Effect of Microbial Transglutaminase on Physico-Chemical Properties of Blended Nigella Sativa Protein Concentrate/Pectin Based Edible Film
Date
2021-08-25
Authors
Liali B M Ali
ليالي بلال محمد علي
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Al-Quds University
Abstract
Introduction: Plastics are produced about 350 million tons per year. It is widely used because it has several distinctive properties, which include being moldable, durable and cheap. But, plastic wastes are not biodegradable in the environment. Thus, this wastes accumulate in the seas, oceans and soils. Therefore, several methods were used to dispose of this wastes: landfilling wastes in the soil, but this negatively affects on the soil fertility because of accumulation of chemicals and toxins. Incineration of plastic wastes produce toxic gases that pollutes the environment and contributes to the aggravation of the global warming problem. Whereas, recycling of plastic wastes do not exceed 2% of total plastic wastes . As it is known that the bulk of plastic wastes is from food packaging waste. Therefore, it was sought to develop edible films and wrappers made of natural and biodegradable materials that also provide protection for food and form barriers between food and the environment to maintain its shelf life, safety and quality. In general, edible films are generated from proteins, polysaccharides and fats. In addition, films can be injected with antimicrobial and antioxidant substances to maintain food safety and quality. The edible based on protein have good mechanical properties. While, polysaccharides based on edible films provide films with good barrier for gases. Although, using proteins is a creative option to create edible films in food industry, it requires improvements in its properties to become more resistant to be handled during the application in food packaging and to ensure protection of food products. Hence, blending protein solution with other bio-polymer such as pectin or transglutaminase enzymes or both to improve the properties of edible films-based protein.
Objectives: The objective of this study is to identify the proprieties of edible films of blending Nigella sativa protein concentrate (NSPC) and pectin (PEC). Also, to identify the effect of transglutaminase (TGase) enzyme on blending Nigella sativa protein concentrate/pectin based edible films characteristics, determine the water uptake and moisture content of Nigella sativa protein concentrate/pectin/TGase based edible films, and evaluate the biodegradability of Nigella sativa protein concentrate/pectin/TGase based edible films.
XII
Materials and Methods: Protein percent was determined in Nigella sativa protein concentrate; four film forming solution-based Nigella sativa protein were prepared by its blending with pectin at different ratios (40:0, 40:6, 40:10, 40:40 w/w) at pH 7.5 to investigate influence of different concentrations of pectin's on mechanical properties of NSPC based edible films. Furthermore, the addition of TGase enzyme to NSPC/PEC solution at pH 7.5 was evaluated in two concentrations (20 U/g NSPC, 10 U/g NSPC), in terms of mechanical properties. Finally, NSPC/PEC (40:40 w/w)/TGase(10U/g NSPC) films with high tensile strength (TS) and adequate elongation at break (EB) were selected from prepared films and tested for biodegradability, water content and water uptake of film and compared with other films free of of TGase. Results and Discussion: Blended NSPC/PEC (40:6 and 40:10 w/w) significantly increase the film thickness, whereas different concentrations of TGase have no significant differences on films thickness. Nevertheless, blended NSPC/PEC (40:6, 40:10 w/w) TGase (20U/g NSPC) has the tertiary synergistic effects on thickness values (p<0.05). Tensile strength was enhanced to about double as affected by pectin concentration (40:10 w/w). Low concentration of enzyme (10U/g NSPC) produced films with significantly higher tensile strength, especially when it was incorporated into NSPC/PEC (40:40 w/w), where films increased tensile strength to about 7 folds as compared to the NSPC films (p<0.05). Elastic films were obtained at ratios NSPC/PEC (40:6, 40:10 w/w) ,respectively. Moreover, the high concentration of TGase (20U/g NSPC) improved (EB) of films at ratios (40:6, 40:10 w/w) to 3 to 8 folds of these films in presence the low concentration of TGase, respectively. However, (10U/g NSPC) TGase has negative effects on elasticity (EB). Young’s module (YM) was not significantly affected in presence PEC or TGase. But, crosslinked NSPC/PEC (40:40 w/w) with low concentration of enzyme significantly increase the YM and stiffness. Finally, low concentration of TGase enzyme responsible for significantly increasing water content and uptake, as well as decreasing of biodegradability of NSPC/PEC (40:40 w/w) films. Results demonstrated that TGase can improve properties of NSPC films when blending with PEC.
ينتج العالم من البلاستيك حوالي 350 مليون طن سنويًا. حيث يستخدم البلاستيك على نطاق واسع لأنه
يحتوي على العديد من الخصائص المميزة مثل القابلية للتشكيل ودائم ورخي ص الثمن. لكن النفايات
البلاستيكية غير قابلة للتحلل في البيئة، وهذا يسبب تراكم هذه النفايات في البحار والمحيطات والتربة.
لذلك، تم استخدام عدة طرق للتخلص من هذه المخلفات وهي: دفن النفايات في التربة ولكن هذا يؤثر سلبا على خصوبة التربة بسبب تراكم المواد الكيميائية والسموم. اما طريقة حرق النفايات البلاستيكية تنتج
غازات سامة تلوث البيئة وتساهم في تفاقم مشكلة الاحتباس الحراري. بينما إعادة تدوير المخلفات
البلاستيكية لا تتجاوز 2 ٪ من إجمالي المخلفات البلاست يك.
كما هو معروف أن الجزء الأكبر من نفايات البلاستيك ناتج عن نفايات تغليف المواد الغذائية. لذلك ، تم
السعي إلى تطوير أغشية وأغلفة صالحة للأكل مصنوعة من مواد طبيعية وقابلة للتحلل في البيئة و توفر
أيضًا الحماية للأغذية و كما تشكل حواجز بين الغذاء والبيئة للحفاظ على صلاحيتها وسلامتها وجودتها.
بشكل عام ، يتم إنتاج الأغلف ة الصالحة للأكل من البروتينات والسكريات والدهون. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن
حقن الأغلفة بمواد مضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة للحفاظ على سلامة الأغذية وجودتها .
تمتلك الاغلفة الصالحة للأكل المصنعة من البروتين خواص ميكانيكية جيدة. بينم ا المصنعة من السكريات
المتعددة تنتج أغلفة صالحة للأكل تمنع دخول الغازات للمنتج الغذائي التي قد تؤثر سلبا عليه.
مؤخرا, أثبت الباحثون ان عملية مزج البوليمرات الطبيعية قد توفر أغلفة صالحة للأكل بخواص أفضل
ميكانيك يا ولها القدرة على الثبات في البيئة المحيطة اعتمادا على خاصية النفاذية للغازا ت. لذا تم في هذا
البح ث استخدام بروتين القزحة الذي تم استخلاصه م ن متبقيات استخلاص زيت القزحة من بذوره ليتم
استغلالها نظرا لأنها متوافره بكميات كبيرة وتحتوي على كمية وافرة من البروتين المركز.
وكما ذكرنا سابقا أن البروتينا ت تع د خيارًا مميز اً لتصنيع أغلفة صالحة للأكل. الا أن العديد من الدراسا ت
تشير بأن خصائص هذه ا لاغلفة تحتاج الى تطوير لتصبح أكثر مقاومة, وتمتلك خواص ميكانيكية أفض ل
2
يمكن التعامل معها أثناء تطبيقها على تغليف المواد الغذائية, وكذلك لحماية المنتجات الغذائية. وبالتالي، فإن
مزج محلول البروتين مع بوليمر حيوي آخر مثل البكتي ن وبوجو د إنزيم ترانس جلوتامي نيز قد يكون له دو ر
فعال في تطوير الأغلفة الصالحة للأكل التي تعتمد في تصنيعها على البروتين.
يهدف هذا البحث لدراسة تأثير تراكيز مختلفة من انزيم ترانس جلوتامي نيز والبكتين على الخصائص
الميكانيكية ل لأغلفة المحضرة من البروتين، وتأثيرها على محتوى الماء فيها، و قدرتها على امتصاص
الرطوبة من البيئة المحيطة، ومعدل تحلل الغلاف.
تقوم منهجية الدراسة على التجربة والبحث, حيث تم تحضير أربعة أغلفة من بروتين القزحة المركز م ع
تراكيزم ختلفة من البكتين ) 0 , 60 , 100 , 400 (ملغم وضبطهم عند درجة الحموضة 7.5 للتحقيق في تأثير
تراكيز البكتين على الخواص الميكانيكية للأغلفة الصالحة للأكل التي صنعت من بروتين القزحة المركز.
ثم تم دراسة تأثير إضافة إنزيم ترانس جلوتامينيز بعدة تراكيز ) 20,10,0 وحدة/غم بروتين( إلى محاليل
المصنعة من بروتين القزحة المركز بتراكيز بكتين مختلفة وضبطهم عند درجة الحموضة 7.5 .بعد ذلك, تم
اجراء فحص الخصائص الميكانيكية والسماكة على الاغلفة المنتجة. أخيرًا ، اخت ير الغلاف المحضر من
بروتين القزحة المركز مع تركيز بكتين 400 ملغم بوجود الانزيم منخفض التركيز ) 10 وحدة/غم بروتين(
لأنه ذات خصائص ميكانيك ية مناسبة من أجل اجراء فحص التحلل البيولوجي ,ومحتوى الماء, وامتصا ص
الغلاف للماء , ومقارنتها مع نفس الغلاف لكن بغياب انزيم ترانس جلوتامينيز.
اشارت نتائج الدراسة الى ان اضافة تراكيز بكتين ) 60 , 100 ملغم( الى محلول بروتين القزحة المركز
حسن ت من سماكة ومرونة الاغلف ة المحضرة بشكل واضح. كما أوضحت النتائج انه عند اضافة ا لانزيم
بتركيز منخفض زادت قيم قوة الشد للأغلفة في حين قيم المرونة والاستطالة قلت بينما زادت المرونة عند
ارتفاع تركيز انزيم باستثناء عند أعلى تركيز للبكتين لم يتكون غلاف متماسك , حيث كان غير قابل للتعام ل
معه او قياسه أودراسة خصائصه. أشارت النتائج الى انه لم يحدث فرق احصائي في معامل المرونة للغلاف
الا عند اضافة بكتين بتركيز 400 ملغم بوجود اعلى تركيز مستخدم للأنزيم الى محلول بروتين القزحة
المركز.
أما من حيث محتوى الرطوبة للفيلم وقدرته على امتصاص الرطوبة , فان النتائج بينت ان الانزيم لديه تأثير
واضح على زيادة محتوى الرطوبة للأغلفة وزيادة قدرتها على امتصاص الرطوبة ايضا. كما للإنزيم دور
مباشر في تقليل معدل التحلل للغلاف .
3
يمكن الاستنتاج من هذه النتائج، أن للإنزيم دور فعال في تحسين الخصائص الميكانيكية للأغلفة المعتمدة
على بروتين القزحة عن د مزجها مع البكتين .