نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

2 دانشیار گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

3 استادیار گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

4 استاد گروه شیمی پلیمر، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز

5 استاد گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه

چکیده

هدف از این پژوهش، تقویت خواص بیوپلیمر پلی لاکتیک اسید (PLA) با استفاده از نانوفیبر سلولز (CNF) و افزایش کارایی آن در بسته‌بندی مواد غذایی می‌باشد. به منظور بهبود سازگاری و قابلیت اختلاط با پلیمر، CNF با اسید اولئیک وارد واکنش شده و اصلاح گردید. در ادامه، نانوفیبر سلولز اصلاح شده (MCNF)، با استفاده از روش قالب‌ریزی (در سه غلظت 4، 8 و 12 درصد وزن بیوپلیمر) به ترکیب فیلم PLA اضافه شده و تأثیر آن بر روی خواص بازدارندگی، مکانیکی، ریخت‌شناسی و رنگ ظاهری بیوپلیمر مورد بررسی قرار گرفت. تصاویر میکروسکوپ  الکترونی روبشی تهیه شده از سطح فیلم‌ها، تأیید کننده‌ پراکندگی مطلوب و یکنواخت MCNF در غلظت‌های پایین (4 و 8 درصد) بوده درحالی که در غلظت 12 درصد، نانوفیبرها در داخل شبکه پلیمر تجمع یافته و تشکیل توده دادند. با افزودن MCNF، نفوذپذیری نسبت به بخار آب از g/m.h.Pa 9/05×5-10 برای فیلم خالص PLA به g/m.h.Pa 6/96×5-10 برای فیلم حاوی 8 درصد MCNF کاهش یافت. بازدارندگی نسبت به اکسیژن و عبور نور نیز با افزودن MCNF بطور قابل توجهی بهبود یافت. همچنین در غلظت 12 درصد MCNF، استحکام کششی و مدول یانگ فیلم نانوکامپوزیت به ترتیب تا 2/5 و 2 برابر مقادیر آن در فیلم PLA خالص افزایش یافت. با این وجود، افزودن MCNF باعث کاهش میزان شفافیت فیلم و افزایش اندیس زردی آن شد.

کلیدواژه‌ها

الماسی، ه.، قنبرزاده، ب. و دهقان نیا، ج. 1392. مطالعه تأثیر اصلاح سطحی با اسید اولئیک بر روی خواص فیزیکی نانوفیبر سلولز. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، 26 (4): 100-91.

Abdul Khalil, H.P.S., Bhat, A.H. & Ireana Yusra, A.F. 2012. Green composites from sustainable cellulose nanofibrils: a review. Carbohydrate Polymers, 87: 963-979.

AOAC, 1990. Peroxide value of oils and fats. Method 965.33. In: Williams, S., (ed.), Official Methods of Analysis. Association of Official Analytical Chemists, Washington, DC.

ASTM. 1995. Standard test methods for water vapor transmission of material, E96-95. Annual book of ASTM. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials.

ASTM. 1996. Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting, D882-91. Annual book of ASTM. Philadelphia, PA: American Society for Testing and Materials.

Bondeson, D. & Oksman, K. 2007. Polylactic acid/cellulose whisker nanocomposites modified by polyvinyl alcohol. Composites: Part A, 38: 2486-2492.

Cherian, B.M., Leao, A.L., de Souza, S.F., Costa, L.M.M., de Olyveira, G.M. & Kottaisamy, M. 2011. Cellulose nanocomposites with nanofibres isolated from pineapple leaf fibers for medical applications. Carbohydrate Polymers, 86(4): 1790–1798.

Cunha, A.G. & Gandini, A. 2010. Turning polysaccharides into hydrophobic materials: a critical review. Part 1. Cellulose. Cellulose, 17: 875-889.

Dobreva, T., Benavente, R., Perena, J.M., Perez, E., Avella, M. & Garcia, M. 2010. Effect of different thermal treatments on the mechanical performance of poly (l-lactic acid) based eco-composites. Journal of Applied Polymer Science, 116: 1088-1098.

Fortunati, E., Peltzer, M., Armentano, I., Torre, L., Jiménez, A. & Kenny, J.M. 2012. Effects of modified cellulose nanocrystals on the barrier and migration properties of PLA nano-biocomposites. Carbohydrate Polymers, 90: 948-956.

Freire, C.S.R., Silvestre, A.J.D., Neto, C.P., Gandini, A., Martin, L. & Mondragon, I. 2008. Composites based on acylated cellulose fibers and low-density polyethylene: effect of the fiber content, degree of substitution and fatty acid chain length on final properties. Composites Science & Technology, 68: 3358-3364.

Frone, A.N., Berlioz, S., Chailan, J.F. & Panaitescu, D.M. 2013. Morphology and thermal properties of PLA-cellulose nanofibers composites. Carbohydrate Polymers, 91: 377-384.

Ghanbarzadeh, B. & Almasi, H. 2011. Physical properties of edible emulsified films based on carboxymethyl cellulose and oleic acid. International Journal of Biological Macromolecules, 48: 44–49.

Gousse, C., Chanzy, H., Cerrada, M.L., & Fleury, E. 2004. Surface silylation of cellulose microfibrils: preparation and rheological properties. Polymer, 45: 1569-1575.

Habibi, Y. & Dufresne, A. 2008. Highly Filled Bionanocomposites from Functionalized Polysaccharide Nanocrystals. Biomacromolecules, 9: 1974-1980.

Ibrahim, M.M., El-Zawawy, W.K. & Nassar, M.A. 2010. Synthesis and characterization of polyvinyl alcohol/nanospherical cellulose particle films. Carbohydrate Polymers, 79: 694-699.

Iwatake, A., Nogi, M. & Yano, H. 2008. Cellulose nanofiber-reinforced polylactic acid. Composites Science and Technology, 68: 2103-2106.

Jamshidian, M., Arab Tehrany, E., Imran, M., Jacquot, M. & Desobry, S. 2010. Poly-Lactic Acid: production, applications, nanocomposites, and release studies, Comprehensive Reviews in Food Science & Food Safety, 9: 552-571.

Kaushik, A., Singh, M. & Verma, G. 2010. Green nanocomposites based on thermoplastic starch and steam exploded cellulose nanofibrils from wheat straw. Carbohydrate Polymers, 82(2): 337-345.

Kowalczyk, M., Piorkowska, E., Kulpinski, P. & Pracella, M. 2011. Mechanical and thermal properties of PLA composites with cellulose nanofibers and standard size fibers. Composites: Part A, 42: 1509-1514.

Kristo, E. & Biliaderis, C.G. 2007. Physical properties of starch nanocrystal reinforced films. Carbohydrate Polymers, 29(1): 254–259.

Lin, N., Chen, G., Huang, L., Dufresne, A. & Chang, P.R. 2009. Effects of polymer-grafted natural nanocrystals on the structure and mechanical properties of Poly(lactic acid): a case of cellulose whisker-graft-polycaprolactone. Journal of Applied Polymer Science, 113: 3417-3425.

Lin, N., Huang, J., Chang, P.R., Feng, J. & Yu, J. 2011. Surface acetylation of cellulose nanocrystal and its reinforcing function in poly (lactic acid). Carbohydrate Polymers, 83: 1834-1842.

Ljungberg, N., Bonini, C., Bortolussi, F., Boisson, C., Heux, L. & Cavaill, L. 2005. New nanocomposite materials reinforced with cellulose whiskers in atactic polypropylene: effect of surface and dispersion characteristics. Biomacromolecules, 6: 2732-2739.

Matsumura, H., Sugiyama, J. & Glasser, W.G. 2000. Cellulosic nanocomposites. I. Thermally deformable cellulose hexanoates from heterogeneous reaction. Journal of Applied Polymer Science, 78: 2242-2253.

Ou, S., Wang, Y., Tang, S., Huang, C. & Jackson, M.G. 2005. Role of ferulic acid in preparing edible films from soy protein isolate. Journal of Food Engineering, 70: 205-210.

Paralikar, S.A., Simonsen, J. & Lombardi, J. 2008. Poly (vinyl alcohol)/cellulose nanocrystal barrier membranes. Journal of Membrane Science, 320: 248–258.

Pei, A., Zhou, Q. & Berglund, L.A. 2010. Functionalized cellulose nanocrystals as biobased nucleation agents in poly (L-lactide) (PLLA) – Crystallization and mechanical property effects. Composites Science and Technology, 70: 815–821.

Petersson, L. & Oksman, K. 2006. Biopolymer based nanocomposites: Comparing layered silicates and microcrystalline cellulose as nanoreinforcement. Composites Science and Technology, 66: 2187–2196.

Petersson, L., Kvien, I. & Oksman, K. 2007. Structure and thermal properties of poly (lactic acid)/cellulose whiskers nanocomposite materials. Composites Science & Technology, 67: 2535-2544.

Ramos, L.A., Morgado, D.L., El Seoud, O.A., da Silva, V.C. & Frollini, E. 2011. Acetylation of cellulose in LiCl-N,N-dimethylacetamide: first report on the correlation between the reaction efficiency and the aggregation number of dissolved cellulose. Cellulose, 18: 385–392.

Raquez, J.M., Murena, Y., Goffin, A.L., Habibi, Y., Ruelle, B., DeBuyl, F. & Dubois, P. 2012. Surface-modification of cellulose nanowhiskers and their use as nanoreinforcers into polylactide: A sustainably-integrated approach. Composites Science and Technology, 72: 544–549.

Sanchez-Garcia, M.D. & Lagaron, J.M. 2010. Novel clay-based nanobiocomposites of biopolyesters with synergistic barrier to UV light, gas, and vapour. Journal of Applied Polymer Science, 118: 188–199.

Shimizu, Y.I. & Hayashi, J. 1989. Acylation of cellulose with carboxylic acids. Cellulose Chemistry and Technology, 23: 661-670.

Suprakas, S.R., Pralay, M., Masami, O., Kazunobu, Y. & Kazue, U. 2002. New polylactide/ layered silicate nanocomposites. 1. Preparation, characterization, and properties. Macromolecules, 35: 3104-3110.

Tang, C. & Liu, H. 2008. Cellulose nanofiber reinforced poly (vinyl alcohol) composite film with high visible light transmittance. Composites: Part A, 39: 1638–1643.

Vroman, I. & Tighzert, L. 2009. Biodegradable Polymers. Materials, 2: 307-344.

Yu, T., Ren, J., Li, S., Yuan, H. & Li, Y. 2010. Effect of fiber surface-treatments on the properties of poly (lactic acid)/ramie composites. Composites: Part A, 41: 499-505.