کاربرد نشاسته در تولید زیست پلاستیک‌ها

نشاسته در سه شکل زیر برای تولید زیست‌پلاستیک‌ها مورد استفاده قرار گرفته است:

1) به عنوان ماده پر‌کننده: در این حالت، گرانول‌های سالم و ژلاتینه‌نشده نشاسته (حدود5-20درصد) با پلیمرهای سنتزی (مانند پلی‌اتیلن یا پروپیلن) مخلوط می‌شود ولی بر هم کنش‌های قوی بین آنها صورت نمی‌گیرد. مصرف نشاسته توسط میکروارگانیسم‌ها باعث افزایش تخلخل، تشکیل حفرات و در نتیجه کاهش یکپارچگی ماتریکس پلیمر می‌شود. این نوع پلاستیک، اولین نوع پلاستیک‌های نشاسته‌ای مورد استفاده در صنایع بسته‌بندی بوده است و محصولات حاصل کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر نیستند. برای افزایش سرعت تجزیه‌ی این نوع مواد بسته‌بندی از موادی نظیر پرواکسیدان‌ها که فرآیند اکسیداسیون نوری و حرارتی را کاتالیز می‌کنند استفاده می‌شود.

2) به عنوان یک پلیمر ترکیب‌شونده: در این شکل، نشاسته نرم شده و ژلاتینه شده با یک پلیمر سنتزی و معمولاً آبدوست مانند پلی‌استرها مخلوط یا اکسترود می‌شود. پلی‌استرهای آلیفاتیک مانند پلی‌کاپرولاکتون، پلی‌لاکتیک‌ اسید، پلی‌ونیل الکل، پلی هیدروکسی بوتیرات و استات سلولز می‌توانند با نشاسته ترموپلاستیک به خوبی ترکیب شوند. کامپوزیت پلیمری حاصل معمولاً خواص مکانیکی و بازدارندگی در برابر بخار آب بهتری نسبت به پلیمر نشاسته‌ی عاری از پلی‌استر خواهد داشت.

3) به عنوان یک پلیمر منفرد: که محصول حاصل معمولاً خواص مکانیکی ضعیفتر و بازدارندگی کمتری در برابر بخار آب خواهد داشت. نشاسته خشک ترموپلاستیک نیست و بنابراین در خطوط تولید پلیمرهای سنتزی قابل فرایند نمی‌باشد. ترموپلاستیک کردن نشاسته، با تخریب گرانول‌ها، افزودن نرم‌کننده و فرآیند برش همراه با حرارت طی فرآیند اکستروژن انجام می‌شود. اعمال تیمار حرارتی 120 تا 220 درجه ‌سانتی‌گراد و نیروی برش مکانیکی موجب تغییرات زیر در ساختار نشاسته می‌شود:

  • پاره شدن گرانول‌ها
  • شکستن پیوندهای هیدروژنی
  • دپلیمریزاسیون نسبی در اثر شکستن پیوندهای کوالانسی بین واحدهای گلوکز

تغییرات فوق موجب کاهش خصوصیات کریستالی و تشکیل نشاسته‌ی ترموپلاستیک (TPS) می‌شود(قنبرزاده و همکاران، 1388).

نشاسته می‌تواند برای تولید محصولات پلاستیکی نظیر فوم‌ها[1]، محصولات حاصل از اکستروژن دمشی نظیر کیسه‌های زباله، محصولاتی مانند سینی، لیوان و گلدان و محصولات حاصل از قالب‌گیری تزریقی مانند قاشق، چنگال و قوطی‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

برای اینکه نشاسته با پلیمرهای سنتزی موجود قابل رقابت باشد باید همانند آنها با خطوط تولید رایج قابل فرآیند باشد و همچنین خواص مکانیکی و بازدارندگی محصول نهایی شبیه محصولات شاخه شده از پلیمرهای نفتی موجود باشد. ولی به سه دلیل زیر نشاسته نمی‌تواند چنین خواصی را از خود نشان دهد:

1) آن بسیار آبدوست است.

2) بخش عمده نشاسته از آمیلوپکتین تشکیل شده است که پلیمری انشعابی است و این موجب کاهش قابلیت کشش‌پذیری و تضعیف خواص مکانیکی می‌شود.

3) مولکول آمیلوپکتین و آمیلوز تمایل به کریستالیزاسیون مجدد (رتروگراداسیون) دارند که در اثر تشکیل پیوندهای هیدروژنی زیاد بین زنجیرهای پلیمر رخ می‌دهد. رتروگراداسیون باعث تضعیف شدید خواص مکانیکی می‌شود.

تغییر پیکربندی ساختار پلیمر، افزایش نسبت بخش خطی پلیمر به بخش انشعابی و افزایش طول زنجیرهای پلیمر که موجب گیر‌افتادن بیشتر زنجیرها می‌شود، می‌تواند خواص مکانیکی پلیمر نشاسته را بهبود دهد. اگرچه استفاده از نشاسته‌های با آمیلوز بالا، می‌تواند تا حدی مشکل اول را حل نماید ولی رتروگراداسیون سریع آمیلوز همچنان به عنوان یک مشکل باقی خواهد ماند. اصلاحات شیمیایی بر روی نشاسته که بتواند موجب تغییرات مطلوب در ساختار نشاسته گردد، می‌تواند موجب بهبود هرچه بیشتر خواص پلیمری نشاسته گردد. استریفیکاسیون نشاسته با اسیدهای کربوکسیلیک (مانند اسید مالیک، سوکسینیک و تارتاریک) می‌تواند موجب بهبود آبگریزی و خواص ترموپلاستیک و کاهش سرعت رتروگراداسیون شود. همچنین افزودن انواع لیپیدها و موم‌ها می تواند خواص آبگریزی نشاسته را بهبود دهد.

 

3-8- تولید فیلم نشاسته

فیلم نشاسته توسط دو روش زیر قابل تولید است:

  • روش کاستینگ
  • روش ترموپلاستیک (اکستروژن دمشی یا غلطکی)

الف) روش کاستینگ (روش حلال): همانطور که گفته شد، نشاسته در حالت طبیعی داخل گرانول‌هایی مجزا از هم می‌باشد. بنابراین برای اینکه بیوپلیمرهای آمیلوز و آمیلوپکتین قابلیت پلیمریزاسیون و تشکیل فیلم پیدا کنند، لازم است که این ماکرومولکول‌ها از داخل گرانول‌ها آزاد گردد. برای این منظور، بایستی نشاسته ژلاتینه شود. در واقع، در فرآیند ژلاتینه‌شدن، گرانول‌های نشاسته در حضور آب متلاشی شده و زنجیرهای آمیلوز و آمیلوپکتین از داخل آنها آزاد می‌گردد. گرانول‌های نیمه کریستالی نشاسته در دمای اتاق نسبت به انحلال در آب از خود مقاومت نشان می‌دهند. هنگامی که دیسپرسیون نشاسته در آب حرارت داده می‌شود و سپس سرد می‌شود، بسته به دما و زمان حرارت دهی چهار مرحله زیر تشخیص داده می‌شود:

ژلاتینه‌شدن، خمیری‌شدن، ترکیدن گرانول ها و  رتروگراداسیون، که در شکل 3-1 نشان داده شده است.

شکل 3-1: تغییرات قوام دیسپرسیون نشاسته‌های مختلف در طی حرارت دادن و سرد کردن

 

1) ژلاتینه‌شدن: گرانول‌های نشاسته در آب سرد نامحلول می‌باشند و آب کمی جذب می‌کنند. حرارت دادن مخلوط گرانول‌ها و آب، موجب شکسته‌شدن پیوندهای هیدروژنی نشاسته- نشاسته و ایجاد پیوندهای نشاسته- آب در دمای ژلاتینیزاسیون می‌شود و در نتیجه آبگیری تسریع می‌یابد و آب به داخل گرانول‌ها نفوذ می‌کند و موجب تورم برگشت‌پذیر گرانول‌ها می‌شود (قابلیت برگشت با سرد کردن و خشک کردن). در مرحله ژلاتینه شدن افزایش ویسکوزیته محلول ناچیز است ولی افزایش آبگیری نشاسته را می‌توان از روی کاهش شکست دوگانه‌ی نور زیر میکروسکوپ نوری پلاریزه تشخیص داد. کریستالی بودن ساختار میسل‌های نشاسته موجب شکست دوگانه نور[2] می‌شود. جذب آب موجب تبدیل شکل کریستالی به آمورف و کاهش شکست دوگانه نور می‌شود.

2) خمیری شدن[3]: گذشت زمان و افزایش دمای سوسپانسیون نشاسته موجب افزایش آبگیری و تورم برگشت‌ناپذیر گرانول‌ها در دمای خمیری‌شدن و افزایش یکباره‌ی ویسکوزیته می‌گردد. در مرحله‌ی خمیری‌شدن، بخشی از مولکول‌های نشاسته (به ویژه آمیلوز) از داخل گرانول‌ها به فضای بین گرانول‌ها وارد می‌شود و ماتریکس بین گرانولی تشکیل می‌دهد که این ماتریکس باعث افزایش شدید ویسکوزیته می‌شود. (گفتنی است که دو مرحله‌ی ژلاتینیزاسیون و خمیری شدن در برخی کتاب‌ها به عنوان مراحل ابتدایی و انتهایی ژلاتینیزاسیون معرفی می‌شوند). هر چقدر اندازه‌ی گرانول‌ها بزرگتر باشد زمان و دمای ژلاتینه شدن و خمیری‌شدن پایین‌تر خواهد بود. گرانول‌های بزرگتر، پیک ویسکوزیته‌ی بالاتری را ایجاد می‌کنند. برای مثال سیب‌زمینی دارای دمای ژلاتینه‌شدن و خمیری‌شدن کمتر و ویسکوزیته‌ی بالاتری نسبت به نشاسته‌ی غلات می‌باشد. همچنین، هر چقدر نسبت آمیلوز کمتر باشد دمای ژلاتینه و خمیری شدن کمتر خواهد بود. شکل 3-2 تغییرات گرانول های نشاسته را در طول ژلاتیته‌شدن (وخمیری شدن) را نشان می‌دهد(قنبرزاده و همکاران، 1388).

3) ترکیدن گرانول‌هاک ادامه حرارت دهی و آبگیری موجب ترکیدن گرانول‌ها و کاهش ویسکوزیته می‌شود. به هم زدن دیسپرسیون (اعمال برش) و پایین بودن pH موجب ترکیدن سریعتر می‌گردد.

4) رتروگراداسیون نشاسته: سرد کردن دیسپرسیون نشاسته در آب موجب پیوندهای هیدروژنی نشاسته- نشاسته و کاهش پیوندهای هیدروژنی آب- نشاسته می‌گردد. خطی بودن زنجیرهای آمیلوز موجب ممانعت فضایی کمتر، تحرک و نزدیک‌شدن بیشتر زنجیرها و تشکیل سریعتر پیوندهای هیدروژنی نسبت به زنجیرهای آمیلوپکتین می‌شود. اگر محلول نشاسته، غلیظ و سرعت سرد کردن بالا باشد پیوندهای هیدروژنی در نقاط محدود تشکیل می‌شوند و آب را گیر انداخته و شبکه ژلی تشکیل می‌دهند (رتروگراده نمی‌شوند). رقیق بودن محلول نشاسته و یا سرد کردن آرام محلول غلیظ نشاسته، موجب تشکیل پیوندهای هیدروژنی در نقاط زیاد و در نتیجه تبدیل شکل آمورف به شکل کریستالی می‌شود (رتروگراداسیون).   نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین بالاتر موجب رتروگراداسیون سریعتر می‌شود. برای مثال نشاسته سیب‌‌زمینی دیرتر از نشاسته گندم رتروگراده می‌گردد.

با توجه به توضیحات فوق، حرارت دادن، مرحله اساسی در تولید فیلم نشاسته محسوب می‌شود. در روش کاستینگ پس از تهیه محلول تشکیل دهنده‌ی فیلم (5-1 درصد W/W نشاسته در آب)، آن را تا بالای دمای ژلاتینه‌شدن حرارت می‌دهند (معمولا 90درجه‌سانتی گراد به مدت 30 دقیقه). سپس آن را خنک می‌کنند و بر روی سطح نچسب تفلونی پخش می‌کنند. با خشک کردن در دمای حدود 60 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت فیلمی یکنواخت تولید می‌شود که می توان به راحتی آن را از سطح جدا کرد (مایلارینن و همکاران، 2002).

نشاسته در عدم حضور نرم کننده فیلمی بسیار سخت و شکننده تولید می‌کند. بنابراین استفاده از نرم کننده در تولید فیلم نشاسته امری ضروری است. رایج ترین نرم‌کننده مورد استفاده در تولید فیلم‌های نشاسته‌ای گلیسرول است. با افزودن گلیسرول خواص مکانیکی فیلم نشاسته تا حدود زیادی اصلاح می‌شود. امّا خواص بازدارندگی فیلم نشاسته با افزودن نرم‌کننده دچار تغییر شده و تا حدود زیادی تضعیف می‌شود.

 

شکل 3-2: فرایند ژلاتینه شدن نشاسته (1) گرانول‌های طبیعی نشاسته متشکل از آمیلوز  (خطی) و آمیلوپکتین (انشعابی)، (2) کاهش حالت کریستالی، گسستن هلیکس‌ها و تورم برگشت‌پذیر گرانول‌ها در اثر افزودن آب، (3) تورم برگشت ناپذیر و خروج آمیلوز گرانول‌ها در اثر افزایش میزان آب و حرارت دادن، (4) تخریب کامل گرانول‌ها و محصور شدن رشته‌های آمیلوپکتین در بین زنجیرهای آمیلوز در اثر افزایش بیشتر دما.

 

ب) روش ترموپلاستیک: در این روش، نشاسته در عدم حضور آب (یا مقادیر پایین آب) و در حضور نرم‌کننده‌های غیر فرّار (عمدتاً گلیسرول)، در داخل اکسترودر و تحت فرآیندهای مکانیکی و حرارتی به نشاسته‌ی ترموپلاستیک تبدیل می‌شود که قابلیت شکل‌پذیری توسط حرارت را دارد و می‌توان از آن در تولید انواع مواد بسته بندی از جمله فیلم‌ها استفاده کرد. در واقع در این روش برای ژلاتینه‌شدن نشاسته از حرارت و تنش‌های مکانیکی استفاده می‌شود. فیلم‌های حاصل از روش ترموپلاستیک خواص مکانیکی بهتری از فیلم‌های حاصل از روش کاستینگ خواهد داشت. وقتی در روش کاستینگ، از آب به عنوان نرم کننده فیلم نشاسته‌ای استفاده می‌شود، پس از تبخیر آب امکان تشکیل پیوندهای هیدروژنی بیشتری بین زنجیرهای نشاسته ایجاد شده و در نتیجه فیلم حاصل بسیار سخت و شکننده و فاقد ویژگی برگشت‌پذیری حرارتی خواهد بود. امّا وقتی از نرم کننده‌های غیر فرّار نظیر گلیسرول استفاده شود تداخل مولکول‌های نرم‌کننده در بین زنجیرهای پلیمر باعث کاهش تعداد و شدت برهمکنش‌ها بین زنجیرهای نشاسته می‌شود و ماده‌ای که حاصل می‌گردد دارای ویژگی برگشت پذیری حرارتی خواهد بود و به همین دلیل به آن نشاسته ترموپلاستیک اطلاق می‌شود.

نکته مهمی که در تولید فیلم نشاسته بایستی مورد توجه قرار گیرد این است که قابلیت فیلم‌سازی نشاسته به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد و مهمترین عامل، نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین است. بالا بودن آمیلوز در نشاسته به تولید فیلمی مقاوم‌تر می‌انجامد. اما نشاسته‌ای که آمیلوپکتین زیادی داشته باشد فیلمی با خواص کاربردی ضعیف تولید می‌کند (قنبرزاده و همکاران، 1388).

 

3-9- خواص کاربردی فیلم‌ نشاسته‌‌ی سیب‌زمینی

بازدارندگی ضعیف نسبت به بخار آب از عیب‌های اساسی فیلم‌های نشاسته‌ای به حساب می‌آید. به علت ماهیّت آبدوست نشاسته، فیلم‌های حاصل از آن نفوذ‌پذیری بالایی نسبت به بخار آب دارند (برتوزی و همکاران، 2007). این حساسیت نسبت به رطوبت باعث ایجاد تغییر در خواص کاربردی فیلم نشاسته در شرایط محیطی مختلف شده و در نتیجه کاربرد فیلم‌های نشاسته‌ای در شرایط مختلف (به ویژه در رطوبت‌های نسبی بالاتر) را محدود می‌سازد.

ترکیب شیمیایی نشاسته، فرمولاسیون (به ویژه میزان نرم‌کننده)، شرایط تولید فیلم و شرایط محیطی (به ویژه رطوبت نسبی) از جمله عواملی هستند که WVP[4] فیلم نشاسته را تحت تأثیر قرار می‌دهند. نوع نشاسته مورد استفاده در تهیه فیلم تأثیر به سزایی بر روی WVP فیلم نهایی دارد.

بهترین روش برای بهبود خواص بازدارندگی فیلم نشاسته، ایجاد تغییر در نشاسته و یا اصلاح آن است. تولید فیلم از نشاسته اصلاح شده باعث کاهش نفوذپذیری آن نسبت به بخار آب و اکسیژن می‌شود. به عنوان مثال جانهید و همکاران (2007) خواص بازدارندگی فیلم‌های حاصل از نشاسته طبیعی سیب‌زمینی و نشاسته اصلاح‌شده به دو روش مختلف را مورد مقایسه قرار دادند.

برای این کار از دو نوع نشاسته‌ی اصلاح‌شده استفاده شد: نشاسته آبگریز (با استفاده از انهیدرید سوکسینیک) و هیدروکسی پروپیل نشاسته. همانطور که در جدول 3-1 مشاهده می‌شود با اصلاح نشاسته نفوذپذیری نسبت به اکسیژن و بخار آب کاهش می‌یابد. کمترین WVP مربوط به فیلم حاصل از نشاسته آبگریز است.

از دیگر روش‌های افزایش بازدارندگی فیلم می‌توان به روش‌های زیر اشاره نمود:

  • افزایش قسمت‌های آمیلوز نسبت به آمیلو پکتین
  • اختلاط با سایر بیوپلیمرها لیپیدها و پروتئین‌ها تا حدودی دارای خاصیت آبگریزی هستند و قادرندWVP فیلم نشاسته را کاهش دهند.
  • افزایش پیوندهای دی‌سولفیدی مثلاً با افزودن کازئین

نفوذ‌پذیری نسبت به گاز و ترکیبات فرّار آروما در فیلم‌های پلی‌ساکاریدی تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد: نسبت نواحی کریستالی به نواحی آمورف، میزان تحرک زنجیرهای پلیمری و میزان بر همکنش‌ها بین گروه‌های عملگرای پلیمر و مولکول‌های گاز و ترکیبات فرّار در نواحی آمورف.

فیلم‌های نشاسته‌ای به دلیل وجود تراکم و فشردگی بالا بین زنجیرها، وجود مقدار زیاد پیوندهای هیدروژنی، وجود حالت نیمه کریستالی، بازدارندگی عالی در مقابل اکسیژن دارند و همین امر استفاده از آنها را در بسته بندی میوه‌ها و سبزی‌ها جهت کاهش سرعت تنفس و افزایش ماندگاری میسّر می‌سازد. نفوذ‌پذیری نسبت به دی‌اکسیدکربن در فیلم‌های نشاسته‌ای بیشتر از اکسیژن می‌باشد که نشان دهنده‌ی بازدارندگی انتخابی فیلم نشاسته می‌باشد. این پدیده را می‌توان به حلالیت بالای دی‌اکسیدکربن در فیلم‌های نشاسته‌ای نسبت داد.

عوامل مختلفی وجود دارد که OP[5] فیلم‌های نشاسته‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهد. یکی از مهم‌ترین این عوامل نوع و میزان نرم‌کننده مورد استفاده است. در تعیین میزان OP فیلم‌های حاوی نرم‌کننده، عواملی نظیر حالت فیزیکی و وزن مولکولی نرم‌کننده، ایجاد تغییر در ساختار سطحی فیلم، واکنش شیمیایی بین نرم‌کننده و اکسیژن و توانایی مولکول‌های کوچک نرم‌کننده در پر‌کردن حفرات ماتریکس پلیمر تأثیر گذار می‌باشند(قنبرزاده و همکاران، 1388).

 

 

     جدول 3-1- نفوذ پذیری نسبت به اکسیژن (OP) و بخار آب (WVP) فیلم‌های نشاسته طبیعی و اصلاح شده

نوع فیلم میزان گلیسرول                            OP 2-10 cm3 .cm/( m2 .d.bar). WVP        50             5-10g/(pas.m).
NS                                                                                                                                            HPMS                                                                                                          HMS      0          15      30        0          15          30        0            15     30 2/0 6/5               5/0 6/6                        0/0  2/7                 3/0 4/3                             2/0 4/5                              9/1 2/7              5/0 8/3                        1/0 5/4                       5/0  1/7 5/0 1/7       1/0 8/9             5/0 8/11           1/0 1/4               1/0 5/4             1/0 9/5            1/0 4/2               3/0 8/3              7/0  1/4

 

 

 

 

 

 

 

 

NS- Native starch

HPMS- Hydroxypropylated modified starch

HMS-Hydrophobically modified starch

 

نشاسته از جمله موادی هستند که به وفور در انکپسوله‌کردن و رهاسازی کنترل‌شده ترکیبات فرّار مورد استفاده قرار می‌گیرد. لذا می‌توان گفت که بازدارندگی نسبت به ترکیبات آروما از دیگر مزایای فیلم‌های نشاسته‌ای است که می‌تواند به حفظ کیفیت مواد غذایی کمک کند. خواص فیزیکی فیلم‌های نشاسته‌ای نظیر وزن مولکولی نشاسته و نرم‌کننده، میزان‌ نرم‌کننده و سایر اجزاء موجود در فرمولاسیون از جمله عواملی هستند که نفوذپذیری فیلم نسبت به آروما را تحت تأثیر قرار می‌دهند. به عنوان مثال با افزایش وزن مولکولی نشاسته نفوذپذیری ترکیبات فرّار کاهش می‌یابد. همچنین با کاهش میزان نرم‌کننده نیز نفوذپذیری کاهش می‌یابد. از طرف دیگر نفوذپذیری ترکیبات فرّار به حضور ترکیبات غیر‌فرّار نظیر روغن‌ها و چربی‌ها در ماتریکس فیلم نیز بستگی دارد و حضور چنین ترکیباتی باعث کاهش سرعت انتقال ترکیبات فرّار می‌شود.

یلماز و همکاران (2002) تأثیر عوامل مختلف بر روی نفوذپذیری فیلم نشاسته‌ی سیب‌زمینی نسبت به دو ترکیب آرومای فرار دی‌استیل[6] و کاروون[7] را مورد مطالعه قرار دادند. شکل 3-3 و 3-4 به ترتیب تأثیر میزان گلیسرول و رطوبت نسبی محیط بر روی نفوذپذیری فیلم‌ها را نشان می‌دهند. با افزایش هر دوی این پارامترها میزان نفوذ ترکیبات آروما افزایش می‌یابد.

این محققین همچنین اظهار داشتند که با کاهش دمای خشک‌کردن و درنتیجه افزایش رطوبت فیلم نهایی می‌توان میزان حالت کریستالی در فیلم را افزایش داد. بر این اساس سه نوع فیلم با درصد رطوبت‌های مختلف تولید شد و تأثیر میزان حالت کریستالی بر روی نفوذپذیری نسبت به ترکیبات فرّار مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به شکل3-5 با افزایش حالت کریستالی، نفوذپذیری نسبت به دو ترکیب دی‌استیل و کاروون کاهش می‌یابد. در قسمت‌های کریستالی تراکم بالای زنجیرهای پلیمر مانع نفوذ ترکیبات فرّار می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3-3: تأثیر میزان نرم کننده بر روی نفوذپذیری فیلم نشاسته نسبت به ترکیبات آروما- کاروون (الف) و دی استیل(ب)

 

شکل 3-4: تأثیر میزان رطوبت نسبی بر روی نفوذپذیری فیلم نشاسته نسبت به ترکیبات آروما- کاروون(الف) و دی‌استیل(ب)

 

شکل3-5: تأثیر میزان حالت کریستالی بر روی نفوذپذیری فیلم نشاسته نسبت به ترکیبات آروما- کاروون(الف) و دی‌استیل(ب)

 

نشاسته در بین بیوپلیمرها مقاوم‌ترین فیلم را تولید می‌کند و خواص مکانیکی آن در مقایسه با سایر فیلم‌های پلی‌ساکاریدی و همچنین فیلم‌های پروتئینی نسبتاً بهتر می‌باشد. خواص مکانیکی فیلم‌های نشاسته‌ای تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد. یکی از مهمترین عوامل موثر در خواص مکانیکی فیلم‌های نشاسته‌ای سایر ترکیباتی است که در فرمولاسیون محلول تشکیل‌ دهنده‌ی فیلم مورد استفاده قرار می‌گیرند و مهمترین عامل از این نظر میزان نرم‌کننده می‌باشد. همان‌طور که قبلاً اشاره شد جهت تعدیل و اصلاح خواص مکانیکی فیلم‌های نشاسته‌ای استفاده از نرم‌کننده امری ضروری است امّا استفاده بیش از حد از آن می‌تواند باعث تضعیف بیشتر خواص مکانیکی فیلم‌ شده و کاربردهای فیلم نهایی را محدود سازد. از دیگر ترکیباتی که ممکن است در فرمولاسیون فیلم نشاسته مورد استفاده قرار گیرد سورفاکتانت‌ها می‌باشند که در تولید فیلم‌های مرکب نشاسته ـ لیپید جهت کاهش کشش سطحی و افزایش یکنواختی فیلم مورد استفاده قرار می‌گیرند. مطالعات نشان داده است که سورفاکتانت‌ها نیز می‌توانند اثر نرم‌کنندگی داشته باشند و با قرار گرفتن در بین زنجیرهای بیوپلیمر باعث افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش استحکام مکانیکی فیلم شوند.

رودریگوز و همکاران (2006) تاثیر توأم میزان نرم کننده و سورفاکتانت بر روی تنش و کرنش تا نقطه شکست فیلم نشاسته سیب‌زمینی را مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل در جدول3-2 نشان داده شده است. هنگامی که از گلیسرول و سورفاکتانت استفاده نمی‌شود فیلم حاصل شکنندگی بالایی خواهد داشت (استحکام کششی بالا و افزایش طول تا نقطه شکست پایین). امّا وقتی از 20 درصد گلیسرول در ترکیب با نشاسته استفاده می‌شود خواص مکانیکی فیلم متعادل‌تر شده و انعطاف پذیری آن افزایش می‌یابد. هنگامی که از گلیسرول استفاده نمی‌شود با افزودن سورفاکتانت تنش و کرنش تا نقطه شکست فیلم نشاسته کاهش می‌یابد که نشان از تضعیف خواص مکانیکی فیلم دارد. زمانی که از گلیسرول و سورفاکتانت به صورت توأم استفاده می‌شود کاهش در استحکام کششی شدیدتر خواهد بود. امّا وقتی میزان سورفاکتانت افزایش یابد تأثیر آنها متفاوت خواهد بود و توئین بیشترین تاثیر را بر روی خواص مکانیکی فیلم خواهد گذاشت.

شکل 3-6 تأثیر نوع سورفاکتانت بر روی منحنی تنش و کرنش فیلم نشاسته را نشان می‌دهد. توئین سورفاکتانتی است که بیشترین تأثیر را در کاهش استحکام کششی و افزایش انعطاف‌پذیری فیلم دارد. این پدیده به ماهیت شیمیایی سورفاکتانت بر‌می‌گردد. سورفاکتانتی نظیر توئین که قسمت آبدوست بزرگتری دارد می‌تواند پیوندهای بیشتری با آب و مولکول‌های گلیسرول برقرار کند و در نتیجه تداخل آن در بین زنجیرها بیشتر شود و نهایتاً نقش آن در افزایش انعطاف‌پذیری فیلم بیشتر خواهد بود (قنبرزاده و همکاران، 1388).

 

 

جدول3-2: تأثیر میزان گلیسرول و سورفاکتانت بر روی استحکام کششی و افزایش طول تا نقطه شکست فیلم نشاسته

گلیسرول (٪) سورفاکتانت (٪) استحکام‌کششی (Mpa) افزایش‌طول‌تا نقطه‌ شکست (٪)
0

 

 

0         5/0توئین    5/0اسپان 5/0لسیتین 7/2 1/44     4/4 1/42     4/5 6/40     9/3 2/37 1/1 9/5     0/1 4/5 8/0 2/4       4/0 7/3
20

 

0         5/0توئین 5/0اسپان 5/0لسیتین 5توئین 5اسپان     5 لسیتین 9/4 3/20    7/3 4/23     3/3 2/14     4/4 1/16     3/0 4/2       5/0 2/3       6/1  3/7 8/6 1/12   0/1 2/5       1/1 9/7       7/2 0/8   7/5 5/31     5/5 6/27     5/9  1/21

 

 

 

 

 

 

 

شکل 3-6- منحنی تنش به کرنش فیلم‌های نشاسته حاوی سورفاکتانت‌های مختلف

 

 

 

 

شکل3-7- تأثیر میزان فیبر سلولزی بر روی استحکام کششی فیلم نشاسته

 

 

یکی از مهمترین پیشرفت‌ها که در طی سالهای اخیر در این زمینه حاصل شده است ورود فناوری نانو در این عرصه می‌باشد. فناوری نانو علمی است که با شناسایی، تولید و دستکاری ساختارهای بیولوژیکی و غیربیولوژیکی با ابعاد کوچکتر از nm100 سروکار دارد. فناوری نانو به دلیل تعامل نزدیکی که با سایر رشته‌های علوم دارد به سرعت در حال گسترش است و در این میان علم پلیمر را نیز از مزایای خود بی‌بهره نگذاشته است. استفاده از فناوری نانو در زمینه‌ی علم پلیمر به تولید پلیمرهای نانوکامپوزیت منجر شده است. نانوکامپوزیت‌ها پلیمرهایی هستند که در آنها از ترکیبات آلی یا غیر آلی مختلفی که دارای اشکال مختلف صفحه‌ای، کروی و یا به صورت ذرات ریز بوده و اندازه‌ای در حد ابعاد نانو دارند، بعنوان فیلر یا پرکننده استفاده می‌شود.

ایده‌ی اولیه‌ی تولید پلیمرهای نانوکامپوزیت به سال 1986 برمی‌گردد. در این سال واحد تحقیقات شرکت ماشین سازی تویوتا دریافتند که با افزودن 5 درصد نانورس به پلیمر نایلون6 می‌‌توان پلیمری مستحکم، مقاوم در برابر آتش و در عین حال سبک تولید کرد(سینگ و کور،2009)

این فناوری روز به روز گسترش پیدا کرد و در مورد سایر پلیمرها نیز مورد استفاده قرار گرفت تا اینکه طی سالهای اخیر استفاده از این نانو مواد در مورد فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر نیز مورد توجه قرار گرفته است. فیلم‌های حاصل از ترکیب نانو مواد و بیوپلیمرها و یا به اصطلاح نانوکامپوزیت‌های بیوپلیمری خواص کاربردی مطلوب‌تری از خود نشان می‌دهند که مهمترین آنها افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش نفوذپذیری نسبت به بخار آب می‌باشد. افزایش بازدارندگی در برابر نفوذ گازها، افزایش کارایی فیلم در استفاده به عنوان بسته‌بندی فعال، افزایش مقاومت حرارتی ماده‌ی بسته‌بندی و ایجاد شفافیت و بهبود خواص ظاهری فیلم از دیگر مزایای نانوکامپوزیت‌های بیوپلیمری می‌باشد.

پلیمرها بر پایه نانوکامپوزیت‌های خاک رس(PCN)[8] یک طبقه از مواد مطمئن و آسوده خاطر می‌باشند که با مواد پلیمر آلی و پرکننده‌های خاک رس ارگانوفیلیک ترکیب شده‌اند که از سال 1980 توسط محققین تویوتا مرسوم شده‌اند. آنها یک افزایش جزئی در خصوصیات حرارتی و مکانیکی نایلون با اضافه کردن مقدار کمی نانو ذرات خاک رس گزارش کردند. این پلیمرها در بخش‌های غذایی و غیر غذایی، از جمله ساختمان سازی، صنعت اتومبیل، هوافضا، نظامی، الکترونیک و به عنوان پوشش و بسته‌بندی مواد غذایی کاربرد پیدا کرده‌اند. چون که این مواد مقاومت مکانیکی، مقاومت به حرارت بالایی دارند و خصوصیات محافظتی را بهبود می‌دهند. خصوصیات و ساختار نهایی PCN به وسیله کنترل واکنش‌های بین پلیمر و خاک رس در طول فرایندهای صنعتی آنها قابل کنترل می‌باشد (سینگ و کور، 2009).

.

 

 

 

 

 

شکل 3-10:  نوعی بسته بندی برپایه نانوکامپوزیت‌های خاک رس- نشاسته که قادر است به مدت 3هفته بدون نشتی آب را نگه دارد.

 

پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر بر پایه نشاسته در آینده صنعت بسته‌بندی جهان مهم هستند ولی در مطالعات صورت گرفته به دوام و تجزیه پذیری این پلاستیک‌ها توجه کافی نشده است. تجزیه‌پذیری یک فرایندی است که در نتیجه فاکتورهایی مانند نور، حرارت و …خصوصیات پلیمرها تحت تاثیر قرار گرفته و یا از بین می‌رود و درنتیجه مدت ماندگاری ماده کاهش پیدا می‌کند. از این رو مطالعات پایداری و تجزیه این پلیمرها باید به درستی بررسی شود تا مدت ماندگاری بیشتری برای محصول تأمین کند.

[1] -Foam

[2] -Maltesecross

[3] -Pasting

[4] -Water vapor permeability

[5]– Oxygen permeability

[6] -Diacetyl

[7] -Carvone

[8] -Polymer–clay nano composites