مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی اثر گلیسرول و پلی ونیل الکل در تولید فیلم‌های ضدباکتری از نانوکریستال سلولز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران
10.22034/ijwp.2025.2050416.1696
چکیده
بیان مساله و اهداف: امروزه سهم قابل‌توجهی از بسته‌بندی مواد غذایی مربوط به پلاستیک‌های مبتنی بر نفت می‌باشد که با هزینه کم در دسترس هستند اما موادی غیرقابل تجزیه زیستی هستند. پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر اگرچه زیست سازگار هستند اما به دلیل هزینه بالای تولید و ویژگی‌های مقاومتی و ممانعتی ضعیف قابلیت استفاده گسترده در صنعت بسته‌بندی را ندارند. در میان پلی­ساکاریدهای زیست‌تخریب‌پذیر، سلولز فراوان­ترین زیست پلیمر روی زمین می‌باشد که به­راحتی قابل تغییر و اصلاح است. نانوکریستال سلولز (CNC) به دلیل تشکیل فیلم‌های شکننده در مقایسه با سایر مواد نانوسلولزی محدودیت بیشتری در توسعه بسته‌بندی غذایی داشته است. استفاده از برخی مواد نظیر نرم‌کننده‌ها، عوامل اتصال عرضی و همچنین عوامل دارای ویژگی‌های ضدمیکروب در ساختار این فیلم‌ها می‌تواند قابلیت کاربرد وسیع آن‌ها را میسر کند. از این رو در این پژوهش با هدف دستیابی به فیلم‌های برپایِ CNC با ویژگی‌های ممانعتی و مقاومتی بهینه و قابل کاربرد در صنعت بسته‌بندی تأثیر دو نرم‌کننده پلی ونیل الکل (PVA) و گلیسرول (Gly)، عامل اتصال عرضی اسیدسیتریک و عصاره پوست انار (PPE) به‌عنوان عامل ایجاد کننده اثر ضدمیکروبی در دو روش ترکیبی و لایه به لایه مورد بررسی قرار گرفتند.
مواد و روشها: برای این منظور فیلم‌های برپایِ CNC در ترکیب با 20% وزنی پلی‌ونیل‌الکل (PVA) و یا گلیسرول (Gly)، نسبت 1:1 اسیدسیتریک: CNC و 3 سطح مصرف 1، 2 و 4% PPE نسبت به ترکیب پایه، با دو روش ترکیبی و لایه‌به‌لایه (LBL) تهیه شدند. ویژگی ساختاری فیلم‌ها با استفاده از آنالیز FTIR و تصاویر FESEM مورد بررسی قرار گرفتند. ویژگی­های ممانعتی، فیزیکی و مکانیکی فیلم‌های تهیه شده نیز مورد بررسی قرار گرفتند.
نتایج: نتایج FTIR نشان دادند که پیوندهای شیمیایی قابل‌توجهی بین اجزای فیلم‌ها صورت گرفته بود. در بررسی نتایج ضد میکروب مشخص شد که فیلم‌ها فعالیت ضدمیکروب قابل‌توجهی داشتند، در روش ترکیبی این اثر بر روی هردو باکتری گرم منفی اشریشیاکلی و گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس قوی‌تر اما در روش LBL این اثر ضدمیکروب طولانی‌تر بود. نتایج نشان دادند که فیلم‌های ترکیبی CNC با عامل اتصال عرضی اسیدسیتریک، نرم‌کننده PVA و 2% و 4% PPE میزان عبور بخار آب، جذب آب، رطوبت، مدول الاستیسیته و اثر ضدباکتری بهتری را نسبت به سایر فیلم‌ها نشان داد و Gly عملکرد ضعیف‌تری را در ترکیب با فیلم‌ها ارائه کرد. به‌استثنای مدول الاستیسیته و عملکرد ضدمیکروب طولانی‌تر در زمان سایر ویژگی‌ها در روش LBL ضعیف‌تر از روش ترکیبی بود.
نتیجه ­گیری: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده با در نظر گرفتن ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی فیلم‌ها و همچنین هزینه تولید این مواد و با توجه به اینکه در اکثر ویژگی‌های اختلاف ایجادشده بین فیلم‌های ترکیب CNC/PVA/2%PPE و CNC/PVA/4%PPE در یک گروه آماری قرار داشتند، فیلم‌های ساخته شده از ترکیب CNC/PVA/2%PPE که به دلیل داشتن عصاره پوست انار کمتر هزینه تمام‌شده کمتری را نیز در پی دارد به‌عنوان گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی پلاستیک در بسته‌بندی مواد غذایی نیازمند به ویژگی‌های ضدمیکروب معرفی می‌گردد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Cazón, P., Vázquez, M., and Velazquez, G., 2018. Composite films of regenerate cellulose with chitosan and polyvinyl alcohol: Evaluation of water adsorption, mechanical and optical properties. International Journal of Biological Macromolecules, 117, pp.235-246.‏
[2] Nguyen, A. T., Parker, L., Brennan, L., and Lockrey, S., 2020. A consumer definition of eco-friendly packaging. Journal of Cleaner Production, 252, pp.119792.‏
[3] de Lima Barizão, C., Crepaldi, M. I., Oscar de Oliveira, S., de Oliveira, A. C., Martins, A. F., Garcia, P. S., and Bonafé, E. G., 2020., Biodegradable films based on commercial κ-carrageenan and cassava starch to achieve low production costs. International Journal of Biological Macromolecules, 165, pp.582-590.‏
[4] Sun, J., Zhang, C., Yuan, Z., Ji, X., Fu, Y., Li, H., and Qin, M., 2017. Composite films with ordered carbon nanotubes and cellulose nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C, 121(16), pp.8976-8981.‏
[5] Mujtaba, M., Salaberria, A. M., Andres, M. A., Kaya, M., Gunyakti, A., and Labidi, J., 2017. Utilization of flax (Linum usitatissimum) cellulose nanocrystals as reinforcing material for chitosan films. International journal of biological macromolecules, 104, pp.944-952.‏
[6] Beck, S., Bouchard, J., and Berry, R., 2011. Controlling the reflection wavelength of iridescent solid films of nanocrystalline cellulose. Biomacromolecules, 12, pp.167–172.
[7] Klemm, D., Kramer, F., Moritz, S., Lindström, T., Ankerfors, M., Gray, D., and Dorris, A., 2011. Nanocelluloses: a new family of nature‐based materials. Angewandte Chemie International Edition, 50(24), pp.5438-5466.‏
[8] Sun, Y., Meng, C., Zheng, Y., Xie, Y., He, W., Wang, Y., Qiao, K. and Yue, L., 2018. The effects of two biocompatible plasticizers on the performance of dry bacterial cellulose membrane: a comparative study. Cellulose, 25, pp.5893-5908.
[9] Ma, Y., Xin, L., Tan, H., Fan, M., Li, J., Jia, Y., Ling, Z., Chen, Y. and Hu, X., 2017. Chitosan membrane dressings toughened by glycerol to load antibacterial drugs for wound healing. Materials Science and Engineering: C, 81, pp.522-531.
[11] Dai, H., Huang, Y., and Huang, H., 2018. Eco-friendly polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose hydrogels reinforced with graphene oxide and bentonite for enhanced adsorption of methylene blue. Carbohydrate Polymers, 185, pp.1–11.
[12] Chen, J., Wei, D., Gong, W., Zheng, A. and Guan, Y., 2018. Hydrogen-bond assembly of poly (vinyl alcohol) and polyhexamethylene guanidine for nonleaching and transparent antimicrobial films. ACS applied materials & interfaces, 10(43), pp.37535-37543.
[13] Nguyen, A.T., Parker, L., Brennan, L. and Lockrey, S., 2020. A consumer definition of eco-friendly packaging. Journal of Cleaner Production, 252, p.119792.
[14] Kaya, M., Khadem, S., Cakmak, Y.S., Mujtaba, M., Ilk, S., Akyuz, L., Salaberria, A.M., Labidi, J., Abdulqadir, A.H. and Deligöz, E., 2018. Antioxidative and antimicrobial edible chitosan films blended with stem, leaf and seed extracts of Pistacia terebinthus for active food packaging. RSC advances, 8(8), pp.3941-3950.
[15] Mansour, E., Ben Khaled, A., Lachiheb, B., Abid, M., Bachar, K. and Ferchichi, A., 2013. Phenolic compounds, antioxidant, and antibacterial activities of peel extract from Tunisian pomegranate. Journal of Agricultural Science and Technology, 15(7), pp.1393-1403.
[16] Bag, G.C., Devi, P.G. and Bhaigyabati, T.H., 2015. Assessment of total flavonoid content and antioxidant activity of methanolic rhizome extract of three Hedychium species of Manipur valley. International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research, 30(1), pp.154-159.
[17] Borbolla-Jiménez, F.V., Peña-Corona, S.I., Farah, S.J., Jiménez-Valdés, M.T., Pineda-Pérez, E., Romero-Montero, A., Del Prado-Audelo, M.L., Bernal-Chávez, S.A., Magaña, J.J. and Leyva-Gómez, G., 2023. Films for wound healing fabricated using a solvent casting technique. Pharmaceutics, 15 (7), p.1914.
[18] Nwabor, O.F., Singh, S., Paosen, S., Vongkamjan, K. and Voravuthikunchai, S.P., 2020. Enhancement of food shelf life with polyvinyl alcohol-chitosan nanocomposite films from bioactive Eucalyptus leaf extracts. Food Bioscience, 36, p.100609.
[19] Priyadarshi, R., Kumar, B. and Negi, Y.S., 2018. Chitosan film incorporated with citric acid and glycerol as an active packaging material for extension of green chilli shelf life. Carbohydrate polymers, 195, pp.329-338.
[20] Foster, E.J., Moon, R.J., Agarwal, U.P., Bortner, M.J., Bras, J., Camarero-Espinosa, S., Chan, K.J., Clift, M.J., Cranston, E.D., Eichhorn, S.J. and Fox, D.M., 2018. Current characterization methods for cellulose nanomaterials. Chemical Society Reviews, 47(8), pp.2609-2679.
[21] Van Nguyen, S. and Lee, B.K., 2021. Microfibrillated cellulose film with enhanced mechanical and water-resistant properties by glycerol and hot-pressing treatment. Cellulose, 28(9), pp.5693-5705.
[22] Theivasanthi, T., Christma, F.A., Toyin, A.J., Gopinath, S.C. and Ravichandran, R., 2018. Synthesis and characterization of cotton fiber-based nanocellulose. International journal of biological macromolecules, 109, pp.832-836.
[23] Cerqueira, M.A., Souza, B.W., Teixeira, J.A. and Vicente, A.A., 2012. Effect of glycerol and corn oil on physicochemical properties of polysaccharide films–A comparative study. Food hydrocolloids, 27(1), pp.175-184.
[24] Amaefule, O. C., Ugariogu, N. S., Ojediran, G. O., and Akalazi, C. O., 2024. Synthesis, characterization and antimicrobial evaluation of quaternary ammonium compounds from natural oils. Journal of Science and Technology, 2024, 11(01), pp.071–085
[25] Diganta, D., Sukalyani, D., Sudipta, H., Subhalakshmi, G., Ratnamala, R. and Banasri, H., 2012. Pomegranate pericarp extract enhances the antibacterial activity of ciprofloxacin against extended-spectrum b-lactamase (ESBL) and metallo-b-lactamase (MBL) producing Gram-negative bacilli. Food Chemistry and Toxicology, 50, pp.4302-4309.
[26] Al-Zoreky, N.S., 2009. Antimicrobial activity of pomegranate (Punica granatum L.) fruit peels. International journal of food microbiology, 134(3), pp.244-248.
[27] Ben Shalom, T., Nevo, Y., Leibler, D., Shtein, Z., Azerraf, C., Lapidot, S. and Shoseyov, O., 2019. Cellulose nanocrystals (CNCs) induced crystallization of polyvinyl alcohol (PVA) super performing nanocomposite films. Macromolecular bioscience, 19(3), p.1800347.
[28] Vähä‐Nissi, M., Koivula, H.M., Räisänen, H.M., Vartiainen, J., Ragni, P., Kenttä, E., Kaljunen, T., Malm, T., Minkkinen, H. and Harlin, A., 2017. Cellulose nanofibrils in biobased multilayer films for food packaging. Journal of Applied Polymer Science, 134(19).
[29] Zhang, W., Zhang, Y., Cao, J. and Jiang, W., 2021. Improving the performance of edible food packaging
films by using nanocellulose as an additive. International Journal of Biological Macromolecules, 166, pp.288-296.
[30] Csiszár, E. and Nagy, S., 2017. A comparative study on cellulose nanocrystals extracted from bleached cotton and flax and used for casting films with glycerol and sorbitol plasticisers. Carbohydrate polymers, 174, pp.740-749.‏