyšuje
jejich rozpustnost. Koncentrace proteinu je obvykle do 20 % (w/w). S výjimkou kukuřičného
zeinu, pšeničného glutenu a keratinu je většina filmotvorných proteinů rozpustná ve vodě.
Filmy se připravují tak, že se nejdříve rozpustí v rozpouštědle protein za zvýšené teploty a
úpravy pH. Poté se přidají další složky (lipidy, síťovala, povrchově aktivní látky atd.).
Následně se směs zahřeje nad teplotu tání lipidů a homogenizuje se. Vylitím roztoku na desku
(sklo, silikon, ušlechtilá ocel) vznikne po odpaření rozpouštědla film. Tvorba filmu probíhá
v několika stupních. V prvním stupni jsou molekuly proteinu suspendovány ve vodě, čímž
dojde k určitému stupni rozkladu. Při aplikaci roztoku na vhodný substrát (sklo, silikon, ocel)
dochází ke strukturním změnám, při nichž jsou molekuly plošší a začínají se shlukovat.
V poslední fázi při odpařování rozpouštědla dochází mezi molekulami k interakcím a tvorbě
vazeb (iontové, hydrofobní), které zvyšují soudržnost materiálu.
- 10 -
2. Thermoplastifikace
Thermoplastifikace je velmi atraktivní alternativou přípravy filmů, neboť některé proteiny
vykazují termoplastické vlastnosti. Na rozdíl od rozpouštědlové technologie se při tomto
způsobu vyhneme odpařování rozpouštědla sušením. Princip spočívá v tom, že se protein
s použitím plastifikátorů zpracovává plastikářskými technikami nad Tg a ze vzniklé
kaučukovité hmoty se formuje požadovaný výrobek, který následným ochlazením získává
stabilní tvar.
V praxi se obvykle postupuje takto: Práškový protein se naplní do extrudéru, přidá se voda
(cca 20 %) a další plastifikátory (např. glycerin). Směs se intensivně míchá při určité teplotě
(cca 100 oC), aby se vytvořila těstovitá konsistence, která se poté vytlačuje přes formu na
požadovaný tvar a rozměry a nakonec se rychlým ochlazením fixuje tvar. Nejdůležitějším
rysem extruse je volba vhodných podmínek při zpracování směsi, tj. doba – teplota – tlak.
Teplota se pohybuje v rozmezí 140–200 oC, doba zpracování směsi v extrudéru od několika
sekund po několik minut Během extruse mění struktura proteinů: α-šroubovice přechází na β-
strukturu.
Fixace tvaru = zeskelnatění – jedná se o omezení pohyblivosti molekul proteinu, čímž
dojde k jejich fixaci. Omezení pohybu molekul se v praxi děje těmito způsoby:
a) snížením teploty pod Tg (teplota skelného přechodu) – např. po extrusi
b) snížením obsahu vlhkosti – sušení filmů či adhesiv
c) tvorba β-struktury, což je velmi účinný mechanismus fixace
d) chemická fixace – tvorba kovalentních vazeb mezi reaktivními skupinami proteinu nebo
vodíkových můstků
e) síťování – přídavek síťovadel
Specielním případem zpracování proteinů je výroba měkkých želatinových kapslí, kde se
používá tzv. technika rotačního disku, při níž se želatinová kapsle vyrobí v jedné operaci ze
dvou předem plastifikovaných želatinových pásů, mezi něž se vstříkne léčivo.
- 11 -
Změny probíhající na úrovni polymerních řetězců (chování proteinů) při přípravě
filmů znázorňuje následující obrázek:
Protein
Rozpuštění proteinu v rozpouštědle (voda, ethanol …).
Přídavkem změkčovadla se sníží intermolekulární síly mezi polymerními řetězci ve filmotvorném roztoku.
Odpařování rozpouštědla. Tvorba filmu (tvorba mezimolekulárního zesítění). Přítomnost změkčovadla modifikuje mechanické vlastnosti (nižší kohese proteinové sítě).
Filmotvorný roztok na silikonových deskách a připravený film:
- 12 -
Dvě hlavní metody zpracování proteinů jsou znázorněny na schématu:
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
- 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]
- 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
)
- 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
- 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)
- 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)
- 18 -
napodobují struktura masa. Používají se hlavně do hruběji mletých výrobků, jako jsou
hamburgery, sekaná masa a hotová jídla.
Bílkovinné přísady rozdělujeme podle původu:
1. Rostlinné
Nejvíce se používají bílkoviny sóji – jsou vedlejším produktem při výrobě sojového oleje.
Vyrábí se prakticky ve třech jakostních druzích (podle obsahu bílkovin):
obohacená sojová mouka – obsahuje asi 50 % bílkovin
sojové koncentráty – obsahují cca 70 % bílkovin
sojové isoláty – obsahují cca 90 % bílkovin
Další používanou bílkovinou je pšeničná bílkovina – lepek. Je to vedlejší produkt při výrobě
škrobu. Je to levný přípravek, který však nemá nejvhodnější vlastnosti jak po stránce nutriční
hodnoty, tak i po stránce technologických vlastností.
V praxi se zkouší další druhy bílkovin: z hrachu, slunečnice, řepky, bavlníkových semen,
brambor apod.
2. Živočišné
Z živočišných bílkovin nacházejí největší uplatnění bílkoviny mléka. Nejdostupnější je
sušené mléko – obsahuje asi 33 % bílkovin a 55 % laktosy. Právě vysoký podíl laktosy
způsobuje problémy při jeho aplikaci. Při vyšším přídavku se uplatňuje sladká chuť laktosy a
při zahřívání na vyšší teploty, např. při sterilaci konserv, dochází k hnědnutí výrobku tzv.
Maillardovou reakcí. Proto je snaha připravit různé koncentráty s obsahem bílkovin 70 až
90 % a s nízkým obsahem laktosy. Nejužívanější je kaseinát sodný.
Proti bílkovinám sóji mají bílkoviny mléka tu výhodu, že zřetelně neovlivňují chuť výrobku,
avšak při přídavku vyšším jak 2 % dochází k vybělení barvy. To je však možné kompensovat
přídavkem stabilisované potravní krve v množství 0,3–0,5 %.
Bílkovinné přísady se využívají hodně v masném průmyslu a to zejména z těchto
důvodů:
1. Zvýšení nutriční hodnoty masných výrobků
nutriční hodnota se posuzuje podle obsahu essenciálních AMK
- 19 -
vysoká nutriční hodnota: bílkoviny živočišného původu (svalové bílkoviny, bílkoviny
krve, mléka, vajec)
bílkoviny rostlinného původu mají nižší obsah essenciálních AMK (zejména lysinu) a
AMK obsahujících síru
vhodného poměru AMK lze dosáhnout kombinací surovin – např. bílkovin pšenice a
sóji: pšeničná bílkovina obsahuje sirné AMK a sojová bílkovina obsahuje lysinu
2. Zlepšení technologických vlastností zpracovávání suroviny
modifikace textury (konsistence) masného díla
při nevhodném poměru tuku a bílkovin dochází k problémům s homogenisací masného
díla
je vhodné používat bílkoviny, které mají podobné vlastnosti jako hlavní svalové
bílkoviny (aktin a myosin) – zejména živočišného původu
bílkovina má být dobře rozpustná v solných roztocích, má tvořit viskosní roztok a
během tepelného opracování má zkoagulovat a vytvořit pevný gel
3. Modifikace sensorických vlastností
mění se dosti výrazně přídavkem bílkovinných přísad
se stoupajícím přídavkem bílkovinné přísady dochází:
- ke změně barevného odstínu
- k poklesu intensity masné chuti, případně i k její odchylce
více jak 2 % přídavek sojové bílkoviny způsobuje odchylku chuti: masný výrobek
dostává luštěninovou chuť
4. Úprava ceny
1.3.2 Proteinové filmy
Proteiny jako biopolymery z obnovitelných zdrojů představují ekonomicky a ekologicky
výhodnou surovinu. Některé potenciální aplikace produktů na bázi bílkovin
v potravinářství:
obaly a povlaky potravin, separační vrstvy
střívka (casings, sáčky)
potravinářské fólie a filmy, nálepky
- 20 -
mikrokapsule pro potravinářská additiva
1.3.2.1 Výhody proteinových filmů
Jedlé obaly potravinářských výrobků, meziproduktů nebo polotovarů plní několik
funkcí a mají mnoho výhod:
mohou být konsumovány společně s potravinou
jsou z obnovitelných zdrojů a jsou biodegradabilní
poskytují dodatečnou nutriční hodnotu
bariéra proti vlhkosti, proti působení O2 a oxidaci (hlavně tuků)
bariéra proti nežádoucím plynům, zápachům
bariéra proti aromatickým látkám – většina aromatických látek jsou totiž molekuly
podobné organickým rozpouštědlům (alkoholy, estery, ketony, aldehydy) mající nízkou
molekulovou hmotnost a poměrně rychle prchající z výrobku
bariéra proti penetrujícímu tuku a vlhkosti z vnitřních částí potravin
ochrana proti mikroorganismům
nosič potravinových additiv (tzv. aktivní obaly): antioxidantů, antimikrobik,
chuťových látek, barviv, výživných látek a dalších
mohou sloužit jako teplotní indikátory nebo jako indikátory přemnožení nežádoucí
mikroflóry či vzniku nežádoucích látek (barevnými změnami indikátoru)
ochrana proti mechanickému poškození
zlepšené organoleptické vlastnosti, např. vzhledu výrobku (zejména lesk), vůně atd.
zlepšená strukturní integrita výrobku
zvýšená trvanlivost výrobku
redukce hmotnosti a objemu obalového materiálu, což přináší ekonomické výhody
- 21 -
Jedlý polymerní povlak na jahody (připraven máčením), úbytek hmotnosti vzorků
[Povlak připraven z hydrolysátu amarantové mouky - 50 % (w/v)]
▬▬▬▬▬R Vzorek bez povlaku ▬▬▬▬▬ Vzorek s povlakem vytvořeným při 23 oC ▬ ▬ ▬ ▬ Vzorek s povlakem vytvořeným při 30 oC ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Vzorek s povlakem vytvořeným při 40 oC
Jedlý polymerní povlak na mrkve (připraven máčením), úbytek hmotnosti vzorků
[Povlak připraven z hydrolysátu amarantové mouky, 50 % (w/v)]
Fotografie: roztok povlaku; vzhled mrkví po 168 h skladování při 5 oC (nahoře bez povlaku,
dole s povlakem)
46 hod skladování bez povlaku s povlakem
140 hod skladování bez povlaku s povlakem
164 hod skladování bez povlaku s povlakem
50
60
70
80
90
100
0 40 80 120 160 200
Doba (hod)
Hm
otno
st v
zork
u (%
) Bez povlakuPovlak, fixace při 23 CPovlak, fixace při 30 CPovlak, fixace při 40 C
5060708090
100
0 25 50 75 100 125 150 175
Doba skladování (h)
Hm
otno
st (%
)
R
skladováno při 23 oC
- 22 -
Obaly přestanou být jedlými, pokud se při jejich zpracování použijí chemikálie
neschválené pro potravinářské a farmaceutické výrobky – viz např. seznamy FAO / WHO,
lékopisy.
Proteiny a prostředí, nejběžněji využívané pro přípravu jedlých proteinových
(biodegradabilních) filmů:
Protein Rozpouštědlový systém
Voda Kyselina/Voda Zásada/Voda Ethanol/Voda
Kolagen X Želatina X Rybí myofibrilární protein X X Keratin X Vaječný albumin X Kasein X Syrovátkový protein X Kukuřičný zein X Čirokový kafirin X Pšeničný gluten X X Protein rýže X X Sojový protein X X Arašidový protein X X Protein bavlníkového semene X
V obalové technice se používají:
a) fólie (filmy) – vyrábějí se samostatně a poté se aplikují k balení a ochraně potravin,
farmaceutických, kosmetických a jiných výrobků
b) povlaky – vytvářejí se přímo na povrchu obalovaného materiálu, jsou jeho součástí a
spolu s ním se konsumují
1.3.2.2 Složení proteinových filmů
Proteinové filmy a povlaky obsahují další modifikátory. Jde především o polysacharidy a
lipidy. Často je nezbytný přídavek změkčovadla, aby se omezila křehkost filmů. Další
přidávané látky jsou povrchově-aktivní látky, antioxidanty, antimikrobika a další. Národní i
nadnárodní standardy regulují obsahy těchto látek. Např. v USA musí být přesné složení
jedlých filmů a povlaků uvedeno na obalu výrobku. V případě povlaků na čerstvé ovoce a
zeleninu musí být toto složení vystaveno v těsné blízkosti výrobku.
- 23 -
Obvyklé složení filmu či povlaku založeném na proteinu:
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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 30 -
Denně jíme určité množství kolagenu, např. v mase, uzeninách, ve výrobcích obsahujících
jedlou želatinu apod.
Kromě konsumace různých druhů rozmanitě upraveného masa z potravin se zpracovává
také kolagen z odřezků hovězích a vepřových kůží ve formě rozmělněných kousků nebo
kolagenových gelů. Používají se např. do salámů, tlačenek, jaternic, jelit atd.
Kolagen obsahuje relativně nízké množství některých esenciálních AMK (tyrosin),
některé mu chybí (tryptofan), nadbytek glycinu a argininu, proto je nutné obsah kolagenu
v potravinářských výrobcích limitovat předpisy.
2.1.1 Úvod
Kolagen je hlavní bílkovinou kůže, kostí, šlach a dalších forem pojivových tkání a
vzhledem ke svému hojnému výskytu je předmětem zájmu potravinářského využití.
Potenciální možnosti využití kolagenu v potravinářství jsou: pojidlo, plnivo, nastavovalo,
zvlhčovač, dodání žádoucího tvaru a struktury, zvýšení výživové hodnoty.
Kolagen využívaný v potravinářských aplikacích musí splňovat vysoké požadavky kladené
na stupeň čistoty.
2.1.2 Kolagen ve výživě
V posledních letech narostl zájem o nutriční využití kolagenu a to v souvislosti
s redukčními dietami. Kolagenu chybí některé essenciální aminokyseliny (tryptofan), ale
má nadbytek glycinu a arginin. To může v případě nevyváženého nasazení takových diet vést
k nevyváženosti stravy a tím k nežádoucím doprovodným jevům (a to rovněž i v případech,
že se kolagenní základ diet obohatí o tryptofan), např.:
srdeční arythmii
hypoglycaemii – snížení hladiny glukosy v krvi
dehydrataci
svalové slabosti
život ohrožující ztrátě hmotnosti
- 31 -
Lékařské studie doporučují kolagenem nahrazovat potřebné bílkoviny maximálně do
30 %. Totéž platí pro léčení obesity, kde se větší množství kolagenu nedoporučuje. Vzniká
snaha nalézt takovou kombinaci neplnohodnotných bílkovin (např. sója či kasein) doplněnou
kombinací esenciálních aminokyselin, která bude ekvivalentní plnohodnotné bílkovině. Nebo
nalézt v podstatě ideální kombinaci bílkovin.
Bílkoviny patří mezi essenciální složky stravy (které si tělo neumí vytvořit). Je nutná
vyvážená dusíková bilance = příjem a výdej. Dusík metabolisovaných bílkovin se vylučuje
močí. Minimální příjem bílkovin je 0,5 g/kg tělesné hmotnosti/den. Uvádí se, že minimem je
30 g/den, optimum je pak kolem 60 g/den. Je tedy nutné zajistit takové složení potravy, které
zajistí tělu dostatečný přísun bílkovin.
Plnohodnotná bílkovina = obsahuje všechny essenciální aminokyseliny
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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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“.
- 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
- 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:
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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:
- 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.
- 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
- 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
- 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“.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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
- 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,
- 61 -
začínají kolagenní molekuly agregovat na vlákna. Rozpustnost kolagenu klesá s rostoucí
velikostí agregujících molekul.
Gelová forma je stupeň mezi kapalinou a tuhou fází. Za gel lze tedy považovat
jakoukoliv formu mezi hustě viskosní kapalinou a vysoce koncentrovaným fysikálním stavem
připomínajícím kaučuk nebo tmel. Kolagenní gely vznikají z roztoků, jejichž pH bylo
upraveno nad nebo pod isoelektrický bod kolagenu. Kolagen může být také vystaven
chemické modifikaci, při níž se upraví jeho náboj (kladný nebo záporný). Např. nativní
kolagen v isoelektrickém bodě (pH 7) je rozptýlený ve vodě. Úpravou pH prostředí na 3
rozptýlená vlákna přejdou v gel.
2.2.1.2 Kolagenní vlákna, folie, membrány
Kolagenní vlákna se připravují extrusními technikami. Nejdříve se připraví kolagenní
roztok nebo disperse o koncentraci 0,5–1,5 % (w/v). Kolagen je poté vytlačován do
koacervační lázně obsahující vysoce koncentrovaný roztok soli nebo vodný roztok o pH
isoelektrického bodu kolagenu. Takto připravená vlákna se vyznačují pevností až 30 MPa.
Kolagenní membrány se vyrábějí sušením kolagenního roztoku nebo disperse
vláknitého kolagenu odlitých na nepřilnavé podložky. Tloušťka membrány se reguluje
koncentrací a počáteční tloušťkou odlitého roztoku či disperse. Většinou se tloušťka membrán
do 0,5 mm dosahuje prostým vysušením filmu na vzduchu. Obvykle se membrány dodatečně
načiňují, aby se omezila jejich rozpustnost. Membrány připravené litím jsou neporesní, jsou
amorfní a vykazují minimální permeabilitu.
Porésní membrány se většinou připravují lyofilisací (=odstraňování rozpouštědla za
sníženého tlaku ze zmrazeného roztoku) odlitého roztoku kolagenu. Struktura pórů je závislá
na koncentraci kolagenu v roztoku či dispersi, dále na rychlosti vymrazování či na velikosti
vláken v dispersi. Velikost pórů se pohybuje obvykle v rozmezí 50 až 1.500 μm. Aby se
stabilisovala struktura poresní matrice, je nutné tuto dodatečně zesíťovat. To se provádí
parami těkavého síťovala (např. formaldehyd či glutaraldehyd).
Chirurgické šicí nitě se vyrábějí z kolagenové tkáně střev některých zvířat, které jsou
daleko více resorbovatelné, než synthetické nitě.
- 62 -
Šicí materiál sloužící k uzavírání ran musí splňovat některé požadavky:
vlákno musí být dostatečně pevné, nesmí se přetrhnout ani při hrubší manipulaci
(dotahování uzlů)
vlákno nesmí být příliš hrubé, nesmí ani příliš klouzat
materiál nesmí být příliš ssavý, neboť vysoká ssavost usnadňuje šíření infekce
materiál by měl mít minimální antigenní potenciál – materiály z přírodních zdrojů
mohou v některých případech vyvolávat alergické reakce
Používají se jak hovězí střívka (která mají vyšší pevnost), tak skopová a kozí tenká střívka
z čerstvě poražených zvířat, která se konservují solí. V jedné partii musí být střívka
vyrovnané skupiny zvířat: stejné plemeno, věk, stupeň výživy. Střívka musí být vyjmuta hned
po poražení zvířat, jejich obsah vyprázdněn, musí být propláchnuta. Vzhledem k tomu, že se
střívka skládají ze tří vrstev, musí být zbavena vnější a vnitřní vrstvy a jiných součástí.
Využívá se vrstva podslizniční, konservují se. Každá zásilka střev musí býti opatřena
veterinárním osvědčením. Kolagenová jemná šicí vlákna se získávají z kůží mladých zvířat do
2 let věku. Kolagenové nitě se mohou slabě načinit a použít při šití implantátů poškozených
cév a asterií. Průměr šicích nití se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1–0,9 mm. Konečná úprava
nití zahrnuje opracování roztokem vody a glycerolu, aby se snížilo tření. Pro praktickou
potřebu se nitě dodávají ve sterilním balení o potřebné délce připravené k šití.
Poznámka: Důkazy o sešívání ran na těle pochází z doby již 16 tisíc let před Kristem.
Nejčastěji se používala vlákna lněná, konopná, někdy také vlasy či dlouhá srst z ulovených
zvířat nebo lýko.
Resorpční čas – jde o čas, po kterém se sníží pevnost chirurgické nitě na polovinu
v důsledku působení proteolytických enzymů těla. Tento čas činí u běžné produkce 6–8 dnů
(např. nitě označené Cutgut – plain). U nití načiněných (např. nitě pod označením
Chromcutgut) je resorpční čas větší.
Poznámka: nebiodegradabilní šicí nitě se vyrábějí např. z vláken PA-6 či PP.
Kolagenové folie se používají buď jako přírodní vlákenné pletivo získané štípáním kůží
nebo jako netkané textilie.
Fólie získané štípáním kůží – nejčastěji se používají kůže z telat do 2 let věku nebo
z mladých vepřů. Seštípnutá kůže se zbaví nekolagenních složek alkalickým, kyselým nebo
- 63 -
enzymovým opracováním. Pak se vysuší vymrazením a sterilují se radiačně. Získané folie se
používají při léčbě popálenin.
Netkané kolagenní textilie – k jejich výrobě se používá velmi čistý kolagen, za mokra
rozvlákněný. Suspense jemných vláken se vysuší vymrazením a zpracuje se do rouna
technikou netkaných textilií a pak se sterilují radiačně. Rouna z kolagenu se dobře osidlují
buňkami tělesného vaziva a podporují revitalisaci pokožky. Zabraňují krvácení.
Folie z vláknitých dispersí – disperse vyčištěného kolagenu se protlačuje úzkou štěrbinou do
folie. Vysuší se a steriluje. Folie slouží k zakrytí ran. Mohou se do nich přidávat i baktericidní
přísady.
Scaffoldy mohou být vyrobeny technologiemi netkaných textilií, jako tkaniny, pleteniny,
2.2.1.3 Kolagenní pěny a prášky
Houby se připravují ze zpěněných roztoků želatiny a prášky se připravují zpráškováním
roztoku želatiny.
Houby se používají např. jako nosný materiál při chirurgických zákrocích na kloubech,
nebo jako krycí materiál otevřených ran, popálenin atd. Práškový kolagen lze použít i ve
spreji jako postřik při bandážování ran. Kolagenní pěny a prášky jsou během několika měsíců
resorbovány. Naproti tomu, přípravky zesíťované glutaraldehydem zůstávají mnohem déle,
protože podléhají dlouhodobé hydrolýse (závisí na pH, nejlepší je kyselé prostředí). Při
aplikaci na otevřené rány vytváří kolagenní pěna (houba) matrici, kterou prorůstá nově
vznikající tkáň. Kolagenní pěna se užívá také jako substrát pro ukládání minerálů
v poškozených kostech. Aplikuje se rovněž jako nosič antikoncepčních intravaginálních
prostředků.
- 64 -
Kolagenní pěny lze také připravit z hmoty, která je podobná hmotě, z níž se připravují
umělá klihovková střeva (Cutisin), ale má nižší obsah sušiny. Hmota se nalije na ploché desky
a nechá se vymrazit (lyofilisace). Vyrábějí se asi 1 cm silné destičky podobné
polystyrénovým, jejich struktura je dána krystalisací ledu. Pěny mají otevřené póry, vysokou
kapilární ssavost vody, což se využívá nejen v medicíně, ale i v kosmetice.
Houbovité resorbovatelné polymery – jsou polymery na bázi kyseliny mléčné a dají se
plnit rozpustným kolagenem z vepřové kůže (tzv. atelokolagen). Produkty slouží jako náhrada
pokožky. Tyto preparáty vykazují velmi dobré pevnostní vlastnosti a mají dobrý účinek při
zastavování krvácení.
2.2.1.4 Kolagenní kloubní preparáty
Kolagen je základní stavební látka pro klouby a kosti. Kostra člověka je ukázkou
vyspělé architektury přírody. Více než 200 kostí spojuje přes 100 pohyblivých kloubů, které
spolu tvoří velmi dobře organisovaný a funkční systém dokonalé opory těla.
Kostní tkáně průběžně vyměňují své základní stavební jednotky, tj. kolagen (bílkoviny) a
minerální látky, hlavně vápník. Chrupavka a kloubní výstelka je díky kolagenu velmi pevná a
elastická. Chrupavka je relativně jednoduchá tkáň, neobsahuje nervy a cévy. Proto klouby
dokáží odolat tlakům, které mnohonásobně převyšují hmotnost těla a odpruží i velkou
dynamickou zátěž spojenou s náročným pohybem, např. při těžké fysické práci, sportu apod.
Klouby člověka jsou často zatěžovány více, než unesou. Prevencí proti opotřebování
kloubů je dodávání cílených dávek kolagenu a vápníku pomocí vhodných preparátů proti
artrose (předčasné opotřebení kloubů) a osteoporose (řídnutí kostí).
Vhodnými přípravky proti artrose jsou různé kolagenní látky získané např. z mořských
živočichů, kůží atd. Tyto přípravky zabraňují destrukci chrupavčité hmoty a vysychání
kloubního mazu, působí regeneračně účinnou obnovou kolagenních buněk.
Stav kloubní chrupavky v různých stádiích opotřebení je znázorněn na obrázku:
1 … neopotřebovaná kloubní chrupavka
2 … kloubní chrupavka s počínající destrukci chrupavčité hmoty
3 … kloubní chrupavka s pokročilou destrukci chrupavčité hmoty
- 65 -
Kolagenní přípravky obsahují:
Kombinaci 20 aminokyselin, které jsou základem nosných typů kolagenu:
Kolagen typu I – kosti, svaly, aorta, kůže, šlachy
Kolagen typu II – chrupavky
Kolagen typu III – svaly, aorta, kůže
Kolagen typu XI – chrupavky
Důležité jsou zejména tyto aminokyseliny:
a) prolin + lysin: pro restrukturalisaci a obnovu pojivových tkání a celé kostry
b) L-methionin + cystein: pro zvýšení odolnosti a výkonnosti chrupavčitých a kostních
tkání
c) arginin: pro podporu biosynthesy kolagenu a rychlé hojení tkání
d) glycin: pro zajištění stability a pevnosti kolagenovým vláknům kloubní výstelky a kostí
e) phenylalanin: pro budování svalových úponů zpevňujících oporový aparát (klouby a
kosti)
Biogenní látky: Ca, Mg, Fe
- 66 -
Další regenerační komponenty:
a) glukosamin: významně stimuluje novou tvorbu kolagenu a tak velmi účinně přispívá
k obnově, restrukturalisaci a k celkové vitalisaci kloubních i kostních tkání
b) chondroitin: podílí se na protizánětových procesech a tak pomáhá omezit bolestivost
kloubů a uchovat jejich zdraví
c) MSM (methylsulfonylmethan – organická sirná sloučenina): ovlivňuje metabolismus
kloubních i kostních buněk a přispívá k lepšímu využití živinných látek a zabudování
kolagenu
d) GAG (glykosaminglykany): působí protizánětlivě a účinně podporují kolagenní
výstavbu kloubní i kostní tkáně
Kolagenní přípravky nemají vedlejší nežádoucí účinky a jejich užívání je snadné (většinou
ve formě tobolek).
2.2.2 Vlastnosti kolagenu pro lékařské aplikace
Kolagen jako biopolymer je významným resorbovatelným materiálem používaným
v medicíně a na jeho vlastnosti jsou kladeny vysoké nároky.
2.2.2.1 Biokompatibilita
Vzhledem k tomu, že primární struktura hovězích kolagenních molekul je podobná
lidskému kolagenu, lze předpokládat, že in-vivo degradace hovězích kolagenních produktů
bude probíhat u příjemce (pacienta) obdobně jako proces hojení ran. Z lékařských studií je
prokázáno, že kolagenní produkt je v průběhu času resorbován tělem příjemce. Enzymy
těla začínají štěpit kolagenní molekuly z jejich C-konce, přičemž tyto jsou nejprve rozštěpeny
na dvě menší šroubovice, které jsou při tělesné teplotě nestabilní a jsou tak následně
denaturovány na náhodně svinuté polypeptidy. Takto vzniklé polypeptidy jsou dále
rozštěpeny proteásami na krátké peptidy a aminokyseliny, které jsou poté metabolisovány
běžnými cestami.
In-vivo stabilitu preparátů je možné ovlivnit změnou hustoty a stupně intermolekulárního
zesíťování. Jako síťovala slouží zejména formaldehyd, glutaraldehyd, hexamethylen
diisokyanát. Množství takto vytvořených chemických příčných vazeb ovlivňuje teplotu
smrštění zesíťovaného preparátu a tím i stupeň jeho stability.
- 67 -
I přesto, že se při přípravě přečištěných forem kolagenu přísně dbá na čistotu, může se stát,
že během náročného způsobu přípravy dojde ke kontaminaci nežádoucími složkami, např.
solemi či síťovadly. Proto každá forma kolagenu určená pro medicinální aplikace podléhá
testům biokompatability podle mezinárodní směrnice ISO-10993 (Biological Evaluation of
Medical Device).
2.2.2.2 Fysikální vlastnosti
Objemová hustota – je definována jako hmotnost suché formy vztažená na jednotku objemu
formy. Je tedy přímým ukazatelem množství pórů v materiálu a ovlivňuje mechanickou
pevnost formy kolagenu.
Pórovitost – lékařskými studiemi bylo zjištěno, že k optimální regeneraci kolagenních
preparátů do tkání dochází tehdy, když se velikost pórů pohybuje v rozmezí 100–400 μm.
Větší póry znamenají rychlejší resorpci preparátu.
Mechanické vlastnosti – jsou významné zejména v případě aplikací kolagenních preparátů
na regeneraci kloubů. Pevnost kolagenního substrátu musí být taková, aby tento odolal
zatěžujícím silám vznikajícím při činnosti kloubů.
Permeabilita – je významná pro transport živin z těla do kolagenního preparátu přímo
ovlivňující jeho úspěšnou adaptaci na tělo příjemce.
2.2.3 Závěr
Medicinální aplikace kolagenu narůstají. Objevují se nové myšlenky a nové produkty.
Často se pracuje s kolagenem definované molekulární struktury, aby se dosáhlo potřebných
fysikálních vlastností (např. index lomu pro aplikaci na oční čočky, nebo náhrady sklivce,
speciální prothesy apod.).
Výhodou je, že kolagenová vlákna a matrice jsou výborným substrátem pro napojení a
vrůstání buněk. Napomáhá tomu hlavní protein membrán fibrogenních buněk – fibronektin,
který reaguje s kolagenem tak, že kolagenní pěna, prášek, vlákna aj. se rychle osidlují
buňkami, které se podílejí na regeneraci tkáně. Mimo to, také brání penetraci bakterií do
poškozené tkáně (např. při léčbě popálenin).
- 68 -
Přehled aplikací kolagenu v medicině:
Oblast humánní mediciny Aplikace
Neurochirurgie
Kolagenní trubice jako obal nervových transplantátů Kolagenní membrány
Otologie
Kolagenní film jako náhrada bubínkové membrány
Vaskulární oblast Kolagenní trubice v myokardické revaskulaci Prothesy na basi kolagen – dakron
Orthopedie
Reparace zlomenin (čepy na spojování kostí) Kolagenní prášek při ošetření kostí Kolagenní pěna při rekonstrukci arteriálních chrupavek Roztoky kolagenu a léčba zlomenin
Ofthalmologie
Kolagenní membrány jako rouby rohovky Kolagen jako náhrada sklivce Roztoky pro podporu slzení Kolagenní pásky pro odchlíplou sítnici Kolagenní film pro znovu připojení příčného svalu
Urologie Kolagenní dialyzační membrány Želatinové pěny (houby) pro chirurgii měchýře
Dermatologie Přírůstek tkáně
Obecně Kolagenní sítě pro chirurgii kýly Gelové trubice pro intestinální anastomosu (spojení střev) Kolagenní obvazy Kolagenní pěny pro obvazování ran, pro ošetření otevřených infikovaných ran
Chirurgie (vč.hrudníku a srdce)
Léčba velkých poškození tělného povrchu Podpůrné elementy Dočasné kryty kůže (např. po popáleninách) Kolagenní trubice jako náhrada trachei Kolagenní mřížky (sítě)
Plastická chirurgie Kolagenní film pro chirurgii kožních defektů Kolagenní gely při léčení bércových vředů Pěny jako náhrada plosky nohy a jejího tvaru
Zubní lékařství
Kolagení gely Ukotvení zubnice
Gynekologie
Kolagenní vlákna při rekonstrukci pánevního dna
- 69 -
Kolagennní (atelokolagenní) výrobky pro lékařské aplikace membrány plstě obvazy čípky
Čípky Plstě
Tampóny Trojúhelníky
Fólie / membrány Obvazy
- 70 -
Charakteristika těchto produktů:
vyrobeny z hovězího kolagenu (typu I) pocházejícího výhradně z jatečného dobytka
veterinárně zkontrolovaného, který je speciálně přečištěn a modifikován (zbaven
immunogenních telopeptidů) - jedná se 99,9 % nativní (nezesíťovaný) kolagen
jsou sterilní a použitelné do infikovaných ran
nepodporují růst mikroorganismů (protože obsahují méně než 0,1 % nekolagenních
bílkovin)
po aplikaci si udržují kompaktnost obvykle po dobu 2 až 3 týdnů
během 4 týdne po aplikaci se začínají rychle vstřebávat (protože během hojení se
začínají aktivovat tkáňové kolagenásy, které atelokolagen hydrolysují
kompletní biologická resorbace do 6 měsíců po aplikaci
rychlá adaptace k defektům (obsahují hydrofilní skupiny)
snižují risiko rozevření ran
v důsledku dobré adhese urychlují hojení rozevřených ran
při aplikaci je možné je uchytit šitím či svorkami
při orálních aplikacích je doporučeno omezit intensivní orální hygienu a nahradit ji
antibakteriálním vyplachováním
u osob citlivých na hovězí kolagen jest možná alergická reakce
skladování je doporučeno v rozmezí –25 oC až 40 oC na suchém místě bez výparů
těkavých rozpouštědel s ochranou před přímým slunečním zářením
Některé typické oblasti použití:
haemostatické aplikace (zastavování krvácení)
léčba kožních defektů
léčba popálenin
léčba povrchových zranění kůže
krytí citlivých povrchů těla
výplň tělních dutin
oční chirurgie
ORL
gynekologie
stomatochirurgie
- 71 -
Haemostatické aplikace (zastavování krvácení):
obvaz (případně jiná forma) se přitlačí k ráně
k zastavení krvácení dojde za 2 až 6 minut
výhodou je, že dochází k výrazně nižším ztrátám krve, než při použití jiných přípravků
Atelokolagenní obvaz Jiné typy obvazů (celulosa)
V medicíně se používají také textilie vyrobené ze základních vlákenných materiálů, např.:
bavlna
hedvábí
chitosan
kyselina polymléčná
Některé aplikace zdravotnických textilií:
obvazy, bandáže, náplasti
šicí nitě
pleny, ručníky, ubrousky
- 72 -
2.3 Hydrolysáty kolagenu
2.3.1 Výroba hydrolysátů kolagenu
Na výrobu hydrolysátu kolagenu lze použít odpady masného průmyslu a kožedělného
průmyslu. Lze použít kyselou, alkalickou a enzymovou hydrolýsu.
Celosvětová produkce hydrolysátů kolagenu je cca 80.000 tun/rok.
V současné době je favorisována enzymová hydrolýsa, zejména v důsledku výrazně nižší
spotřeby chemikálií a menší energetické náročnosti, než je tomu v případě kyselé, respektive
alkalické hydrolýsy.
Blokové schéma zpracování usňových odpadů ve 3 stupních je znázorněno na obrázku:
a) v 1. stupni je usňový odpad zpracován ve vhodném alkalickém prostředí, které zajistí
„otevření struktury usně“
b) ve 2. stupni je, po úpravě pH, přidán proteolytický enzym, který, v důsledku „otevřené
struktury“, snadněji difunduje do usňového materiálu a dochází k rozrušování peptidických
vazeb
c) ve 3. stupni je pH prostředí upraveno do mírně kyselé oblasti, která umožní snadnou
separaci proteinového hydrolysátu a zbylého chromitého kalu filtrací
Poznámka: po 1. stupni zpracování je možné filtrací získat tzv. želatino-protein, který se
vyznačuje solidními hodnotami pevnosti gelu a ve 2. a ve 3. stupni zbylý filtrační koláč
podrobit enzymovému zpracování k získání kolagenního hydrolysátu.
Filtrace Kolagenní hydrolysát Chromitý kal
Usňový odpad Mletí 1. stupeň zpracování = otevření struktury (alkalické prostředí)
2. stupeň zpracování = rozklad (proteolytický enzym) Úprava pH
3. stupeň zpracování = úprava pH prostředí
- 73 -
2.3.2 Aplikace hydrolysátů kolagenu
2.3.2.1 Potravinářský průmysl
Hydrolysáty pro potravinářské účely se dodávají jako tzv. natrávené bílkoviny a
obsahují štěpné produkty bílkovin. Přípravky jsou různé, podle způsobu přípravy, stupně
odbourání původní bílkoviny, složení, čistoty a smyslových vlastností.
Objevitelem zajímavých chuťových vlastností bílkovinných hydrolysátů je švýcarský
mlynář J. Maggi (1890). Hydrolysát kolagenu se od té doby používá zejména jako kořenící
směsi, např. do polévek, omáček, salátů a dalších pokrmů. Účelem je zlepšení chuti,
aromy a výživné hodnoty (když se zvolí žádaný poměr essenciálních AMK). Japonský
chemik R. Ikeda označil za hlavní a účinnou složku bílkovinných hydrolysátů kyselinu
glutamovou (kyselý glutaman amonný), která určuje jejich smyslové vlastnosti. Tradičním
výrobcem hydrolysátů bílkovin pro potravinářské účely je v Č.S.R. firma Vitana.
Hydrolysované kolagenní přípravky mohou sloužit jako náhrada sušeného mléka
v masových emulsích.
Hydrolysáty kolagenu se úspěšně aplikují do nápojů z mléka, aniž by došlo ke zhoršení
celkové stability nápoje. Reguluje se jimi také viskosita ovocných nápojů.
Kolagenní hydrolysáty se dále aplikují jako nosiče antioxidantů. Aplikací takového
povlaku např. na masné výrobky dojde k zefektivnění účinku antioxidantů, než když tyto byly
aplikovány přímo na masný výrobek. Masný výrobek takto ošetřený vykazuje nižší stupeň
oxidace tuků, což se při laboratorních analýsách projeví poklesem peroxidového čísla a
thiobarbiturového čísla.
Kromě kolagenních hydrolysátů připravených z kožních zdrojů se používají i další
suroviny. Z živočišných to je kasein, odtučněné lojové a vepřové škvarky, rohovina, a sušený
vaječný albumin. Z rostlinných surovin pak pšeničný lepek, sojové, arašidové a slunečnicové
výlisky a řepkové semeno.
- 74 -
2.3.2.2 Výroba tensidů
Princip jejich výroby je znám od roku 1930. Kolagen musí být hodně rozštěpen –
molekulová hmotnost má být do 800 Da (jde o polypeptidy s 6–8 aminokyselinami).
Kondensací hydrolysátu s chloridy mastných kyselin vzniknou tensidy tzv. Lameponového
typu. Později byly chloridy mastných kyselina nahrazeny alkylsulfochloridy,
alkylsulfokyselinami a podobnými látkami. Reagují s aminokyselinami hydrolysátu a tvoří
hydrofobní složku tensidu. Předností takto připravených tensidů je dobrá povrchová aktivita,
vysoké detergenční schopnosti a tvorba pěny. Mají také příznivé dermatologické vlastnosti,
např. nízkou kožní dráždivost.
Povrchově aktivní látky (PAL) z hydrolysátů kolagenu se používají jako přísada do pracích
prášků, šamponů a jiných kosmetických přípravků.
2.3.2.3 Růstové stimulátory
Růstové stimulátory (hnojiva) se dodávají na trh jako kapalné koncentráty nebo jako
pevné substráty. Jedná se o kolagenní hydrolysáty vyráběné hlavně z chromočiněných
postružin s přidanými mikroelementy aktivující výživu a růst rostlin. Principem přípravků je
optimální kombinace vlastností proteinové báze (obsah dusíku), některých makroživin a
mikroelementů v poměrech doporučených odborníky na výživu rostlin.
Odhaduje se, že cca 250.000 tun kolagenních hydrolysátů za rok se využije jako hnojiva.
Přípravky mají tyto vlastnosti:
obsahují mikroelementy (např. Cu, Zn, Mn, Mo, Ti atd.), které podporují růst rostlin
vykazují povrchově aktivní vlastnosti – působí jako přírodní smáčedlo a umožňují lepší
kontakt složek roztoku s povrchem listů
omezují smývání přípravků z povrchu rostlin
účinné složky jsou přijímány listy i kořeny a v půdě jsou využívány i půdními
mikroorganismy
vzhledem ke své přírodní podstatě jsou ekologicky nezávadné, netoxické
umožňují tvorbu reprodukčních orgánů rostlin a zlepšují jejich vyzrávání
usnadňují příjem a distribuci minerálních živin
- 75 -
rostliny jimi ošetřené mají tzv. antistresové účinky (odolnost vůči výkyvům počasí
apod.)
2.3.2.3.1 Kapalné růstové stimulátory
Kapalné růstové stimulátory se používají k aktivisaci růstu obilnin, zeleniny, okrasných
rostlin, trávníku, chmele, řepky atd.
Aplikací růstových stimulátorů, jejichž báse je založena na hydrolysátech kolagenu, je
možné dosáhnout v průměru 5 až 10 % navýšení výnosu agroprodukce. Tyto přípravky
vykazují navíc kladný vliv na půdní vlastnosti (kvalita a obsah humusu), které jsou přičítány
jejich schopnosti aktivizovat půdní mikroflóru.
Přípravky se dodávají v baleních vhodných pro velkoodběratele (obvykle 10 až 800 litrové
balení), tak i pro maloodběratele (balení do 1 litru). Přípravky se aplikují obvykle postřikem.
Průměrné složení kapalných přípravků:
Sušina 30 – 40 %hmotn. Dusík (celkový, podle Kjeldahla) 40 – 70 g/l MgO 30 – 40 g/l Hustota 1,1 – 1,2 g/ccm pH 5,1 – 6,1 Obsah mikroelementů (přibližně)
Fe 2 g/l
Zn 0,6 Mn 1 Mo 0,02 Cu 0,6
Obsahy těžkých kovů (maximálně)
Hg 0,1 ppm
Cd 1 Pb 10 Cr 50 As 5
2.3.2.3.2 Pevné růstové stimulátory
Pevné růstové stimulátory se používají k aktivisaci růstu např. zeleniny a okrasných
rostlin. Dávkují se přímo ke kořenovému systému rostliny.
K přípravě pevných růstových stimulátorů se používá kapalný koncentrát, který se mísí
s vhodným substrátem (např. v poměru 1 : 9) a ze vzniklé kaše se formují hnojivové
- 76 -
tyčinky. Jako substráty jsou vhodné jílové minerály s dostatečnou sorpční kapacitou, přičemž
v našich podmínkách (Česká republika, respektive Slovenská republika) se jedná zejména o
dva druhy, zeolit a bentonit. Hnojivo je typu NPK (dusík-fosfor-draslík), obsahující živiny
nezbytné pro zdravý růst a vývoj rostlin. Mimoto, obsahuje také hořčík. Obsah dusíku je
nezbytný pro dobrý růst rostlin, sytého zeleného zabarvení listů a pro tvorbu nových výhonků.
Fosfor podporuje především tvorbu kořenů a významně ovlivňuje tvorbu květů a plodů.
Draslík je důležitý pro transport sacharidů a pro hospodaření s vodou. Hnojivo s obsahem
K má tzv. „antistresové“ účinky, protože draslík vytváří pevné buněčné stěny rostlin a tyto
jsou pak více odolné proti výkyvům počasí, např. mrazu a také vůči některým nemocem.
Hořčík je nezbytný pro tvorbu chlorofylu, jeho nedostatek se projevuje blednutím a
zbarvováním listů do žluté barvy a tmavě zelenými žilkami listů rostlin.
U takto připraveného pevného růstového stimulátoru dochází k významné redukci již tak
nízkého obsahu chrómu (v kapalném hydrolysátu).Toto hnojivo se úspěšně používá pod
kořenový systém rostlin bavlníku a zeleniny např. ve Vietnamské socialistické republice.
Obrázky roztoku kolagenního hydrolysátu a hnojivových tyčinek:
- 77 -
Průměrné složení kolagenního hydrolysátu:
2.3.2.4 Mikroenkapsulace v zemědělství
Na moderní zemědělství jsou kladeny požadavky na zvýšení výnosů sklizně, zlepšení
kvality úrody a ekonomiku produkce. K dobrému hospodaření přispívá zejména složení půdy
a hnojiva, sluneční záření, vítr a vlhkost. Významné je také použití fungicidů (přípravky na
hubení patogenních hub), pesticidů (přípravky na hubení škůdců), insekticidů (přípravky na
hubení hmyzu) a herbicidů (přípravky proti nežádoucím rostlinám). Nevhodné dávkování
umělých hnojiv a ochranných přípravků může mít katastrofické následky. V případě
jednorázové dávky přípravků vzniká riziko předávkování nadbytečnou koncentrací
účinné látky v půdě. Druhým rizikem je nebezpečí vyplavení do kořenové zóny plodiny a
tím nechtěná fytotoxicita a zkrácení doby účinku na cílené plevele. Kontrolované
uvolňování těchto přípravků je možné zajistit použitím mikrokapsulí s polopropustnou
membránou umožňující dlouhodobé postupné uvolňování hnojiv a dalších aktivních složek.
Proto se provádí uzavření účinné látky do mikrokapsulí o různé velikosti s řízeným
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
- 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
- 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.
- 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
- 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%,
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 90 -
Pacienti je po zvlhčení povrchu v ústech snadno polykají. Positivně ovlivňují chuť.
Zpomalené rozpouštění kapsle umožňuje dosáhnout konstantní koncentrace farmaka v krvi.
Tvrdé želatinové tobolky se dodávají v několika velikostech, označených většinou čísly,
která udávají vnitřní objem tobolek. Vnitřní objem tobolek se obvykle pohybuje od 0,1 ml do
2 ml.
Typy vyráběných želatinových tobolek:
a) původní želatinové tobolky
mají hladké stěny
obě části tobolky (tělo a uzávěr) je nutné slepit páskem želatiny, aby nedošlo při
manipulaci k jejich otevření
b) tobolky lock – caps
tělo a uzávěr do sebe přesně zapadají a minimalisuje se tak otevření tobolky
c) tobolky coni – snap
tělo a uzávěr mají v částech, v nichž se do sebe nasouvají, mírně kónický tvar, čímž se
usnadní jejich vzájemné sesazení a více se minimalisuje risiko otevření tobolky
d) tobolky coni – snap – supra
uzávěr výrazně přesahuje tělo tobolky, z kterého je vidět jen zakulacené dno, a které se
nedá prsty ani kleštěmi bez zmáčknutí zachytit, čímž se významně minimalisuje risiko
otevření tobolky
e) tobolky licaps
jsou určeny pro plnění kapalných látek a mají výrobní toleranci vnitřního objemu ±1 %
f) tobolky Eta – lock
mají v těle tobolky zabudovaný kanálek, kterým při nasazování víčka a uzavírání uniká
vzduch, což umožňuje zvýšit rychlost jejich plnění; v Č.R. tyto tobolky vyrábí např.
firma Noventis Zlín
- 91 -
Želatinová tobolka (Eta – lock):
Stroje na plnění tvrdých želatinových tobolek jsou založeny na dvou principech:
1. Krokový (starší)
U strojů krokových se do stroje vsypou prázdné želatinové tobolky, stroj separuje
jejich tělo a uzávěr, naplní tobolku, vyřadí vadně naplněné, tobolky uzavře a vypustí je do
zásobníku hotových tobolek. Nejmenší stroje mají výkon cca 1000 až 6000 tobolek / hodinu,
vysoce výkonné stroje jsou schopny vyrábět až 70.000 tobolek / hodinu.
2. Kontinuální (novější)
Tyto stroje jsou vysoce výkonné a naplní až 120.000 tobolek / hodinu. Používají se
k plnění jen práškových látek. Celý proces je automatisovaný a operace probíhají
v následujícím sledu: technologická příprava – přísun prázdných tobolek – plnění – transport
naplněných tobolek – odběr vzorků pro laboratorní kontrolu.
Součástí plnících strojů je kontrola správnosti plnění. Ve zvoleném cyklu se odebírají
naplněné tobolky, které se váží na přesných váhách (např. typu Sartorius nebo Mettler).
- 92 -
Pokud hmotnost neodpovídá, řídící počítač dá pokyn k úpravě hmotnosti náplně. Úplná
kontrola hmotnosti náplně spočívá v tom, že všechny tobolky prochází vážící buňkou a
automaticky se vyřazují nevyhovující tobolky. Celý proces automatického plnění tobolek je
dokumentován pro každou výrobní šarži plněného přípravku.
Naplněné želatinové tobolky je možné potiskovat, barvit, leštit, eliminovat jejich pach
apod.
Barva tobolek je vhodným identifikačním znakem a také výrazně působí na psychiku
uživatelů, proto např.
žlutá, oranžová a levandulová působí psychostimulačně a jsou vhodná pro
antidepresiva, psychofarmaka (= látky na časově omezenou dobu pozměňující psychiku
člověka v oblasti vnímání a vědomí)
šedá a tmavomodrá a jasně zelená jsou indiferentní
bílá je vhodná pro analgetika (= bolest tlumící prostředky)
Výrobci nabízejí tobolky v desítkách různých odstínů, čiré či matné, čímž odlišují různé
přípravky. Barvení tobolek se může provádět buď ve hmotě (želatinové) nebo se barví
tobolky vysušené, popř. i po expedici ze skladu. Barviva musí být zdravotně nezávadná a
rozpustná v ethanolu nebo ve vodě. Nejčastěji se používají barviva rozpustná ve vodě.
Z nerozpustných barviv se používají hlavně pigmenty (TiO2, oxidy železa). Barviva působí
také jako ochrana proti možné oxidaci léčiva světlem.
Typické složení směsi na tvrdé želatinové kapsle:
Želatina 30 % Voda 65 % Barviva 5 % Pigmenty dle potřeby Změkčovadla dle potřeby
3.2.2 Měkké želatinové kapsle
Měkké želatinové kapsle (SGC) jsou jednokusové, hermeticky uzavřené
kontejnery pro uchovávání kapalin, suspensí a polopevných látek. Na rozdíl od tvrdých
želatinových kapslí se do želatinového roztoku přidávají změkčovadla (glycerin,
propylenglykol, sorbitol) a kapsle jsou tak mnohem flexibilnější. SGC, podobně jako HGC,
jsou určeny především pro orální dávkování, nicméně je možné je také aplikovat vaginálně.
- 93 -
Poprvé byly měkké želatinové kapsle připraveny roku 1830 dvěma francouzskými
lékárníky. Podle jejich patentu se SGC připravily ponořením usňového váčku naplněného rtutí
do tekuté želatiny. Želatinový povlak se pak nechal ztuhnout, váček se odstranil a do
vytvořené želatinové kapsle se medikament nadávkoval pipetou. Kapsle se nakonec uzavřela
roztavenou želatinou.
V roce 1930 byl vynalezen rotační kontinuální způsob výroby SGC dovolující produkovat
hromadnou výrobu. V současné době většina strojů používaných na výrobu SGC pracuje na
principu rotačního kontinuálního způsobu. Princip je takový, že se dva gelové (rosolové)
filmy želatiny přivádí ke dvěma rotujícím lisovnicím, které mají velikost a tvar budoucí
kapsle. V místě, kde se rotující lisovnice setkají se v přesně načasovaném okamžiku mezi
želatinové pásy dávkuje aktivní látka; následně je kapsle vytvořena působením tlaku a teploty.
Výhody SGC: obvykle rychleji uvolňují enkapsulovanou látku, protože absorbují vodu
dovolují dávkovat velmi malé množství léku
enkapsulovaná látka může být dávkována s vyšší přesností
aktivní enkapsulované složky citlivé na oxidaci je možné ochránit jejich rozpuštěním či
dispergací v oleji uvnitř SGC
želatinová kapsle funguje jako přirozená bariéra proti oxidaci
maskuje nepříjemnou chuť či vůní aktivní složky
je možné vyrobit prakticky jakoukoliv velikost, tvar a barvu, čím je možné SGC snadno
identifikovat
jsou spotřebitelsky přitažlivé, snadno se polykají
Neýhody SGC: ve srovnání s tabletováním je výrobní proces pomalejší
obsluha složitého zařízení (rotační enkapsulační stroje) vyžaduje kvalifikované
pracovníky
v souvislosti s vyššími investičními náklady a vyššími nároky na kvalitní obsluhu
zařízení jsou SGC obvykle dražší než tablety
před vysušením mají SGC vysoký obsah vlhkosti, což způsobuje reakce mezi obalem
kapsle a aktivní složkou uvnitř
- 94 -
Schéma kontinuálního rotačního lisu na výrobu SGC:
Legenda:
A hadice dopravující želatinou B dávkovací trubice aktivní složky (např. léku) C čerpadlo aktivní složky D vedení aktivní složky E vstřikovací tryska aktivní složky F vodící válečky G gelový (rosolový) film H rotující lisovnice
I válce J dávkovač želatiny
Typické složení směsi na měkké želatinové kapsle:
Želatina 40 – 45 % Změkčovadla 30 – 35 % Voda 20 – 30 % Barviva dle potřeby Pigmenty dle potřeby
Na výrobu (SGC) jde asi 10% celosvětové produkce želatiny. Je-li původ želatiny
překážkou pro vegetariány či některá náboženství (židovské, hinduistické či islámské oblasti),
používá se želatina rybí, které se extrahuje např. z kůží mořských ryb (treska).
- 95 -
Do měkkých kapslí se dávkují náplně, které mají obecně hydrofobní charakter a
nenarušují tak stěnu kapsle. Procento vodného podílu by nemělo přesáhnout 5%. Dávkují se
např.:
a) kapaliny s vodou nemísitelné (přírodní oleje, aromatické uhlovodíky, estery, alkoholy)
b) suspense látek v kapalinách
c) roztoky látek v rozpouštědlech mísitelných s vodou
Měkké kapsle jsou nevhodné pro:
a) aldehydy – částečně síťují želatinu
b) proteolytické enzymy – želatinu hydrolysují
c) redukující cukry – způsobují hnědnutí (Maillardovy reakce)
d) těkavé látky – mohou migrovat přes želatinu nebo netěsnosti kapslí
e) silné kyseliny a zásady – destruují želatinu
f) látky nestabilní v přítomnosti vlhkosti (např. aspirin)
Nejběžnější aplikace měkkých želatinových kapslí:
1. Farmaka
analgetika (acetaminofenon)
protizánětlivá léčiva (např. Ibuprofen)
projímadla
léčiva proti kašli, nadýmání atp.
2. Potravinové doplňky
vitamíny (A, E, D, K), multivitamínové kombinace
antioxidanty
fosfolipidy (lecithiny)
karotenoidy
oleje bohaté na essenciální mastné kyseliny (lněný olej, olej z černého pepře)
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
- 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
- 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:
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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
- 113 -
streptokoků) nebo kvasinek. Problém spočívá v tom, že obsažené bakterie obtížně přežívají.
Mikroenkapsulací jsou tyto bakteriální buňky chráněny (fysikální bariérou) před vnějšími
podmínkami.
3.3.3 Filmotvorné vlastnosti želatiny
Velmi významnou vlastností želatin je schopnost tvorby filmu. Želatinové filmy a povlaky
se používají jako (jedlé) obalové materiály na ovoce, zeleninu, chlazené a mražené potraviny,
na potravinové polotovary, na oříšky atd. Přídavkem změkčovadel o nízké molekulové
hmotnosti se snižuje teplota tání (Tm) a teplota skelného přechodu (Tg) želatinových filmů.
Mechanické vlastnosti filmů jsou výrazně ovlivněny způsobem jejich přípravy. Filmy získané
odpařováním při vyšších teplotách (cca 60 oC) měly nižší pevnost v tahu a % prodloužení než
filmy připravené získané odpařováním při nízkých teplotách s přídavkem plastifikátorů do
25 %.
Příkladné schema přípravy želatinových filmů:
Želatinový prášek 5 g
Voda 100 g
Glycerol 0-50 % (na želatinu)
Míchání v baňce na vakuové odparce při nízké rychlosti za mírného vakua, lázeň vakuové odparky naplněna směsí studené vody a ledu, 1 hodina (chlazení ledem po celou dobu)
Míchání na vakuové odparce při nízké rychlosti za mírného vakua při 75 oC, 4 hod
Lití zahřátého roztoku na horizontální desku (silikon, teflon apod.)
Odpaření rozpouštědla za mírných podmínek (při teplotách do 40 oC)
- 114 -
3.3.4 Omezení aplikací želatiny z živočišných zdrojů
Některé židovské a muslimské náboženské oblasti stanovují pravidla pro konsumaci
živočišných produktů. Pro tyto oblasti je důležité, aby na potravině bylo jednoznačně
uvedeno, do které kategorie obalový materiál svým složením patří: živočišný produkt,
rostlinný produkt, minerální produkt, syntetický produkt. Totéž se týká také vegetariánů,
veganů, osob majících alergie na živočišné produkty či některých náboženských sekt (např.
Adventisté 7 dne). Tato upozornění by měla být uváděna obzvláště u povlaků na ovoci a
zelenině, u nichž naprostá většina konsumentů nepředpokládá podíl živočišných složek.
- 115 -
3.4 Fotografický průmysl
Klíčová slova Key words emulsní želatiny emulsion gelatin
fotografický průmysl photographic industry neemulsní želatiny non-emulsion gelatin
ochranná vrstva protective layer želatina gelatin
Ve fotografickém průmyslu se želatiny používá jako základní složky emulsí, kterými se
polévají fotografické filmy, papíry a desky. První zmínka o použití želatiny k tomuto účelu
pochází z r. 1850, kdy A. L. Poiterin použil želatiny místo kolódia. Později provedli úspěšné
pokusy se želatinou A. Gaudin v roce 1853, W. J. Harrison v roce 1868 a R. L. Maddox v
roce 1871. U nás byla pokusná výroba fotografických materiálů zahájena v roce 1913 v Brně
(Neobrom) a v roce 1916 v Praze (Fototyp).
Tradičně se želatina používá ve fotografických emulsích cca od roku 1870 a je stále
nejlepším substrátem pro fotografické emulse. Používá se hlavně želatina typu B (získaná
alkalickou extrakcí). Želatina typu A (získaná kyselou extrakcí) má limitované použití na
povrchové povlaky a na mezivrstvy.
3.4.1 Zdroje a dělení fotografických želatin
Želatina se získává převážně z kostí, přičemž proces přípravy a extrakce surového
materiálu je veden za přísně kontrolovaných podmínek vedoucích k želatině s požadovanými
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.
- 116 -
Požadavky na fotografickou želatinu:
Vlastnost Hodnota
Vlhkost (%) 10,5 – 13,0 Viskosita (mPas) A 74 – 95 pH A 5,65 – 5,85 Pevnost gelu, Bloom (g) A 250 – 310 Absorbance při 420 nm A 0,0 – 0,158 Absorbance při 650 nm A 0,0 – 0,032 A platí pro 6,16 % roztok želatiny (w/v) při 40 oC
Podle použití se fotografické želatiny dělí takto:
1. Emulsní želatiny
a) Pozitivní emulse: brómostříbrné, chlórostříbrné, jódostříbrné, chlórobrómostříbrné.
Emulzní pozitivní fotografické želatiny se dále dělí posle gradace na měkké (S),
normální(N), kontrastní(C) a ultratvrdé (U).
b) Negativní emulse: čpavkové, varové, hypersensibilované zlatem.
2. Neemulsní želatiny
používají se pro barytáž, pro zadní vrstvu (izolární), pro ochrannou vrstvu, pro
povrchové klížení
mají mít dobré fysikální vlastnosti a mají být inertní
Vhodně zvolená želatina působí jako ochranný koloid a umožňuje přípravu homogenních
emulsí halogenidů stříbra v takové formě, že zůstanou ve velmi jemném rozptýlení na nosném
podkladu. Želatiny se používá nejen pro fysikální vlastnosti, které způsobují náležitou hustotu
i viskositu emulsí a konečnou odolnost citlivé vrstvy proti vnějším mechanickým vlivům, ale
zvláště pro své speciální fotochemické vlastnosti, jako schopnost podporovat rychlost zrání a
- 117 -
dodávat materiálu náležitou citlivost. Fotochemické vlastnosti želatin jsou závislé na
stopových látkách, které jsou v nich obsaženy.
3.4.2 Úprava vlastností fotografických želatin
Fotochemický průmysl požaduje želatiny standardních fysikálních i fotochemických
vlastností, což značně usnadňuje práci a bezprostřední použití želatiny pro výrobu určitého
druhu fotografického materiálu s minimálním počtem změn a úprav procesu vaření emulse a
jejího dalšího zpracování.
Z hlediska výrobců želatin je tento zdánlivě jednoduchý požadavek jedním z největších
problémů, protože záleží mnohdy na okolnostech, které jsou často mimo rámec jejich
možností a vlivu. Např. jen zajištění plynulé dodávky vhodných a správně ošetřených surovin
lze těžko dodržet, protože suroviny jsou různorodé, často nedostatečně vytříděné a upravené.
Přesto však mohou výrobci želatin částečně zlepšit kvalitu vyráběných želatin vhodným a
správným vedením technologického procesu, uplatněním praktických zkušeností, přidáním
látek ovlivňujících fotochemické vlastnosti želatin a vzájemným mícháním vyrobených šarží.
Fotochemické vlastnosti želatiny je možno zlepšit správným výběrem vhodných druhů
surovin. Vhodné jsou hovězinové štípenky, zaječí nudle, teletinové štípenky a hlavy a kvalitní
druhy kostí. Velký vliv na fotochemické vlastnosti má skutečnost, zda surovina byla
opracována v kyselém nebo alkalickém prostředí, a rovněž důkladnost praní. Delší vápnění
klihovek poskytuje želatiny s nižší citlivostí a s měkkou gradací. U kostních želatin se
důkladnější vápnění projeví zvýšením rychlosti zrání a dobrým černáním. Důležitá je také
kvalita používané vody.
Obsah účinných stopových prvků lze upravit přídavkem vhodných chemikálií v množství
asi 0,1 % z hmotnosti suché želatiny. Např. přídavkem peroxidu vodíku se oxidují aktivní
látky a želatina se stává inertní, tj. dává emulse pomalu zrající, méně citlivé, s nepatrným
sklonem k závoji, avšak s malým černáním. Přídavek redukčních látek (kysličník siřičitý,
sirnatan) zvyšuje sensibilační účinek želatiny. Snížení závoje působí např.
merkaptobenzthiazol (MBT).
Požadavky každého výrobce fotografického materiálu jsou velmi přesné, a proto se
fotografická želatina prodává většinou podle vzorků. Fotochemické závody si je vyzkoušejí a
podle výsledků zkoušek kupují. Výrobce želatin musí mít proto k dispozici fotochemické
- 118 -
laboratoře, kde se zkoušejí fotochemické vlastnosti každé várky želatiny. Při objednávkách se
často předepisuje druh, typ a třída požadované zásilky (např. u negativní fotografické želatiny
podle ČSN 66 5910).
Želatinárny mnohdy upravují vlastnosti fotografických želatin vzájemným
smícháním jednotlivých vyrobených šarží v takovém poměru, aby vyhovovaly emulsní
zkoušce a jejímu vyhodnocení. To dovoluje připravit velké dávky fotografické želatiny
stejných vlastností, současně však požaduje nákladný sklad základních typů.
Při přípravě stříbrných emulsí želatina plní funkci ochranného koloidu během srážení
halogenidů stříbra. Složení a příprava fotografických emulsí je ošetřeno patenty, nicméně
princip přípravy je následující. Nejprve je želatina rozpuštěna ve vodě a přidá se roztok
halogenidů alkalického kovu (sodíku nebo draslíku). Poté se za stálého míchání po malých
dávkách přidá roztok dusičnanu stříbrného. Směs se zahřeje na danou teplotu (až 50 oC) a po
určitou dobu se při této teplotě míchá. Nakonec se přidá další želatina a voda a směs se upraví
na požadovanou viskositu. Proces se reguluje tak, aby se získala požadovaná velikost zrn
halogenidů stríbra. Takto připravenou emulsí se poté potahuje film, papír, kov či sklo.
- 119 -
3.5 Humánní medicína
Klíčová slova Key words kosmetologie cosmetics
lékařství medicine želatina gelatin
Želatina se s úspěchem používá k prevenci vzniku kloubních onemocnění (zejména
kolenních a kyčelních kloubů) a osteoporosy. Na trhu jsou želatinové přípravky, přičemž
některé z nich byly vyvinuty ve spolupráci s profesionálními sportovci. Velmi rozšířené jsou
také aplikace želatiny pro přípravu biomateriálů pro injekční aplikace v kostní chirurgii.
Lékařské studie prokázaly účinek želatiny při léčení nemocí pojivových tkání – např.
revmatická artritida.
Samostatně nebo v kombinaci s lipidy se želatina užívá na výrobu přípravků (houby,
polštářky) zastavujících krvácení.
Želatina se také využívá v kosmetologii k výrobě mastí, k přípravě emulsí, dále je vhodná
pro stabilisaci krémů. V roce 1973 firma Cooperman and Johnson uvedla na trh šampóny a
přípravky na ošetřování vlasů, jejichž součástí byl hydrolysát želatiny, který má positivní
účinky na zesílení vlasů.
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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).
- 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
- 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,
- 143 -
západní státy nedosahují v průměru ani 5 mg. V případě vysoké hladiny estrogenů, která
může podporovat vznik rakoviny, potlačují isoflavony nepříznivé efekty estrogenu a mohou
tak bránit růstu rakovinových buněk. V opačném případě, pokud je hladina estrogenu nízká,
což je typické pro období menopauzy, působí isoflavony jako slabý estrogen a utišují některé
symptomy, jako bolesti hlavy, mravenčení či změny nálady.
Kvalita bílkoviny se posuzuje podle několika kritérií, např. stravitelnost,
aminokyselinová skladba, biologická hodnota. Následující tabulka udává obsah esenciálních
AMK na 100 g vybraných proteinů:
Obsah esenciálních AMK v g na 100 g proteinu Sojový protein – isolát 26
Sojový protein – koncentrát 22,5 Vaječný protein 22
Mléčný protein – isolát 20 Syrovátkový protein – isolát 17
V sojovém proteinu jsou zastoupeny všechny essenciální (nezbytné) aminokyseliny a
v aminokyselinovém složení to je jeden z nejkomplexnějších rostlinných proteinů. Svou
kvalitou se pak, v porovnání s ostatními rostlinnými proteiny, nejvíce blíží živočišným
proteinům. Na druhou stranu je sojová bílkovina poměrně chudá na síru obsahující
aminokyseliny, jako cystein a methionin. Stravitelnost sojového proteinu je velmi dobrá, i
když nedosahuje tak příznivých hodnot jako syrovátkový protein, viz následující tabulka:
Biologická hodnota Stravitelnost (%) Syrovátkový protein 100 99 Vejce 88 – 100 98 Kasein 80 99 Myofibrilární protein z hovězího masa 80 98 Sojový protein – koncentrát 74 95
I když existují kvalitnější proteiny, má sojový protein určité vlastnosti, které ho řadí na
přední místa. Je například jedním z nejdůležitějších základů vegetariánské diety.
Koncentrát sojové bílkoviny
Upravuje se extrakcí a bělením sojového proteinu a obsahuje asi 70 % bílkovin. Koncentrát
je zbavený většiny vody, tuku a nebílkovinných složek, polysacharidy jsou zachovány. Aroma
sojového koncentrátu připomíná sojové boby.
- 144 -
Isolát sojové bílkoviny
Isolát je mnohem čistší než koncentrát. Vzhledem k tomu, že většina ostatních složek a
nečistot je odstraněna, pohybuje se koncentrace bílkoviny kolem 90 % a aroma je mnohem
neutrálnější.
Sojové mléko
Obsahuje asi 55 % bílkovin, 28 % lipidů, 12 % cukrů a 2 % popelovin. V USA se asi 60 %
sóji spotřebuje v potravinářské výrobě, 20 % pro výrobu adhesiv, 10 % pro výrobu plastů a
asi 10 % pro jiné účely.
7.2 Aplikace sojového proteinu
7.2.1 Filmy a fólie ze sojového proteinu
Filmy se připravují se litím a sušením asi 10 % roztoku bílkoviny. Teplota sušení a
relativní vlhkost vzduchu ovlivňují rychlost sušení a vlastnosti fólií např. tloušťku, tuhost,
pevnost, tažnost. Složení a flexibilita filmů se ovlivňují hlavně přídavkem plastifikátorů např.
glycerolu, glukósy, monoacylglycerolu atd. Filmy lze připravit také vytlačováním při
teplotách do 180 oC, vyšší teplota způsobuje rozklad. Filmy jsou málo propustné pro kyslík,
protože jsou hydrofilní, mají nižší odolnost proti vodě. Přídavekem lipidů ze zlepší integrita
filmu a jeho schopnost adherovat na povrchy ovoce.
Sojové filmy se často síťují, aby se zlepšily jejich mechanické vlastnosti. Při
zahřívání filmotvorných roztoků nad 60 oC, zejména v alkalickém prostředí, se podporuje
vznik intra- a intermolekulárních příčných vazeb, zejména S–S a vodíkových vazeb.
Nízkomolekulární aldehydy reagují s primárními aminoskupinami a –SH skupinami bílkoviny
a síťují ji. Formaldehyd se přidává buď přímo do roztoku sojového proteinu, nebo se
vytvořené filmy do roztoku ponořují. Obdobně působí i dialdehyd škrobu. Síťování aldehydy
není vhodné pro jedlé filmy a fólie. Síťování lze provést i působením UV-záření, kdy
aromatické aminokyseliny (tyroxin a fenylalanin) vytvářejí příčné vazby.
Obecně mají sojové filmy a fólie nižší mechanické vlastnosti, než filmy připravené ze
synthetických polymerů (PE, PP, PVC).
- 145 -
Použití sojových filmů při výrobě vícevrstvých obalů, kdy sojová vrstva brání průniku O2
při výrobě obalů na masné výrobky a polotovary, kde film zabraňuje oxidaci tuků (a
tím také barevným změnám) a snižuje ztráty vlhkosti
po přídavku antimikotik brání účinkům tvorby bakterií např. lactobacilus plantarum
jako obalový materiál pro (mikro)kapsule k uchovávání chuťových aditiv do potravin,
léčiv atd.
ve vodě rozpustné sáčky pro sušené potraviny
Vlastnosti sojových filmů:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Sojová mouka + 30% glycerolu
nízká: 620 měkne, bobtná flexibilní flexibilní
Isolát sojové bílkoviny + 30% glycerolu
nízká: 605 měkne, bobtná flexibilní –
7.2.2 Povlaky na smažené potraviny
Roztok sojového proteinu (10 %, w/w) se používá k vytvoření povlaků na smažené
potraviny, u kterých se významným způsobem snižuje obsah absorbovaného oleje při
smažení, a to až o 50 %. Postupuje se tak, že se potraviny před smažením namočí do horkého
(80 oC) roztoku proteinu na 20 minut a poté se ochladí na pokojovou teplotu.
7.2.3 Sojová vlákna
Přípravují se tak, že se bílkovina se rozpustí v roztoku 1,3 M NaOH na viskósní směs
(pH=12,5), která se filtruje a zároveň pod tlakem extruduje do acetátového pufru (pH=4,7),
kde koaguluje. Jako plastifikátor se používá glycerol. Při spřádání sojových vláken se
používají sloučeniny Zn2+ a Ca2+, které snižují křehkost za mokra spřádaných vláken. Po
spředení se vlákna opracují roztokem acetanhydridu nebo acetaldehydu a tím se zvýší
houževnatost.
- 146 -
7.2.4 Výroba masových polotovarů
Vysušené libové maso se mechanicky rozmělní na vlákna a smíchá se s vodným roztokem
sojového proteinu obsahujícího vaječný bílek. Z vytvořené kaše se přes formu vytlačí pás,
který se rozkrájí na požadované kousky, a ty se následně tepelně upraví, aby došlo ke
koagulaci proteinu. Získá se polotovar, který má zachovánu masovou příchuť vyznačující se
dobrou texturou a dobrou nasákavostí (rehydratací).
7.2.5 Plasty ze sojového proteinu
Sojový protein může být zpracováván běžnými plastikářskými technikami (lisování,
vytlačování, vstřikování). Při vstřikování se obvykle připraví směs sojového proteinu
s dalšími additivy tak, aby obsah vlhkosti směsi byl 11,5 %. Bylo zjištěno, že plasty
vstřikované za teploty 80 oC mají pevnost v tahu 15 MPa a plasty vstřikované za teploty
140 oC mají pevnost v tahu 39 MPa. Vstřikují se také směsi sojového proteinu se škrobem
(20–40 %, w/w) či s celulosou (1–25 %, w/w).
Při vytlačování se nejčastěji jako změkčovadlo používá glycerol. Je nutné se vyvarovat
vysokých teplot, které vedou k agregaci proteinových molekul, což způsobuje těžkosti při
vytlačování a formování tvaru hotového výrobku. Vystavení proteinu velmi vysokým
teplotám vede k jeho degradaci.
Modifikace vlastností plastů ze sojového proteinu:
a) síťování – přídavkem 5 % formaldehydu (w/w) výrazně vzroste pevnost v tahu a klesne
absorpce vody sojovým plastem
b) změkčování – změkčovadla reagují s hydrofobními bočními řetězci proteinu a rozbalují
molekuly; plastifikační efekt závisí na teplotě, přičemž změkčovadla jsou účinná až při
teplotách nad svou teplotou tání
c) přídavek krátkých celulosových vláken do 20 % (w/w) zvýší pevnost v tahu a Youngův
modul pružnosti sojového plastu
Aplikace plastů ze sojového proteinu: jednorázové nádobí: lžičky, misky, kelímky
tašky na nákupy a odpadky
květináče a mísy na rostliny
- 147 -
tepelné isolace
pomocné součásti pro stavební účely
Sojový protein je možné také smísit se syntetickými biodegradabilními polymery (PVAL,
kyselina polymléčná), které se přidávají od 2 do 40 % (w/w).
Výrobky ze sojového proteinu:
7.2.6 Další sojové výrobky
Mezi další sojové výrobky patří např.:
sója (celé sojové boby), sojová mouka a lisované vločky
Miso (hladká pasta používaná jako slané koření)
Okara (drť vlákniny vznikající při výrobě sojového mléka)
sojové sýry a sojové jogurty, sojové omáčky, sojové ořechy
tofu a výrobky z tofu (srážením čerstvého sojového mléka koagulátorem)
- 148 -
8. AMARANTOVÁ BÍLKOVINA
Klíčová slova Key words amaranth amaranth
amarantová bílkovina amaranth flour biodegradabilní filmy biodegradable films
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.
- 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
- 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
- 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:
- 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.
- 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
- 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.
- 155 -
Deamidovaný glutén se získává opracováním glutenu kyselinami nebo zásadami. Přechází
na kys. glutamovou a uvolňuje se NH2 → tzv. deaminace. Deamidace v rozmezí 2–6%
dostačuje k tomu, aby se glutén stal ve vodě rozpustný. V této formě se používá k přípravě
filmotvorných roztoků, neboť gluten vykazuje dobré filmotvorné vlastnosti (soudržnost a
elasticita filmů) a nízkou propustnost pro aromatické látky. Filmy se připravují většinou
z alkoholických roztoků v alkalické i kyselé oblasti.
Pšeničný glutén vykazuje kohesivní vlastnosti, je viskoelastický, rozpustný. Ve většině
případů se zpracovává z disperse. Z těchto důvodů může být použit v potravinářských i
nepotravinářských aplikacích, jako jsou např. ochranné povlaky, filmy, adhesiva či
detergenty.
9.1 Glutenové filmy a fólie
9.1.1 Příprava filmů
Filmy a fólie lze připravit dvěma způsoby, rozpouštědlovým nebo thermoplastifikačním.
9.1.1.1 Rozpouštědlový způsob
Rozpouštědlový systém se připravuje buď kyselý nebo basický a v obou případech se
přidává redukční činidlo (např. 2-mercaptoethanol, Na2S), které štěpí inter- a intra-
molekulární S–S vazby. Kyselé prostředí tvoří např. kyselina citrónová, octová, mléčná,
propionová, fosforečná. Bazický systém tvoří nejčastěji NH4OH a také KOH, NaOH.
Odpařováním rozpouštědel roste koncentrace proteinu a obnovují se vodíkové vazby a sirné
můstky a vznikají trojrozměrné struktury. Po nalití roztoku na podložku a po vysušení při
normální teplotě se vytvoří kompaktní lesklý film. Při sušení působením vzdušného kyslíku
vznikají S–S vazby, které síťují proteinové molekuly. Zahříváním a změnou pH se ovlivňuje
rozpustnost proteinu a vlastnosti filmu. Filmy připravené z prostředí o pH 4 jsou mnohem
více rozpustné, než filmy připravené z prostředí o pH 11. Filmy mohou být připraveny
z prostředí pod nebo nad isoelektrickým bodem. Přesto se z alkalického prostředí získají filmy
s větší pevností než filmy připravené z neutrálního či kyselého prostředí, což je přisuzováno
vzniku příčných vazeb.
- 156 -
Reaktivní aminokyselinou glutenu je lysin, který se podílí na síťovacích reakcích. Bylo
zjištěno, že filmy připravené ze zahřátých alkalických dispersí obsahovaly zesíťované
aminokyseliny (lysinoalanin, ornithinoalanin), které vznikly z původních aminokyselin
(cystin, alanin, arginin, threonin, lysin a serin). Ke vzniku lysinoalaninu, který přispívá ke
zvýšení mechanické pevnosti filmů dochází při teplotě 70 oC a při pH nad 10.
V praxi se glutenové filmy obvykle připravují jedním z následujících postupů:
a) 10 g glutenu se disperguje ve 90 g vody, přidají se 2 g glycerolu a směs se míchá. pH
disperse se upraví buď na 4 (HCl) či na 11 (NaOH). Poté se 30 min míchá, disperse se umístí
na vodní lázeň a při teplotě 70 oC se zahřívá 10 minut (odplynování). 20 g disperse se vylije
na Petriho misku o průměru 9 cm a nechá se vytvořit film sušením při pokojové teplotě po
dobu 2 dnů. Vzniklý glutenový film se kondicionuje 3 dny při 60 % relativní vlhkosti.
b) 10 g glutenu se disperguje v 50 ml ethanolu za míchání. poté se přidá 40 ml vody a
pokračuje se v míchání. Aby se zabránilo vzniku bublinek při lití filmu, disperse se vloží na
krátkou dobu do ultrazvukové lázně. 20 g disperse se vylije na Petriho misku o průměru 9 cm
a nechá se vytvořit film sušením při teplotě 40 oC po dobu 1 hod v troubě a následně při
pokojové teplotě po dobu 2 dnů. Vzniklý glutenový film se kondicionuje 3 dny při 60 %
relativní vlhkosti.
9.1.1.2 Termoplastifikační způsob
Za přídavku plastifikátoru se pšeničný glutén dá převést do viskoelastického stavu.
Jako plastifikátor se dá použít voda (nevýhodou je, že amfoterní část gluténu se nerozpustí),
nebo glycerín a sorbitol. Používá se 30–40 % plastifikátorů. Plastifikátory snižují teplotu
skelného přechodu glutenu (Tg). Plastifikovaný glutén je možné zpracovat nad Tg běžnými
technikami používanými při zpracování synthetických polymerů – extrusí, lisováním,
hnětením nebo vstřikováním. Tepelné opracování filmů a fólií vede k dalšímu zesíťování.
9.1.2 Vlastnosti glutenových filmů
Glutenové filmy se vyznačují těmito vlastnostmi:
jsou homogenní, transparentní
- 157 -
jsou biodegradabilní a jedlé
tvoří bariéru proti O2, CO2 a ethylenu
při teplotách 95 oC žloutnou
fysikálně-mechanické vlastnosti jsou ovlivněny distribucí a hustotou příčných vazeb a
dají se ovlivňovat přídavkem vhodných změkčovadel nebo jiných additiv (lipidů)
Srovnání mechanických vlastností gluténových filmů:
Film Pevnost v tahu (MPa) Protažení (%) Pšeničný gluten 0,9 26 Sojový protein 1,9 36,5 Myofibrilární rybí protein 17,1 22,7 Acetát celulosy 56,1 18,5 Methylcelulosa 66,5 30
Vlastnosti glutenových filmů:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Pšeničný gluten + 20% glycerolu
vyšší: 1224 měkne flexibilní flexibilní
Pšeničný gluten + 40% glycerolu
vyšší: 1318 měkne flexibilní flexibilní
Bariérové vlastnosti proti vodě lze podstatně zlepšit začleněním lipoidních látek do
struktury filmu, např. včelího vosku či parafinu. V těchto případech se bariérové vlastnosti
vůči vodě alespoň řádově blíží PE.
Mechanické vlastnosti se zlepšují přídavkem síťovadel, zejména formaldehydu.
9.1.3 Použití glutenových filmů
fóliování semen, pilulek, potravin
potahování kapslí léčiv
nosič antioxidantů a antimikrobik v cereálních potravinách
selektivní permeabilita plynů a vlhkosti umožňují aplikace filmů a fólií v obalové
technice
mikroenkapsulace léčiv (kontrolovatelné uvolňování léčiva do krevního oběhu)
- 158 -
výroba slaných oříšků (filmy vážou sůl)
po nanesení včelího vosku jsou filmy vhodné pro balení pečiva nebo pizzy, protože
dostatečně brání unikání vlhkosti
pro balení ovoce a zeleniny, případně sýrů, neboť glutenové filmy mají velkou
propustnost pro vodu, a proto jsou pro tyto aplikace velmi vhodné
Výroba nízkotučných brambůrek ošetřených povlakem z pšeničného glutenu.
Připravené bramborové plátky se před smažením ponoří do roztoku pšeničného proteinu.
Tento povlak zajistí nižší absorpci oleje při smažení brambůrek a to až o 15%. Dále se
zvýší množství zadržené vody. Pokles peroxidového čísla je u takto zpracovaných
brambůrek 30 až 50 % .
9.2 Další aplikace glutenu
a) kosmetika
Hydrolysáty glutenu se používají jako aktivní složka do kosmetických přípravků, zejména
na čištění pokožky, k vyhlazování vrásek a jako přídavek do kondicionérů na vlasy.
b) adhesiva
c) vícevrstvé obalové materiály
např. gluténová fólie / papír
gluténová fólie / bavlna
využívá se předností použití čistých komponent
Přídavek pšeničného glutenu do fólií vyrobených z methylcelulosy nebo
hydroxymethylcelulosy zlepšuje jejich propustnost pro plyny (O2, CO2). Takové fólie se
pokládají za biodegradabilní.
- 159 -
10. KUKUŘIČNÝ ZEIN
Klíčová slova Key words filmy films fólie foils
kukuřičný zein corn zein povlaky coatings
Kukuřičný zein je obsažen v kukuřičném endospermu – zásobním pletivu semene.
Tvoří přes 50 % všech bílkovin endospermu. Kukuřice obsahuje několik bílkovin, které se liší
svou rozpustností. Albumin je extrahovatelný vodou, globulin je extrahovatelný roztoky solí,
zein je extrahovatelný alkoholy, glutenin je extrahovatelný zředěnými alkáliemi.
Roční produkce zeinu jen v USA přesahuje 500.000 kg a využívá se zejména na
výrobu filmů a povlaky v potravinářském a farmaceutickém průmyslu.
Kukuřičný zein má filmotvorné schopnosti, tvoří lesklé filmy (rozpouštědlem je ethanol),
odolné vůči tukům a mikrobům, které jsou rozpustné ve vodě. Filmy se používají
v potravinářském průmyslu k ochranným povlakům na vyloupané ořechy, karamely,
bonbóny, v cukrářství, nebo jako povlak na pečené krůtí plátky. Takto ošetřené produkty
vykazují delší dobu trvanlivosti. Při výrobě bramborových lupínků se bramborové plátky
opatří před smažením vrstvou proteinového povlaku, který sníží absorpci tuku při následném
smažení.
Příprava zeinových filmů a fólií:
Práškový zein (obvykle 14–22 %, w/v) se rozpustí při teplotě 65–85 oC ve vodném roztoku
ethanolu. Jako změkčovadlo se přidává glycerol, propylenglykol, mastné nebo acetylované
glyceridy, čímž se zlepší flexibilita filmu. Film se připraví litím roztoku na skleněné desky a
vysušením. Výrobek, který se má obalit, se může do roztoku přímo ponořit. Do připraveného
roztoku lze přidat antioxidanty pro zpomalení oxidace tuků. Přídavek sojového nebo
bavlníkového oleje dodává fólii lesk. Filmy a fólie tvoří bariéru proti O2 a CO2, chrání zboží
proti působení vlhkosti a tuků. Mechanické a bariérové vlastnosti filmů se modifikují
přídavkem síťovadel. Tepelným působením spolu s vysokým tlakem se zlepší textura a čirost
filmu. Obaly jsou jedlé (biodegradabilní). Zeinové filmy jsou odolné vůči dlouhodobé
exposici slunečnímu záření a dešti. Dobře odolávají opakovaném cyklům zmražení a
rozmražení. V poslední době se vyvíjejí extrusní technologie výroby zeinových filmů.
- 160 -
Vlastnosti zeinového a glutenového filmu:
Složení filmu
Propustnost pro vodní páry (g/m2.den) při 32 oC, 90 % R.V.
Rozpustnost při 82 oC
Teplotní snášenlivost
při –23 oC při 49 oC
Kukuřičný zein + 20% glycerolu
vyšší: 1224 měkne flexibilní flexibilní
Pšeničný gluten + 40% glycerolu
vyšší: 1318 měkne flexibilní flexibilní
Přehled o použití filmů a povlaků z kukuřičného zeinu v potravinářském průmyslu:
Aplikace zeinových filmů a povlaků
Protein Aplikace Funkční vlastnosti Kukuřičný zein
rýže nosič vitamínů sušené potraviny vodorozpustný obal párky, klobásy bariéra proti vlhkosti vejce bariéra proti vlhkosti a bakteriím,
zvýšení pevnosti skořápky popcorn bariéra proti vlhkosti papír bariéra proti tukům rajčata bariéra proti vlhkosti, O2, CO2;
zabraňuje změně barvy při transportu, brání ztrátám vlhkosti, zpomaluje barevné změny a měknutí, prodlužuje dobu trvanlivosti o 6 dní
jablka, hrušky bariéra proti O2, CO2; brání ztrátám vlhkosti, zpomaluje barevné změny a měknutí, zvyšuje pevnost
pečený krocan bariéra proti O2, nosič antioxidantů škrobové potraviny bariéra proti vlhkosti a olejům sýry bariéra proti vlhkosti smažené bramborové krokety snížení absorpce oleje při smažení o
cca 59 %, zamezení ztrátám vlhkosti při smažení až o 15 %
maso a ryby jedlý obalový materiál, nižší ztráty vlhkosti a omezení oxidace tuků
Kukuřičný zein / acetylované monoglyceridy/ změkčovadlo
cukroví bariéra proti vlhkosti, O2 a olejům; nosič antioxidantů, prevence slepování
mandle, burské oříšky, lískové oříšky
bariéra proti vlhkosti, O2 a olejům; nosič antioxidantů
potraviny s vyšším obsahem vlhkosti
nosič konservačních prostředků
pečené krůtí plátky obalový materiál pro krátkodobé skladování (v chladicích zařízeních do cca 9 dnů), ochrana před oxidací tuků
- 161 -
Kukuřičný zein / přírodní oleje
oříšky, cukroví bariéra proti vlhkosti, O2; nosič antioxidantů
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
- 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.