تاثیر گلیسرول و نانوسلولز بر ویژگی‌های آبدوستی و مکانیکی کامپوزیت‌های ژلاتین- کربوکسی متیل سلولز

مجله پژوهشهای علوم و صنایع غذایی ایران

دوره 18، شماره 5 - شماره پیاپی 77، آذر و دی 1401، صفحه 681-697   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/ifstrj.2021.70884.1057

نویسندگان

ساناز گل محمدزاده خیابان¹؛ فرید عمیدی فضلی^{* 2}

¹گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی، واحد صوفیان، دانشگاه آزاد اسلامی، صوفیان، ایران.

²گروه علوم و مهندسی صنایع غذایی، واحد صوفیان، دانشگاه آزاد اسلامی، صوفیان، ایران

چکیده

تلاش‌های گسترده‌ای جهت توسعه بسته‌بندی‌های بر پایه بیوپلیمرهای زیست تخریب‌پذیر و بهبود کارایی آنها صورت گرفته است. بیوپلیمرها که از منابع قابل تجدید کشاورزی حاصل می‌شوند جایگزینی مناسب برای پلاستیک‌های سنتزی به‌شمار می‌روند. اثر گلیسرول (%60- 20) به‌عنوان نرم‌کننده و نانوکریستال سلولز (%30- 0) به‌عنوان پرکن بر ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های ژلاتین- کربوکسی متیل سلولز مطالعه گردید. نانوسلولز مورد استفاده به روش هیدرولیز اسیدی تولید و توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از تولید نانوکامپوزیت‌ها به روش تبخیر حلال آزمون‌های نفوذپذیری نسبت به بخار آب، حلالیت در آب، جذب رطوبت، زاویه تماس، خواص رنگی و خواص مکانیکی انجام یافت. فیلم‌های تهیه شده زمانی که از نانوسلولز کمتری استفاده شد نفوذپذیری کمتری نسبت به بخار آب از خود نشان دادند (gm/m²Pas^11-10× 62/3 تا ^12-10× 23/2) ولی غلظت‌های بالای نانوکریستال سلولز موجب افزایش نفوذپذیری نسبت به بخار آب می شود. با افزایش میزان گلیسرول به دلیل تشکیل پیوندهای جدید و از دسترس خارج شدن گروه‌های هیدروکسیل از مقادیر جذب رطوبت کاسته می‌شود البته در مقادیر پایین نانوکریستال سلولز وارد فضاهای خالی در ماتریکس فیلم شده و از حرکت آزادانه ملکول‌های آب ممانعت به عمل می‌آورد. همین‌طور نمونه‌های تولید شده مقادیر جذب رطوبت بالا داشتند و زاویه تماس متوسطی در حدود 60 درجه از خود نشان دادند. در سطوح ثابت نانوکریستال سلولز با افزایش مقدار گلیسرول زاویه تماس کاهش یافته است چرا که گلیسرول به‌عنوان یک ترکیب چند الکلی از خاصیت آبدوستی زیادی برخوردار است. اثر متقابل نانوسلولز و گلیسرول بر این ویژگی معنی‌دار است. در تیمارهای با سطوح پایین گلیسرول ازدیاد طول در نقطه شکست به زیر 5 درصد تقلیل یافته است. در خصوص استحکام کششی فیلم‌های حاصل از قدرت بالایی برخوردار هستند و حداکثر استحکام کششی 37/84 مگاپاسکال به‌دست آمد این مقدار در مورد تیماری است که از 40 درصد گلیسرول بدون افزودن نانوسلولز تهیه شده بود به‌دست آمد افزودن نانوسلولز به مقدار 4 درصد باعث کاهش جزئی در استحکام کششی می‌شود. رنگ نمونه‌ها مطلوب ارزیابی گردید. استفاده از گلیسرول به میزان 60 درصد و نانوسلولز به مقدار 4/4 درصد سبب تولید فیلم با ویژگی‌های مطلوب می‌شود. به‌کارگیری ژلاتین و کربوکسی متیل سلولز باعث تولید فیلم‌هایی گردید که از نظر نفوذپذیری نسبت به بخار آب و نم شوندگی سطوح نسبت به فیلم‌های خالص دارای ویژگی‌های بهبود یافته‌ای هستند.

کلیدواژه‌ها

ژلاتین؛ کربوکسی متیل سلولز؛ نانوسلولز؛ خواص آبدوستی؛ خواص مکانیکی

مراجع

1. Abolghasemi Fakhri, L., Ghanbarzadeh, B., Dehghannia, J. Entezami, A.A. (2012). The effects of montmorillonite and cellulose nanocrystals on physical properties of carboxymethyl cellulose/polyvinyl alcohol blend films. Iranian Journal of Polymer Science and Technology (In Persian), 24 (6), 456-465.
2. Almasi, H., Ghanbarzadeh, B., Pezeshki Najafabadi, A. 2010. Improving the physical properties of starch and starch – carboxymethyl cellulose composite biodegradable films. Iranian Journal of Food Science and Technology, (In Persian), 6 (3), 1-11.
3. Almasi, H., Ghanbarzadeh, B., Dehghannya, J., Entezami, A., & Khosrowshahi Asl, A. (2015). Novel nanocomposites based on fatty acid modified cellulose nanofibers/poly(lactic acid): Morphological and physical properties. Food Packaging and Shelf Life, 5. https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2015.04.003
4. Angles, M. N., & Dufresne, A. (2001). Plasticized starch/tunicin whiskers nanocomposite materials. 2. Mechanical behavior. Macromolecules, 34(9), 2921-2931.
5. (1995). Official Methods of Analysis, sixteenth ed. Association of Official Analytical Chemists, Arlington VA, USA.
6. Asgar, M. A., Fazilah, A., Huda, N., Bhat, R., & Karim, A. (2010). Nonmeat Protein Alternatives as Meat Extenders and Meat Analogs. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 9, 513–529. https://doi.org/10.1111/j.1541-4337.2010.00124.x
7. ASTM. (1995a). Annual Book of ASTM Standards. Standard test methods for water vapor transmission of materials (Vol. Designation E 96-95). Philadelphia: American Society for Testing and Materials.
8. (1995b). Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting. D882–10 annual book of ASTM. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials.
9. Avérous, L., Fringant, C., & Moro, L. (2001). Plasticized starch-cellulose interactions in polysaccharide composites. Polymer, 42, 6565–6572. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(01)00125-2
10. Ayranci, E., & Tunc, S. (2001). The effect of fatty acid content on water vapour and carbon dioxide transmissions of cellulose-based films. Food Chemistry, 72, 231–236. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(00)00227-2
11. Ayranci, E., & Tunc, S. (2003). A method for the measurement of the oxygen permeability and the development of edible films to reduce the rate of oxidative reactions in fresh foods. Food Chemistry, 80, 423–431. https://doi.org/10.1016/S0308-8146(02)00485-5
12. Boun, H. R., & Huxsoll, C. C. (1991). Control of Minimally Processed Carrot (Daucus carota) SurBOUN, H. R., & HUXSOLL, C. C. (1991). Control of Minimally Processed Carrot (Daucus carota) Surface Discoloration Caused by Abrasion Peeling. Journal of Food Science, 56(2), 416–418. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1991.tb05293.x
13. Bower, C. K., Avena-Bustillos, R., Olsen, C. W., Mchugh, T., & Bechtel, P. (2006). Characterization of Fish‐Skin Gelatin Gels and Films Containing the Antimicrobial Enzyme Lysozyme. Journal of Food Science, 71. https://doi.org/10.1111/j.1750-3841.2006.00031.x
14. Chambi Mamani, H. N., & Grosso, C. (2006). Edible films produced with gelatin and casein cross-linked with transglutaminase. Food Research International, 39, 458–466. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2005.09.009
15. Cheng, L.-H., Karim, A., & Seow, C. C. (2008). Characterisation of composite films made of konjac glucomannan (KGM), carboxymethyl cellulose (CMC) and lipid. Food Chemistry, 107, 411–418. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2007.08.068
16. Cherian, B., Leao, A., Souza, S., Costa, L. M., Molina de Olyveira, G., Samy, K., Nagarajan, E. R., & Thomas, S. (2011). Cellulose nanocomposites with nanofibres isolated from pineapple leaf fibers for medical applications. Carbohydrate Polymers, 86, 1790–1798. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.07.009
17. Choi, Y., & Simonsen, J. (2006). Cellulose Nanocrystal-Filled Carboxymethyl Cellulose Nanocomposites. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 6(3), 633–639. https://doi.org/10.1166/jnn.2006.132
18. Cole, M., & Bergeson, L. (2007). Regulation of new forms of food packaging produced using nanotechnology. In Intelligent and Active Packaging for Fruits and Vegetables (pp. 289–306). https://doi.org/10.1201/9781420008678.ch15
19. Dashipour, A., Razavilar, V., Hosseini, H., Shojaee-Aliabadi, S., German, J. B., Ghanati, K., Khakpour, M., & Khaksar, R. (2015). Antioxidant and antimicrobial carboxymethyl cellulose films containing Zataria multiflora essential oil. International Journal of Biological Macromolecules, 72, 606–613. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2014.09.006
20. de Carvalho, R. A., & Grosso, C. R. F. (2004). Characterization of gelatin based films modified with transglutaminase, glyoxal and formaldehyde. Food Hydrocolloids, 18(5), 717–726. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2003.10.005
21. Du, C. J., & Sun, D. W. (2004). Recent developments in the applications of image processing techniques for food quality evaluation. Trends in Food Science & Technology, 15(5), 230–249. https://doi.org/10.1016/J.TIFS.2003.10.006
22. Ejaz, M., Arfat, Y. A., Mulla, M., & Ahmed, J. (2018). Zinc oxide nanorods/clove essential oil incorporated Type B gelatin composite films and its applicability for shrimp packaging. Food Packaging and Shelf Life, 15, 113–121. https://doi.org/10.1016/J.FPSL.2017.12.004
23. Espitia, P. J. P., Du, W. X., de Jesús Avena-Bustillos, R., Soares, N. D. F. F., & McHugh, T. H. (2014). Edible films from pectin: Physical-mechanical and antimicrobial properties-A review. Food hydrocolloids, 35, 287-296. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2013.06.005
24. Farahnaky, A., Dadfar, S. M. M., & Shahbazi, M. (2014). Physical and mechanical properties of gelatin–clay nanocomposite. Journal of Food Engineering, 122, 78–83. https://doi.org/10.1016/J.JFOODENG.2013.06.016
25. Farris, S., Schaich, K., Liu, L., Cooke, P., Piergiovanni, L., & Yam, K. (2011). Gelatin-pectin composite films from polyion-complex hydrogels. Food Hydrocolloids, 25. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2010.05.006
26. Gennadios, A., Weller, C. L., Hanna, M. A., & Froning, G. W. (1996). Mechanical and barrier properties of egg albumen films. Journal of Food Science, 61(3), 585–589. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1996.tb13164.x
27. Ghanbarzadeh, B., Almasi, H., & Entezami, A. A. (2010). Physical properties of edible modified starch/carboxymethyl cellulose films. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 11(4), 697–702. https://doi.org/10.1016/J.IFSET.2010.06.001
28. Gomez-Guillen, M., Ihl, M., Bifani, V., Silva Weiss, A. C., & Montero, P. (2007). Edible films made from tuna-fish gelatin with antioxidant extracts of two different murta ecotypes leaves (Ugni molinae Turcz). Food Hydrocolloids, 21, 1133–1143. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2006.08.006
29. Guerrero, P., Stefani, P. M., Ruseckaite, R. A., & de la Caba, K. (2011). Functional properties of films based on soy protein isolate and gelatin processed by compression molding. Journal of Food Engineering, 105(1), 65–72. https://doi.org/10.1016/J.JFOODENG.2011.02.003
30. Guilbert, S. (1986). Technology and application of edible protective films. Technology and Application of Edible Protective Films, 371–393.
31. Habibi, Y., & Dufresne, A. (2008). Highly Filled Bionanocomposites from Functionalised Polysaccharide Nanocrystals. Biomacromolecules, 9, 1974–1980. https://doi.org/10.1021/bm8001717
32. Jordan, J., Jacob, K. I., Tannenbaum, R., Sharaf, M. A., & Jasiuk, I. (2005). Experimental trends in polymer nanocomposites—a review. Materials Science and Engineering: A, 393(1–2), 1–11. https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2004.09.044
33. Kaushik, A., Singh, M., & Verma, G. (2010). Green nanocomposites based on thermoplastic starch and steam exploded cellulose nanofibrils from wheat straw. Carbohydrate Polymers, 82, 337–345. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.04.063
34. Kawasumi, M. (2004). The discovery of polymer‐clay hybrids. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 42, 819–824. https://doi.org/10.1002/pola.10961
35. Klemm, D., Heublein, B., Fink, H.-P., & Bohn, A. (2005). Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie International Edition, 44(22), 3358–3393. https://doi.org/10.1002/anie.200460587
36. Kristo, E., & Biliaderis, C. (2007). Physical properties of starch nanocrystal reinforced pullulan film. Carbohydrate Polymers, 68, 146–158. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2006.07.021
37. León, K., Mery, D., Pedreschi, F., & León, J. (2006). Color measurement in L∗a∗b∗ units from RGB digital images. Food Research International, 39(10), 1084–1091. https://doi.org/10.1016/J.FOODRES.2006.03.006
38. Lim, G.-O., Jang, S.-A., & Song, K. (2010). Physical and antimicrobial properties of Gelidium corneum/nano-clay composite film containing grapefruit seed extract or thymol. Journal of Food Engineering, 98, 415–420. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2010.01.021
39. Morais, J. P. S., Rosa, M. de F., de Souza Filho, M. de sá M., Nascimento, L. D., do Nascimento, D. M., & Cassales, A. R. (2013). Extraction and characterization of nanocellulose structures from raw cotton linter. Carbohydrate Polymers, 91(1), 229–235. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2012.08.010
40. Mu, C., Guo, J., Li, X., Lin, W., & Li, D. (2012). Preparation and properties of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinked gelatin edible films. Food Hydrocolloids, 27(1), 22–29. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2011.09.005
41. Nur Hazirah, M. A. S. P., Isa, M. I. N., & Sarbon, N. M. (2016). Effect of xanthan gum on the physical and mechanical properties of gelatin-carboxymethyl cellulose film blends. Food Packaging and Shelf Life, 9, 55–63. https://doi.org/10.1016/J.FPSL.2016.05.008
42. Park, H. J., Weller, C. L., Vergano, P. J., & Testin, R. F. (1993). Permeability and Mechanical Properties of Cellulose-Based Edible Films. Journal of Food Science, 58(6), 1361–1364. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1993.tb06183.x
43. Patil, B., Bharath Kumar, B. R., Bontha, S., Balla, V. K., Powar, S., Hemanth Kumar, V., Suresha, S. N., & Doddamani, M. (2019). Eco-friendly lightweight filament synthesis and mechanical characterization of additively manufactured closed cell foams. Composites Science and Technology, 183, 107816. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107816
44. Quilaqueo Gutiérrez, M., Echeverría, I., Ihl, M., Bifani, V., & Mauri, A. N. (2012). Carboxymethylcellulose-montmorillonite nanocomposite films activated with murta (Ugni molinae Turcz) leaves extract. Carbohydrate Polymers. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.09.040
45. Reddy, J. P., & Rhim, J. W. (2014). Characterization of bionanocomposite films prepared with agar and paper-mulberry pulp nanocellulose. Carbohydrate Polymers, 110, 480–488. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2014.04.056
46. Rhim, J. W., Wang, L. F., & Hong, S. I. (2013). Preparation and characterization of agar/silver nanoparticles composite films with antimicrobial activity. Food Hydrocolloids, 33(2), 327–335. https://doi.org/10.1016/J.FOODHYD.2013.04.002
47. Romero-Bastida, C. A., Bello-Pérez, L. A., García, M. A., Martino, M. N., Solorza-Feria, J., & Zaritzky, N. E. (2005). Physicochemical and microstructural characterization of films prepared by thermal and cold gelatinization from non-conventional sources of starches. Carbohydrate Polymers, 60(2), 235–244. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2005.01.004
48. Rouhi, J., Mahmud, S., Naderi, N., Ooi, C. H. R., & Mahmood, M. R. (2013). Physical properties of fish gelatin-based bio-nanocomposite films incorporated with ZnO nanorods. Nanoscale Research Letters, 8(1), 364. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-364
49. Sahraee, S., Milani, J. M., Ghanbarzadeh, B., & Hamishehkar, H. (2017a). Effect of corn oil on physical, thermal, and antifungal properties of gelatin-based nanocomposite films containing nano chitin. LWT- Food Science and Technology, 76, 33–39. https://doi.org/10.1016/J.LWT.2016.10.028
50. Sahraee, S., Milani, J. M., Ghanbarzadeh, B., & Hamishehkar, H. (2017b). Physicochemical and antifungal properties of bio-nanocomposite film based on gelatin-chitin nanoparticles. International Journal of Biological Macromolecules, 97, 373–381. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2016.12.066
51. Segal, L., Creely, J. J., Martin, A. E., & Conrad, C. M. (1959). An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ray Diffractometer. Textile Research Journal, 29(10), 786–794. https://doi.org/10.1177/004051755902901003
52. Sekhon, B. (2010). Food nanotechnology–An overview. Nanotechnology, Science and Applications, 3, 1–15. https://doi.org/10.2147/NSA.S8677
53. Shankar, S., Teng, X., Li, G., & Rhim, J.-W. (2015). Preparation, characterization, and antimicrobial activity of gelatin/ZnO nanocomposite films. Food Hydrocolloids, 45, 264–271. https://doi.org/10.1016/J.FOODHYD.2014.12.001
54. Silva, M., Bierhalz, A., & Kieckbusch, T. (2009). Alginate and pectin composite films crosslinked with Ca²⁺ ions: Effect of the plasticizer concentration. Carbohydrate Polymers, 77, 736–742. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2009.02.014
55. Thygesen, A., Oddershede, J., Lilholt, H., Thomsen, A. B., & Ståhl, K. (2005). On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibres. Cellulose, 12(6), 563–576. https://doi.org/10.1007/s10570-005-9001-8
56. Tong, Q., Xiao, Q., & Lim, L.-T. (2008). Preparation and properties of pullulan–alginate–carboxymethylcellulose blend films. Food Research International, 41(10), 1007–1014. https://doi.org/10.1016/J.FOODRES.2008.08.005
57. Turhan, K. N., & Şahbaz, F. (2004). Water vapor permeability, tensile properties and solubility of methylcellulose-based edible films. Journal of Food Engineering, 61(3), 459–466. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(03)00155-9
58. Turhan, K., Sahbaz, F., & Güner, A. (2001). A Spectrophotometric Study of Hydrogen Bonding in Methylcellulose‐based Edible Films Plasticized by Polyethylene Glycol. Journal of Food Science, 66, 59–62. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2001.tb15581.x
59. Xiaodong Cao, Hua Dong, and, & Li, C. M. (2007). New Nanocomposite Materials Reinforced with Flax Cellulose Nanocrystals in Waterborne Polyurethane. https://doi.org/10.1021/BM0610368
60. Zahed Karkaj, S., Peighambardoust, S. J. (2018). Physical, mechanical and antibacterial properties of nanobiocomposite films bosed on carboxymethyl cellulose/nanoclay. Iranian Journal of Polymer Science and Technology (In Persian) 30 (6), 557-572.