تهیه و ارزیابی ویژگی های زیستی نانوبیوکامپوزیت از نانوالیاف سلولز- نانوالیاف کیتوسان

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری صنایع چوب و فرآورده های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

2 دانشیار، گروه صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

3 دانشیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

4 دانشیار ، گروه صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه زابل، زابل، ایران.

5 استادیار، گروه عمل آوری محصولات شیلاتی، دانشکده شیلات و محیط‌زیست، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

6 استاد، گروه شیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه کوبه، کوبه ،ژاپن.

چکیده

سابقه و هدف: در سال‌های اخیر، توسعه مواد زیست‌تخریب‌پذیر و سازگار با محیط‌زیست برای کاربردهای بسته‌بندی به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی و محدودیت‌های ناشی از استفاده از پلیمرهای مصنوعی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. بیونانوکامپوزیت‌ها به عنوان جایگزین‌های پایدار برای بسته‌بندی مواد غذایی معرفی شده‌اند. در این میان، نانوبیوکامپوزیت‌های متشکل از نانوالیاف سلولز به عنوان فاز تقویت‌کننده و کیتوسان به عنوان فاز ماتریس به دلیل ویژگی‌های منحصر بفرد خود، از جمله تجدیدپذیری، زیست‌تخریب‌پذیری، زیست‌سازگاری و خواص ضدباکتریایی مورد توجه قرار گرفته‌اند. نانوالیاف سلولز به دلیل مقاومت مکانیکی بالا و توانایی ایجاد ساختارهای شبکه‌ای، نقش مهمی در بهبود خواص مکانیکی و ممانعتی فیلم‌های بسته‌بندی ایفا می‌کند. در مقابل، ماتریس کیتوسان خاصیت ضدمیکروبی و آنتی‌اکسیدانی را بهبود می‌بخشد که این ویژگی‌ها برای افزایش ماندگاری مواد غذایی و کاهش فساد مهم است. بنابراین، ترکیب این دو نانوماده می‌تواند منجر به تولید بیونانوکامپوزیتی شود که ضمن داشتن عملکرد مکانیکی و فیزیکی مناسب، پتانسیل بالایی برای کاربردهای بسته‌بندی مواد غذایی دارد. در این مطالعه، تسهیل در تولید نانوبیوکامپوزیت نانوفیبر سلولز-کیتوسان از طریق روشی نوآورانه و سپس مشخصه‌یابی نمونه‌های ساخته شده از نظر خواص فیزیکی، مکانیکی و ضدباکتریایی بوده است.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه، از دو نوع ماده اولیه شامل ژل نانوفیبرسلولز و ژل نانوفیبرکیتوسان که از شرکت نانو نوین پلیمر تأمین شده بودند، بهره گرفته شد. پیش از آغاز فرآیند ساخت نانوبیوکامپوزیت‌ها، ابتدا غلظت دقیق هر یک از این ژل‌ها تعیین گردید و سپس با توجه به نسبت‌های مشخص‌شده، ترکیب‌های گوناگونی از آنها تهیه شد. اختلاط این ژل‌ها به همراه مقدار معینی آب مقطر و یکنواخت‌سازی آنها با کمک همزن مغناطیسی انجام گرفت تا سوسپانسیونی همگن حاصل شود. این محلول سپس جهت ساخت نانوکاغذ به دستگاه فیلتراسیون خلأ منتقل شد و پس از شکل‌گیری نمد اولیه نانوکاغذها، از دستگاه خارج و برای خشک شدن کامل، به مدت ۲۴ ساعت در آون خلأ با دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد قرار گرفتند. در مرحله بعد، این نانوکاغذهای خام خالص و ترکیبی به نانوبیوکامپوزیت نانوفیبر سلولز-کیتوسان تبدیل شدند که برای این منظور، از روش انحلال بهره گرفته شد. بدین صورت که نمونه‌ها به مدت 4 دقیقه در محلول اسید استیک 5/0 درصد قرار گرفتند و سپس با سود ۱ درصد خنثی‌سازی شدند. پس از تثبیت ساختار از طریق چندین مرحله شستشو با آب مقطر، نمونه‌ها به‌طور کامل خشک گردیدند. در نهایت، به‌منظور بررسی ویژگی‌های این نانوکاغذها و نانوبیوکامپوزیت‌ها، آزمون‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدان (FESEM)، طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR)، آزمون کشش استاتیک و ارزیابی خاصیت آنتی‌باکتریالی انجام شدند.
یافته‌ها: نتایج حاصل از آزمون‌های مختلف نشان داد که فرآیند ترکیب نانوفیبرسلولز و نانوفیبر کیتوسان، منجر به بهبود قابل‌توجهی در ویژگی‌های ساختاری و عملکردی نانوکاغذها و نانوبیوکامپوزیت‌ها شده است. آنالیزهای XRD و FTIR تأیید کردند که پیوندهای شیمیایی بین اجزای کامپوزیت به‌درستی شکل گرفته و ساختار نهایی کریستالی برای ایجاد فازهای تقویت‌کننده و ماتریس مناسب است. بررسی‌ ریزنگاره‌های FE-SEM نشان داد که نانوفیبر سلولز و نانوفیبر سلولز در مقیاس واقعی نانومتری (1 تا 100 نانومتر) قرار داشته و همچنین نانوفیبر سلولز بعنوان فاز تقویت‌کننده در ماتریس کیتوسان پراکنش و توزیع یکنواخت داشته است. همچنین، آزمون‌ کششی حاکی از افزایش معنی‌دار مقاومت کششی در مقایسه با نمونه‌های نانوکاغذ خالص و ترکیبی خام بود. علاوه بر این، نتایج آزمون ضدمیکروبی نشان داد که بیونانوکامپوزیت‌های تهیه‌شده دارای خاصیت مهارکنندگی مؤثری در برابر باکتری‌های بیماری‌زا هستند که می‌تواند ماندگاری مواد غذایی را افزایش دهد.
نتیجه‌گیری: در مجموع، روش نوآورانه تولید نانوبیوکامپوزیت نانوسلولز-کیتوسان مورد استفاده در این مطالعه به‌طور موفق اجرا شده و نانوبیوکامپوزیت‌های تهیه شده پتانسیل بالایی برای جایگزینی مواد بسته‌بندی دارند و می‌توانند به‌عنوان یک راهکار پایدار و زیست‌سازگار در صنایع بسته‌بندی مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Preparation and evaluation of biological properties of nanobiocomposite from cellulose nanofibers-chitosan nanofibers

نویسندگان [English]

  • Zahra Javadian 1
  • Saeed Reza Farrokhpayam 2
  • Hossein Yousefi 3
  • Mohammad Dahmardeh Ghalehno 4
  • Mahdi Zolfaghari 5
  • Takashi Nishino 6
1 PhD student in Wood and Cellulosic Products Industries, Faculty of Natural Resources, University of Zabol, Zabol, Iran
2 Associate Professor, Department of Wood and Paper Industrie, Faculty of Natural Resources, University of Zabol, Zabol, Iran.
3 Associate Professor, Department of Wood and Paper Industries, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
4 Associate Professor, Department of Wood and Paper Industries, Faculty of Natural Resources, University of Zabol, Zabol, Iran.
5 Assistant Professor, Department of Fishery Product Processing, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
6 Professor, Department of Chemistry, Faculty of Chemistry, Kobe University, Kobe, Japan.
چکیده [English]

Background and objectives: In recent years, the development of biodegradable and environmentally friendly materials for packaging applications has attracted significant attention due to growing environmental concerns and the different limitations associated with the use of synthetic polymers. Bio-nanocomposites have been introduced as sustainable alternatives for food packaging. Among them, bio-nanocomposites composed of cellulose nanofibers as the reinforcing phase and chitosan as the matrix phase have gained considerable interest owing to their unique characteristics, including renewability, biodegradability, biocompatibility, and antibacterial properties. Cellulose nanofibers, due to their high mechanical strength and ability to form network structures, play a crucial role in enhancing the mechanical and barrier properties of packaging films. On the other hand, the chitosan matrix contributes antimicrobial and antioxidant properties, which are essential for extending the shelf life of food products and reducing spoilage. Therefore, the combination of these two nanomaterials can lead to the fabrication of a bio-nanocomposite with suitable mechanical and physical performance and high potential for food packaging applications. In this study, an innovative method (partial dissolution) was employed to facilitate the fabrication of a cellulose nanofiber–chitosan bio-nanocomposite, followed by the characterization of the resulting specimens in terms of their physical, mechanical, and antibacterial properties.
Materials and methods: In this study, two types of raw materials were used: cellulose nanofiber gel and chitosan nanofiber gel, both supplied by Nanonovin Polymer Company. Prior to the fabrication process of the bio-nanocomposites, the exact concentration of each gel was determined, and based on predefined ratios, the various combinations of the gels were prepared. The gels were mixed with a specific amount of distilled water and homogenized using a magnetic stirrer to obtain a uniform suspension. This homogeneous mixture was then transferred to a vacuum filtration system for nanopaper fabrication. Once the initial nanopaper mat was formed, it was removed from the apparatus and dried completely in a vacuum oven at 70 °C for 24 h. In the subsequent step, these pure and hybrid raw nanopapers were transformed into cellulose nanofiber–chitosan bio-nanocomposites using a dissolution method. For this purpose, the specimens were immersed in a 0.5% acetic acid solution for 4 minutes and then neutralized using a 1% NaOH solution. After stabilizing the physical structure through multiple washing steps with distilled water, the samples were thoroughly dried. Finally, in order to evaluate the properties of the fabricated nanopapers and bio-nanocomposites, several tests were conducted, including X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, static tensile, and antibacterial activity assessment.
Results: The results showed that the integration of cellulose nanofibers and chitosan nanofibers significantly enhanced the structural and functional properties of the fabricated nanopapers and bio-nanocomposites. XRD and FTIR analyses confirmed the successful formation of chemical bonds between the composite components and the development of a crystalline structure suitable for the formation of reinforcing and matrix phases. The FE-SEM micrographs revealed that both cellulose and chitosan nanofibers were within the actual nanoscale range (1-100 nm) and that cellulose nanofibers were uniformly dispersed within the chitosan matrix as the reinforcing phase. So that the nanobiocomposite obtained from the combination of 70% nanofiber cellulose and 30% nanofiber chitosan increased by 25.6 and 94.8% compared to the pure nanopapers obtained from nanofiber cellulose and nanofiber chitosan, respectively. In addition, the results of the antimicrobial test (colony count method) showed that the prepared nanobiocomposites have an effective inhibitory property against pathogenic bacteria, which can increase the shelf life of food.
Conclusion: Overall, the innovative method employed for the fabrication of cellulose–chitosan bio-nanocomposites was successfully implemented, and the resulting materials demonstrated great potential as alternatives to conventional packaging materials.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bio-nanocomposite
  • cellulose nanofibers
  • chitosan nanofibers
  • biodegradable packaging
  • mechanical properties
 1.Rhim, J. W., Park, H. M., & Ha, C. S. (2013). Bio-nanocomposites for food packaging applications. Progress in Polymer Science. 38(10-11), 1629-1652.
2.Salimi Bajestani, M. S., Kiani, F., Ebrahimi, S., Malekzadeh, E., & Tatari, A. (2025). Effect of bentonite/alginate/ nanocellulose composites on soil and water loss: A response surface methodology (RSM)-based optimization approach. International Journal of Biological Macromolecules. 140815.
3.Gulzar, S., Tagrida, M., Nilsuwan, K., Prodpran, T., & Benjakul, S. (2022). Electrospinning of gelatin/chitosan nanofibers incorporated with tannic acid and chitooligosaccharides on polylactic acid film: Characteristics and bioactivities. Food Hydrocolloids. 133, 107916.
4.Salimi Bajestani, M. S., Kiani, F., Ebrahimi, S., Malekzadeh, E., & Tatari, A. (2025). Effects of bentonite/sodium alginate/nanocellulose composites on soil properties and their biodegradability over time. Scientific Reports. 15(1), 10596.
5.Sangwan, A., Malik, P., Gupta, R., Ameta, R. K., & Mukherjee, T. K.
(2021). Nanocomposites: Preparation, Characterization, and Applications. In Nanotechnology (pp. 201-247). Jenny Stanford Publishing.
6.Norizan, M. N., Shazleen, S. S., Alias, A. H., Sabaruddin, F. A., Asyraf, M. R. M., Zainudin, E. S., ... & Norrrahim, M. N. F. (2022). Nanocellulose- based nanocomposites for sustainable applications: A review. Nanomaterials. 12(19), 3483.
7.Malekzadeh, E., Tatari, A., & Dehghani Firouzabadi, M. (2023). Preparation, characteristics, and soil-biodegradable analysis of corn starch/nanofibrillated cellulose (CS/NFC) and corn starch/ nanofibrillated lignocellulose (CS/NFLC) films. Carbohydrate Polymers. 309, 120699.
8.Malekzadeh, E., Tatari, A., & Dehghani Firouzabadi, M. (2024). Effects of biodegradation of starch-nanocellulose films incorporated with black tea extract on soil quality. Scientific Reports. 14(1), 18817.
9.Azeredo, H. M., Mattoso, L. H. C., Avena‐Bustillos, R. J., Filho, G. C., Munford, M. L., Wood, D., & McHugh, T. H. (2010). Nanocellulose reinforced chitosan composite films as affected by nanofiller loading and plasticizer content. Journal of Food Science. 75(1), 1-7.
10.Morin-Crini, N., Lichtfouse, E., Torri, G., & Crini, G. (2019). Applications of chitosan in food, pharmaceuticals, medicine, cosmetics, agriculture, textiles, pulp and paper, biotechnology, and environmental chemistry. Environmental Chemistry Letters. 17(4), 1667-1692.
11.Cazón, P., & Vázquez, M. (2019). Applications of chitosan as food packaging materials. Sustainable agriculture reviews 36: Chitin and chitosan: applications in food, agriculture, pharmacy, medicine and wastewater treatment. 81-123.
12.Szymańska-Chargot, M., Chylińska, M., Pertile, G., Pieczywek, P. M., Cieślak, K. J., Zdunek, A., & Frąc, M. (2019). Influence of chitosan addition on the mechanical and antibacterial properties of carrot cellulose nanofibre film. Cellulose. 26, 9613-9629.
13.Kong, S., Bai, Y., Wang, L., Liu, X., & Wang, S. (2017). Assembled chitosan-nanocellulose paper and molecular dynamics simulation. Journal of Biobased Materials and Bioenergy. 11(6), 533-542.
14.Xue, M., Wen, Z., Huang, R., Chai, X., Li, W., Chen, C., & Chen, H. (2022). Preparation of coated paper reinforced by a blend of anionic-starch-based nanocellulose/chitosan and its properties. RSC Advances. 12(35), 22402-22409.
15.Azeez, S., & Shenbagaraman, R. (2025). Fourier transform infrared spectroscopy in the characterization of bionanocomposites. In Characterization Techniques in Bionanocomposites,
209-227. Woodhead Publishing.
16.Sai, H., Fu, R., Xing, L., Xiang, J., Li, Z., Li, F., & Zhang, T. (2015). Surface modification of bacterial cellulose aerogels’ web-like skeleton for oil/water separation. ACS Applied Materials & Interfaces. 7(13), 7373-7381.
17.Ahmed, S., & Ikram, S. (Eds.). (2017). Chitosan: derivatives, composites and applications. John Wiley & Sons.
18.Kadir, M. F. Z., Aspanut, Z., Majid,
S. R., & Arof, A. K. (2011). FTIR studies of plasticized poly (vinyl alcohol)–chitosan blend doped with NH4NO3 polymer electrolyte membrane. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
78(3), 1068-1074.
19.Yousefi, H., Faezipour, M., Nishino, T., Shakeri, A., & Ebrahimi, G. (2011). All-cellulose composite and nanocomposite made from partially dissolved micro-and nanofibers of canola straw. Polymer Journal. 43(6), 559-564.
20.Izze, S., Yousefi, H., Mashkour, M., & Rasouli, D. (2018). Comparative study on the properties of nanopapers prepared from cellulose and chitin nanofibers. Journal of Wood and Forest Science and Technology. 25(3), 61-72. [In Persian]
21.Yousefi, H., Mashkour, M., & Yousefi, R. (2015). Direct solvent nanowelding of cellulose fibers to make all cellulose nanocomposite. Cellulose. 22, 1189-1200.
22.Iwamoto, S., Nakagaito, A. N., & Yano, H. J. A. P. A. (2007). Nano-fibrillation of pulp fibers for the processing of transparent nanocomposites. Applied Physics A. 89, 461-466.
23.Yousefi, H., Faezipour, M., Hedjazi, S., Mousavi, M. M., Azusa, Y., & Heidari, A. H. (2013). Comparative study of paper and nanopaper properties prepared from bacterial cellulose nanofibers and fibers/ground cellulose nanofibers of canola straw. Industrial Crops and Products. 43, 732-737.
24.Martínez‐Camacho, A. P., Cortez‐Rocha, M. O., Castillo‐Ortega, M. M., Burgos‐Hernández, A., Ezquerra‐Brauer, J. M., & Plascencia‐Jatomea, M. (2011). Antimicrobial activity of chitosan nanofibers obtained by electrospinning. Polymer International. 60(12), 1663-1669.
25.Nikolic, P., & Mudgil, P. (2023). The cell wall, cell membrane, and virulence factors of Staphylococcus aureus and their role in antibiotic resistance. Microorganisms. 11(2), 259.
26.Wang, M., Buist, G., & van Dijl, J. M. (2022). Staphylococcus aureus cell wall maintenance–the multifaceted roles of peptidoglycan hydrolases in bacterial growth, fitness, and virulence. FEMS Microbiology Reviews. 46(5), fuac025.
27.Denyer, S. P., & Maillard, J. Y. (2002). Cellular impermeability and uptake of biocides and antibiotics in Gram‐negative bacteria. Journal of Applied Microbiology. 92(s1), 35S-45S.
28.Ebbensgaard, A., Mordhorst, H., Aarestrup, F. M., & Hansen, E. B. (2018). The role of outer membrane proteins and lipopolysaccharides for the sensitivity of Escherichia coli to antimicrobial peptides. Frontiers in Microbiology. 9, 2153.
29.Goel, S., & Bano, Y. (2025). Chitosan-based nanofibrous membranes for antibacterial filter applications. In Antimicrobial Materials and Coatings, 425-447. Woodhead Publishing.
30.Kong, M., Chen, X. G., Xing, K., & Park, H. J. (2010). Antimicrobial properties of chitosan and mode of action: a state of the art review. International Journal of Food Microbiology. 144(1), 51-63.
31.Yan, D., Li, Y., Liu, Y., Li, N., Zhang, X., & Yan, C. (2021). Antimicrobial properties of chitosan and chitosan derivatives in the treatment of enteric infections. Molecules. 26(23), 7136.