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.

Konjac- ja galaktoglukomannaanipohjaiset emulsiokalvot

Emulsiokalvolla tarkoitetaan kalvoa, joka on valmistettu haihduttamalla ylimääräinen vesi pois emulsiosta. Polysakkaridipohjainen emulsiokalvo koostuu kalvonmuodostuspolysakkaridista, rasvasta, emulgointiaineesta ja pehmittimestä. Kirjallisuusosassa selvitettiin, mitä raaka-aineita polysakkaridipohjaisissa emulsiokalvoissa käytetään ja mitkä tekijät vaikuttavat emulsiokalvojen vesihöyrynläpäisevyyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimuksen kokeellisen osan tavoitteena oli selvittää, miten konjac-glukomannaani (KGM) ja kuusen galaktoglukomannaani (GGM) soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Lisäksi selvitettiin, miten rasvan tyyppi ja rasvapitoisuus vaikuttavat GGM-KGM-pohjaisten emulsiokalvojen mekaanisiin ominaisuuksiin ja vesihöyrynläpäisevyyteen. Mehiläisvahasta, mäntyöljystä ja rypsiöljystä valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 30 %:n (paino-% GGM:sta) rasvapitoisuudet. Lisäksi mehiläisvahasta valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 10 ja 50 % mehiläisvahaa. Emulsiokalvoja verrattiin vertailukalvoon, jossa ei ollut rasvaa. Kalvoissa käytetty KGM:n ja GGM:n suhde oli 1:1. Kalvoista mitattiin vesihöyrynläpäisevyys ja -läpäisynopeus, vetolujuus, Youngin moduuli ja murtovenymä. Näiden lisäksi kalvojen poikkileikkaus kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. GGM ja KGM soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Huoneenlämpötilassa kuivatuista kalvoista saatiin tasaisemman näköisiä kuin lämpökaapissa kuivatuista. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa vahapisarat olivat öljypisaroita pienempiä, mikä mahdollisesti vaikutti siihen, että vahapisarat pysyivät paremmin kiinnittyneenä kalvomatriisissa. Öljypisaroiden koko oli kalvoissa noin 10 ?m ja vahapisaroiden 2–6 ?m. Vesihöyrynläpäisynopeus oli pienin 50 %:n mehiläisvahakalvolla (p < 0,05). Vesihöyrynläpäisevyys laski lineaarisesti mehiläisvahapitoisuuden suurentuessa. Öljykalvot ja 10 %:n mehiläisvahakalvo eivät eronneet tilastollisesti merkitsevästi vesihöyrynläpäisevyyden suhteen vertailukalvosta. Pienin vetolujuus ja Youngin moduuli oli 50 %:n mehiläisvahakalvolla. Vertailukalvo oli kestävin ja jäykin. Murtovenymän suhteen kalvot eivät eronneet toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan GGM-KGM-pohjaisia emulsiokalvoja, jotka pidättivät vesihöyryä vertailukalvoa paremmin ja silti säilyttivät mekaaniset ominaisuutensa kohtuullisen hyvin.