Investigation of the diffusion barrier properties in mixtures of mammalian and cold-water fish gelatin

Abstract

Diffusjonsbarriereegenskapene til en gel er en av flere viktige faktorer som bidrar til å definere oppførselen og funksjonaliteten til den. Gelatin er en av mange geleringsmiddel som er vidt brukt i industrien i dag, og det aller meste av dette gelatinet kommer fra pattedyr. Gelatin har et bredt spekter av bruksområder både innenfor mat og legemidler, hvor diffusjonsbarriereegenskapene er viktige for mange av dem. Gelatin er et biopolymert material som lages ved hydrolyse av kollagen, hvorav kollagenkilden har stor effekt på egenskapene til det resulterende gelatinet. Kollagen kan bli hentet ut av skinn og ben til de aller fleste dyr, blant annet fisk. Gitt at fiskeindustrien er stadig voksende for hvert år er det også naturlig at mengden restråstoff produsert øker, noe som er en økende bekymring på grunn av mangelen på høyprofittapplikasjoner for disse råvarene. Til tross for at store deler av dette råmaterialet inneholder mye kollagen, er produksjon av gelatin fra kaldtvannsfisk fremdeles relativt uvanlig. Den største årsaken til dette er den lave gelerings og smeltetemperaturen som den viser, siden dette er uønsket for mange vanlige industrielle bruksområder. På grunn av dette så er det et stadig behov for å finne en måte å forbedre geleringsevnen til gelatin fra kaldtvannsfisk på for at det skal kunne se en større industriell bruk. En potensiell metode for å oppnå dette er ved å blande kaldtvannsfiskegelatin med pattedyrgelatin for å få et blandet system med gode egenskaper, en metode som har vist seg å være lovende.

Målet med denne oppgaven var å undersøke diffusjonsbarriereegenskapene til blandinger av gelatin fra kaldtvannsfisk og pattedyr, med et håp om å kunne finne ut hvordan disse egenskapene påvirkes av kaldtvannsfiskegelatin. For å gjøre dette ble prøver som inneholdt begge gelatintyper testet ved bruk av flere ulike metoder, og deretter sammenlignet med prøver fra ren pattedyrgelatin. Hensikten med dette var å undersøke hvordan diffusjonsbarriereegenskapene påvirkes når deler av pattedyrgelatinet erstattes med kaldtvannsfiskegelatin. Metodene anvendt for å gjøre dette var partikkelsporing av tilsatte fluorescerende partikler i gelene, og måling av frigjøring av fargede stoffer fra gelene i et vandig medium. Det ble også antydet at tilsetning av olje til de blandede gelene via emulgering påvirket fordelingen av de to gelatintypene. For å undersøke om fordelingen ble påvirket når gelene ble brukt i en oljeemulsjon, ble det brukt flouresence recovery after photobleaching.

Resultatene fra partikkelsporingen indikerte at diffusjonsbarriereegenskapene var relativt stekt forskjøvet mot den oppførselen sett i ren pattedyrgelatin når målingene ble utført ved romtemperatur. Dette ble observert selv for blandinger med bare 10% pattedyrgelatin, som antydet at selv med 90% kaldvannsfiskegelatin i blandingen, som i utgangspunktet burde smelte ved romtemperatur, var gelene fremdeles i stand til å danne et blandet og stabilt system. Det samme ble observert når frigjøringen fra gelene i et vannholdig miljø ble testet, da geler med 50% kaldvannsfiskegelatin viste en langsom frigjøring av både små og store forbindelser i lik linje med ren pattedyrgelatin. Begge disse metodene ga ingen indikasjon på at det oppsto en faseseparasjon i de blandede gelene, noe som tyder på at de dannet blandede matriser. Disse resultatene ser også ut til å antyde at en relativt stor mengde kaldtvannsfiskegelatin kan brukes i stedet for pattedyrgelatin uten at det har en vesentlig effekt på diffusjonsbarriereegenskapene. FRAP-eksperimentene ga ingen betydelig forskjell mellom diffusjonsegenskapene til emulsjonene og de vanlige gelene. Det var heller ingen tegn til faseseparasjon i FRAP-resultatene, noe som ytterligere styrker de andre funnene over.

The diffusion barrier properties of a gel is one of several important factors that helps to define the behaviour and functionality of that gel. Gelatin is one of many gelling agents that are commonly used in the industry today, with the majority of the gelatin used coming from mammalian sources. Gelatin has a wide array of uses both in food and pharmaceutical contexts, many of which the diffusion barrier properties are highly important for. Gelatin is a biopolymeric material that can be obtained from the hydrolysis of collagen, the source of which highly affects the properties of the resulting gelatin. Collagen can be obtained from the skin and bones of most animals, with fish being one such example. With the fishing industry constantly growing on a yearly basis, the amounts of rest raw materials produced is naturally increasing as well, something that’s of a growing concern due to the lack of high-profit applications for these raw materials. Despite much of this raw material containing large amounts of collagen, the production of gelatin from cold-water fish sources is still relatively uncommon. The main reason for this is the low gelling and melting temperatures that it exhibits, as this is undesirable for many common industrial applications. For this reason, there is a need to find a way to improve the gelling capabilities of cold-water fish gelatin if it is to see any significant use. One such method could potentially be mixing cold-water fish gelatin with mammalian gelatin to obtain a mixed system with desirable properties, a method which has shown some promise.

The aim of this thesis was to examine the diffusion barrier properties of mixtures containing coldwater fish gelatin and mammalian gelatin, with the goal of determining how these properties are affected by the presence of cold-water fish gelatin. To do this, samples containing both gelatin types were tested with the use of several different methods, and compared to samples of pure mammalian gelatin. The purpose of this was to establish how the diffusion barrier properties are affected when substituting part of a mammalian gelatin gel with cold-water fish gelatin. The methods employed to test this were particle tracking of fluorescent particles added to the gels, and the measurement of the release of coloured compounds from the gels in an aqueous medium. It was also suggested that the addition of oil to the mixed gelatin systems via emulsification affected the distribution of the two gelatin types. To explore if the distribution was affected when the mixed gels were used in an oil emulsion, fluorescence recovery after photobleaching was utilised.

The results obtained from the particle tracking indicated that the diffusion barrier properties were heavily shifted towards the behaviour seen in mammalian gelatin gels when measured at room temperature, even for mixtures containing just 10% mammalian gelatin. These results indicated that even with as much as 90% of the gelatin matrix being cold-water fish gelatin, which should melt well below room temperature, the gels were still able to form a seemingly mixed and stable system. The same thing was seen when measuring the release in an aqueous environment as well, where mixed gels containing 50% cold-water fish gelatin showed a slow release of both small and large compounds similar to pure mammalian gels. Both of these experiments gave no indication that there was phase separation in the mixed gels, which would suggesting that they are able to form mixed matrices. These result seem to imply that a relatively large amount of cold-water fish gelatin can be used in place of mammalian gelatin without any significant effect on the diffusion barrier properties. The FRAP experiments did not provide any significant difference between the diffusion properties of the oil emulsions and regular gels, though they did also seem to show no sign of any phase separation, further strengthening the other findings.