Mannans as film formers and emulsion stabilizers

Mannans are abundant plant polysaccharides found in the endosperm of certain leguminous seeds (guar gum galactomannan, GG; locust bean gum galactomannan, LBG), in the tuber of the konjac plant (konjac glucomannan, KGM), and in softwoods (galactoglucomannan, GGM). This study focused on the effects of the chemical structure of mannans on their film-forming and emulsion-stabilizing properties. Special focus was on spruce GGM, which is an interesting new product from forest biorefineries. A plasticizer was needed for the formation of films from mannans other than KGM and the optimal proportion was 40% (w/w of polymers) glycerol or sorbitol. Galactomannans with lower galactose content (LBG, modified GG) produced films with higher elongation at break and tensile strength. The mechanical properties of GG-based films were improved by decreasing the degree of polymerization of the polysaccharide with moderate mannanase treatments. The improvement of mechanical properties of GGM-based films was sought by blending GGM with each of poly(vinyl alcohol) (PVOH), corn arabinoxylan (cAX), and KGM. Adding other polymers increased the elongation at break of GGM blend films. The tensile strength of films increased with increasing amounts of PVOH and KGM, but the effect of cAX was the opposite. Dynamic mechanical analysis showed two separate loss modulus peaks for blends of GGM and PVOH, but a single peak for all other films. Optical and scanning electron microscopy confirmed good miscibility of GGM with cAX and KGM. In contrast, films blended from GGM and PVOH showed phase separation. GGM and KGM were mixed with cellulose nanowhiskers (CNW) to form composite films. Addition of CNW to KGM-based films induced the formation of fiberlike structures with lengths of several millimeters. In GGM-based films, rodlike structures with lengths of tens of micrometers were formed. Interestingly, the notable differences in the film structure did not appear to be related to the mechanical and thermal properties of the films. Permeability properties of GGM-based films were compared to those of films from commercial mannans KGM, GG, and LBG. GGM-based films had the lowest water vapor permeability when compared to films from other mannans. The oxygen permeability of GGM films was of the same magnitude as that of commercial polyethylene / ethylene vinyl alcohol / polyethylene laminate film. The aroma permeability of GGM films was low. All films were transparent in the visible region, but GGM films blocked the light transmission in the ultraviolet region of the spectra. The stabilizing effect of GGM on a model beverage emulsion system was studied and compared to that of GG, LBG, KGM, and cAX. In addition, GG was enzymatically modified in order to examine the effect of the degree of polymerization and the degree of substitution of galactomannans on emulsion stability. Use of GGM increased the turbidity of emulsions both immediately after preparation and after storage of up to 14 days at room temperature. GGM emulsions had higher turbidity than the emulsions containing other mannans. Increasing the storage temperature to +45 ºC led to rapid emulsion breakdown, but a decrease in storage temperature increased emulsion stability after 14 days. A low degree of polymerization and a high degree of substitution of the modified galactomannans were associated with a decrease in emulsion turbidity.

Mannaanit ovat yleisiä kasvipolysakkarideja, joita esiintyy tiettyjen palkokasvien siemenissä (guarkumi, GG; johanneksenleipäpuujauhe, LBG), konjac-kasvin mukulassa ja havupuissa (galaktoglukomannaani, GGM). Tässä tutkimuksessa tutkittiin mannaanien kemiallisen rakenteen vaikutusta niiden kalvonmuodostukseen ja emulsion stabilointikykyyn. Erityisesti keskityttiin kuusen GGM:iin, joka on kiinnostava puunjalostusteollisuuden sivutuote. Pehmitintä tarvittiin kalvojen muodostamiseksi mannaaneista KGM:a lukuunottamatta. Sopiva määrä oli 40 % (polymeerien painosta) glyserolia tai sorbitolia. Galaktomannaanit, joissa oli vähän galaktoosisivuryhmiä (LBG, muokattu GG), muodostivat kalvoja joilla oli korkea murtovenymä ja vetolujuus. GG-pohjaisten kalvojen mekaaniset ominaisuudet paranivat myös, kun polysakkaridin polymerisaatioastetta laskettiin keskisuurella mannanaasikäsittelyllä. GGM-kalvojen mekaanisia ominaisuuksia pyrittiin parantamaan sekoittamalla GGM:a polyvinyylialkoholin (PVOH), maissin arabinoksylaanin (cAX) ja KGM:n kanssa. Muiden polymeerien lisääminen kasvatti GGM-seoskalvojen murtovenymää. Vetolujuus kasvoi kun PVOH:n ja KGM:n määrää kasvatettiin, mutta cAX:n vaikutus oli päinvastainen. Dynaamis-mekaanisessa analyysissä havaittiin GGM:n ja PVOH:n seoksilla kaksi häviömoduulin huippukohtaa, kun muilla kalvoilla oli vain yksi huippukohta. Valo- ja pyyhkäisyelektronimikroskopia varmistivat GGM:n hyvän sekoittuvuuden cAX:n ja KGM:n kanssa. Sen sijaan GGM:n ja PVOH:n seoksilla havaittiin faasierottumista. GGM:a ja KGM:a sekoitettiin selluloosananokiteiden (CNW) kanssa komposiittikalvojen muodostamiseksi. CNW:n lisääminen KGM-kalvoihin sai aikaan useiden millimetrien pituisten, kuitumaisten rakenteiden muodostumisen. GGM-kalvoissa muodostui kymmenien mikrometrien pituisia sauvamaisia rakenteita. Huomattavat muutokset kalvojen rakenteessa eivät kuitenkaan vaikuttaneet kalvojen mekaaniseen ja termisiin ominaisuuksiin. GGM-kalvojen läpäisevyysominaisuuksia verrattiin kaupallisista mannaaneista, KGM:sta, GG:sta ja LBG:sta valmistettujen kalvojen läpäisevyysominaisuuksiin. GGM-kalvoilla oli muista mannaaneista valmistettuihin kalvoihin verrattuna matalin vesihöyrynläpäisevyys. GGM-kalvojen hapenläpäisevyys oli samaa suuruusluokkaa kuin kaupallisella polyetyleeni / etyleenivinyylialkoholi / polyetyleeni -laminaattikalvolla. GGM-kalvojen arominläpäisevyys oli matala. Kaikki kalvot olivat läpinäkyviä näkyvän valon alueella, mutta GGM-kalvot estivät valonläpäisyä ultravioletin valon alueella. GGM:n stabiloivaa vaikutusta virvoitusjuomaemulsiossa verrattiin GG:n, LBG:n, KGM:n ja cAX:n vaikutukseen. Lisäksi GG:a muokattiin entsymaattisesti galaktomannaanien polymerisaatioasteen ja substituutioasteen vaikutuksen selvittämiseksi emulsion pysyvyyteen. GGM:n käyttö lisäsi emulsioiden sameutta sekä heti valmistuksen jälkeen että 14 vuorokauden säilytyksen ajan huoneenlämmössä. GGM-emulsiot olivat sameampia kuin muista mannaaneista valmistetut emulsiot. Säilytyslämpötilan kasvattaminen +45 ºC:een johti nopeaan emulsion hajoamiseen, mutta säilytyslämpötilan lasku lisäsi emulsioiden pysyvyyttä 14 vuorokauden jälkeen. Muokattujen galaktomannaanien matala polymerisaatioaste ja korkea substituutioaste olivat yhteydessä matalaan emulsion sameuteen.