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Oct 26, 2023

Ein neuartiges Polysaccharid/Zein-Konjugat als alternativer grüner Kunststoff

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13161 (2023) Diesen Artikel zitieren 288 Zugriffe 1 Altmetric Metrics Details Der Leinsamenkuchen ist ein Abfallprodukt aus der Leinölgewinnung. Mehrwert schaffen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13161 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Leinsamenkuchen ist ein Abfallprodukt der Leinölgewinnung. Die Wertschöpfung dieses verschwendeten Materials steht im Einklang mit dem Konzept der Zirkularität. In dieser Studie untersuchten wir die Konjugation von Zein-Protein mit Leinschleim für die Entwicklung von Verpackungsmaterialien. Obwohl sowohl Flachsschleim als auch Zein über ausgezeichnete filmbildende Eigenschaften verfügen, fehlen ihnen die für die industrielle Verarbeitung erforderlichen mechanischen Eigenschaften und sie reagieren empfindlich auf hohe Luftfeuchtigkeit. Wir präsentieren eine einfache und ungiftige Eintopfmethode zur Entwicklung des neuartigen Leinschleim/Zein-Konjugats. Dabei wird der Leinschleim oxidiert, um Aldehydgruppen zu bilden, die dann in einem Glykierungsprozess mit den Aminogruppen des Zeins reagieren. Die Konjugate wurden mit verschiedenen Techniken analysiert. Das Leinschleim-Konjugat hatte eine Wasserhaltekapazität von 87–62 %. Eine Erhöhung des Zeingehalts verbesserte die Oberflächenglätte der Filme. Andererseits führten höhere Zeinspiegel zu einer signifikanten Abnahme der Filmlöslichkeit (p < 0,05). Das Leinschleim-Konjugat zeigte thermoplastische und elastische Eigenschaften; Es weist einen Elastizitätsmodul von 1–3 GPa, eine Glasübergangstemperatur zwischen 49 °C und 103 °C und eine hervorragende Verarbeitbarkeit mit verschiedenen industriellen Techniken auf. Zeigt sein Potenzial als nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen.

Das Gebiet der Polymerwissenschaften hat seit den Entdeckungen und Fortschritten in den petrochemischen Wissenschaften bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Kunststoffe mit ihren einzigartigen und vorteilhaften Eigenschaften, darunter ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Steifigkeit, Zähigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und relativ niedrige Kosten, sind allgegenwärtig geworden. Allerdings haben die Produktion und der Transport dieser Materialien erheblich zu den CO2-Emissionen beigetragen, was zu einem erheblich hohen CO2-Fußabdruck führt1,2. Darüber hinaus werden Kunststoffe am Ende ihrer Lebensdauer entweder verbrannt, wodurch mehr CO2 freigesetzt wird, oder sie sammeln sich auf Mülldeponien und in den Ozeanen an, was eine erhebliche Bedrohung für die Umwelt darstellt3,4. Infolgedessen ist die Entsorgung von Kunststoffen für Polymerwissenschaftler zu einem Hauptanliegen geworden5,6,7,8.

Um zu einer Kreislaufwirtschaft überzugehen und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, ist es entscheidend, erdölbasierte Kunststoffe durch nachhaltige Biokunststoffe zu ersetzen, die aus Polysacchariden, Proteinen oder Lipiden verschiedener Pflanzen und Organismen gewonnen werden. Beispiele für solche Biopolymere sind Stärke9,10 und Cellulose11,12, Sojaprotein13,14,15, Pektin16,17, Kasein18, Molkenprotein (WP)19, Alginat5,20,21, Gelatine22, Chitin und Chitosan23,24 sowie Keratin25. Von besonderem Interesse sind pflanzliche Biokunststoffe, die einen doppelten Vorteil bieten, indem sie während ihres Wachstums durch Photosynthese CO2 absorbieren und sich am Ende ihres Lebenszyklus leicht in die Umwelt integrieren und abbauen, was zu einem geringeren CO2-Fußabdruck im Vergleich zu Erdöl führt -basierte Gegenstücke2.

Eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit Biokunststoffen auf pflanzlicher Basis ist der Wettbewerb mit den primären menschlichen Nahrungsressourcen, der zu einem Anstieg der Lebensmittelpreise und der Abholzung von Wäldern führt, ähnlich wie bei Biogas auf pflanzlicher Basis26. Um solche Probleme zu vermeiden und eine Bioökonomie zu erreichen, sollten Biokunststoffe aus pflanzlichen und tierischen Rückständen gewonnen werden, was eine bessere Abfallbewirtschaftung ermöglicht und einen Mehrwert bietet.

Polysaccharide sind vielseitige Moleküle, die verschiedene funktionelle Gruppen enthalten, darunter Hydroxyl-, Amino-, Carbonsäure- und Aldehydgruppen, wodurch sie sich ideal für die Konjugation eignen. Polysaccharid-Protein-Konjugate haben sich aufgrund ihrer verbesserten Löslichkeit, Emulsion, Hydrophobie, Barriere und mechanischen Eigenschaften als potenziell nachhaltiges Biokunststoffmaterial herausgestellt und übertreffen diejenigen einzelner Polysaccharide und Proteine. Diese Konjugate wurden umfassend erforscht, entwickelt und in biomedizinischen Bereichen als Arzneimittelträger, Wundauflagen und Emulgatoren in Lebensmitteln eingesetzt.

Trotz ihrer Wirksamkeit und Fortschritte in verschiedenen anderen Bereichen wurden Polysaccharid-Protein-Konjugate und ihre Anwendung als alternativer Biokunststoff für Verpackungen nur in begrenztem Umfang erforscht, was darauf hindeutet, dass in diesem Bereich weiterer Forschungsbedarf besteht27,28. Eine Studie zielte darauf ab, Konjugate verschiedener Polysaccharide mit Molkenproteinen (WP) für Verpackungsanwendungen über physikalische (intermolekulare) Wechselwirkungen zu nutzen. Die resultierenden Konjugate zeigten im Vergleich zu reinen Polysacchariden und WP-Filmen eine höhere Zugfestigkeit und eine geringere Sauerstoffdurchlässigkeit29. Es wurde angenommen, dass sich zwischen dem Polysaccharid und der Proteinstruktur elektrostatische Komplexe oder Vernetzungen bilden30,31. Untersuchungen verschiedener Mischungen von WP-Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) zeigten ebenfalls verbesserte mechanische und Sauerstoffbarriereeigenschaften32,33. In einer anderen Studie zeigten WP-Okra-Polysaccharid (OP)-Mischungen im Vergleich zu reinen WP- oder OP-Filmen allein eine höhere Sauerstoffbarriere, Wasserdampfdurchlässigkeit und verbesserte Flexibilität, was eine einzigartige Wechselwirkung zwischen WP und OP34 bestätigt. Darüber hinaus wurde die Konjugation von drei Proteinen (WP-Isolat, Rindergelatine und Hühnergelatine) auf Vollkartoffelmehl untersucht, um die mechanischen Eigenschaften von Kartoffelmehlfilmen zu verbessern35. Über die kovalente Bindung von Putrescin (1,4-Diaminobutan) an Alginat und Pektin mit niedrigem Methoxylgehalt wurden auch aminierte Polysaccharide synthetisiert, was die Wirksamkeit der chemischen Bindung von Pektin-Putrescin und Alginat-Putrescin27 belegt. Die resultierenden Polysaccharid-Putrescin-Konjugate zeigten deutlich verbesserte mechanische und chemische Eigenschaften im Vergleich zu unmodifizierten, nichtkovalent gebundenen Polysacchariden und Putrescin. Diese Studien eröffnen ein neues Kapitel für biologisch abbaubare/essbare flexible Folien für Lebensmittelverpackungsanwendungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und Feuchtigkeitsbarriere27.

In dieser Studie präsentieren wir einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung eines nachhaltigen und umweltfreundlichen alternativen Kunststoffmaterials durch die Synthese eines Polysaccharid-Protein-Konjugats auf Basis von Flachsschleim/Protein. Schleim ist ein Hydrokolloid, das aus verschiedenen Pflanzenteilen wie Samen, Blättern und Wurzeln gewonnen wird36 und Mischungen verschiedener Polysaccharide liefern kann37. Aufgrund seiner hydrophilen Natur bildet Schleim eine gelartige wässrige Lösung mit hoher Wasseraufnahmekapazität und verbesserten Barriereeigenschaften38. Insbesondere Leinschleim ist für seine hervorragenden filmbildenden Eigenschaften bekannt und daher ein vielversprechender Kandidat für diese Studie. Leinsamenschleim besteht hauptsächlich aus Arabinoxylan und Rhamnogalacturonan I, die in der epidermalen Zellschicht der Samenschale vorkommen und bei Kontakt mit Wasser viskos werden39. Nach Kenntnis der Autoren wurden Flachs-Schleim/Protein-Konjugate nicht eingehend untersucht, insbesondere nicht als alternatives Kunststoffmaterial.

Leinschleim ist ein wasserlösliches Hydrokolloid und besteht hauptsächlich aus Arabinoxylan und Rhamnogalacturonan I (wie in Abb. 1a dargestellt). In unserer Studie haben wir den Leinschleim mit der Heißwassermethode extrahiert und anschließend mit Ethanol ausgefällt. Wir fanden heraus, dass der extrahierte Schleim 21–55 % des Gesamtgewichts des ursprünglich verwendeten Leinsamenkuchenrückstands ausmachte, wie durch gravimetrische Analyse ermittelt wurde. Interessanterweise beobachteten wir, dass eine Erhöhung der Extraktionstemperatur und der Inkubationszeit zu höheren Leinschleimausbeuten führte. Die höchste Ausbeute von 55 % wurde bei 80 °C für 6 Stunden erzielt, während die niedrigste Ausbeute von 21 % bei 80 °C für 1 Stunde erzielt wurde (siehe Abb. 1b). Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass längere Erhitzungsperioden bei hohen Temperaturen (~ 80 °C bis 90 °C) zu einem thermischen Abbau der extrahierten Schleimstruktur führen können, was durch die Abnahme der Ausbeute bei der Inkubation über Nacht zu beobachten ist, wie in Abb . 1b.

(a) Schematische Darstellung der Zusammensetzung des Flachsschleims. (b) Extraktionsausbeute an Flachsschleim bei verschiedenen Extraktionsbedingungen. (c) Chemisches Schema der vorgeschlagenen Reaktion zur Konjugation von Zein und Flachsschleim.

Die Gewinnung des Leinschleims hat zwei Vorteile. Erstens konkurriert es nicht mit Nahrungsmittelressourcen, und zweitens steht die Nutzung von Abfallnebenprodukten im Einklang mit dem Konzept der Kreislaufwirtschaft und steigert den Wert landwirtschaftlicher Abfälle. Der extrahierte Ertrag war in unserer Studie höher als der aus ganzen Leinsamen, der in anderen Studien nachgewiesen wurde, und betrug 5,3–6,2 %40. Dies lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass wir nach dem Ölgewinnungsprozess ein Abfallprodukt der Ölindustrie (Leinsamenkuchenrückstände) verwendet haben, bei dem das Öl etwa 35–45 % des Gesamtgewichts ausmacht41.

Wir verwendeten Kaliumpersulfat (K2S2O8) als Oxidationsmethode, um den extrahierten Leinschleim mit Zein-Protein zu konjugieren. Die vermutete Reaktion, die die Oxidation und Konjugation von Zein und Flachsschleim beinhaltet, ist in Abb. 1c dargestellt. Verschiedene Proben wurden durch Variation des Zeingehalts (5, 10, 20 und 30 Gew./Vol. %) und der Reaktionszeiten (3 h, 48 h und 5 Tage) hergestellt, angegeben als 5 %–3 h, 5 %–48 h, 5 %-5D, 10 %-3 h, 20 %-3 h bzw. 30 %-3 h. Zusätzlich wurde 30 %-3 h mit Dimethylsulfoxid (DMSO) nachbehandelt, das als 30 %-3 h-DMSO bezeichnet wurde. Die durchschnittliche Ausbeute aller Experimente betrug etwa 80 %, was wahrscheinlich auf den Verlust einiger Proben während des Spülschritts zurückzuführen ist. Die Ausbeute wurde auf der Grundlage der anfänglichen Trockenmasse des verwendeten extrahierten Schleims und Zeins sowie der Differenz zwischen der Gesamttrockenmasse nach der Reaktion und dem anfänglichen Ausgangsmaterial berechnet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung des Zeingehalts zu einer deutlichen Steigerung der Gesamtausbeute führte, wobei die höchste Ausbeute bei der Probe 30 % – 3 Stunden beobachtet wurde (84,72 ± 2,95). Darüber hinaus führten längere Reaktionszeiten zu höheren Ausbeuten und zeigten eine Ausbeute von 75,37 ± 2,72 % für die Probe 5 %-5D im Vergleich zu 5 %-3 h, die nur 63,30 ± 2,71 % ergab. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Proben ein hohes Wasserhaltevermögen aufwiesen (wie in Tabelle 1 gezeigt), wobei Probe 5 %-5D im Vergleich zu Probe 30 %-5D das höchste Wasserhaltevermögen aufwies (ungefähr 87,61 ± 0,51 %). 3 h (ungefähr 62,73 ± 0,07 %), der den niedrigsten Wert aufwies. Die Wasserhaltekapazität der Proben nahm vor dem Trocknen mit abnehmender Reaktionszeit und steigendem Zeingehalt ab, was auf weniger funktionelle Einheiten und weniger Oberflächenexposition für die Wasserabsorption hinweist. Dies kann auf die nicht umgesetzten funktionellen Einheiten von Zein zurückzuführen sein. Die detaillierten Ergebnisse zu Ertrag und Wasserhaltekapazität sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die Kontaktwinkelmessung wurde durchgeführt, um die Benetzbarkeit des entwickelten Biopolymers zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Proben unabhängig vom Zeingehalt ähnliche Kontaktwinkel im Bereich von 54° bis 59° aufwiesen (wie in Tabelle 1 gezeigt). Der Kontaktwinkel des entwickelten Konjugats war vergleichbar mit reinem Zein, das einen gemessenen Wert von 58,97° ± 10,84 aufwies, was mit Literaturberichten übereinstimmt (60° Wasserkontaktwinkel (θH2O42)). Leinschleim hatte einen Kontaktwinkel von 72,22° ± 3,21, was auf eine geringere Benetzungsfähigkeit als Zein und seine Konjugate hinweist. Allerdings zeigte Flachsschleim im Laufe der Zeit eine Zunahme des Benetzungsverhaltens, wobei der Kontaktwinkel schnell von 72,22° ± 3,21 abfiel und die Probe sich innerhalb von 10 Minuten auflöste, was ihre hohe Wasserlöslichkeit bestätigte. Probe 30 % – 3 h hatte einen Kontaktwinkel von 59,16° ± 4,20, der in 5 Minuten auf 38,11° abfiel und dann in 10 Minuten ein Plateau bei 28,81° erreichte. Die Behandlung der Probe 30 % bis 3 Stunden lang mit DMSO erhöhte den Kontaktwinkel auf 101,67° ± 7,08 und zeigte eine höhere Stabilität im Laufe der Zeit, wobei ein Kontaktwinkel von 71,68° bei t = 30 Minuten gemessen wurde (wo ein Plateau erreicht wird).

Um die freie Oberflächenenergie der entwickelten Konjugate zu bestimmen, wurden Kontaktwinkelmessungen sowohl mit Wasser als auch mit 3,3′-Diiodmethan (DIM) durchgeführt. Basierend auf den beobachteten Kontaktwinkeln wurde die Oberflächenenergie berechnet. Interessanterweise zeigte der Flachsschleim die höchste Oberflächenenergie (95,3 ± 1,843), die bei Reaktion mit 5 % Zein auf 48,70 ± 6,02 sank. Die Oberflächenenergie steht in direktem Zusammenhang mit der Stärke der Massenwechselwirkungen und dem Grad der Exposition der Oberflächeneinheiten. Daher weist ein höherer Oberflächenenergiewert auf eine stärkere Freilegung funktioneller Einheiten auf der Oberfläche hin. Die starke molekulare Anziehung, die für den Leinschleim beobachtet wird, erleichtert die Bindung an die verfügbaren -NH-Einheiten des Zeinproteins. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf einen zunehmenden Trend der Oberflächenenergie mit zunehmendem Zeingehalt hin, was ein Hinweis darauf sein könnte, dass überschüssige, nicht umgesetzte -NH-Einheiten verfügbar sind.

Die morphologische Analyse wurde mittels direkter physikalischer Beobachtung und SEM durchgeführt. Der trocken extrahierte Leinschleim bildete einen hellbraunen, spröden, schuppigen Film, wie in Abb. 2a dargestellt. Das Zein hingegen bildete einen steifen Film mit einer glatten, homogenen Oberfläche, wie in Abb. 2b dargestellt. Um die Auswirkung der verschiedenen Modifikationsbedingungen auf die Oberflächenmorphologie zu untersuchen, wurde die morphologische Analyse von 5 %-5D, 5 %-3 h, 30 %-3 h und 30 %-3 h-DMSO durchgeführt. Die REM-Aufnahme in Abb. 2a zeigt, dass der getrocknete schuppige Leinschleimfilm eine sehr glatte Oberfläche hatte. Im Gegensatz dazu zeigte der reine Zeinfilm im Vergleich zum Flachsschleim ausgezeichnete filmbildende Eigenschaften und hatte eine glatte, homogene Oberfläche mit Rissen, die bei näherer Betrachtung dazu neigen, sich aufzurollen (Abb. 2b).

Fotografien und REM-Aufnahmen (×500) des Lösungsmittelgusses (a) reiner Leinschleim, (b) Zein und der verschiedenen Leinschleim/Zein-Konjugate (c) 5 %-5D, (d) 5 %-3 h, ( e) 30 %-3 h bzw. (f) 30 %-3 h-DMSO.

Signifikante Unterschiede in der Oberflächenmorphologie wurden bei allen Leinschleim/Zein-Konjugaten im Vergleich zu reinem Zein und Leinschleim beobachtet. Die REM-Aufnahmen von 5 %-5D zeigten eine extrem raue, schaumige und strukturierte Oberfläche mit vorherrschenden Rissen auf der Oberfläche, was auf ihre Sprödigkeit hinweist (Abb. 2c). Im Gegensatz dazu zeigten die 5%-3-h- und 30%-3-h-Proben äußerst glatte und rissfreie Oberflächen, wie in Abb. 2d dargestellt, z. Dies zeigte deutlich, dass die Proben umso rauer und strukturierter wurden, je länger die Reaktionszeit war, was wahrscheinlich auf das hohe Wasserhaltevermögen der Proben mit langer Reaktionszeit zurückzuführen ist, was zu einem Schaumeffekt führen könnte, der zu einer Textur und Rauheit der Probe führt und verursacht beim Trocknen Risse. Darüber hinaus war die Morphologie der mit DMSO nachbehandelten Proben im Vergleich zu den unbehandelten Proben tendenziell rauer (Abb. 2f), was wahrscheinlich auf die DMSO-Verdunstung während des Trocknens zurückzuführen ist.

Die Molekulargewichtsmittelwerte von 30 %-3 h und 30 %-3 h-DMSO wurden durch GPC bestimmt und sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die GPC-Kurven, die in den Zusatzdaten S1 zu finden sind, zeigten unimodale symmetrische Verteilungen, was darauf hindeutet dass die Wechselwirkung zwischen Polysaccharid und Protein gut kontrolliert wurde. Es wurde festgestellt, dass das Mw des Biopolymers niedriger ist als das Mw des Leinschleims (1,3 × 106 g/mol) und höher als das von Zein (20 KDa), was auf die Bindung von Leinschleim und Zeinprotein hinweist, was zu einem Mw von führt 3,7 × 104 g/mol und 2,9 × 104 g/mol für 30 %-3 h bzw. 30 %-3 h-DMSO.

Die Polydispersität von 30 %-3 h und 30 %-3 h-DMSO wurde mit 1,96 bzw. 1,53 bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Massenmittel des Molekulargewichts (Mw) und der Polydispersitätsindex (PDI) von 30 %-3 h-DMSO kleiner waren als die von 30 %-3 h. Dies legt nahe, dass die Molekülkettenlänge von 30 %-3 h-DMSO kürzer und die Molekulargewichtsverteilung enger war als bei 30 %-3 h. Die behandelten DMSO-Proben führten daher zu einem weniger heterogenen Polymer mit homogenen Eigenschaften.

Um die thermischen Eigenschaften der entwickelten Konjugate zu beurteilen, wurde Differentialscanningkalorimetrie (DSC) durchgeführt. Die Ergebnisse der DSC-Analyse für die 30 %-3 h- und 30 %-3 h-DMSO-Proben (siehe S2) sind in Tabelle 2 zusammengefasst, die auch die Wirkung der DMSO-Behandlung auf die thermischen Eigenschaften des Konjugats hervorhebt. Für alle Filme wurden drei charakteristische Peaks beobachtet, die typisch für Polysaccharid-DSC-Diagramme sind. Während des ersten Heizzyklus wurde ein endothermer Peak bei etwa 100 °C festgestellt, der auf den Verlust eingeschlossener Feuchtigkeit in der Probe zurückzuführen ist44,45. Um zu bestätigen, dass der beobachtete endotherme Peak auf Wasserverdampfung zurückzuführen war, wurden die Proben auf –80 °C abgekühlt und dann erneut erhitzt. Das Fehlen eines exothermen Peaks im zweiten Heizzyklus bestätigte, dass der endotherme Peak bei 100 °C mit der Verdunstung von in der Probe eingeschlossenem Wasser zusammenhängt. Die Filme zeigten zwei Glasübergangstemperaturen (Tg1 und Tg2) bei 62,3 ± 2,1 °C und 103,1 ± 9,8 °C sowie 49,0 ± 1,8 °C und 93,9 ± 11 °C für die 30 %-3-Stunden und 30 %-3-Stunden -DMSO-Proben. Die Proben zeigen eine Abnahme der Tg mit zunehmender Reaktionszeit und im Fall von DMSO-behandelten Proben. Diese Abnahme der Tg deutet auf eine eingeschränkte Retrogradation aufgrund der stärkeren Wasserstoffbrückenbindungen hin, die zur Bildung amorpherer Strukturen in diesen Konjugaten führt.

Die physikalisch-chemische Analyse des Leinschleim/Zein-Konjugats wurde mittels FTIR durchgeführt, und die Spektren des reinen Leinschleims, Zeins und der modifizierten Proben sind in Abb. 3a dargestellt. Die Breitbande bei 3285 cm−1 im Spektrum des Leinschleims ist im Zusammenhang mit den OH-Streckschwingungen von Hydroxylgruppen in den Carbonsäuren und Hydroxylgruppen der Kohlenhydratstruktur von Leinschleim46. Der Peak bei 2930 cm−1 (Streck- und Biegeschwingung von CH2) und insbesondere bei 1030 cm−1 (C–O–C) sind charakteristisch für das Polysaccharid-Rückgrat von Pyranosen47. Der Peak bei 1408 cm−1 steht im Zusammenhang mit Galacturonsäure, und die Peaks bei 1640 cm−1 (C=O-Streckung) repräsentieren die Streckschwingung von Amid I. Amid II (1542 cm−1) und Amid III (1240 cm−). 1) waren ebenfalls vorhanden, was bestätigte, dass Leinschleim auch einige Proteine ​​enthielt48,49.

FTIR-Spektren. (a) Im Bereich von 4000–500 cm−1 des Flachsschleims, Zein, 30 %-3 h-DMSO, 30 %-3 h und 5 %-5D, was auf die Amid-I-Absorptionen und die Abwesenheit der Pyranose bei 1047 hinweist cm−1, (b) Entfalteter Bereich (2000–500 cm−1) des 30 %-3 h-DMSO-Spektrums, der die Bildung von Imin aus einem Amin und einer Carbonyl-haltigen Struktur zeigt.

Im Spektrum von Zein ist die Streckung der O-H- und N-H-Bindungen der Aminosäuren bei 3289 cm-1 sichtbar, und die C-H-Gruppen werden durch die Peaks zwischen 2995 und 2835 cm-150 angezeigt. Die Streckung des C=O der Carbonylgruppen von Amid I (1645 cm−1) und die N-H-Biegung und C-N-Streckung von Amid II (1537 cm−1) sowie die axialen Verformungsschwingungen von C– N-Bindungen und C=O-Biegeschwingungen von Amid III (1240 cm−1) repräsentieren die Aminosäurestruktur51.

Die Spektren beider Proben 5 %-5D und 30 %-3 h zeigten alle charakteristischen Peaks des Leinschleims und des Zeinproteins. Die charakteristischen C–H-Gruppen zwischen 2995 cm–1 und 2835 cm–1 kamen nur im Spektrum von Zein vor und waren auch in den modifizierten Proben vorhanden. Die O-H-Streckung war im Vergleich zum Flachsschleim (3285 cm−1) leicht abgeschwächt und verschob sich für die 5%-5D- und 30%-3-Stunden auf 3289 cm−1. Dies könnte auf die Wechselwirkung und Bildung neuer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Leinschleim und Zein zurückzuführen sein. Auch die Amidbindungen des Konjugats hatten sich im Vergleich zu Flachsschleim und Zein verschoben: Amid I bewegte sich von 1640 cm−1 (Leinschleim) und 1545 cm−1 (Zein) auf 1622 cm−1 und Amid II verschob sich von 1542 cm− 1 (Leinschleim) und 1537 cm−1 (Zein) bis 1530 cm−1. Amid III verschob sich von 1240 cm−1 (Leinschleim und Zein) auf 1230 cm−1. Diese Verschiebungen deuteten weiter auf die chemische Wechselwirkung zwischen dem Flachsschleim und Zein in der modifizierten Probe hin. Der sehr starke Peak bei 1047 cm−1, der mit dem Pyranosenrückgrat im Flachsschleim in Zusammenhang steht, war in den modifizierten Proben verschwunden. Dies zeigte einen Übergang von der zyklischen Pyranose-Konformation in eine lineare Kette. Darüber hinaus verstärkte das Vorhandensein von Zein die Vermutung, dass eine nukleophile Reaktion der Carbonylgruppen (C–O) des Flachsschleims stattfand und somit eine kovalente Bindung (Schiffsche Basenbindung) zwischen dem Flachsschleim und dem Zein gebildet wurde. Bei dieser nukleophilen Reaktion handelte es sich wahrscheinlich um ein Imin (C=N), was in den FTIR-Spektren durch das Vorhandensein von Peaks im Bereich von 1640–1690 cm−1 angezeigt wurde. Die Intensität der charakteristischen C=O-Absorptionsbande des Flachsschleims war in den 5%-5D- und 30%-3-h-Spektren abgeschwächt, was auf die Bildung von Iminbindungen aufgrund des teilweisen Verbrauchs von Aldehydgruppen des Flachsschleims durch die Reaktion hinweist mit Aminogruppen des Zeins52,53,54. Die Ergebnisse der FTIR-Analyse bestätigten, dass zwischen den Aldehydgruppen des Flachsschleims und den freien Aminogruppen von Zein Schiffsche Basen (C=N-Doppelbindungen) gebildet wurden, die ein Polysaccharid/Protein-Konjugat bildeten52. Eine solche kovalente Bindung war in den in DMSO gelösten Proben verstärkt, was auf eine erhöhte Geschwindigkeit der nukleophilen Reaktion hinweist, wie zuvor gezeigt53,55. Der entfaltete Bereich (2000–500 cm−1) des 30 %-3 h-DMSO-FTIR-Spektrums zeigt die Bildung von Imin aus einer Amin- und einer Carbonyl-haltigen Struktur (Abb. 3b). Die Auflösung anionischer Reaktanten in einem dipolaren aprotischen Lösungsmittel wie DMSO beschleunigt die Geschwindigkeit der Amidhydrolyse, da die Solvatation die Aktivität der anionischen Reaktanten erhöht53,55.

In dieser Studie wird vermutet, dass zwischen Leinschleim und Zein ein Glykationsprozess stattgefunden hat, der zur Bildung eines fortgeschrittenen Glykationsendprodukts (AGE) führte. Um dies zu bestätigen, wurde NMR-Spektroskopie an den 5 %-5D- und 30 %-3 h-Proben durchgeführt. Die 1D-1H-NMR-Spektren beider Proben waren ähnlich und weisen auf ein großes Protein mit schlecht aufgelösten und breiten Signalen hin, was auf eine große Molekülgröße oder Probenaggregation zurückzuführen ist (Abb. 4a). Die 1D-13C-NMR-Spektren der 5%-5D- und 30%-3-h-Proben zeigten beide Signale bei 67,9 ppm, 72,2 ppm und 72,3 ppm, die der CH-Gruppe von Rhamnose und Mannose zugeordnet wurden (Abb. 4b). . Die Signale bei 130 ppm wurden aromatischen Kohlenstoffen zugeschrieben, während die überlappenden Peaks bei 68–78 ppm aliphatischen Kohlenstoffen zugeschrieben wurden. Das Signal bei 170 ppm hing mit der Carbonylgruppe (C=O) des Zeins zusammen.

NMR-Spektren (a) 1D 1H NMR, (b) 1D 13C NMR, (c) 2D 1H, 13C-HSQC und (d) 2D 1H, 15N-HSQC Spektren (rot: 30 %-3 h und blau: 5 %- 5D).

Die 2D-1H,13C-HSQC-NMR-Spektren beider Proben zeigten das Vorhandensein einer Zuckerzusammensetzung. Die Signale zwischen δ(1H) = 3,58–3,40 ppm konnten der C–H- und O–H-Gruppe von Rhamnose, Mannose und Arabinose zugeordnet werden, während das Signal bei 1,25 ppm der Methylgruppe (CH3) von Rhamnose zugeordnet werden konnte Rückstände (Abb. 4c). Die chemische Struktur des Flachsschleimpolymers zeigte nach der Modifizierung mit Zein offensichtliche Veränderungen, wie durch 2D-1H,13C-HSQC-NMR-Spektroskopie veranschaulicht (Abb. 4c). Die Signale bei 20 und 50 ppm standen im Zusammenhang mit den im Leinschleim vorhandenen Kohlenwasserstoffen, wie z. B. die CH3-Peaks bei δ = 23,5 und 27,8 ppm, der CH2-Peak im aliphatischen Teil bei δ = 45,2 ppm und die CH-Signale bei δ = 26,9 und 32,3 ppm. Das Auftreten neuer Peaks bei δ = 155–157 ppm wurde Iminbindungen (C=N) zugeschrieben. Die Reaktion zwischen der –NH-Gruppe von Zein und den –OH-Gruppen von Flachsschleim-Polymer wurde durch das Auftreten eines neuen Peaks belegt, der Iminbindungen (C=N) bei 155,87 im Flachsschleim/Zein-Konjugat-Komplex entspricht.

Darüber hinaus zeigten die 2D-1H,13C-HSQC-Spektren signifikante Unterschiede in den Bereichen 3–4 ppm/70–80 ppm (Zuckerregion) und 4–5 ppm/97,5–103,3 ppm, die mit den anomeren Kohlenstoffen des Flachsschleims korrelierten. Ein Signal bei 5,25 ppm, dessen Kohlenstoffatom bei 100,2 ppm resoniert, wurde den Rhamnoseresten eines Rhamnogalacturonan-Rückgrats zugeordnet (siehe Abb. 1a). Ein weiteres häufiges Signal, das in NMR-Spektren für verschiedene Schleimstoffe beobachtet wird, ist ein Proton. In diesem Fall sehen wir ein Signal bei 4,94 ppm, das mit einem Kohlenstoffatom bei 100,4 ppm korreliert, vermutlich aufgrund der Galacturonsäurereste des Polysaccharids. In Bezug auf die Signalintensität zeigten die 5 %-5D-Signale (blaue Spektren) in einigen Regionen vielfältigere Signale, während in anderen Regionen die 30 %-3 h-Signale (rote Signale) etwa 10 % betrugen. 20 % stärker. Der Glykosylierungszustand der Proteine ​​schien unterschiedlich zu sein, wie in Abb. 4c gezeigt, wo der Zeingehalt und die Reaktionszeit den Glykosylierungszustand veränderten.

Die 2D-1H,15N-HSQCs-Spektren (Abb. 4d) zeigten charakteristische Proteinsignale, wobei die Asn- und Gln-Seitenketten als zwei deutliche „Kämme“ zwischen 6,5 und 7,5 ppm/110 bzw. 112 ppm erschienen. Die H-N-Gruppen wurden durch einen breiten „Klecks“ überlappender Signale dargestellt, deren Mittelpunkt bei 8 ppm/117 ppm lag. Allerdings waren die Signale schwach und schlecht verteilt, was darauf hindeutet, dass das Zein-Protein denaturiert oder entfaltet worden war. Die NMR-Ergebnisse stimmten mit den FTIR-Ergebnissen überein und lieferten einen weiteren Beweis dafür, dass der Flachsschleim und das Zein eine Maillard-Reaktion durchlaufen hatten, um ein Polysaccharid-Protein-Konjugat zu bilden.

Trotz der hohen Affinität der Proben zu Wasser zeigten sie nach dem Trocknen eine geringe Löslichkeit und Wasseraufnahme. Um ihre Löslichkeit zu bewerten, wurde eine qualitative Löslichkeitsstudie an den Proben durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den höchsten Gewichtsverlust für 5 % bis 3 Stunden mit 1,71 ± 0,34 % und den niedrigsten für 30 % bis 3 Stunden mit 0,79 ± 0,1 % in 24 Stunden (Abb. 5a). Darüber hinaus wurde die Stabilität der 30 %-3 h-Probe in verschiedenen Lösungsmitteln quantitativ getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die 30 %-3-h-Probe in DMSO löslich, aber resistent gegen Ethanol, Methanol, Aceton und Toluol war (weitere Informationen finden Sie in den ergänzenden Daten S3).

(a) Eine qualitative Löslichkeitsstudie, die den prozentualen Gewichtsverlust der verschiedenen Proben zeigt. Balken mit unterschiedlichen Buchstaben zeigen einen signifikanten Unterschied im prozentualen Wasserverlust an (P < 0,05). (b) 30 %-3-Stunden-Probe durch verschiedene Verarbeitungstechniken. Die Löslichkeitsstudie wurde dreifach durchgeführt, wobei jeder Messsatz dreimal durchgeführt wurde (Daten werden als Durchschnitt ± Standardfehler, N = 9) ausgedrückt.

Abbildung 5b zeigt, wie das Leinschleim/Zein-Konjugat in verschiedenen Verarbeitungstechniken verwendet werden kann. Zur Herstellung dünner Filme wurde die Lösungsmittelgusstechnik verwendet. Zur Herstellung dickerer Proben mit kontrollierten Abmessungen wurde die Heißpressmethode eingesetzt. Zur Herstellung von Mustern mit spezifischen Formen wurde Spritzguss eingesetzt, während die Schaumtechnik zur Herstellung einer leichten Struktur eingesetzt wurde. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Leinschleim/Zein-Konjugats als erneuerbares und biologisch abbaubares Material mit breiter Anwendbarkeit in verschiedenen herkömmlichen Verarbeitungstechniken.

Die mechanischen Eigenschaften des Flachsschleims/Zeins im Vergleich zu reinem Flachsschleim und Zein zeigten einen Anstieg des Young-Moduls von 0,31 ± 0,02 GPa43 bzw. 0,409 ± 7,62 GPa56 auf 3,10 ± 0,26 GPa, was den erfolgreichen Konjugationsprozess bestätigt. Die Zugtestergebnisse in Abb. 6a und Tabelle 3 bestätigten, dass das Mw eine zentrale Rolle bei den mechanischen Eigenschaften des Flachsschleim/Zein-Konjugats spielt. Die 30 %-3-h-Probe zeigte einen höheren Elastizitätsmodul, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Maximalkraft als die 30 %-3-h-DMSO (Abb. 6b – d), was durch das höhere Mw der 30 %-3-h-Probe erklärt werden könnte. Die Bruchdehnung stieg jedoch leicht von 0,41 ± 0,11 % auf 0,68 ± 0,09 %, entsprechend 30 %-3 h- bzw. 30 %-3 h-DMSO-Proben (Abb. 6e), was die plastifizierende Wirkung des DMSO-Stifts zeigt -Behandlung.

(a) Spannungs-Dehnungs-Härtung für 30 %-3 h und 30 %-3 h-DMSO. (b) Festigkeit, (c) E-Modul, (d) max. Kraft (e) Max. Dehnung, Balken mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich deutlich (P < 0,05). Die mechanischen Tests wurden dreifach durchgeführt, wobei jeder Messsatz dreimal durchgeführt wurde (Daten werden als Durchschnitt ± Standardfehler ausgedrückt, N = 9).

Der Anbau von Flachs ausschließlich zur Gewinnung von Flachsschleim zur Herstellung des Biokunststoffs Flachsschleim/Zein-Konjugat wäre aus ökologischer Sicht nicht nachhaltig. Allerdings wird Flachs bereits wegen seines Samenöls und Leinöls angebaut, und Flachsschleim ist ein Nebenprodukt, das aus dem bei der Flachsölgewinnung anfallenden Leinsamenkuchen gewonnen werden kann, wodurch ein ansonsten verschwendetes Material aufgewertet wird. Bei der Durchführung einer Lebenszyklusanalyse (LCA) sollte dies für ein besseres Abfallmanagement und den Ersatz ölbasierter Kunststoffverpackungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus ist Zein ein Nebenprodukt der Stärke- oder Ölextraktion aus Maismehl. Die Ökobilanz anderer biologisch abbaubarer Kunststoffe auf Proteinbasis hat gezeigt, dass sie am Ende ihres Lebenszyklus in einem Kompostierungsszenario einen positiven Einfluss haben. Solche Materialien integrieren sich durch Mikroorganismen schnell in den Boden, wodurch die Menge der zur Verbrennung zugeführten Abfälle reduziert und dadurch die damit verbundenen Emissionen minimiert werden57.

In dieser Studie wurden Flachsschleim und Zein einem Glykationsprozess unterzogen, der zur Bildung eines AGE führte, was durch NMR-Analyse bestätigt wurde. Der Glykierungsprozess für jedes Polysaccharid/Protein-Konjugat beginnt mit der Bildung einer Schiffschen Base, was zur Bildung eines Amadori-Zwischenprodukts und anderer Zwischenverbindungen führt. Wenn das Amadori-Addukt oxidiert wird, bildet es ein Endprodukt mit fortgeschrittener Glykierung. Dieser Glykierungsprozess wird auch als nicht-enzymatische Glykosylierung oder Maillard-Reaktion58 bezeichnet. Alle reduzierenden Zucker können mit verschiedenen Aminosäuren eine Glykationsreaktion eingehen58,59. Einer der Hauptfaktoren, die die Geschwindigkeit der Maillard-Reaktion beeinflussen, ist die Art des verwendeten Zuckers. Beispielsweise neigen Pentosen dazu, reaktiver zu sein als Hexosen im Allgemeinen. Früheren Studien zufolge wurde beobachtet, dass die Glykationsfähigkeit von Pentosen in der folgenden Reihenfolge zunimmt: D-Glucose < D-Mannose < D-Galactose < D-Xylose < D-Fructose < D-Arabinose < D-Ribose59,60. d-Ribose ist bei der Glykierung von Proteinen am reaktivsten und führt in vitro und in vivo zu einer schnelleren Produktion von AGEs als andere reduzierende Zucker59.

Ein Glykierungsendprodukt über Maillard-Konjugate kann im Allgemeinen mit konventionellen oder neuartigen Methoden hergestellt werden, jede hat ihre Vorteile und Einschränkungen. Hier stellten wir eine einfache und ungiftige Methode zur Entwicklung von Leinschleim/Zein-Konjugat61,62 vor. Das entwickelte Konjugat zeigte nach entsprechender Glykierung verbesserte funktionelle Eigenschaften, geringere Löslichkeit, thermische Stabilität, Schaumfähigkeit und höhere mechanische Leistung. Die Forschung zur Struktur-Funktions-Beziehung sowohl für Proteine ​​als auch für Polysaccharide ist jedoch begrenzt. Daher ist es notwendig, die entwickelten Konjugate zu verstehen und zu charakterisieren und geeignete Bedingungen auszuwählen, um den Prozess der Maillard-Reaktion zu steuern und zu optimieren. In anderen Studien zeigten Maillard-Konjugate großes Potenzial als Emulgatoren und Stabilisatoren in Emulsionssystemen63, während die vorliegende Studie ihr Potenzial zur Bildung funktioneller Konjugate als biogene thermoplastische Alternative zeigt.

Die DMSO-Behandlung beeinflusste die physikalisch-chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Leinschleim/Zein-Konjugats. Bei optischer Beobachtung erschienen die 30 %-3 h-DMSO-Proben im Vergleich zu den 30 %-3 h-Proben weniger undurchsichtig und hatten eine leichte Transparenz, was durch die Polymerkristallinität erklärt werden könnte. Die Änderungen des Kontaktwinkels waren eine Funktion der Polymerkristallinität, der Oberflächenenergie, der auf der Oberfläche vorhandenen funktionellen Gruppen, der Oberflächenheterogenität und der Rauheit64,65. Bei der Behandlung der 30%-3-Stunden-Probe mit DMSO erhöhte sich der Kontaktwinkel, was auf die Zunahme der Rauheit der Oberfläche zurückzuführen sein könnte, wie durch die REM-Aufnahmen in Abb. 2f bestätigt. Die DMSO-Behandlung beeinflusste die thermischen Eigenschaften der entwickelten Konjugate und senkte sowohl deren Tg1 als auch Tg2. Dies lässt sich durch das niedrigere Mw der 30 %-3 h-DMSO-Probe erklären, da bekannt ist, dass die Tg mit zunehmendem Mw zunimmt und sich asymptotisch einem Maximalwert nähert66. Darüber hinaus wurde ein höherer Elastizitätsmodul auf die Zunahme der Kettenlänge und ein höheres Mw zurückgeführt. Somit kann man die Oberflächenstruktur, Kristallinität, thermischen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des entwickelten Leinschleim/Zein-Konjugats modifizieren, indem man sein Molekulargewicht ändert oder die kristalline Phase zerstört und das Konjugat unter Verwendung eines Weichmachers wie DMSO in eine kontinuierliche amorphe Struktur überführt.

Das entwickelte Leinschleim/Zein-Konjugat weist eine erhebliche Sprödigkeit mit einem Dehnungswert von weniger als 1 % auf. Aufgrund dieser Sprödigkeit ist es für den direkten Einsatz in Verpackungsanwendungen ungeeignet. Es ist jedoch anzumerken, dass der Zusatz von Zusatzstoffen und Weichmachern das Potenzial hat, die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und das Problem der Sprödigkeit zu mildern. In zukünftigen Forschungsarbeiten wird ein gründlicher Untersuchungs- und Optimierungsprozess durchgeführt, um die idealen Zusatzstoffe und Weichmacher zu identifizieren und zu optimieren, die das Sprödigkeitsproblem des entwickelten Leinschleim/Zein-Konjugats wirksam mildern können.

Leinsamenschleim wurde mit einer einfachen und ungiftigen Methode erfolgreich aus Leinsamenkuchenrückständen extrahiert, was zu einer zufriedenstellenden Ausbeute von 75–84 % führte. Die anschließende Glykierung mit Zein ergab ein funktionelles konjugiertes funktionelles Polymer mit vielversprechenden thermoplastischen Eigenschaften und einem Young-Modul von 1–3 GPa. Das entwickelte Konjugat zeigte verbesserte funktionelle Eigenschaften, einschließlich verbesserter thermischer Stabilität, verringerter Löslichkeit von weniger als 1 %, erhöhter Schaumkapazität und überlegener mechanischer Leistung. Es gibt jedoch noch begrenzte Forschungsergebnisse zur Struktur-Funktions-Beziehung sowohl von Proteinen als auch von Polysacchariden, was die Bedeutung einer weiteren Charakterisierung der entwickelten Konjugate und einer Optimierung der Prozessbedingungen der Maillard-Reaktion unterstreicht. Das entwickelte Polymer zeigte sein Potenzial für die Verarbeitung mit verschiedenen Methoden wie Lösungsmittelgießen, Spritzgießen oder Aufblähen zu Schäumen. Obwohl weitere Studien erforderlich sind, um die Verwendung von Weichmachern zur Verbesserung der Sprödigkeit der hergestellten Filme zu untersuchen, weist der hergestellte Flachsschleim ein vielversprechendes Potenzial als Kandidat für verschiedene industrielle Anwendungen auf. Darüber hinaus werden sich zukünftige Untersuchungen auf die Bestimmung der Barriereeigenschaften sowie der Abbaukinetik dieses neuartigen Konjugatmaterials konzentrieren.

Leinsamenkuchen aus Resten wurde freundlicherweise von der Lausitzer Ölmühle (Hoyerswerda, Deutschland) zur Verfügung gestellt. Ethanol (≥ 99,8 %, denaturiert) wurde von Carl Roth (Deutschland) bezogen. Alle anderen Chemikalien wurden von Sigma Aldrich (Deutschland) gekauft; Kaliumpersulfat (ACS-Reagenz, ≥ 99,0 %), DMSO (wasserfrei, ≥ 99,9 %), DIM (analytischer Standard), N,N-Dimethylformamid (DMF) (HPLC-Qualität), Lithiumbromid (ReagentPlus®, ≥ 99 %), DMSO-d6 (Deuterierungsgrad min. 99,95 % für NMR-Spektroskopie MagniSolv™), Aceton (ACS-Reagenz, ≥ 99,5 %), Toluol (ACS-Reagenz, ≥ 99,5 %).

Die Leinschleimextraktion wurde mit der Heißwassermethode mit geringfügigen Modifikationen wie in43 beschrieben durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Leinsamenkuchen in Wasser (mit einem Samen-zu-Wasser-Verhältnis von 1:30) bei 60–90 °C für verschiedene Zeiträume (1–6 Stunden) unter ständigem Rühren eingeweicht wurde. Anschließend wurde die Suspension 20 Minuten lang bei 3000 U/min zentrifugiert, um die Samen aus dem extrahierten Schleim zu entfernen. Der extrahierte Schleim wurde mit zwei Volumina 98 %igem Ethanol ausgefällt. Nach einem Zeitraum von 1 Stunde bei 25 °C wurde der Niederschlag durch 20-minütige Zentrifugation bei 3000 U/min gesammelt. Der ausgefallene Feststoff wurde 24 Stunden lang in einem Heißluftofen bei 45 °C getrocknet und zu einem feinen Pulver gemahlen. Die erhaltene Ausbeute wurde im Verhältnis zum Anfangsgewicht des verwendeten Flachskuchens berechnet.

Der extrahierte Leinschleim wurde zu einer Mischung aus Ethanol/Wasser (50:50) bis zu einer Konzentration von 1,65 % w/v % (16,5 g/l) gegeben. Es wurden verschiedene Leinschleimlösungen mit unterschiedlichen Zeingehaltskonzentrationen zwischen 5 und 30 % w/v % hergestellt. Zusätzlich wurden 0,8 % w/v % Kaliumpersulfat (K2S2O8) als prominentes Oxidationsmittel zugesetzt, um funktionelle Gruppen zu aktivieren und die Pfropfpolymerisation von Zein auf das Leinschleim-Polysaccharid-Rückgrat zu initiieren, wie in Tabelle 4 dargestellt. Darüber hinaus Probe 30 %-3 h wurde mit DMSO behandelt, um die Wirkung eines dipolaren aprotischen Lösungsmittels auf die morphologischen, thermischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften des Konjugats zu untersuchen.

Für alle anstehenden analytischen Analysen wurden lösungsmittelgegossene Proben hergestellt, wobei entweder Wasser oder Dimethylsulfoxid (DMSO) als Lösungsmittel verwendet wurden. Der Vorbereitungsprozess umfasste das Auflösen der Materialien in 10 ml des jeweiligen Lösungsmittels und das anschließende Gießen in eine Aluminium-Petrischale. Anschließend wurden die Proben in einem Heißluftofen bei 50 °C getrocknet, bis das Lösungsmittel vollständig verdampft war.

Kontaktwinkelmessungen wurden durchgeführt, um die Benetzbarkeit und die freie Oberflächenenergie der entwickelten Leinschleim/Zein-Konjugate zu bestimmen. Die Benetzbarkeit wurde mit einem statischen Kontaktwinkelmessgerät, Drop Shape Analyzer DSA25 (Krüss GmbH, Deutschland), bewertet. Als Referenzflüssigkeiten wurden entionisiertes Wasser (3 μL) und DIM unter Verwendung einer gasdichten Mikrospritze verwendet. Drei Wiederholungen jeder Referenzflüssigkeit für jede Probe wurden für drei Probensätze durchgeführt, N=9. Die θH2O wurden durch Analyse der aufgezeichneten Tropfenbilder mit der Software Drop Shape Analysis 1.0 nach 5 s gemessen.

Die Oberflächenmorphologie der entwickelten Leinschleim/Zein-Konjugate wurde unter Verwendung eines herkömmlichen REM, JSM-7200F (Jeol Ltd., Tokio, Japan) bei 1 kV unter Hochvakuum durchgeführt. Zur Probenvorbereitung wurden die Proben zusätzlich 24 h lang in einem Heißluftofen bei 50 °C getrocknet, um den Feuchtigkeitsgehalt zu senken. Anschließend wurden die Proben auf einem doppelseitig klebenden Carbonband befestigt und mit Gold besputtert.

4 mg jeder Probe wurden in DMF mit 25 mmol/L Lithiumbromid (LiBr) bis zu einer Konzentration von 2 mg/ml gelöst. Anschließend wurden die Proben für ca. 4 h einem Ultraschallbehandlungsbad unterzogen. Die Lösungen wurden dann durch 0,45 µm PTFE-Filter filtriert und anschließend mit dem 1260 Infinity II GPC/SEC-System (Agilent Technologies, Deutschland) analysiert. Die Messungen wurden bei einer Temperatur von 40 °C unter Verwendung der Brechungsindexdetektion in Bezug auf PolarGel-M-Säulen durchgeführt und die Lichtstreuungsmessungen wurden bei 620 nm und Winkeln von 15° und 90° durchgeführt.

Die Glasübergangstemperatur (Tg) der entwickelten Leinschleim/Zein-Konjugate wurde mit einem TA-Instrument, Q200 DSC, aufgezeichnet. Von jeder Probe wurden etwa 5 mg zwei Erhitzungsläufen von –80 auf 120 °C unterzogen und dann auf –80 °C abgekühlt, gefolgt von einem zweiten Erhitzungsdurchlauf von –80 auf 210 °C mit einer Erhitzungsrate von 20 °C min−1.

Das entwickelte Leinschleim/Zein-Konjugat wurde durch ATR-FTIR-Spektroskopie mit SpectrumTwo™ (PerkinElmer, Inc, Waltham, USA) analysiert, wobei 25 Scans mit 4 cm−1 Auflösung im Bereich von 4000–500 cm−1 aufgezeichnet wurden. Zum Vergleich wurden sowohl rein extrahierter Leinschleim als auch Zein untersucht.

Der Leinschleim/Zein wurde durch NMR-Spektroskopie im Lösungszustand auf einem 500-MHz-Spektrometer Bruker Avance III (Bruker BioSpin GmbH, Ettlingen, Deutschland) analysiert, das mit einer heliumgekühlten Dreifachresonanz-Kryosonde ausgestattet war und auf dem das Softwarepaket Bruker Topspin3.5pl7 lief . Die Proben wurden durch manuelles Zerkleinern von ca. 50 mg in einen Mörser geben und das grobe Pulver über Nacht bei Raumtemperatur mit 0,6 ml DMSO-d6 behandeln, dann den klaren, leicht gelblichen Überstand verwenden. 1H-Spektren wurden mit 128 Scans/16.384 realen Datenpunkten, 2D-1H-, 13C-HSQC-Spektren (Bruker-Bibliotheksimpulsprogramm „HSQCETGP“) mit 16 Scans und 256 t1-Inkrementen/2048 Datenpunkten in t2-, 2D-1H- und 15N-HSQC-Spektren durchgeführt (Pulsprogramm hsqcetf3gp) mit 16 oder 32 Scans und 256 t1-Inkrementen/2048 Datenpunkten in t2; 1D-13C-Spektren (Pulsprogramm zgig30) wurden mit 4096 Scans/16.384 Datenpunkten erfasst. Alle Spektren wurden bei einer Probentemperatur von 308 K aufgenommen.

Um den Löslichkeitstest durchzuführen und den Gewichtsverlust zu überwachen, wurden verschiedene Leinschleim-/Zein-Konjugatproben über einen Zeitraum von 24 Stunden in Wasser getestet (nämlich: 5 % – 3 Stunden, 5 % – 48 Stunden, 5 % – 5D, 10 % – 3 Stunden, 20 %-3 Stunden und 30 %-3 Stunden). Jede Probe mit einem Gewicht von 1–2 mg wurde zunächst 24 Stunden lang bei 50 °C getrocknet und gewogen (WDry 1). Anschließend wurden die Proben in Wasser bei Raumtemperatur getaucht und periodisch 24 Stunden lang langsam mit einem Flachschüttler gerührt. Später wurde die Probe entnommen und 24 Stunden lang bei 50 °C getrocknet. Die resultierenden Proben wurden gewogen (WDry 2) und die Löslichkeit wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet:

Darüber hinaus wurde eine qualitative Bewertung der Proben durchgeführt, indem 1–2 mg der Probe in 10 ml verschiedener Lösungsmittel getaucht wurden; Wasser, Aceton, Toluol, Ethanol und DMSO. Die Löslichkeit der Proben in den verschiedenen Lösungsmitteln wurde durch visuelle Beobachtung über 14 Tage bestimmt.

Um die Proben mittels Lösungsmittelguss vorzubereiten, wurden 10 ml Wasser oder DMSO zum Auflösen der Probe verwendet, die dann in eine Aluminium-Petrischale gegossen wurde. Die Schale wurde 5 Tage lang bei einer Temperatur von 50 °C trocknen gelassen. Bei den hitzegepressten Proben wurde mit einer Biorad Min Lab-Presse ein Druck von 5 Tonnen und eine Temperatur von 80 °C auf eine trockene Probe ausgeübt. Beim Spritzgussverfahren wurde die Probe bei einer Temperatur von 120 °C und einer Formtemperatur von 80 °C eingespritzt. Für die Schaumtechnik wurde die Probe bei 120 °C extrudiert.

Die Zugtestproben wurden auf Abmessungen von 30 mm × 6 mm × 1,5 mm vorbereitet und vor dem Test einer dreitägigen Trocknung in einem Vakuumofen unterzogen. Zugversuche wurden in Anlehnung an DIN EN ISO 527-4 mit einer Maschine UTM Inspekt 250 (Hegewald & Peschke, Deutschland) durchgeführt. Die Kraft wurde über eine 500-N-Wägezelle gemessen und die Tests wurden mit einer konstanten Belastungsgeschwindigkeit von 0,5 mm/min und einer Spannweite von 20 mm durchgeführt. Der Elastizitätsmodul wurde aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve zwischen Dehnungen von 0,05 % und 0,25 % bestimmt. Alle Messungen wurden unter kontrollierten Umgebungsbedingungen mit einer Temperatur von 25,3 ± 0,33 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 20,9 ± 2,9 % durchgeführt. Für jeden Probentyp wurden neun Proben getestet.

Der Versuchsaufbau wurde dreifach durchgeführt, wobei jeder Messsatz dreimal durchgeführt wurde (N = 9) und die Ergebnisse als Durchschnitt ± Standardabweichung ausgedrückt wurden. Daten und Diagramme wurden mit OriginPro, Versionsnummer (Version 2023b) (OriginLab Corporation, Northampton, MA, USA) erstellt und analysiert. Die Ergebnisse wurden unter Verwendung einer einfaktoriellen ANOVA mit Tukeys Post-Hoc-Test statistisch analysiert, das signifikante Niveau wurde auf P < 0,05 festgelegt. Alle Messungen von SEM, DSC und FTIR wurden dreifach durchgeführt. Nachdem die Ähnlichkeit zwischen den dreifachen Messungen bestätigt wurde, wurde eine Probe aus jedem Satz zur Präsentation ausgewählt. NMR und GPC wurden einmal für jede getestete Probe durchgeführt.

Korrespondenz und Materialanfragen sind auf begründete Anfrage hin an MT zu richten.

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Die Autoren danken Dr. Cristian Weimer von Airbus für seine Unterstützung und die Bereitstellung der gesamten erforderlichen Ausrüstung und des Laborraums zur Unterstützung dieser Forschung. Wir möchten uns auch für die finanzielle Unterstützung bedanken, die wir von der AIF Projekt GmbH für das ZIM-Projekt ZF 4025033SK8 und der Technischen Universität München für den ERC-Seedfonds erhalten haben.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Carbon Composite, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Gestaltung, Technische Universität München, 85748, Garching, Deutschland

Marwa Tallawi, Danial Amrein & Klaus Drechsler

Fakultät für Naturwissenschaften, Bayerisches NMR-Zentrum, Technische Universität München, 85748, Garching, Deutschland

Gerd Gemmecker

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, University of Florida, Gainesville, FL, 32611, USA

Katerina E. Aifantis

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MT: Konzeptualisierung, Finanzierungsbeschaffung, Konzeption und Durchführung der Experimente, Durchführung der Datenanalyse und Erstellung des Originalentwurfs. DA: Durchführung der Zugversuchsmessung, GG: Durchführung der NMR- und NMR-Datenanalyse, Bearbeitung und Überarbeitung des Manuskripts. KEA: Validierung, Bearbeitung und Überarbeitung des Manuskripts. KD: Validierung, Bearbeitung und Überarbeitung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Marwa Tallawi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tallawi, M., Amrein, D., Gemmecker, G. et al. Ein neuartiges Polysaccharid/Zein-Konjugat als alternativer grüner Kunststoff. Sci Rep 13, 13161 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40293-4

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Eingegangen: 19. April 2023

Angenommen: 08. August 2023

Veröffentlicht: 12. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40293-4

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