Viscosity of Soy Protein and Gelatin Based Film Forming Solutions Formulated with Different Plasticizers

Abstract

Edible films have become a popular research topic. Unlike primary packaging, edible films, which are developed as secondary packaging, can be consumed with food and can directly impact food preservation or enrichment. Various plasticizers are used to improve the mechanical properties of these films. For these film solutions to be usable in food processing, it is essential that they are pumpable and able to form a film in a short time. In this study, the viscosity of film-forming solutions prepared with two different proteins and five different plasticizers was investigated at three different temperatures. Soyprotein and gelatin were used as proteins at three different concentrations of 1, 2, and 5%. Glycerol, sorbitol, sucrose, polyethylene glycol 200, and polyethylene glycol 400 were used as plasticizers in three different ratios of 20, 40, and 60% based on protein concentration. The viscosity of the obtained film forming solutions was measured at 30, 45, and 60°C using a Brookfield DVIII Ultra rheometer. The results show that in samples with soy protein, the viscosity increased up to 10 times when the protein ratio increased from 1 to 5%. In gelatin samples, this increase was approximately 3 times. The viscosity of the film solutions decreased by about 50% when the temperature was raised from 30 to 60°C. The plasticizer concentration did not generally have a significant effect on viscosity, due to the similarity in plasticizer amounts used at low protein levels. On the other hand, the type of plasticizer caused significant differences in viscosity, especially at high levels of use such as 60%. Sorbitol and sucrose resulted in higher viscosity in general. This study demonstrated that both the carrier polymer and the concentration and type of plasticizer have significant effects on the viscosity of film solutions.

Keywords

• Edible Films
• Gelatin
• Soy Protein
• Viscosity
• Plasticizers

Jelatin ve Soya Proteini Bazlı Film Çözeltilerinde Farklı Plastikleştiricilerin Viskozite Üzerine Etkis

Öz

Yenilebilir filmler oldukça popüler bir araştırma konusu olmuştur. İkincil bir ambalaj olarak geliştirilen yenilebilir filmler, birincil ambalajın aksine, gıda ile tüketilebilmekte, gıdanın muhafazası veya zenginleştirilmesine doğrudan etki gösterebilmektedir. Bu filmlerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla çeşitli plastikleştiriciler kullanılmaktadır. Söz konusu film çözeltilerinin gıda işlemede kullanılabilmesi için pompalanabilir olması ve kısa sürede film oluşturabilmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, iki farklı protein ve beş farklı plastikleştirici ile hazırlanan film oluşturabilen çözeltilerin üç farklı sıcaklıkta viskozitesi araştırılmıştır. Protein olarak soya proteini ve jelatin %1, 2 ve 5 olmak üzere üç farklı konsantrasyonda kullanılmıştır. Plastikleştirici olarak gliserol, sorbitol, sükroz, polietilen glikol 200 ve polietilen glikol 400; protein konsantrasyonuna göre %20, 40 ve 60 olmak üzere üç farklı oranda kullanılmıştır. Elde edilen film oluşturabilen çözeltilerin viskozitesi 30, 45 ve 60°C’de Brookfield DVIII Ultra reometre kullanılarak ölçülmüştür. Sonuçlar, soya proteini kullanılan örneklerde protein oranının %1’den5’e çıkması durumunda viskozitenin 10 kata kadar arttığını göstermektedir. Jelatin örneklerindeki viskozite artışı ise yaklaşık olarak 3 kat kadardır. Film çözeltilerinin sıcaklığı 30’dan 60°C’ye çıkarıldığında bu çözeltilerin viskozitesinde yaklaşık %50 oranında azalma olduğu saptanmıştır. Plastikleştirici konsantrasyonu, özellikle düşük protein oranlarında kullanılan plastikleştirici miktarının birbirine yakın olması nedeniyle viskozite üzerine önemli bir etki göstermemiştir. Diğer taraftan, plastikleştirici çeşidi, özellikle %60 gibi yüksek kullanım oranlarında viskozite üzerinde önemli farklılıklara neden olmuştur. Sorbitol ve sükrozun genel olarak daha yüksek viskoziteye neden olduğu gözlenmiştir. Bu çalışma, hem taşıyıcı polimerin hem de plastikleştirici konsantrasyonu ve çeşidinin film çözeltilerinin viskozitesi üzerine önemli etkileri olduğunu göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Yenilebilir Film
• Jelatin
• Soya Proteini
• Viskozite
• Plastikleştirici

References

1. [1] D. K. G. Özkök, "Üç farklı protein kaynağı kullanılarak üretilen yenilebilir filmlerin peynirin raf ömrü üzerindeki etkisinin incelenmesi," İstanbul Aydın Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2017.
2. [2] A. O’Sullivan, N.B. Shaw, S.C. Murphy, J.W. van de Vis, H. van Pelt-Heerschap, J. P. Kerry, "Extraction of collagen from fish skins and its use in the manufacture of biopolymer films," Journal of Aquatic Food Products Technology, vol. 15 (1), pp. 21–32, Oct, 2006.
3. [3] E. Tavassoli-Kafrani, H. Shekarchizadeh, M. Masoudpour-Behabadi, "Development of edible films and coatings from alginates and carrageenans," Carbohydrate Polymers, vol. 137, pp. 360-374, Feb, 2016.
4. [4] Y. Alparslan, T. Baygar, H. Hasanhocaoğlu, C. Metin, "Effects of gelatin-based edible films enriched with laurel essential oil on the quality of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) fillets during refrigerated storage," Food Technology and Biotechnology, vol. 52(3), pp. 325-333, Feb, 2014.
5. [5] S. Y. Ou, K. C. Kwok, Y. J. Kang, "Changes in in vitro digestibility and available lysine of soy protein isolate after formation of film," Journal of Food Engineering, vol. 64(3), pp. 301–305, Sep, 2004.
6. [6] N. Cao, Y. Fu, J. He, "Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films," Food Hydrocolloids, vol. 21(7), pp. 1153-1162, Oct, 2007.
7. [7] T. Bourtoom, "Edible protein films: Properties enhancement," International Food Research Journal, vol. 16(1), pp. 1-9, Jan, 2009.
8. [8] C. Liu, J. Huang, X. Zheng, S. Liu, K. Lu, K. Tang, J. Liu, "Heat sealable soluble soybean polysaccharide/gelatin blend edible films for food packaging applications," Food Packaging and Shelf Life, vol. 24, pp. 100485, Jun, 2020.

9. [9] I. F. Nata et al., "Influence of soy protein isolate on gelatin-based edible film properties" in MATEC Web of Conferences, 2018, vol. 156, pp. 01014
10. [10] P. Zhang, Y. Zhao, Q. Shi, "Characterization of a novel edible film based on gum ghatti: Effect of plasticizer type and concentration," Carbohydrate Polymers, vol. 153, pp. 345-355, Nov, 2016.
11. [11] R. Sothornvit, J. M. Krochta, "Plasticizer effect on mechanical properties of β-lactoglobulin films," Journal of Food Engineering, vol. 50(3), pp. 149-155, Nov, 2001.
12. [12] R. Jahmarani, H. C. Erythropel, J. A. Nicell, R. L. Leask, M. Marić, "How green is your plasticizer?," Polymers, vol. 10(8), pp. 834, Jul, 2018.
13. [13] X. Xu, W. Liu, L. Zhang, "Rheological behavior of Aeromonas gum in aqueous solutions," Food Hydrocolloids, vol. 20(5), pp. 723-729, July, 2006.
14. [14] B. Cuq, C. Aymard, J. L. Cuq, S. Guilbert, "Edible packaging films based on fish myofibrillar proteins: formulation and functional properties," Journal of Food Science, vol. 60(6), pp. 1369-1374, Nov, 1995.
15. [15] W. Theerawitayaart, T. Prodpran, S. Benjakul, P. Sookchoo,"Properties of films from fish gelatin prepared by molecular modification and direct addition of oxidized linoleic acid," Food Hydrocolloids, vol. 88, pp. 291-300, Mar, 2019.
16. [16] R. Zhang, T. Belwal, L. Li, X. Lin, Y. Xu, Z. Luo, "Recent advances in polysaccharides stabilized emulsions for encapsulation and delivery of bioactive food ingredients A Review," Carbohydrate Polymers, vol. 242, pp. 116-388, Aug, 2020.
17. [17] P. Liu, H. Xu, Y. Zhao, Y. Yang, "Rheological properties of soy protein isolate solution for fibers and films," Food Hydrocolloids, vol. 64, pp. 149-156, Mar, 2017.
18. [18] A. Sancakli, B. Basaran, F. Arican, O. Polat, "Effects of bovine gelatin viscosity on gelatin-based edible film mechanical, physical and morphological properties," SN Applied Sciences, vol. 3(1), pp. 8, Jan, 2021.
19. [19] Q. Ma, L. Du, Y. Yang, L. Wang, "Rheology of film-forming solutions and physical properties of tara gum film reinforced with polyvinyl alcohol (PVA)," Food Hydrocolloids, vol. 63, pp. 677e684, Feb, 2017.
20. [20] F. Xue, Y. Gu, Y. Wang, C. Li, B. Adhikari, "Encapsulation of essential oil in emulsion based ediblefilms prepared by soy protein isolate-gum acacia conjugates," Food Hydrocolloids, vol. 96, pp. 178–18, Nov, 2019.
21. [21] L. Z. Wang, L. Liu, J. Holmes, J. F. Kerry, J. P. Kerry, "Assessment of film‐forming potential and properties of protein and polysaccharide‐based biopolymer films," International Journal of Food Science & Technology, vol. 42(9), pp. 1128-1138, Jun, 2007.
22. [22] A. A. Al-Hassan, M. H. Norziah, "Starch–gelatin edible films: Water vapor permeability and mechanical properties as affected by plasticizers," Food Hydrocolloids, vol. 26(1), pp. 108-117, Jan, 2012