Flaxseed (Linum usitatissimum L.) gum (FG) is a material with many potential food and non-food applications. Consistent performance is critical for FG utilization and this is possible through selection of genotype, characterization and optimization of constituents, and chemical modification. Physico-chemical and functional properties of FG aqueous solutions from six Canadian flaxseed cultivars were investigated. FG yield, carbohydrate composition, protein content, and zeta potential (ζ) varied among these cultivars. FG solution properties were also affected by temperature, solution pH, NaCl concentration, and sucrose concentration. Detailed studies were conducted on CDC Bethune FG (FGB) proteins that were separated by 2D-gel electrophoresis. Conlinin was identified as the major protein. Protease treatment decreased FGB solution emulsification properties suggesting that conlinin might enhance emulsification. Formation of BSA-FGB coacervates was monitored by turbidimetric analysis as a function of solution pH, biopolymer mixing ratio, NaCl and urea. Coacervates were stabilized primarily by attractive electrostatic forces and secondarily by hydrogen bonds. Further, anionic carboxymethyl ether moieties were introduced to FGB structure through ether forming reactions using monochloroacetic acid (MCA) to produce products with uniform properties. The highest degree of substitution (DS) was obtained at 70 °C, 7.0 M NaOH, and a molar ratio of MCA to FGB of 10:1 over 3 h. Carboxymethylated FGB (CMFG) exhibited both modified surface morphology and thermal behaviour. Solutions of CMFG demonstrated shear-thinning behaviour and apparent viscosity decreased with increased DS. A more liquid-like flow behaviour was observed for CMFG as DS increased. Findings here will introduce and expand FG applications in food or related fields with targeted performance.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Devido a busca e necessidade da aplicação de produtos sustentáveis, as blendas e os nanocompósitos a partir de biopolímeros surgem como uma proposta de uso em diversos campos tais como: embalagens, biomedicina e agricultura. Nesse sentido foram desenvolvidos blendas de goma de linhaça/ágar reticulados com glutaraldeído utilizando nanocristais de celulose como reforço, obtidos através do método “casting”. Testes preliminares foram realizados inicialmente variando a proporção de agente reticulante e plastificante além da variação de pH do meio, com o objetivo de promover ligações cruzadas na estrutura e consequente diminuição da hidrofilicidade do material. Seguiu-se o desenvolvimento das blendas em meio ácido fixando as proporções mássicas de aditivos (30% m/m de glicerol e 15% m/m de glutaraldeído em relação a massa final para cada filme), além de variar as proporções dos polímeros (75/25, 50/50 e 25/75 GL/AG). Os nanocompósitos foram obtidos a partir de cada formulação (blendas e amostras controles) com a adição de 2, 4 e 8% m/m de nanocristal de celulose (NC). Os filmes e blendas foram caracterizados pelas técnicas: Calorimetria Exploratória Diferencial, Análise Termogravimétrica, Difração de Raios-X e Infravermelho com Transformada de Fourier a fim de avaliar possíveis interações e organização do sistema. O estudo da reticulação das matrizes poliméricas, de suas blendas e dos nanocompósitos foram avaliados através da interação com a água pelo teste de solubilidade, absorção de vapor de água, ângulo de contato e permeabilidade ao vapor de água. A morfologia das amostras foi estudada por Microscopia Eletrônica de Varredura e por fim, o ensaio sob tração foi realizado para avaliação do desempenho mecânico das amostras. Os eventos endotérmicos observados nas curvas de DSC podem estar associados a novas interações estabelecidas no sistema. As curvas termogravimétricas apresentaram aumento da estabilidade térmica para os filmes controles e as blendas reticuladas em meio ácido. Os difratogramas de DRX apresentaram um padrão difuso de material tipicamente amorfo. Os espectros de FTIR não apresentaram bandas específicas de reticulação, apenas as existentes na estrutura original dos polissacarídeos. As imagens de MEV mostraram boa agregação e dispersão para as blendas e nanocompósitos. Os testes realizados de interação dos filmes com água mostraram que a reticulação em meio ácido levou a menor solubilidade para a formulação de goma de linhaça. A inserção de ágar bem como de NC contribuiu para uma menor absorção de água e melhora nas propriedades mecânicas. As formulações 50/502% NC e 50/504% NC apresentaram aumento da tensão na ruptura, elongamento e módulo de Young demonstrando assim resultados que justificam tanto a obtenção destas blendas quanto dos nanocompósitos. Além disso, com as diferentes morfologias obtidas nesse estudo é possível estender a faixa de aplicação para as formulações propostas. / Nowadays, due to the incentive and the requirement for the use of sustainable products, the blends and nanocomposites from biopolymers appear as a proposal for application in several fields, such as: packaging, biomedicine and agriculture. In this sense, flaxseed gum/agar blends were developed using glutaraldehyde as a crosslinker and cellulose nanocrystals as reinforcement, produced by casting method. Preliminary tests were fulfilled varying the amount of crosslinker agent and plasticizer, changing the pH of the medium in order to insert crosslinks in the polymer structure and consequently decrease the hydrophilicity of the samples. The development of the blends in acid medium by setting the mass proportions of additives (30 wt.% glycerol and 15 wt.% glutaraldehyde relative to the final mass for each film) and varying the polymers proportions (75/25, 50/50 and 25/75 GL/AG). The nanocomposites were obtained from each formulation (blends and control samples) with the addition of 2, 4 and 8% w/w of cellulose nanocrystals (NC). Films and blends were characterized by Differential Scanning Calorimeter, Thermal Gravimetric Analysis, X-ray Diffraction and Attenuated Total Reflectance with Fourier Transforms Infrared Spectroscopy techniques in order to assess possible interactions and organization of the system. The effect of the crosslinking in the polymer matrices, their blends and the nanocomposites were evaluated through the interaction with water by the solubility test, water vapor absorption, contact angle and water vapor permeability. The morphology of the samples was studied by the Scanning electron microscopy and, finally, the tensile test was performed to evaluate the mechanical performance of the samples. The endothermic events observed in the DSC curves may be associated with new interactions established in the polymeric systems. The thermogravimetric curves showed increased thermal stability for the control films and crosslinked blends in acid media. The X-ray diffractograms presented a diffuse pattern of the amorphous material. The infrared spectra did not present specific bands of crosslinking, only those being in the original structure of the polysaccharides. MEV images showed good aggregation and dispersion for blends and nanocomposites. Tests performed on the interaction of the films with water show that crosslinking in acid media led to a lower solubility for the flax gum formulation. The insertion of agar, as well as, the insertion of NC contributed to a lower water absorption and improvement in the mechanical tensile properties. The 50/502%NC and 50/504%NC formulations showed increased tensile rupture, Young's Modulus and elongation thus demonstrating results that justify both blends and nanocomposites originated from these. Moreover, with the different morphologies obtained in this study it is possible to extend the application range for the proposed formulations. / Dissertação (Mestrado)

Orientadores: Rosiane Lopes da Cunha, Angelo Luiz Fazani Cavallieri / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-12T20:41:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kuhn_KatiaRegina_M.pdf: 7905383 bytes, checksum: d2611d08a267478c25b7976ba7ea4940 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Biopolímeros, como as proteínas e os polissacarídeos, são utilizados pela indústria de alimentos por desempenharem um papel essencial na estrutura, textura e estabilidade dos produtos. O entendimento das interações biopoliméricas é importante para melhorar suas propriedades funcionais, como por exemplo, a capacidade de gelificação, e para o desenvolvimento de novos produtos. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo estudar as interações macromoleculares de sistemas contendo proteínas do soro de leite (WPI) e/ou polissacarídeo da linhaça (FG) em sistemas gelificados a frio pela adição de sais de cálcio ou sódio, buscando correlacionar estas interações com as propriedades mecânicas e de estrutura dos géis formados. Inicialmente realizou-se a caracterização reológica do polissacarídeo da linhaça e foi observado um comportamento de fluido pseudoplástico e propriedades de gel fraco. Com a adição de sais, verificou-se uma redução na viscosidade intrínseca e nos módulos elástico e viscoso das soluções. Em uma segunda etapa, foram estudados géis puros de WPI (5, 6, 7, 8 e 9% m/m) formados pela difusão de sais de cálcio ou sódio através de membranas de diálise e observou-se a formação de estruturas opaca e translúcida, sendo que o aumento na concentração de WPI levou a uma diminuição na claridade e porosidade dos géis e a um aumento na rigidez, elasticidade e capacidade de retenção de água, em ambos os sistemas (CaCl2 e NaCl). Os géis de WPI formados pela difusão de sais de cálcio apresentaram-se mais rígidos e elásticos, menos deformáveis e com menor capacidade de retenção de água em relação aos géis de sódio. Por último, foram estudados sistemas mistos WPI (8% m/m) ¿ FG (0,1; 0,3 e 0,5% m/m) utilizando dois procedimentos para incorporação de sais, a difusão através de membranas de diálise e a adição direta, e observou-se que o método de preparo dos géis levou a sistemas com propriedades mecânicas bastante distintas. No método de difusão lenta de sais, visualizou-se a formação de géis heterogêneos (separação de fases macroscópica). Nestes sistemas, o aumento na concentração de FG levou a diminuição da rigidez, deformabilidade e da capacidade de retenção de água dos géis como conseqüência da incompatibilidade termodinâmica entre os biopolímeros e descontinuidade da estrutura da rede do gel. No entanto, foi no método de adição direta de sais de sódio que obteve-se os géis bipoliméricos mais fortes, sendo este método o mais indicado visando melhor estrutura e propriedades mecânicas dos géis formados com maior viabilidade de uso em escala industrial / Abstract: Biopolymers, such as proteins and polysaccharides, are used by the food industry for playing an essential role in the structure, texture and stability of the products. An understanding of the biopolymers interactions is important for improvement of their functional properties, such as gelation, and for the new products development. Thus, the aim of this work it was to study macromolecular interactions between whey protein isolate (WPI) and/or flaxseed gum (FG) at cold-set gels formed by calcium or sodium salts addition, by correlation of these interactions with the mechanical properties and structure of the formed gels. Initially, flaxseed gum rheological characterization was realized and it was observed a shear thinning behavior and ¿weak gel¿ properties. Salts addition led to a decrease in intrinsic viscosity and in the storage and loss modulus of solutions. In a second step of this work, pure WPI gels (5, 6, 7, 8 and 9% w/w) formed by calcium or sodium salts diffusion through dialysis membranes were studied and it was observed the formation of structures opaque and translucent, where the increase WPI concentration led to a decrease in the clarity and porosity of the gels and to an increase in hardness, elasticity and water-holding capacity, in both systems (CaCl2 and NaCl). WPI gels formed by calcium salts diffusion were harder and more elastic, less deformable and with lesser ability to hold water in relation to sodium gels. Finally, mixed WPI (8% w/w) ¿ FG (0.1, 0.3 and 0.5% w/w) systems using two procedures for incorporation of salts were studied, the diffusion through dialysis membranes and the direct addition, and it was observed that the gels preparation method led to systems with quite different mechanical properties. By slow salts diffusion, it was observed the heterogeneous gels formation (macroscopic phase separation). In these systems, the increase FG concentration led to a decrease of the hardness, deformability and water-holding capacity of the gels as a consequence of the thermodynamic incompatibility between biopolymers and gel network discontinuity. However, it was by sodium salts direct addition that it were obtained stronger bi-polymeric gels, being this the most appropriate method to better structure and mechanical properties of the formed gels with higher viability for use in industrial scale / Mestrado / Mestre em Engenharia de Alimentos