Please use this identifier to cite or link to this item: https://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/56137
Title: DEVELOPMENT OF POLYLACTIC ACID–WHEY PROTEIN ISOLATE FILM AS NOVEL OXYGEN BARRIER PACKAGING FILM
Other Titles: การพัฒนาฟิล์มพอลิแล็กติกแอซิดและเวย์โปรตีนไอโซเลตเพื่อเป็นฟิล์มบรรจุภัณฑ์ชนิดใหม่ที่มีสมบัติขวางกั้นออกซิเจน
Authors: Thunyaluck Phupoksakul
Advisors: Theeranun Janjarasskul
Anongnat Somwangthanaroj
Other author: Chulalongkorn University. Faculty of Science
Advisor's Email: Theeranun.J@Chula.ac.th,Theeranun.J@chula.ac.th
Anongnat.S@Chula.ac.th
Issue Date: 2014
Publisher: Chulalongkorn University
Abstract: This research aims to develop a novel eco-friendly multi-layer barrier film fabricated entirely from biopolymeric materials, by employing mechanical strength and moisture barrier of poly(lactic acid) (PLA) films and oxygen barrier enhancement of glycerol (GLY) plasticized whey protein isolate (WPI). The effect of glycerol content (WPI:GLY 1:0.25, 1:0.4 and 1:0.67) on physical and barrier properties of PLA/WPI/PLA films were evaluated and compared with those of three-layer structures made of linear low-density polyethylene (LLDPE/WPI/LLDPE). The results showed that composite structures of PLA/WPI/PLA and LLDPE/WPI/LLDPE can be obtained by simple solution-casting process. The transparent WPI layer could successfully be formed thinly between two base layers of corona discharge-treated PLA or LLDPE films. The resulting multi-layer films, both PLA/WPI/PLA and LLDPE/WPI/LLDPE showed no visible optical change and possessed good flexibility and layer adhesion. The range of GLY contents used in this study was sufficient to prevent the films from cracking and curling. Transparency at 600 nm (T600) of multi-layer films were significantly reduced (p ≤ 0.05) comparing to their parental substrates as a result of discontinuous layers. The resulting total color difference (∆Eab) was lower than the detectable threshold by the human eye. This indicated that the composite structures were not visibly different from their single substrates. PLA enhanced tensile strength of the composite structures. PLA/WPI/PLA films exhibited a higher tensile strength (TS) but lower percentage of elongation (%E) compared to highly-extensible LLDPE/WPI/LLDPE films. The oxygen permeability of the three-layer structures were significantly reduced (p ≤ 0.05). However, the water vapor permeability of the structure relied mainly on the base films. Overall properties of the three-layer films tended to depend on the intrinsic trait of the substrate films more than the GLY content. To examine shelf stability of PLA/WPI/PLA structure, the multi-layer structure with WPI:GLY = 1:0.4 was stored in the simulated commercial storage temperature; 4, 25 and 35°C, at 50% relative humidity (%RH), for 21 days, along with single-layer WPI and PLA substrates. The multi-layer film showed no visible optical change and maintained good handling ability and layer adhesion throughout the storage test. It was found that transparency of PLA/WPI/PLA film gradually decreased over time, corresponding to the increasing trends of ∆Eab. Non-enzymatic Maillard browning of whey proteins and trace reducing sugar in the middle-layer and molecular re-arrangement were hypothesized to slowly cause changes in transparency and color of the film. Storage at 35 °C caused PLA/WPI/PLA film to become stronger and less extendible. On the other hand, the multi-layer structure showed lower TS and higher %E over storage at 4 and 25 °C. Oxygen and water vapor barrier abilities of PLA/WPI/PLA gradually improved over time as evident by the decreased permeabilities, especially at 35 °C. Overall, the PLA/WPI/PLA structure generally had properties in between its parental substrates. The changes in properties of laminate structure can be empirically fitted with either zero or first order reaction kinetics, with overall R2 ≥ 0.85. Although such changes were temperature dependent, they did not follow Arrhenius behavior. The shelf life extension of oxygen-sensitive baby formula by using PLA/WPI/PLA pouch was also assessed at 4, 25 and 35 °C, 50% RH for 19 days, in comparison with PLA pouch. The result showed that PLA/WPI/PLA pouch did not improve color stability of packaged baby formula. The aw and moisture content of packaged baby formula indicated that PLA/WPI/PLA pouch provided equal protection against ingress water vapor to PLA packaging. The result of conjugate diene and carbonyl compound of baby formula concluded that WPI-enhanced composite structure could effectively retard autoxidation of lipid in dry food. In conclusion, the results suggested a novel multi-layer barrier film made entirely from biodegradable materials; PLA/WPI/PLA, could work successfully as a “green” oxygen barrier alternative. The results also indicated that PLA/WPI/PLA film could be stored and used to package dry food properly at 4-35 °C, 50% RH, for extended period of inventory or storage time.
Other Abstract: งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาฟิล์มหลายชั้นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจากพอลิเมอร์ชีวภาพโดยอาศัยความแข็งแรงเชิงกลและความสามารถในการป้องกันการซึมผ่านของความชื้นจากฟิล์มพอลิแล็กติกแอซิด (PLA) ร่วมกับความสามารถในการป้องกันการซึมผ่านของออกซิเจนจากเวย์โปรตีนไอโซเลท (WPI) ที่ใช้กลีเซอรอล (GLY) เป็นพลาสติไซเซอร์ พร้อมทั้งศึกษาผลของอัตราส่วน WPI:GLY (1:0.25, 1:0.4 และ 1:0.67) ต่อลักษณะทางกายภาพและความสามารถในการป้องกันการซึมผ่านของออกซิเจนและไอน้ำของฟิล์มสามชั้น PLA/WPI/PLA เทียบกับฟิล์มสามชั้นที่ใช้ WPI ร่วมกับฟิล์มโพลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำเชิงเส้นตรง (LLDPE); LLDPE/WPI/LLDPE จากการศึกษาพบว่าสามารถขึ้นรูปฟิล์มสามชั้น PLA/WPI/PLA และ LLDPE/WPI/LLDPE จากสารละลาย WPI ได้ ฟิล์มที่พัฒนาขึ้นมีลักษณะทางกายภาพที่ดี พลาสติกทั้งสองชนิดผ่านการปรับสภาพผิวด้วยการใช้ความต่างศักย์สูง (Corona discharge-treatment) ก่อนนำมาขึ้นรูปเป็นฟิล์มสามชั้นเพื่อให้มีพลังงานที่พื้นผิวเหมาะสมทำให้สามารถยึดจับกับ WPI ได้ดี ปริมาณ GLY ที่ใช้มีความเหมาะสมช่วยให้ฟิล์ม WPI ชั้นในไม่เปราะแตก ผลจากการเปรียบเทียบคุณสมบัติของฟิล์มสามชั้นกับฟิล์ม PLA หรือ LLDPE ที่เป็นโครงสร้างหลักพบว่าค่าความโปร่งใสที่ความยาวคลื่น 600 นาโนเมตร (T600) ของฟิล์ม PLA/WPI/PLA และ LLDPE/WPI/LLDPE มีค่าลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (p ≤ 0.05) เนื่องจากความไม่ต่อเนื่องกันของชั้นฟิล์ม ค่าการเปลี่ยนแปลงของสีโดยรวม (Total color difference, ∆Eab) ของฟิล์มสามชั้นมีค่าต่ำกว่าระดับที่สามารถสังเกตเห็นความแตกต่างได้ด้วยตาเปล่า PLA ช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลให้กับฟิล์มสามชั้นทำให้ฟิล์ม PLA/WPI/PLA มีความสามารถในการทนแรงดึง (Tensile strength) สูงกว่าแต่มีความสามารถในการยืดตัว (Elongation) ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับฟิล์ม LLDPE/WPI/LLDPE ที่มีความสามารถในการยืดตัวสูงมาก ค่าการซึมผ่านของออกซิเจน (Oxygen permeability) ของฟิล์มสามชั้นลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (p ≤ 0.05) ส่วนค่าการซึมผ่านของไอน้ำ (Water vapor permeability) นั้นมีค่าขึ้นกับชนิดของพลาสติกที่เป็นโครงสร้างหลัก จากการทดลองพบว่าสมบัติของฟิล์มสามชั้นขึ้นกับสมบัติเฉพาะตัวของพลาสติกโครงสร้างหลักมากกว่าปริมาณพลาสติไซเซอร์ที่ใช้ นอกจากนี้ยังศึกษาความเสถียรของฟิล์ม PLA/WPI/PLA ที่ใช้ GLY เป็นพลาสติไซเซอร์ที่อัตราส่วน WPI:GLY เป็น 1:0.4 เก็บรักษาที่อุณหภูมิการเก็บที่นิยมใช้ทางการค้า; 4, 25 และ 35 องศาเซลเซียส (°C) ความชื้นสัมพัทธ์ 50% เป็นระยะเวลา 21 วันเทียบกับฟิล์ม WPI และ PLA พบว่าฟิล์มหลายชั้น PLA/WPI/PLA มีลักษณะทางกายภาพและและความสามารถในการยึดเกาะกันระหว่างชั้นที่ดี ไม่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางการมองเห็นของฟิล์มได้ตลอดการเก็บรักษา ค่า T600 ของฟิล์ม PLA/WPI/PLA มีแนวโน้มลดลงอย่างช้าๆและ ∆Eab มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นในระหว่างการเก็บ ซึ่งสมมติฐานว่ามีสาเหตุมาจากปฏิกิริยาการเกิดสีน้ำตาลแบบเมลลาร์ด (Maillard browning reaction) ของเวย์โปรตีนและน้ำตาลรีดิวซ์ที่เหลืออยู่ในชั้น WPI และการจัดเรียงตัวใหม่ของโครงสร้างโมเลกุล ส่งผลให้ความโปร่งใสและสีของฟิล์มเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ การเก็บรักษาฟิล์มที่ 35 °C ทำให้ฟิล์มPLA/WPI/PLA สามารถทนต่อแรงดึงได้มากขึ้นแต่ความสามารถในการยืดตัวลดลง ซึ่งให้ผลตรงกันข้ามกับฟิล์มที่เก็บที่ 4 และ 25 °C ที่มีความแข็งแรงลดลงแต่สามารถยืดตัวได้มากขึ้น ในด้านความสามารถในการป้องกันการซึมผ่านของออกซิเจนและไอน้ำของฟิล์ม PLA/WPI/PLA นั้นมีความสามารถในการป้องกันที่ดีขึ้นอย่างช้าๆตลอดการเก็บ สังเกตจากค่าการซึมผ่านที่ลดลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งฟิล์มที่เก็บรักษาที่ 35 °C โดยรวมแล้วสมบัติของฟิล์ม PLA/WPI/PLA มีความสอดคล้องกับฟิล์มที่เป็นโครงสร้างหลัก จากการทดลองพบว่าการเปลี่ยนแปลงของสมบัติที่เกิดขึ้นของฟิล์มสามชั้นเป็นไปตามอัตราการเกิดปฏิกิริยาอันดับศูนย์และอันดับหนึ่ง (R2 ≥ 0.85) ถึงแม้ว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจะขึ้นกับอุณหภูมิแต่ก็ไม่เป็นไปตามสมการของอาร์รีเนียส อีกทั้งมีการทดสอบการยืดอายุของตัวอย่างนมผงสำหรับเด็กที่มีความไวต่อการเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนเก็บที่ 4, 25 และ 35 °C ระดับความชื้นสัมพัทธ์ 50% เป็นระยะเวลา 19 วันโดยใช้ถุง PLA/WPI/PLA เทียบกับถุง PLA พบว่าถุง PLA/WPI/PLA มีความสามารถในการรักษาสี, ปริมาณน้ำอิสระ (Water activity) และปริมาณความชื้น (Moisture content) ของนมผงเทียบเท่ากับกับถุง PLA จากผลการทดสอบปริมาณคอนจูเกตไดอีน (Conjugate diene) และสารประกอบคารบอนิล (Carbonyl compounds) ที่เกิดขึ้นแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างฟิล์มที่อาศัยสมบัติของ WPI นั้นช่วยชะลอการเกิดปฏิกิริยาออโตออกซิเดชัน (Autoxidation ) ของไขมันในนมผงตัวอย่างได้อย่างมีนัยสำคัญ (p ≤ 0.05) จึงสามารถสรุปได้ว่าฟิล์มหลายชั้นที่ผลิตจากพอลิเมอร์ชีวภาพ; PLA/WPI/PLA สามารถใช้เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่มีสมบัติขวางกั้นออกซิเจนซึ่งมีความเป็นไปได้ในการนำมาใช้ยืดอายุการเก็บผลิตภัณฑ์อาหารแห้งได้ที่ 4 - 35 °C ระดับความชื้นสัมพัทธ์ 50%
Description: Thesis (M.Sc.)--Chulalongkorn University, 2014
Degree Name: Master of Science
Degree Level: Master's Degree
Degree Discipline: Food Technology
URI: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/56137
Type: Thesis
Appears in Collections:Sci - Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
5471990723.pdf4.09 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.