نفوذپذیری، رطوبت نسبی، بازدارندگی، ظرفیت جذب

دسامبر 29, 2018 0 By 92

شدند و در 2 ± 23 درجه سانتیگراد و با رطوبت نسبی (RH) 5 ± 50 درصد داخل دسیکاتور نگه داری شدند تا اینکه آزمایش شوند. تمام فیلمها (شامل کنترل) در سه مرتبه آماده شدند.

3-3 – ضخامت فیلم
ضخامتفیلم باریزسنج مدل insize با قدرت تفکیک 01/0 میلیمتر به طور تصادفی در 5 موقعیت تعیین و میانگین آنها برای محاسبات استفاده شد.

3-4- آنالیز فیلم
آزمونهای صورت گرفته در این تحقیق شامل اندازگیری ویژگیهای مکانیکی، ویژگیهای فیزیکوشیمیایی (میزان جذب آب و حلالیت) و ممانعتی ( نفوذ پذیری به بخار آب و اکسیژن) و بررسی پارامترهای رشد میکروبی باکتری اشریشیا کلی با تغییر غلظتهای مختلف نانو دی اکسید تیتانیوم بر فیلمهای SSPS و نشاسته کاساوا میباشد.

3-4-1- ویژگی های مکانیکی
یک آزمون برای ارزیابی تغییر شکل (کششی) در سرعت ثابت در یک نمونه با ابعاد استاندارد برای اندازهگیری نیروی لازم برای پارگی مواد مورد استفاده قرار گرفت. منحنی نیرو در مقابل جابجایی این پارامترها را تعیین میکند.
تنش کششی (Tensil stress) (استحکام کششی نیز نامیده میشود) که در واحد MPa بیان میشود. نیروی لازم برای پارگی (گسیختگی) قسمتی از نمونه را اندازهگیری میکند.
بیشترین نیرویی که سبب گسیختگی جسم میشود تقسیم بر سطح مقطع نمونه، نشان دهنده قدرت کششی فیلم (مقاومت فیلم) است.
σ=F/A
که در آن F نیرو بر حسب نیوتن و A مساحت قسمتی از فیلم که مورد آزمون قرار میگیرد (ضخامت × عرض در mm2)
کشیدگی Elongation (Strain هم نامیده میشود) که واحد آن درصد است. که این نسبت جابجایی به طول اولیه نمونه است:
بیشترین تغییر طول به طول اولیه، انعطافپذیری فیلم را بررسی میکند (چند درصد طولش میتواند کش بیاید ولی پاره نشود).
ε=∆l/L0×100
که در آن L جابجایی (mm) و L0 طول اولیه (mm) کشیدگی در نقطه شکست به صورت درصد نسبی است که مقیاسی از انعطافپذبری فیلمها است.
مدول یانگ (Yang’s Modulus) این پارامتر برابر است با شیب در ناحیه خطی منحنی تنش-کرنش (نسبت stress به strain) بیانگر میزان سختی فیلمها است.
E=σ/ε
ویژگیهای مکانیکی در هر شکست مشخص میشود. در هر شکستن تنش و کرنش (σ,ε) برای هر نمونه محاسبه شد. قسمتی از آزمون که متفاوت باشد در طول اندازهگیری خیلی قابل توجه نیست. شکل منحنی تنش -کرنش رفتار خاص مواد شکننده (شکستن در محدوده الاستیک) یا انعطافپذیر (شکست در پلاستیک) را تعریف کند.
ویژگیهای مکانیکی در هر پارگی مشخص شدند. استرس واسترین پارکنندگی (σ، ε) برای هرنمونه محاسبه شد. بخش آزمایش به طورچشمگیری درطی اندازهگیری تفاوتی نکرد. میتوان برای تعریف کردن رفتارخاص ماده به عنوان ترد (شکست درمحدوده الاستیک ) یاductile (شکست درپلاستیک)، از شکل منحنیهای stress و strain استفاده کرد. D882-10ASTM باتغییری (اصلاحی) برای تعیین کردن ویژگیها مکانیکیدرشرایطاستانداردمورد استفاد هقرار گرفت (ASTM ,2010). نوارهای فیلم به طول 100mmو عرض 20mm بریده شد و به مدت 48 ساعت در دمای℃ 23 و رطوبت نسبی 53 % تنظیم شد. آنالیز بافت مجهز شده با نرم افزارTexture Exponent 32 به منظور اندازهگیری ویژگیهای مکانیکی فیلم به کارگرفته شد. جداسازی سرعت اولیه و سرعت crosshead به ترتیب 50mmوmm/min 30 بود. Elongation و قدرت کشش درنقطه پاره شدن از تغییرشکل و نیروی داده ثبت شده توسط نرم افزارمحاسبه شد. 8 تکرارهرنمونه مورد ارزیابی قرارگرفت.

3-4-2- نفوذ پذیری بخار آب (WVP)
از روش اصلاح شده کاپ گراومتریک به روش استاندارد ملی آمریکا ASTM E96-05 که برای تعیین میزان نفوذ پذیری در فیلم ها استفاده شده است( ASTM ,2005b). در این آزمون کاپ ها با آب پر شدند و هوا حدود 5/1 سانتیمتر بین سطح فیلم و آب بود. فیلم ها به اندازه دهانه کاپ بریده شدند و به کمک خمیر بازی بر روی کاپ نگه داشته شدند. در ابتدا وزن اولیه کاپ ها با ترازو با دقت 0001/0 اندازه گیری شد و سپس درون دسیکاتور که با سیلیکاژل(خشک کن) برای تولید رطوبت نسبی %0 پر شده بود قرار گرفتند. پس از آن هر 2 ساعت یک بار نمونه ها توزین شد تا 7 نقطه این روند ادامه داشت. سپس از نمودار وزن بدست آمده در مقابل زمان برای تعیین (WVTR) استفاده شد. شیب قسمت خطی این نمودار نشان دهنده مقدار حالت پایدار از نفوذ بخار آب در میان فیلم در هر واحد زمان (g/h) (WVTR) بر اساس gr بر m2 در هر روز بیان شد. رگرسیون دامنه ضرایب %99/0 یا بالاتر بدست آمده. (WVP) فیلم توسط ضرب کردن (WVTR) در ضخامت متوسط فیلم و تقسیم آن بر فشار بخار آب در سطح فیلم محاسبه می شود.

WVP=(WVTR ×t)/(A(P1-P2))

3-4-3- حلالیت فیلم ها
حلایت فیلمها در آب بر طبق نظر مایزورا106 و دیگران (2007 ) و با قدری تغییرات تعیین شد پس از تعیین میزان رطوبت موجود در هر فیلم میزان مواد جامد موجود در آن قابل تعیین بود با توجه به این مسأله، تکههای از فیلم (600 میلی گرم) بریده شده در یک دسیکاتور با ( (0% RH کلرید کلسیم به مدت 24 ساعت در دمای 40 درجه سانتیگراد حرارت داده شد. سپس درون بشر با 100 سیسی آب دیونیزه قرار داده شد این نمونهها با تکان خوردنهای دائمی به مدت24 ساعت در دمای اتاق به همزده شدند. سپس مخلوط فیلم و آب بر روی یک کاغذ صافی که قبلا به وزن ثابت رسیده و دقیقا توزین شده بود صاف شد. کاغذ صافی به همراه نمونه تا رسیدن به وزن ثابت در دمای40 درجه سانتیگراد قرار داده شد. درصد حلالیت فیلمها در آب از رابطه زیر محاسبه گردید.
100×(فیلم اولیه شده خشک وزن –فیلم نهایی شده خشک وزن)/(فیلم اولیه شده خشک وزن)= درصد حلالیت

3-4-4- ظرفیت جذب آب (WAC)
برای بررسی میزان ظرفیت جذب آب تکه هایی از فیلم
(2×2 cm) بریده و در دسیکاتور که زیر آن کلرید کلسیم (برای صفر شدن رطوبت) قرار داشت به مدت 2 روز قرار داشت. نمونه ها با ترازویی با دقت 0001/0 توزین گردید، درون دسیکاتوری که زیر آن آب قرار دارد، قرار داده میشود. و بعد از 24 ساعت نمونهها توزین شدند، و از طریق فرمول زیر میزان جذب آب بدست آمد:

وزن خشک فیلم/وزن آب جذب شده =WAC

3-4-5- نفوذ پذیری به اکسیژن
اندازهگیری نفوذپذیری فیلمها به وسیله MoconOxtran 2/21 انجام شد و با استفاده از نرمافزار نفوذپذیری WinPermTM و با کمک روش استاندارد ASTM-D3985-05 نفوذ پذیری به اکسیژن به دست آمد. فیلمها در پوششهای فویل آلومینیوم با یک فضای باز cm25 قرار داده شدند و روی یک سل دیفوزیون قرار داده شدند. آزمون در دمای ℃25، فشار اتمسفری و رطوبت نسبی %50 (RH)، %21 گاز اکسیژن به عنوان تست گاز انجام شد. اکسیژن منتقل شده از میان فیلمها با استفاده از حمل کننده گاز (N2/H2) به سنسورهای کالمتریک عبور داده میشود. حمل کننده خارجی هر 1 ساعت 1 بار برای رسیدن به حالت پایدار انتقال اکسیژن به صورت همگرا اندازه گیری شد.
ضریب نفوذپذیری cc-cm/(m2 day atm) بر اساس نرخ انتقال اکسیژن در حالت ثابت با در نظر گرفتن ضخامت فیلم محاسبه شد ( ASTM 2005a).

3-4-6- خاصیت ضد میکروبی
کارآیی ضد میکروبی فیلم آماده با استفاده از ارزیابی روش لرزش فلاسک توسط Appendini and Hotchkiss (2002) مورد بررسی قرار گرفت. برای روش لرزش فلاسک هشت نمونه ( cm 5 /1 × 2) از فیلمهای نانو کامپوزیت در ml 100 از محیط کشت استریل نوترینت براث برای باکتری 150 دور در دقیقه غوطه ور شد و سپس در انکوباتور دمای 37 درجه سانتیگراد قرار داده شدند. مدارک و شواهد حاکی از رشد میکروبی بود. مدارک و شواهد از رشد میکروبی با خواندن تغییرات جذب در 600 نانومتر با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر در فواصل منظم (2 ساعت) به دست آمد ( هان و همکاران، 2007). جذب دادهها با استفاده از معادله گامپرتز که تغییر افتهاست توسط 1990 Zwietering et al ارائه شده، مدل شد.
برای تخمین پارامترهای سنتیک رشد میکروبی

X = غلظت سلولی میکروارگانیسم در محیط کشت
˳X= مقدار اولیه جذب t= زمان λ= فاز تاخیر
A= حداکثر غلظت باکتریایی بدست آمده در فاز ثابت و مقدار اولیه آن است
µmax= حداکثر سرعت رشد ویژه (h-1).

3-5- تجزیه و تحلیل آماری
از آزمون های آنووا یک طرفه و توکی (یا دانکن) برای ویژگی های فیزیکی و مکانیکی، و پارامترهای مختلف در میان انواع مختلف فیلم در سطح معنی دار %5 به کار برده شد. تجزیه و تحلیل با استفاده از گراف پد پریزم 6، انجام شد. برای انجام مدل سازی از تکنیک کمینه کردن مجموع مربعات اختلاف داده های تئوری و عملی به کمک افزونه Solver در نرم افزار اکسل 2010 استفاده شد.

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- ارزیابی کیفی فیلم زیستتخریبپذیر خوراکی
4-1-1- بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص ظاهری فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS
فیلمهای تهیه شده، فیلمهای کاملاً یکنواخت بودند که نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم به طور یکدست در آن پخش شده بودند. سطح روی فیلمها براق بودند، فیلمها به راحتی و بدون هیچ ابزاری از سطح پلیت کاستینگ جدا شدند. ضخامت در نقاط مختلف تقریبا یکسان بوده و با افزایش درصد نانو ذرات تأثیری روی ضخامت فیلمها مشاهده نشد در حالی که بر روی رنگ فیلمها تأثیر واضحی داشت به طوری که فیلم شاهد ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS، تقریبا زرد و شفاف بودند ولی با افزایش نانو ذرات تا 5 % ، فیلمها کاملاً شیری رنگ بودند و همچنین با توجه به شکل 4-2 نیز با افزایش نانو ذرات رنگ فیلمها رو به افزایش بودند.

شکل 4- 1: رنگ فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS، با غلظتهای متفاوت ( %0، 5%)، نانو دی اکسید تیتانیوم.

4-1-2- بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر ضخامت فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS

برای اندازهگیری ضخامت فیلمها از ریزسنج دستی استفاده شد که ضخامت کلی فیلمهای ترکیبی نانو کامپوزیتی بدست آمده، با اضافه کردن نانو ذرات بدون تغییر باقی ماند. مقادیر میانگین ضخامت کلی برای فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا /SSPS، حاوی نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم ( 13/0-14/0 ) میلی متر میباشد. و در (جدول 4-1) نشان داده شده است.

جدول 4- 1: میانگین ضخامت فیلمهای شاهد ترکیبی نشاسته کاساوا /SSPS و نمونههای حاوی نانو دی اکسید تیتانیوم.
ضخامت
نوع نمونه
01/0 ± 13/0a
0 % ( نمونه شاهد)
03/0 ± 13/0a
1 % نانو دی اکسید تیتانیوم
02/0 ± 14/0a
3 % نانو دی اکسید تیتانیوم
01/0 ± 14/0a
5 % نانو دی اکسید تیتانیوم
داده ها بیانگر میانگین ± انحراف معیار می باشد. مشابه بودن حروف لاتین بیانگر عدم وجود اختلاف معنی دار بین میانگین ها در سطح احتمال 5% می باشد.

4-2- بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص ممانعتی فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS
4-2-1- تعیین میزان نفوذ پذیری به بخار آب
یکی از مهمترین عملکردهای بسته بندی غذا، جلوگیری و یا به حداقل رساندن انتقال رطوبت بین غذا و محیط اطراف است. سپس نفوذ پذیری بخار آب باید به کمترین حد ممکن برسد، تا محیط بسته بندی غذا بهینه سازی شده و عمر بالقوه محصول غذایی بر روی قفسهی مغازهها افزایش یابد. ( حسینی و همکاران، 2013). شکلهای 4-2، نشان دهنده نفوذ پذیری نسبت به بخار آب فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS، با درصدهای مختلف از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم میباشد. بعد از اضافه کردن نانو
ذرات کاهش قابل توجهای در میزان نفوذ پذیری به بخار آب ایجاد شد. نفوذ پذیری نسبت به بخار آب فیلمهای ترکیبی از 34/6 تا 98/2 [g m-1 s-1 Pa-1]، به صورت معنی داری (05/0p) کاهش داشتند. که میتوان به مقاومت بیشتر از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در مقایسه با ماتریکس بایوکامپوزیت نسبت داد. بنابراین تلفیقی از نانو ذرات به ماتریکس یک مسیر غیر مستقیم برای عبور از میان مولکولهای آب را ایجاد میکند (یو107 و همکاران، 2004). این کاهش نفوذ در فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS، ساپورت شده با نانو ذرات را میتوان بر اساس مدل نیلسن108 (1967)، مسیرهای پیچشی و غیر مستقیم توضیح داد. بازدارندگی ضعیف نسبت به بخار آب از عیبهای اساسی فیلمهای پلی ساکاریدی به حساب میآید به علت ماهیت آبدوست پلی ساکاریدها، فیلمهای حاصل از آن نفوذ پذیری بالایی نسبت به بخار آب دارد این حساسیت نسبت به رطوبت باعث ایجاد تغییر در خواص کاربردی فیلم پلی ساکاریدی در شرایط محیطی مختلف شده و در نتیجه کاربرد فیلمهای پلی ساکاریدی در شرایط مختلف (به ویژه در رطوبتهای نسبی بالاتر) را محدود میسازد (قنبرزاده و همکاران، 1388). هنگامی که نانو ذره در ماتریکس پلیمری وجود دارد، یک ملکول آب باید مسیر پیچیده تری را نسبت به ترکیب خالص پلیمر طی کند تئوری که توسط ﺛلن بیان شد (ﺛلن109، 2005).
همان طور که در شکل 4-2، مشاهده میکنیم خاصیت نفوذپذیری با افزایش غلظت نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم کاهش یافت و درغلظت 5% کمترین مقدار را داشت. نانو ذرات به دلیل اندازه خیلی کوچکشان به آسانی میتوانند فضاهای خالی ماتریکس فیلم خلل وفرج دار را پر کنند لذا پخش آسان آب یا رطوبت مشکل میشود. (تانگ110 و همکاران ، 2008 ؛ دی مورا111 و همکاران، 2009) ضمن این که مسیر پیچ در پیچ اطراف لایه های نانو، مولکولهای نفوذ کننده را وادار میکند که از یک مسیر طولانی از میان فیلم عبور کنند. (سوتورنویت112 و همکاران، 2010).

شکل 4-2: میزان نفوذ پذیری به بخار آب فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا/SSPS، با غلظتهای مختلف نانو دی اکسید تیتانیوم.
*متفاوت بودن حروف لاتین بر روی ستونها نمایانگر اختلاف معنی دار در سطح 5% احتمال میباشد ( 05/0 р).

4-2-2- نفوذ پذیری نسبت به بخار اکسیژن
نفوذپذیری نسبت به گاز و ترکیبات فرار آروما در فیلم های پلی ساکاریدی تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد: نسبت نواحیکریستالی به نواحیآمورف، میزان تحریک زنجیرههای پلیمری و میزان برهمکنشها بینگروههای عملگرای پلیمر و مولکولهای گاز و ترکیبات فرار در نواحی آمورف ( کومار و ساینق113، 2008). فیلمهای بایوپلیمری به دلیل وجود تراکم و فشردگی بالا بین زنجیره ها، وجود مقدار زیاد پیوندهای هیدروژنی، وجود حالت نیمه کریستالی، بازدارندگی عالی در مقابل اکسیژن دارند و همین امر استفاده از آن را در بسته بندی میوه ها و سبزی ها جهب کاهش سرعت تنفس و افزایش ماندگاری میسرمیسازد ( مانو114 و همکاران، 2004). در این پژوهش همانطور که در شکل 4-3، نشان داده شده است در فیلمهای ترکیبی نشاسته کاساوا