مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

طیف‌سنجی FTIR-ATR روشی برای شناسایی و تفکیک الیافِ گیاهان غیرچوبی کتان، شاهدانه، کنف و پنبه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 مرمت آثار تاریخی دانشگاه هنر اصفهان/ کارشناس آزمایشگاه کتابخانه و موزه ملی ملک
2 گروه مرمت آثار ، دانشکده مرمت، دانشگاه هنر اصفهان.
3 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران.
4 هیات علمی/پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران
5 گروه فیتوشیمی، پژوهشکده گیاهان و مواد اولیه دارویی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران.
10.22034/ijwp.2024.2026443.1653
چکیده
بیان مساله و اهداف: الیاف گیاهان غیرچوبی کتان، شاهدانه و کنف به دلیل شباهت‌های مورفولوژیکی (ریخت‌شناسی)، بیومتری و مقادیر مشابه کمّی و بعضاً متغیر حاصل از آزمایشات میکروشیمیایی همواره مورد بحث و بررسی هستند. این پژوهش بر آن است تا نسبت ترکیبات شیمیایی میان مقادیر لیگنین، سلولز و ترکیبات آلی را ارزیابی و تفاوت میان فیبرهای چوبی و پوستی، فیبرهای پوستی و لیگنین استخراج شده از الیاف گیاهان کتان، شاهدانه و کنف  و پنبه را امکان‌سنجی نماید.
مواد و روشها: برای این منظور، علاوه بر مطالعات کتابخانه‌ای از روش‌های آزمایشگاهی و دستگاهی نیز استفاده شد. چهار گیاه کتان، شاهدانه، کنف و پنبه از مناطق مختلف ایران جمع‌آوری شد و در چهار گروه؛ الف) ساقه (مجموع فیبرهای چوبی و پوستی)، ب) الیاف پوستی جدا شده، ج) لیگینین و د) الیاف دانه پنبه از این گیاهان دسته‌بندی و مورد آزمون قرار گرفت. برای تهیه لیگنین حاصل از سه گیاه کتان، شاهدانه و کنف از روش چوب آسیاب شده (MWL) آرد چوب تهیه گردید. این آردها به طور مجزا با محلول دی اکسان: آب (V/V 1:9، mL/g 10) حاوی کلریدریک اسید M/L 2/0 طی 3 مرحله h24 به روش غوطه‌وری در دمای °C40 در شیکر استخراج گردید. محلول حاصل پس از فیلتراسیون در محیط خلاء و در دمای °C60  تا حجم mL 20 تغلیظ گردید. لیگنین رسوب شده، پس از چندین بار شستشو با آب مقطر ابتدا در آون با دمای °C60 و سپس با خشک‌کن انجمادی خشک شد. در نهایت هر چهار گروه با استفاده از روش طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) و همزمان روش غیرتخریبی طیف‌بینی بازتاب کلی تضعیف‌شده (ATR) به لحاظ کمّی و کیفی بررسی و با نمودار گارسید مقایسه شدند.
نتایج: یافته‌های حاصل از روش دستگاهی FTIR-ATR ساختارهای یکسانی برای چهار گیاه فوق ظاهر نموده‌اند. اما تنها عامل شدت در این ترکیبات وجود دارد که تفاوت آنان را نشان می‌دهد. بنابراین نسبت کسرهای حاصل از مقادیر شدت ارتعاشات آروماتیکی پیوندهای C=C لیگنین در ناحیة cm -1  1595 به مقادیر شدت ارتعاشات پیوندهای اتری گلوکسید C-O-C در ناحیة cm -1  1105 که نمایندة پلی‌ساکارید (مقدار فراوان سلولز) هستند و میزان شدت ارتعاشات کششی C-H در ناحیه cm -1  2900 که نماینده همه مواد آلی است ارزیابی شد. بررسی نسبت لیگنین به میزان سلولز و همین مقدار لیگنین به نسبت ترکیبات آلی موجود در الیاف گیاهان کتان، شاهدانه، کنف و پنبه نقاط منحصر به فردی را برای هر گیاه تعیین می‌نماید که حتی با مقادیر فیبرهای پوستی جدا شده از ساقۀ گیاهان کتان، شاهدانه و کنف نیز مجزا هستند و در راستای محور مورب روندی صعودی را دارند. به‌طوری‌که الیاف با کمترین میزان لیگنین به مرکز تقاطع دو محور نزدیک‌تر و ارتفاع کمتری از سطح دو محور افقی و عمودی دارند و در میانِ الیاف پنبه و الیاف پوستی کتان مشاهده می‌شود. از طرف دیگر با افزایش ارتفاع از سطح دو محور، میزان لیگنین افزایش یافته و بیشتر به سمت چوبی شدن الیاف گیاهی پیش می‌رود که در ساقه کنف و الیاف پوستی آن مشاهده می‌گردد. آنچه نقاط روی نمودار نشان می‌دهند، کاهش مقدار لیگنین در میان الیاف پوستی، نسبت به مجموع فیبرهای ساقه (فیبرچوبی+ پوستی+ سلول‌های همراه) هر گیاه است و تنها الیافِ پوستی گیاه کنف از این قانون تبعیت نکرده و مقدار لیگنین بیشتر را نسبت به مقادیر اندک سلولز و ترکیبات آلی برابر با این گیاه را نشان می‌دهند. همچنین مقادیر عصاره‌های غنی از لیگنین در هر گیاه  نقاط مشخص شده و متمایزی را از هر گیاه حاصل می‌آورد که به ترتیب از کمترین تا بیشترین مقدار لیگنین برای پنبه، کتان، شاهدانه و در نهایت کنف است.
نتیجه­ گیری: نتایج نشان می‌دهند که تمایزات اندکی میان ترکیبات شیمیایی الیافِ مشابه در یک گروه، مانند الیاف سلولزی پوستی کتان، شاهدانه و کنف در این دو روش تخریبی و غیر تخریبی وجود دارد؛ اما مقایسه میان نسبت شدت جذب‌های لیگنین به ترکیبات آلی و نسبت شدت جذب لیگنین به سلولز در روش دستگاهی ATR برای هر گیاه اعم از مجموع فیبرهای ساقه، فیبر پوستی، فیبر حاصل از دانه (پنبه) و عصاره غنی از لیگنین متعلق به هر گیاه، نقطه‌ای مجزا را می‌دهد که از یکدیگر متمایز هستند؛ بنابراین این روش طیف‌سنجی غیر تخریبی می‌تواند در شناسایی و تفکیک الیاف گیاهان کتان، شاهدانه، کنف و پنبه مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ilvessalo-Pfäffli, S. M., 1995. Fiber atlas identification of papermaking fibers. College of environmental science and forestry Syracuse, New York.
[2] Birjundi, A. A., 2008. Knowledge of farming (twelve chapters on agriculture). Through the efforts of Iraj Afshar. Tehran: Written Heritage Research Center pub. (in Persian).
[3] Petrushevsky E. p., 1965. Agriculture and land relations in Iran in Mongol era (centuries 13 & 14). Tr. Keshavarz K., Tehran: social research and studies institute of Tehran University pub. (in Persian)
[4] Al-Biruni, A. A., 1996. Al-Jamahir Fi Al-Jawahir (362-440 AH). According to the research of Youssef Al-Hadi. Tehran: Scientific and Cultural Publications. (in Persian).
[5] Laleh, S., Al-Ahmadi, M., J., and Parsa, S., 2016. Effect of different levels of organic and chemical fertilizers on the yield, harvest index and percentage of medicinal Hemp extract (Cannabis sativa L.). Iranian Agricultural Research Journal. 15(4), pp.823-837. (in Persian).
[6] Hosseini S., M., Azadi Boyaghchi, M., Pourtahmasi, K., Afsharpour, M., and Samad Nejad Ebrahimi, S., 2021. Cultivation historical regions of ancient plants used in Iranian papermaking (flax, hemp, kenaf and cotton).Treasure of documents publication. 21(4), pp.150-175. (in Persian).
[7] Webber, C., Bledsoe, L., and Venita, K., 2002. Kenaf yield Components and Plant Composition. Reprinted from: Trends in new crops and new uses. pp. 348-357. (https://www.researchgate.net/publication/255586402_Kenaf_Yield_Components_and_Plant_Composition)
[8] Watson A. M., 1995. Agricultural innovations in the early centuries of Islam. Tr. Naseri F., Kouchaki A. Mashhad: Astan-e-Qods Razavi Pub. (in Persian).
[9] Sjostrom, Eero, 2002. Wood Chemistry:fundamentals and applications, Tr.Mirshokraei S.A., Tehran: Aeigh. (in Persian).
[10] Titok, V, Leontiev, V., Yurenkova, S., Nikitinskaya, T., Barannikova, T., and Khotyleva, L., 2010. Infrared Spectroscopy of fiber Flax. Journal of Natural Fibers 7, pp.61-69.
[11] Peets, P., Kaupmees K.,  Vahur S. and Leito I., 2019. Reflectance FT-IR spectroscopy as a viable option for textile fiber identification, Heritage Science 7(93), pp. 2-10.
[12] Doyle Walter M., 2017. Principles and applications of fourier transform infrared (FTIR) process analysisand, technical note AN–906, pp.1-24.
[13] Abdulkhani, A., Mirshkorai,S., A., Hamzeh, Y., Hejazi, S., and Nouri, A., 2012. Study of the chemical structure of lignin by dissolving wood in 1-butyl-3-methyl-imidazilium chloride ionic solvent. Journal of Polymer Science and Technology 24(4), pp. 289-279. (in Persian).
[14] Sadeghi Far, H., and Mirshkaraei S., A., 2014. Investigation of poplar wood lignin, 2- Determination of properties by FTIR and UV-Vis spectroscopy methods. Journal of Agricultural Sciences. 11(3), pp. 24-36. (in Persian).
[15] Portellaa, E. H., Romanzinib,D., Angrizanib, C. C., Amicob, S.C. and Zatteraa, A.J., 2016. Influence of stacking sequence on the mechanical and dynamic mechanical properties of Cotton/Glass fiber reinforced polyester composites. Materials Research 1-7.
[16] Omenna, E. Ch., and Ailenokhuoria, B., V., 2017. FTIR Characterisation and chemo-mechanical distinction of retted kenaf fibers. Sustainability, Agri, Food and Environmental Research 5(4), pp. 66-81.
[17] Kostadinovska, M., 2015. Implementation of methods for examination op paper- based library materials. Vjesnik bibliotekara Hrvatske 58 (3-4), pp. 119-133.
[18] Chung, Ch., Lee, M., and Choe, E. K., 2004. Charecterization of cotton fabric scouring by FT-IR ATR. Spectroscopy, Carbohydrate Polymers 58, pp. 417-420.
[19] Doradoa, J., Almendrosa, G., Fieldc, J. A. and Sierra-Alvarezb R., 2001. Infrared spectroscopy analysis of hemp (Cannabis sativa) after selective delignification by Bjerkandera sp. at different nitrogen levels. https://www.researchgate.net/ (accessed July 10, 2020).
[20] Dasong, D. and Fan M., 2010. Characteristic and performance of elementary Hemp fibre. Materials Sciences and Applications 1, pp.336-342.
[21] Jiang, W., Han, G., Zhang, Y., Liu, S., Zhou1, C., Song, Y., Zhang, X. and Xia, Y., 2017. Monitoring
chemical changes on the surface of kenaf fiber during degumming process using Infrared Micro Spectroscopy. Scientific Reports 7(1240), pp. 1-8.
[22] Khaleequr, R., Arshiya, S. and Shafeequr, R., 2012. Gossypium Herbaceum Linn: An ethnopharmacological review. Journal of Pharmaceutical and Scientific Innovation 1(5), pp. 1-5.
[23] Kostadinovska, M., Spirovska, Z. J. and Taylor, T., 2016. A procedure for identifying cellulose fibers in paper artifacts Differentiating between flax, hemp and cotton. The 4th International Virtual Conference on Advanced Scientific Results 10, pp. 162-156.
[24] Espejo, T.,  Duran, A., Lopez-Montes, A. and Blanc R., 2010. Microscopic and spectroscopic techniques for the study of paper supports and textile used in the binding of hispano-arabic manuscripts from Al-Andalus: A transition model in the 15th century. Journal of Cultural Heritage 11(1), pp.50-58.
[25] Garside, P., and Wyeth, P., 2003. Identification of Cellulosic Fibres by FTIR Spectroscopy (Thread and single fiber analysis by attenuated total reflectance). Study in conservation 48, pp. 269-275.
[26] Marques, G., Rencoret, |J., Gutierrez, A. and del Rio, J. C., 2010. Evaluation of the chemical composition of different non-woody plant fibers used for pulp and paper manufacturing. The Open Agriculture Journal 4, pp. 93-101.