پديد آورندگان :
هاشمي، جعفر دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي ساري - دانشكده مهندسي زراعي - گروه بيوسيستم، ساري، ايران , نوس، ماركوس دانشگاه تسوكوبا - دانشكده علوم بيولوژي كشاورزي - گروه علوم زيستي، ژاپن , ناكاجيما، ميتسوشي دانشگاه تسوكوبا - دانشكده علوم بيولوژي كشاورزي - گروه علوم زيستي، ژاپن
كليدواژه :
كيتوسان , نفوذپذيري به بخار آب , نانو رس بنتونيت , نانوكامپوزيت , ميكروسكوپ الكتروني روبشي
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: فيلم‌هاي برپايه بيوپليمر كيتوسان با خواص زيست‌تخريب‌پذيري به عنوان منبع جايگزين پلاستيك مصنوعي بررسي شده‌اند. اين نوع فيلم‌هاي پلي‌ساكاريدي، بعلت ماهيت هيدروفيليك داراي خواص ممانعتي ضعيف به رطوبت و ويژگي-هاي مكانيكي ضعيفي مي‌باشند كه اين موارد كاربرد آن‌ها را به عنوان فيلم‌هاي خوراكي محدود نموده است (1 و 2). از روش-هاي مؤثر در بهبود خواص فيزيكي، كاربردي و بازدارندگي فيلم‌هاي كيتوسان تهيه فيلم‌هاي هيبريدي بيوپليمر با مواد نانويي است كه بعنوان فيلم‌هاي نانو كامپوزيت شناخته مي‌شود. توليد نانو كامپوزيت‌ها را مي‌توان به عنوان يكي از نويدبخش‌ترين استراتژي‌ها در اصلاح خواص فيلم‌هاي پليمري با منشأ بيو‌لوژيك همانند خواص فيزيكي-مكانيكي و بازدارندگي نفوذ آب در نظر گرفت. در تحقيق حاضر اثر غلظت‌هاي مختلف نانو رس بنتونيت و كيتوسان بر نفوذ پذيري به بخار آب، خواص مكانيكي و مورفولوژي فيلم‌هاي قالبگيري شده نانو كامپوزيتي كيتوسان/نانورس مورد ارزيابي قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در اين تحقيق، محلول بيوپليمر كيتوسان با نسبت 2 و 3 درصد وزني/حجمي محلول فيلم ساز و محلول نانو رس بنتونيت با نسبت 1 و 3 درصد(وزني بر پايه كيتوسان) بطور جداگانه تهيه شد. براي تهيه نانو كامپوزيت، محلول تهيه شده كيتوسان به محلول نانو رس در دماي 55 درجه سانتي‌گراد اضافه گرديد. فيلم‌ها به روش قالبگيري محلول نانوكامپوزيتي تهيه گرديدند. همچنين فيلم‌هاي شاهد از بيوپليمر كيتوسان خالص در دو نسبت 2 و 3 درصد تهيه شد. ميزان ممانعت به نفوذ بخارآب، استحكام كششي، درصد ازدياد طول و ريز ساختار فيلم نانوكامپوزيت مورد بررسي قرار گرفت.
يافته‌ها: بر اساس نتايج غلظت نانو رس تأثير بسيار معني‌داري) 01/0 (P <بر نفوذپذيري بخار آب و استحكام كششي فيلم‌هاي بيوپليمر در دو غلظت يكسان كيتوسان نشان داد. با افزودن نانو رس بنتونيت به ماتريكس كيتوسان در غلظت 1 درصد، استحكام كششي فيلم‌ها به ترتيب در كامپوزيت كيتوسان 2 درصد - نانورس و كامپوزيت كيتوسان 3 درصد - نانورس به 66/0 و 35/0 مگاپاسكال افزايش و درصد كشيدگي فيلم‌ها حدود 8/8 و 47/6 درصد كاهش يافت. با افزايش بيشتر ميزان نانو رس به 3 درصد، ميزان نفوذپذيري به بخار آب و كشيدگي و به همراه آن ميزان استحكام كششي فيلم‌هاي نانو كامپوزيت كاهش يافت. با استناد به ميكروگراف‌هاي ميكروسكوپ الكتروني روبشي، فيلم نانو كامپوزيت محتوي 1 درصد نانورس در مقايسه با فيلم شاهد در هر دو غلظت كيتوسان داراي ساختار غير يكنواخت‌تري بوده و اين ساختار با استحكام فيلم در بسته بندي و نگهداري مواد غذايي همبستگي مستقيم داشته است. با افزايش غلظت نانورس به 3 درصد، ساختار فيلم متخلخل‌تر شده كه با نتايج كاهش استحكام مشاهده شده در كامپوزيت كيتوسان-نانورس3 درصد مطابقت دارد.
استنتاج: مي‌توان نتيجه گرفت كه افزودن نانورس به بيوپليمر كيتوسان، سبب اصلاح خواص مكانيكي، مورفولوژيكي و نفوذپذيري بخار آب فيلم‌هاي نانو كامپوزيت در مقايسه با فيلم‌هاي كيتوسان خالص مي‌گردد. در مجموع در غلظت نانورس 1 درصد، فيلم‌هاي نانو كامپوزيت بر پايه كيتوسان به لحاظ نفوذپذيري بخار آب، استحكام كششي، درصدكشيدگي و ريزساختار فيلم بهبود معني‌داري در مقايسه با فيلم غيراصلاح شده كيتوسان نشان داده‌اند.
چكيده لاتين :
Background and objectives: Biopolymer-based films such as chitosan have been studied widely due to their biodegradability and biocompatibility. Chitosan has a great potential for a wide range of food applications but its’ hydrophilic character, and consequently its poor mechanical properties in the moist condition, limits its application (1, 2). Composite films have received much attention, because of their extraordinary possibility to improve the properties of films. One of the promising ways to modify biopolymer properties in terms of physicomechanical properties, inherent water sensitivity, and their relatively lower stiffness and strength, is to make hybrid films using biopolymers and nano-sized fillers known as nanocomposite films. In this research, the effect of bentonite nanoclay/chitosan ratio on the water vapor permeability (WVP), mechanical properties, and surface microstructure of the chitosan nanocomposite films was evaluated.
Materials and methods: In this research, chitosan biopolymer aqueous solution with two concentration (2, and 3% w/v) and bentonite nanoclay solutions with two clay compositions (1 and 3% based on chitosan) were prepared, separately. The chitosan solution was then slowly added to the clay suspension at 55oC. The nanocomposite films were prepared using the solvent-casting method. The films based on 2 and 3% chitosan were considered as unfilled control samples. The water vapour permeability (WVP), tensile strength (TS), elongation at break (E), and microstructures of the films were investigated.
Results: The results show that at identical concentrations of chitosan the amount of bentonite nanoclay affect the WVP and tensile strength (TS) of chitosan films, significantly (p<0.01). By adding 1% nanoclay bentonite to polymer matrix, the value of TS strength of nanocomposite film increased to approximately 0.66 (2% chitosan) and 0.35 MPa (3% chitosan). Moreover, the elongation value decreased to 8.8% and 6.47% in the nanocomposite films based on 2 and 3% chitosan, respectively. Further increase in clay content to 3 wt%, the WVP, elongation and TS of nanocomposites film decreased for chitosan 2 wt%. According to the SEM micrograph, non-homogeneous structure was found for 3% clay-chitosan nanocomposite in comparision to 1% nanoclay loaded chitosan nanocomposite in full agreement to the decrease in TS value observed. With increase the percentage of nanoclay bentonite to 3%, the pore spaces of film increased and consequently the TS exhibited decreased
Conclusion: According to the findings of this research, interactions between nanoclay and chitosan in nanoclay-chitosan nanocomposite have led to the formation of a new material with enhanced mechanical, morphological, and WVP properties than the pure chitosan. Finally, in 1% nanoclay concentration, the water vapor permeability, elongation, tensile strength, and also consistency of the microstructure films were significantly modified in compare of pure chitosan
