هیچ چیز ارزشمند آسان بدست نمی آید.

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

2 دانشجوی دکتری رشته صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

3 استاد، گروه چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: استفاده گسترده از پلیمرهای نفتی در صنعت بسته‌بندی به دلیل زیست‌تجزیه‌ناپذیری، موجب انباشت پسماند و آلودگی خاک و آب‌های سطحی و درنهایت تخریب اکوسیستم‌ها شده است. در این راستا، بیوپلیمرها به‌ویژه پکتین استخراج‌شده از پوست مرکبات به‌عنوان محصول جانبی کشاورزی، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی پلیمرهای سنتزی محسوب می‌شوند. استخراج پکتین با اسیدهای آلی مانند سیتریک اسید، به‌دلیل ایمنی، سازگاری زیست‌محیطی و کیفیت مناسب، رویکردی سبز و مطلوب است. بااین‌حال، فیلم‌های پکتین خالص معمولاً ازنظر خواص مکانیکی و ممانعتی محدودیت دارند. نانوفیبریل سلولز به دلیل مدول کشسانی بالا، مقاومت کششی مطلوب و زیست‌تجزیه‌پذیری، می‌تواند به‌عنوان تقویت‌کننده مؤثر در ماتریس پکتین به‌کار رود. هدف این پژوهش، ساخت و مشخصه‌یابی فیلم‌های بایونانوکامپوزیتی پکتینCNF/ با خواص بهبود‌یافته برای کاربردهای بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر است.
مواد و روش‌ها: پکتین با درجه استری‌شدن 63/61% از پوست لیموترش با استفاده از سیتریک اسید استخراج شد و نانوفیبریل سلولز (CNF) از شرکت نانونوین پلیمر تهیه گردید. فیلم‌ها به روش ریخته‌گری محلول تولید شدند؛ بدین منظور پکتین در آب مقطر در دمای  C°70 حل شد، سپس گلیسرول به‌عنوان نرم‌کننده افزوده و pH محلول روی 4 تنظیم گردید. همزمان،CNF  در سطوح 1، 3 و 5 درصد (وزنی/وزنی) در آب پراکنده و به‌مدت 30 دقیقه با اولتراسوند پراکنده شد. پس‌ازآن، سوسپانسیون CNF به محلول پکتین افزوده و مخلوط به مدت 25 دقیقه همگن‌سازی شد. محلول‌ها پس از هواگیری در آون خلأ، در پتری­دیش ریخته شدند و به‌مدت 48 ساعت در دسیکاتور حاوی محلول اشباع منیزیم نیترات (رطوبت نسبی 8/52 درصد در C25°) خشک شدند. خواص کششی، خواص نوری، ضخامت، نفوذپذیری بخار آب و جذب رطوبت فیلم‌ها اندازه‌گیری شد. فیلم‌های پکتین خالص و حاوی 5 درصد CNF برای آزمون‌های FTIR،XRD  و SEM انتخاب شدند. تحلیل آماری داده‌ها با استفاده از نرم‌افزار SPSS انجام شد.
نتایج: نتایج نشان داد افزودن نانوفیبریل سلولز (CNF) اثر معنی‌داری بر خواص فیلم‌های پکتینی دارد. مدول یانگ از 12/3 مگاپاسکال در فیلم پکتین خالص به 08/8 مگاپاسکال در فیلم حاوی 5 درصد CNF افزایش یافت. همچنین استحکام کششی از 42/1 به 60/2 مگاپاسکال و جذب انرژی کششی از 94/12 به 43/22 ژول ارتقا یافت که بیانگر بهبود همزمان سفتی، استحکام و چقرمگی سامانه است. نفوذپذیری بخار آب با افزودن 5 درصد  CNFحدود 51 درصد کاهش یافت و از  g/m.s.Pa10-11×54/4 به g/m.s.Pa 10-11×22/2 رسید؛ این مقدار ازنظر عملکرد ممانعتی با سلوفان قابل مقایسه است. جذب رطوبت نیز در غلظت 5 درصد  CNFبه 35/25 درصد کاهش یافت. در مقابل، شفافیت فیلم‌ها با افزایش CNF از 26/98 درصد به 09/80 درصد کاهش یافت. نتایج FTIR تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی میان CNF و پکتین را تأیید کرد. الگوهایXRD  افزایش 73 درصدی شدت پراش و بهبود درجه بلورینگی را نشان دادند. همچنین تصاویر SEM پراکندگی نسبتاً مناسب نانوفیبریل سلولز و سازگاری فازی مطلوب بین CNF و ماتریس پکتین را تأیید نمود.
نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد فیلم بایونانوکامپوزیتی پکتین/نانوفیبریل سلولز ترکیبی مطلوب از خواص مکانیکی و ممانعتی را فراهم می‌کند. بهبود عملکرد این سامانه را می‌توان به شکل‌گیری پیوندهای هیدروژنی قوی بین ماتریس پکتین و CNF، افزایش درجه بلورینگی و ایجاد یک شبکه تقویت‌کننده سه‌بعدی نسبت داد. بر این اساس، فیلم پکتین/نانوفیبریل سلولز گزینه‌ای امیدبخش به‌عنوان جایگزین زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته‌بندی‌های پلاستیکی متداول بوده و می‌تواند در کاهش پیامدهای زیست‌محیطی پسماندهای بسته‌بندی، در چارچوب اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار، نقش مؤثری ایفا کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Alasalvar, H., Yildirim, Z. & Yildirim, M., 2023. Development and characterization of sustainable active pectin films: The role of choline chloride/glycerol-based natural deep eutectic solvent and lavender extracts. Heliyon, 9,75126. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e21756.
-Allian, M., Ramasaviny, B. & Emmambuk, M., 2020. Extraction, Characterization, and Application of Pectin from Tropical and Sub-Tropical Fruits: A Review. Food Reviews International, DOI: 10.1080/87559129.2020.1733008.
-ASTM E96/E96M-16. 2016. Standard test methods for water vapor transmission of materials. West Conshohocken: ASTM International.
-ASTM D882-12. 2012. Standard test method for tensile properties of thin plastic sheeting. West Conshohocken: ASTM International.
-Azeredo, H.M.C., Mattoso, L.H.C., Wood, D., Williams, T.G., Avena-Bustillos, R.J. & McHugh, T.H., 2009. Nanocomposite edible films from mango puree reinforced with cellulose nanofibers. Journal of Food Science, 74, N31–N35. https://doi.org/10.1111/ j.1750-3841 2009.01186.x.
-Azeredo, H.M.C., Miranda, K.W.E., Rosa, M.F., Nascimento, D.M. & De Moura, M.R., 2012. Edible films from alginate-acerola puree reinforced with cellulose whiskers. LWT-Food Science and Technology, 46, 294–297. https://doi.org/10.1016/j .lwt.2011.09.016.
-Azeredo, H.M.C., Morrugares-Carmona, R., Wellner, N., Cross, K., Bajka, B. & Waldron, K.W. 2016. Development of pectin films with pomegranate juice and citric acid. Food Chemistry, 198, 101–106. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.117.
-Azeredo, H.M.C., Rosa, M.F. & Mattoso, L.H.C., 2017. Nanocellulose in bio-based food packaging applications. Industrial Crops and Products, 97, 664-671. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.03.013.
-Azizah, F., Nursakti, H., Ningrum, A. & Supriyadi., 2023. Development of Edible Composite Film from Fish Gelatin–Pectin Incorporated with Lemongrass Essential Oil and Its Application in Chicken Meat. Polymers,15,2075. https://doi.org/10.3390/polym15092075.
-Bhatia, S., Harrasi, A., Shah, Y.A., Alrasbi, A.N.S., Jawad, M., Koca, E., Aydemir, L.Y., Alamoudi, J.A., Almoshari, Y. & Mohan, S., 2024. Structural, mechanical, barrier and antioxidant properties ofpectin and xanthan gum edible films loaded with grapefruit essential oil. Helyon, 10: e25501, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25501.
-Biratu, G., Woldemariam, H.W. & Gonfa, G., 2024. Development of active edible films from coffee pulp pectin, propolis, and honey with improved mechanical, functional, antioxidant, and antimicrobial properties. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 8, 100557. https://doi.org/10.1016/j.carpta.2024.100557.
-Chalapud, M.C., Salgado-Cruz, Ma de., Baumler, E.R., Carelli, A.A., Morales- Sanchez, E., Calderon-Domínguez, G. & García-Hernandez, A.B., 2023. Study of the physical, chemical, and structural properties of low- and high-methoxyl pectin-based film matrices including Sunflower Waxes. Membranes, 13 (10), 846, https://doi.org/10.3390/ membranes13100846.
  -Chaichi, M., Hashemi, M., Badii, F. & Mohammadi, A., 2017. Preparation and characterization of a novel bio nanocomposite edible film Based on pectin and crystalline nanocellulose. Carbohydrate Polymer, 157, 167–175. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016 .09.062.
-Chen, L., Wu, Y., Jiang, X., Gan, D., Fan, J., Sun, Y., Liu, W. & Li, X., 2023. Dietary fiber extraction from citrus peel pomace: Yield optimization and evaluation of its functionality, rheological behavior, and microstructure properties. Journal Food Science, 88,3507–3523. https://doi.org/10.1111/1750-3841. 16702.
-Chen, L., Wu, Y., Guo, Y., Yan, X. and Liu, W., 2024 Huang, S. Preparation and Characterization of Soluble Dietary Fiber Edible Packaging Films Reinforced by Nanocellulose from Navel Orange Peel Pomace. Polymers, 16,315. https://doi.org /10.3390 polym16030315.
-Chylińska, M., Szymańska-Chargot, M. & Zdunek, A., 2016. FT-IR and FT-Raman characterization of non-cellulosic polysaccharides fractions isolated from plant cell wall. Carbohydrate Polymer, 154, 48–54. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.121.
-Da Costa, M.P.M., de Mello Ferreira, I.L. & Macedo Cruz, M.T., 2016. New polyelectrolyte complex from pectin/chitosan and montmorillonite clay. Carbohydrate Polymer, 146, 123–130, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.03.025.
-El Miri, N., Abdelouahdi, K., Barakat, A., Zahouily, M., Fihri, A., Solhy, A. & El Achaby, M., 2015. Bio-nanocomposite films reinforced with cellulose nanocrystals: Rheology of film-forming solutions, transparency, water vapor barrier and tensile properties of films. Carbohydrate Polymer, 129, 156–167. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015. 04.051.
-Guo, H., Li, H., Huang, G., Jin, X., Xiao, Y., Gan, R.Y. & Gao, H., 2024. Development of apple pectin/soy protein isolate-based edible films containing punicalagin for strawberry preservation. International Journal of Biological Macromolecules, 1(273), 133111, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac. 2024.133111.
-Hossain, Md., Ara, R., Yasmin, F., Suchi, M. & Zaman, W., 2024. Microwave and ultrasound assisted extraction techniques with citric acid of pectin from Pomelo (Citrus maxima) peel. Measurement Food, https://doi.org/10.1016/ j.meafoo.2024.100135.
-Huang, J.Y. Liao, J.S., Qi, J.R., Jiang, W.X. & Yang, X.Q., 2020. Structural and physicochemical properties of pectin-rich dietary fiber prepared from citrus peel. Food Hydrocolloid, 110, 106140. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.106140.
-Kaynarca, G.B., Kamer, D.D.A., Yusel, E., Yilmaz, O.S., Henden, Y., Kaymaz, E. & Gumus, T., 2024. The potential of pectin-based films enriched with bioactive components for strawberry preservation: A sustainable and innovative coating. Scientia Horticulturae, 113294, https://doi.org/10.1016/j. scienta.2024.113294.
-Khalil, R.K., Sharaby, M.R. & Abdelrahim, D.S., 2023. Novel active edible food packaging films based entirely on citrus peel wastes. Food Hydrocolloid, 134, 107961. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022. 107961.
-Manrich, A., Moreira, F.K.V., Otoni, C.G., Lorevice, M.V., Martins, M.A. & Mattoso, L.H.C., 2017. Hydrophobic edible films made up of tomato cutin and pectin. Carbohydrate Polymers, 164, 83-91. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.01.075.
-Mosayebi, V. & Emam, Djomeh, Z., 2017. Optimization of ultrasound assisted extraction of pectin from black mulberry (Morus nigra.L) pomace. Iranian Food Science and Technology Research Journal, 13 (4): No. 594-610. https://doi.org/10.22067/ifstrj.v1395i0. 50466.
-Nechyporchuk, O., Belgacem, M. & Bras, J., 2016. Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances. Industrial Crops and Products, 93, 2-25 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.016.
-Nisar, T., Wang, Z., Yang, X., Tian, Y., Iqbal, M. & Guo, Y., 2017. Characterization of citrus pectin films integrated with clove bud essential oil: physical, thermal, barrier, antioxidant and antibacterial properties. International Journal of Biological Macromolecules, https://doi.org/10.1016 /j.ijbiomac.2017.08.068.
-Oliveira, T.I.S., Rosa, M.F., Cavalcante, F.L., Pereira, P.H.F., Moates, G.K., Wellner, N., Mazzetto, S.E., Waldron, K.W. & Azeredo, H.M.C., 2016. Optimization of pectin extraction from banana peels with citric acid by using response surface methodology. Food Chemistry, 198, 113-118. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.08.080.
-Otoni, C.G., de Moura, M.R., Aouada, F.A., Camilloto, G.P., Cruz, R.S., Lorevice, M.V., Soares, N.F.F. & Mattoso, L.H.C., 2014. Antimicrobial and physical-mechanical properties of pectin/papaya puree/cinnamaldehyde nano emulsion edible composite films. Food Hydrocolloids, 41, 188–194. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.04.013.
-Qin, Ch., Yang, G., Zhu, Ch. & Wey, M., 2022. Characterization of edible film fabricated with HG-type hawthorn pectin gained using different extraction methods. Carbohydrate Polymer, 285,119270. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022. 119270.
-Viana, R.M., Sa, N.M.S.M., Barros, M.O., Borges, M.F. & Azeredo, H.M.C., 2018. Nano fibrillated bacterial cellulose and pectin edible films added with fruit purees. Carbohydrate Polymers. https://doi.org/ 10.1016/ j.carbpol.2018.05.017.
-Wang, J., Li, L., Li, Y., Song, Q., Hu, Y., Yong, Q. and Lu. S., 2025. Characterization of thyme essential oil microcapsules and potato starch/pectin composite films and their impact on the quality of chilled mutton. Food Chemistry, 2(464):141692. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141692.
-Younis, G.R. and Zhao, G., 2019. Physicochemical properties of the edible films from the blends of high methoxyl apple pectin and chitosan. International Journal of Biological Macromolecules, 131: 1057-1066.http://www.elsevier.com/locate/ijbiomac