تاثیر کیتوزان بر ویژگی های فیلم میکروفیبریل سلولز (MFC ) مورد استفاده در بسته بندی مواد غذایی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار، گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار ، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 موسسه تحقیقات کشاورزی برزیل، مرکز ملی تحقیقات جنگل، دانشگاه پارانا، کوریتیبا، برزیل

5 دانش آموخته دکتری در رشته علوم و مهندسی مواد، دانشگاه پارانا، کوریتیبا، برزیل

چکیده

سابقه و هدف: امروزه، بسته‌بندی ایمن مواد غذایی برای مصرف‌کنندگان اهمیت زیادی دارد؛ زیرا به‌طور مستقیم با سلامت افراد در ارتباط است. مسائل زیست‌محیطی نیز بیش از پیش در تولید بسته‌بندی مواد غذایی اهمیت یافته است. مواد پلاستیکی تهیه شده از بسپارهای فسیلی باعث آلودگی محیط زیست می‌شوند. به‌همین دلیل، استفاده از بسپارهای سبز (دوست‌دار محیط زیست) به‌عنوان جایگزین مناسب بسپارهای فسیلی در صنعت بسته‌بندی به‌سرعت در حال افزایش است. میکروفیبریل‌سلولز به‌عنوان یک ماده دوست‌دار محیط زیست، برخی از ویژگی‌های مورد نیاز بسته‌بندی فعال مواد غذایی از قبیل نفوذپذیری کم در برابر اکسیژن و مقاومت کششی زیاد را دارد. کیتوزان نیز ماده‌ای زیست‌تخریب‌پذیر است که اثر آنتی‌اکسیدانی و آنتی‌باکتریال آن اخیراً در بسته‌بندی مواد غذایی مورد توجه قرار گرفته ‌است. این تحقیق با هدف بررسی اثر افزودن کیتوزان بر ویژگی‌های فیلم MFC مورد استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی انجام شده است.
مواد و روش‌ها: در ابتدا خمیر کاغذ رنگ‌بری شده اکالیپتوس با استفاده از دستگاه سوپرآسیاب دیسکی به MFC با درصد خشکی 3 درصد تبدیل شد. برای تهیه ژل نشاسته، مقدار 40 گرم نشاسته به 1000 میلی‌لیتر آب اضافه و حرارت‌دهی گردید. سپس، ژل نشاسته با نسبت 40 به 60 درصد به خمیر کاغذ اکالیپتوس رنگ‌بری شده اضافه و پس از عبور از دستگاه سوپرآسیاب دیسکی، ژل به‌دست آمده در یخچال نگهداری شد. یک گرم کیتوزان در 100 میلی‌لیتر استیک‌اسید 5/1 مولار به‌مدت 24 ساعت هم‌زده شد و سپس به خمیر کاغذ رنگ‌بری شده اکالیپتوس اضافه و از دستگاه سوپرآسیاب دیسکی عبور داده شد. گلیسرول نیز به‌عنوان عامل نرم‌کننده به ژل‌ها اضافه گردید. پس از تهیه فیلم‌ها با ترکیبات مختلف به روش قالب‌گیری، آزمون‌های آنتی‌اکسیدان، آنتی‌باکتریال، مقاومت کششی، میزان عبور اکسیژن، بخار آب و بررسی ریخت‌شناسی با میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدان (FE-SEM) و طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR) انجام شد.
یافته‌ها: نتایج آزمون آنتی‌اکسیدان به دو روش احیاء رادیکال آزاد (DPPH) و ﻓﻌﺎﻟﯿﺖ ﻣﻬﺎرﮐﻨﻨﺪﮔﯽ رادﯾﮑﺎل (ABTS) نشان داد که فیلم‌های حاوی کیتوزان قدرت مهارکنندگی رادیکال‌های آزاد را دارند. همچنین، فیلم‌های حاوی این ماده در برابر دو باکتری گرم منفی و گرم مثبت اشرشیا کولای و استافیلوکوکوس اورئوس اثر بازدارندگی معنی‌داری داشتند. مقاومت کششی فیلم‌های MFC خالص نسبت به فیلم‌های دیگر بیش‌تر بود و فیلم‌های حاوی کیتوزان و نشاسته مقاومت کششی کم‌تری نسبت به فیلم MFC خالص داشتند.افزودن گلیسرول نیز به فیلم‌ها باعث کاهش قابل توجه و معنی‌دار مقاومت کششی شد. میزان عبور اکسیژن و بخار آب نیز در فیلم‌ MFC خالص از دیگر فیلم‌ها کم‌تر بود. فیلم‌های حاوی کیتوزان، نشاسته و به‌ویژه گلیسرول میزان عبور اکسیژن و بخار آب بیش‌تری داشتند.
نتیجه‌گیری: نتایج این مطالعه نشان داد که فیلم MFC/کیتوزان یک فیلم با ویژگی فعال است و می‌توان فیلم‌های بسته‌بندی مواد غذایی فعال دوست‌دار محیط زیست را با استفاده از این مواد تهیه نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The effect of chitosan on the properties of microfibrillated cellulose (MFC) film used in food packaging

نویسندگان [English]

  • Meysam Aliabadi 1
  • Mohammadreza Dehghani Firouzabadi 2
  • Elyas Afra 3
  • Washington Luiz Estives Magalhaes 4
  • Gabriel Goetten de Lima 5
1 Ph.D. Candidate in Pulp and Paper Engineering. Gorgan university of agricultural sciences and natural resources, Gorgan, Iran
2 Associate Prof., Department of Paper Science and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Associate Prof., Department of Paper Science and Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Brazilian Agricultural Research Corporation, National Center for Forest Research, Curitiba, Parana, Brazil.
5 Ph.D. in Engineering and Science of Materials - PIPE, Federal University of Paraná, Curitiba, Paraná, Brazil.
چکیده [English]

Background and Objectives: Nowadays, safe food packaging is very important for consumers; because it is directly related to people health. Environmental issues have become more important in the production of food packaging. Plastic materials made from fossil polymers cause environmental pollution. For this reason, the use of green polymers, a suitable substitute for fossil polymers in the packaging industry is increasing rapidly. As an eco-friendly material, MFC has some properties required for active food packaging, such as low permeability to oxygen and high tensile strength. Chitosan is also a biodegradable material that antioxidant and antibacterial effects have been recently noticed in food packaging. This study was conducted with the aim of investigating the effect of adding chitosan on the properties of MFC film used in food packaging.

Materials and Methods: At first, the bleached pulp from eucalyptus was converted into MFC with a consistency of 3% using a super disc grinder. To prepare starch, 40 g of starch was added to 1000 mL of water and turned into starch gel using heat. Then, starch gel was added to the bleached eucalyptus pulp with a ratio of 40 to 60% and after passing through the super disk grinding, the prepared gel was stored in the refrigerator. One gram of chitosan was stirred in 100 ml of 1.5 M acetic acid for 24 h, and after preparation, it was added to the bleached eucalyptus pulp and passed through the super disk grinding. Glycerol was also added to the gels as a plasticizer agent. After preparing the films with different compounds by casting method, antioxidant, antibacterial, tensile strength, oxygen and water vapor transmission rate (WVTR) tests and morphological examination with field emission scanning electron microscope (FE-SEM) ) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was performed.

Results: The results of the antioxidant test using DPPH and ABTS methods showed that films containing chitosan have the free radical scavenging activity. Also, films containing chitosan had an inhibition effect against gram-negative and gram-positive bacteria, Escherichia coli and Staphylococcus aureus. The tensile strength of pure MFC films was more than other films, and films containing chitosan and starch had lower tensile strength than pure MFC film. The addition of glycerol to the films caused a significant decrease in tensile strength. The oxygen and WVTR in pure MFC film was less than other films. The films containing chitosan, starch and especially glycerol had higher oxygen and WVTR.

Conclusion: The results of this study showed that the MFC/chitosan film is a film with active properties and it is possible to prepare eco-friendly active food packaging films using these materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Microfibrillated cellulose film
  • Active packaging
  • Eco-friendly
  • Biodegradable
  • Chitosan

مراجع

1.Chen, G., Qi, X., Guan, Y., Peng, F., Yao, Ch., & Cang-Sun, R. (2016). High-strength hemicellulose-based nanocomposite film for food packaging applications. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 4 (4), 1985-1993.
2.Cazón, P., Vázquez, M., & Velazquez, G. (2018). Cellulose-glycerol-polyvinyl alcohol composite films for food packaging: Evaluation of water adsorption, mechanical properties, light-barrier properties, and transparency. Carbohydrate Polymers. 195, 432-443.
3.Lin, L., Abdel-Samie, M., & Cui, H. (2019). Novel packaging systems in foods. Encyclopedia of Food Security and Sustainability. 1, 484-491.
4.Ahmadzadeh, S., & Khaneghah, A. (2020). Role of green polymers in food packaging. Encyclopedia of Renewable and Sustainable Materials. 2, 305-319.
5.Gao, Q., Min, L., Zhao, K., Liu, X., Wang, S., & Li, H. (2020). Preparation of a microfibrillated cellulose/ Chitosan/ polypyrrole film for active food packaging. Progress in Organic Coatings. 149, 105907.
6.Bideau, B., Bras, J., Adoui, N., Loranger, E., & Daneault C. (2017). Polypyrrole /nano cellulose composite for food preservation: Barrier and antioxidant characterization. Food Packaging and Shelf Life. 12, 1-8.
7.Muzzarelli, R. A. A., Boudrant, J., Meyer, D., Manno, N., DeMarchis, M., & Paoletti, M. (2012). Current views on fungal chitin/chitosan, human chitinases, food preservation, glucans, pectins, and inulin: a tribute to Henri Braconnot, the precursor of the carbohydrate polymers science, on the chitin bicentennial. Carbohydrate Polymers. 87, 995-1012.
8.Rodriguez, M., Oses, J., Ziani, K., and Mate, J. (2006). Combined effect of plasticizers and surfactants on the physical properties of starch-based edible films. Food Research International. 39, 840-846.
9.Tirtashi, F., Moradi, M., Tajik, H., Forough, M., Ezati, P., & Kuswandi, B. (2019). Cellulose/chitosan pH-responsive indicator incorporated with carrot anthocyanins for intelligent food packaging. International J. of Biological Macromolecules. 136, 920-926.
10.Nguyen, S., & Lee, B. (2021). Microfibrillated cellulose film with enhanced mechanical and water-resistant properties by glycerol and hot-pressing treatment. Cellulose. 28, 5693-5705.
11.Abdul Halim, A., Kamari, A., & Phillip, E. (2018). Chitosan, gelatin, and methylcellulose films are incorporated with tannic acid for food packaging. International J. of Biological Macromolecules. 120, 1119-1126.
12.Atykyan, N., Revin, V., & Shutova, V. (2020). Raman and FT‑IR Spectroscopy investigation the cellulose structural differences from bacteria Gluconacetobacter sucrofermentans during the different regimes of cultivation on a molasses media. AMB Express. 10, 84.
13.Shakeri, A., Imani, M., & Miraki, F. (2015). Preparation and characterization of microcrystalline cellulose (MCC) and nanocrystalline cellulose (NCC) from cotton stem. Iranian J. of Wood and Paper Science Research. 30 (2), 299-307. [In Persian]
14.Yu, T., Puxin, Zh., Mi, Zh., Yi, L., & Fei, C. (2020). Effect of microfibrillated cellulose loading on physical properties of starch/polyvinyl alcohol composite films. J. of Wuhan University of Technology-Mater. 35, 825-831.
15.Boa, Y., Zhang, H., Luon, Q., Zheng, M., Tang, H., & Huang F. (2018). Fabrication of cellulose nanowhiskers reinforced chitosan-xylan nanocomposite films with antibacterial and antioxidant activities. Carbohydrate Polymers. 184, 66-73.
16.Ismail, M., Patanen, M., Sirvio, J., Visanko, M., Ohigashi, T., Kosugi, N., Huttula, M., & Liimatainen, H. (2019). Hybrid films of cellulose nanofibrils, chitosan, and nano-silica structural, thermal, optical, and mechanical properties. Carbohydrate Polymers.218, 87-94.
17.Kumar, V., Bollstrom, R., Yang, A., Chen, Q., Chen, G., Salminen, P., Bousfield, D., & Toivakka, M. (2014). Comparison of nano- and microfibrillated cellulose films. Cellulose. 21, 3443-3456.
18.Souza, A., Benze, R., Ferrao, E., Ditchfield, C., Coelho, A., & Tadini, C. (2012). Cassava starch biodegradable films: Influence of glycerol and clay nanoparticles content on tensile and barrier properties and glass transition temperature. LWT - Food Science and Technology. 46, 110-117.
19.Rodriguez, M., Oses, J., Ziani, K., & Mate, J. (2006). Combined effect of plasticizers and surfactants on the physical properties of starch-based edible films. Food Research International. 39, 840-846.
پژوهش‌های علوم و فناوری چوب و جنگل
دوره 30، شماره 2
تیر 1402
صفحه 109-123

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار