با توجه به مسائل ذکر شده، توسعه دانش مربوط به بیوپلیمر و بهبود خواص آنها جهت کسب استانداردهای مواد بستهبندی سنتزی، ضروری به نظر میرسد. مهمترین این خواص شامل خواص مکانیکی و نفوذپذیری نسبت به گازها (اکسیژن، دیاکسید کربن) و بخارآب میباشد (گیلبرت، ۱۹۸۶).
بیوپلیمرهای مورد استفاده در بستهبندی را میتوان بر اساس ساختار شیمیایی به چهار دسته پروتئینها، پلیساکاریدها، لیپیدها و پلیاسترها تقسیم کرد:
۱) پروتئین: مانند زئین ذرت، گلوتنین و گلیادین گندم، پروتئینهای سویا، ژلاتین، کلاژن، میوفیبریل گوشت، کازئین شیر، پروتئینهای آب پنیر شیر، پروتئینهای تخم مرغ.
۲) کربوهیدراتها: مانند سلولز و مشتقات سلولز (متیل سلولز، کربوکسیمتیل سلولز، هیدروکسیپروپیل سلولز)، نشاسته و مشتقات آن، ترکیبات پکتینی، کیتین و کیتوزان، صمغهایی مانند آلژینات، کاراگینان، پولولان و لوان، گزانتان، خرنوب و گوار.
۳) لیپیدها: مانند چربیها و روغنهای گیاهی و حیوانی، مومها (مانند موم زنبور عسل)، مشتقات گلیسیریدی مانند گلیسرول و مونواستئارات و سورفاکتانتها (امولیسفایرها). چون مواد لیپیدی به صورت پلیمر نیستند فیلمهای پیوسته و مستقلی تولید نمیکنند. لیپیدها بخاطر بازدارندگی در مقابل نفوذ رطوبت در ساختار فیلم مرکب استفاده می شوند. فیلمهای مرکب به دو صورت هستند-
الف) لایه لیپیدی به عنوان لایهای فرعی روی لایه پروتئینی یا پلیساکاریدی قرار میگیرد.
ب) مواد لیپیدی در ماتریکس پروتئین یا پلیساکارید پخش میشوند (فیلم امولسیونی).
۴) پلیاسترها: مانند پلیهیدروکسی بوتیرات (PHB)[37]، پلیهیدروکسی والرات(PHV)[38]، پلیلاکتیکاسید (PLA)[39]، پلیگلیکولیک اسید. این دسته بیشتر حالت زیست تخریبپذیری غیر خوراکی دارد (کستر و فنیما، ۱۹۸۶).
بیوپلیمرها به دو صورت زیر در تولید بستهبندی زیستی بکار میروند:
الف) آلیاژکردن بیوپلیمرها با پلیمر سنتزی
ب) استفاده مستقیم از بیوپلیمرها برای بستهبندیهای زیستی
( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
الف) آلیاژکردن بیوپلیمرها با پلیمر سنتزی: وقتی بیوپلیمرها با پلیمرهای سنتزی برای تولید موادبستهبندی آلیاژ میشوند در برابر تهاجم میکروارگانیسمها مساعدتر میشوند و زیستتخریبپذیری آنها نیز افزایش مییابد.
در حال حاضر اکثر محصولات تجاری که با این روش ساخته میشوند از اختلاط بیوپلیمر نشاسته و یک پلیمر سنتزی ساخته میشوند. استفاده از بیوپلیمرهای دیگر مانند سلولز، پروتئینها و لیپیدها در این روش هنوز رایج نشده است.
بیوپلیمرها به شکل مواد پرکننده و همچنین بصورت مواد ترکیبی در ساختار پلیمرهای سنتزی بکار میروند:
۱) استفاده از بیوپلیمرها به عنوان پرکننده: نخستین پلاستیکهای زیست تخریبپذیر با بهره گرفتن از اکسترودکردن گرنولهای نشاسته (به میزان ۵ تا ۲۰ درصد) با پلیمرهای سنتزی به همراه افزودنیهای پرواکسیداتیو و اتواکسیداتیو به دست آمد. در این روش، در اثر اکسترودکردن، گرانولهای نشاسته بدون هیچ برهمکنشی در ماتریکس پلیمر سنتزی (معمولاً پلیاتیلن) پراکنده میشوند (گیلبرت، ۱۹۸۶).
به علت زیست فروپاشی نشاسته با آنزیمها، سطح بین پلیمر سنتزی و اتمسفر اطراف (اکسیژن، آب و غیره) بیشتر میشود و قابلیت تجزیه و تخریبپذیری آن افزایش مییابد. به تخریبشدن این مواد در محیط، زیستشکنندگی[۴۰] میگویند. معمولا ۳ تا ۵ سال طول میکشد تا این مواد کاملاً تجزیه گردد.
تاکنون فرآوردههای گوناگونی تحت نامهای تجاری مختلف با بهره گرفتن از این روش تولید شدهاند. برای مثال در کانادا با نام تجاری Ecoster، در آمریکا با نامهای Polyclean و Polychim و در فرانسه تحت عنوان Ecopolym به بازار معرفی شدهاند. اگرچه این فراوردهها زیست تخریبپذیری نسبتاً بالایی در مقایسه با پلیمرهای سنتزی خالص دارند ولی به علت سازگاری ضعیف نشاسته و پلیاتیلن، خواص مکانیکی آنها ضعیف خواهد بود. بنابراین درصد نشاستهای که در این محصولات بکار میرود محدود میباشد.
۲) استفاده از بیوپلیمرها به عنوان مواد ترکیبی: در این روش نشاسته به حالت ژلاتینه شده (نه به شکل گرانولی) با پلیمرهای سنتزی آبگریز مانند پلیاتیلن و یک ماده سازگار کننده مانند کوپلیمرهای اتیلن با اسید آکریلیک، وینیلالکل، پلیونیل الکل و استات وینیل آلیاژ میشود. در این روش برخلاف روش قبل بین نشاسته و پلیمرهای سنتزی نوعی برهمکنش ایجاد میشود و نشاسته به فاز پراکنده محدود نمیشود. برای ایجاد برهمکنش بین بیوپلیمر نشاسته و پلیمر سنتزی از سازگار کنندههای مناسب استفاده میشود (گیلبرت، ۱۹۸۶).
تخریب کامل نشاسته ۴۰ روز طول میکشد و تخریب کامل فیلم ترکیبی حداقل به دو تا سه سال زمان نیاز دارد در حالیکه حداقل ۲۰۰ سال طول میکشد که پلیمر سنتزی پلیاتیلن در محیط طبیعی تجزیه گردد. محصولات تولید شده تحت این روش، تحت نامهای تجاری مختلف ارائه میشوند. برای مثال در آمریکا تحت عنوان Polygrade II و در ایتالیا تحت نام Mater-B عرضه میشوند.
ب) استفاده مستقیم از بیوپلیمرها در بستهبندیهای زیستی: میتوان بیوپلیمرها را بدون ترکیب با پلیمرهای سنتزی برای تولید مواد بستهبندی مورد استفاده قرار داد. بستهبندیهای زیستی حاصل از بیوپلیمرهای خالص دارای سرعت زیست تخریبپذیری بالایی نسبت به فیلمهای آلیاژ شده میباشند. ولی کیفیت مکانیکی و نفوذپذیری آنها به نسبت، پایینتر است (گیلبرت، ۱۹۸۶ و ویبر، ۲۰۰۰).
بسته بندیهای زیستی را بر اساس هضمپذیری میتوان به دو دسته خوراکی و غیرخوراکی تقسیم کرد. فیلمها و پوششها معمولاً جزو بستهبندیهای خوراکی طبقهبندی میشوند به شرطی که در ساخت آنها از افزودنیهای مضّر استفاده نشود. بستهبندیهای زیستی سخت و نیمه سخت مانند سینیها، بطریها و پاچها جزو دسته غیرخوراکی طبقهبندی میشوند.
اگر خواص بیوپلیمرها با آن چیزی که مورد نیاز است مطابقت نداشته باشد یا اگر بیوپلیمرها، ماهیّت ترموپلاستیک نداشته باشند باید اصلاحات معینّی روی آنها صورت گیرد. معمولاً یک بیوپلیمر بعد از اصلاح نیز نمیتواند به تنهایی خواص بسیار ویژه مورد نیاز مانند نفوذپذیری بسیار پایین نسبت به گازها و مقاومت بالا نسبت به آب را برآورده کند. بنابراین برای تولید مواد بستهبندی مناسب، مجبور به استفاده از چندین نوع پلیمر در ترکیب، لامینه کردن با لایههای مختلف و اکسترودکردن مواد مختلف میباشیم.
۳-۲- روشهای تولید بستهبندیهای زیستی
برای تولید بستهبندیهای زیستی معمولاً از دو روش کلی خشک و مرطوب استفاده میشود (قنبرزاده و همکاران، ۱۳۸۸).
۳-۲-۱- روش خشک
روش خشک بیشتر برای تولید بستهبندیهای نیمه سخت مانند سینیها، فنجانها و غیره استفاده میشود. ولی گاهی برای تولید برخی از انواع فیلمها مانند فیلمهای زئینی نیز به کار میرود. روش خشک به روش ترموپلاستیک مشهور است و در آن از حرارتدهی و قالب گیری و یا اکستروژن برای تولید مواد بستهبندی استفاده میشود.
۳-۲-۲- روش مرطوب (یا روش حلال)
بیشتر برای تولید پوششها، فیلمها و ورقهها که میتوانند خوراکی باشند مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش بیوپلیمر را در حلال مناسبی پخش و محلول میکنند سپس حلال را از آن جدا میکنند. جداسازی حلال توسط روشهایی مانند تبخیر حلال، رسوب دادن فاز جامد توسط تغییر pH، تغییر قطبیت حلال یا افزودن الکترولیتها صورت می گیرد.
۳-۳- بستهبندیهای زیست تخریبپذیر نیمه سخت
برای تولید این دسته از مواد بستهبندی معمولاً از بیوپلیمرهای ترموپلاستیک[۴۱] (پلیمرهایی که در اثر حرارت شکل میپذیرند) استفاده میشود. رایجترین بیوپلیمرهای ترموپلاستیک مورد استفاده در این روش، نشاسته و برخی از پروتئینها مانند زئین میباشند. نشاسته ترموپلاستیک به وسیله ژلاتینه کردن نشاسته تحت۱۰-۶ درصد رطوبت و حرارت و فشار (همراه یک پلاستیسایزر) که به محصول خصوصیات عالی میدهد، تولید میشوند) (گئورگ و همکاران، ۱۹۹۴). قبل از فرایند حرارتی، به ماده خام (بیوپلیمر) پودری شکل، نرمکننده (پلاستی سایزر[۴۲]) افزوده میشود. پلاستیسایزرهای متداول برای تهیه نشاسته ترموپلاستیک عبارتند از- گلیسرول و دیگر ترکیبات پلیهیدروکسی با وزن مولکولی کم، پلیاترها، اوره و آب که جهت کاهش باندهای هیدروژنی داخل مولکولی و بهبود پایداری خصوصیات محصول اضافه میشوند (سورنتینو و همکاران، ۲۰۰۷) ولی نشاسته ترموپلاستیک هنوز نیاز به مخلوط کردن با دیگر پلیمرها مانند پلی (اتیلن-کو- ونیل الکل) دارند که علت آن مقاوت کشش کم و مقاومت آب کم در محصول نهایی میباشد. همچنین برای بهبود خصوصیات نشاستههای ترموپلاستیک در کاربردهای مختلف افزودن خاک رس به عنوان یک ماده پرکننده گزارش شده بود. نشاسته ترموپلاستیک در پلاستیکهای زیستی که معمولاً از ذرت و سیبزمینی منشاء میگیرند، استفاده میشود(سورنتینو و همکاران،۲۰۰۷).
۳-۴- پوششها[۴۳]، فیلمها[۴۴] و ورقههای خوراکی[۴۵]
سالیان طولانی است که از پوششهای خوراکی برای نگهداری بهتر محصولات غذایی و افزایش جذابیّت ظاهری آنها استفاده میشود. برای مثال از دوران باستان چینیها پرتقال و لیموهای تازه را با لایه نازکی از موم میپوشاندند تا خشکشدن آنها به تعویق بیافتد. این کار هم اکنون نیز انجام میشود. پوشش دادن علاوه بر اینکه از خشکشدن جلوگیری می کند باعث ایجاد ظاهری جذاب، کاهش تبادل گازهای تنفسی (کاهش فعالیتهای بیولوژیکی) و عدم رشد کپکها و حشرات بر روی میوهها و سبزیها میگردد.
استفاده از فیلمهای خوراکی در بستهبندی مواد غذایی اولین بار در سال ۱۸۹۵ توسط Maris و Parker انجام گرفت. آنها از فیلمهای ژلاتینی برای نگهداری گوشت استفاده کردند. از سال ۱۹۳۰ استفاده از مومهای پارافینه مذاب برای پوشش دادن مرکبات تجاری شد. در اواخر دهه ۱۹۵۰ امولسیونهای روغن در آب موم کارنوبا جهت پوشش دادن میوهها و سبزیها بکار رفت. ایده اولیه استفاده از پوششهای خوراکی از پوششهای طبیعی که روی سطح میوه ها وسبزیها قرار دارد گرفته شده است. در حال حاضر تحقیقات گستردهای برای استفاده از فیلمها و پوششهای خوراکی در صنایع غذایی و دارویی در حال انجام است که موجب بهبود کیفیت و افزایش کاربردهای آنها میشود. فیلمهای خوراکی از نظر نحوه تولید، متفاوت از پوششهای خوراکی هستند. فیلمها و ورقههای خوراکی قبل از کاربرد در بستهبندی ماده غذایی بصورت لایهای نازک تولید میشوند و بعد همانند پلیمرهای سنتزی برای بستهبندی بکار میروند. تفاوت فیلم و ورقه در ضخامت آنهاست. معمولا به ضخامتهای بالاتر از mµ ۲۵۰ ورقه و کمتر از آن فیلم میگویند. فیلمها میتوانند به شکل لفاف، کپسول، پاچ و کیسه تولید شوند که این محصولات با ضخامت زیاد قالبگیری میشوند.
پوششهای خوراکی بر خلاف فیلمها و ورقهها بر روی مادهغذایی تشکیل میشوند. بنابراین پوشش بعنوان بخشی از محصول بوده و موقع استفاده روی محصول باقی میماند. اینکار توسط روشهایی نظیر واکسزدن، اسپری کردن و غوطه ورکردن صورت میگیرد.
برای تولید فیلمهای خوراکی معمولاً بیوپلیمر را در یک حلال با یک مادهی نرمکننده (پلاستیسایزر) مخلوط میکنند. نرمکنندهها معمولاً ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین و غیر فرّار هستند. البته آب نیز به عنوان نرم کننده عمل میکند. این مواد باعث کاهش بر همکنشهای زنجیر به زنجیر و جدا شدن نسبی زنجیرها از همدیگر و کاهش اصطحکاک بین آنها و تسریع حرکت مولکولی زنجیرهای پلیمر میشوند و در حقیقت به عنوان یک لیزکننده داخلی[۴۶] عمل میکنند. نرمکنندهها با تغییر شبکه سه بعدی باعث افزایش انعطافپذیری و کششپذیری و کاهش پیوستگی الاستیسیتی و مقاومت مکانیکی میگردد.
نرمکنندهها شامل دسته وسیعی از مواد هستند و شامل آب، اسیدهای چرب، الکلهای گلیسرول، گلیکولها (مانند پروپیلن گلیکول، استیل گلیکول)، استونها، فنولها، اترها، هیدروکسی اسیدها (مانند اسید لاکتیک)، قندهای الکلی (مانند سوربیتول، مانیتول) و غیره میباشند. در تولید فیلمهای خوراکی باید به این نکته توجه شود که نرمکنندهها علاوه بر کارایی بالا باید غیره سمی بوده و خوراکی باشند.
برای بهبود خواص فیلمهای خوراکی علاوه بر نرم کنندهها، گاهی از اتصالدهندههای عرضی[۴۷] نیز استفاده میشود. این مواد با افزایش پیوندهای عرضی بین زنجیرهای ماکرومولکولها باعث افزایش مقاومت مکانیکی، کاهش نفوذپذیری نسبت به گازها و بخارات میشوند. از ترکیبات مختلفی بسته به نوع بیوپلیمر برای این منظور استفاده میشود. برای مثال برای بهبود خواص فیلمهای کازئینی از کلسیم استفاده میشود. از ترکیبات دیگر میتوان از فرمالدئید، گلوتارآلدئید، اپیکلروهیدرین، اسید استیک، اسید تانیک و اسید لاکتیک نام برد. برخی از این اتصالدهندهها مانند فرمالدئید سمّی هستند. بنابراین در کاربرد آنها برای تولید فیلمهای خوراکی باید این موضوع مورد توجه قرار گیرد(گیلبرت، ۱۹۸۶).
۳-۵- خوراکی بودن و زیست تخریبپذیری فیلمها و پوششها
فیلمها و پوششهای بیوپلیمری ممکن است خوراکی بوده و یا تنها زیست تخریبپذیر باشند که این به فرمولاسیون، روش تولید و تیمارهای اصلاحکننده بستگی دارد. اگر بیوپلیمر از نوع خوراکی باشد و افزودنیهای خوراکی (نرمکننده، اسید، نمکها، آنزیمها و مواد ضد میکروبی) در ساختار فیلم و پوشش استفاده شود و تغیییرات اعمال شده روی بیوپلیمر از طریق حرارت دادن، تغییر pH، افزودن نمک، اصلاح آنزیمی و حذف آب باشد، فیلم یا پوشش حاصله خوراکی خواهد بود.
فیلمها و پوششهای خوراکی، زیست تخریبپذیر نیز هستند. هنگامیکه بیوپلیمر با سایر مواد شیمیایی قبل یا در طول تشکیل فیلم و پوشش وارد واکنش شود (ایجاد اتصالات عرضی) یا ترکیبات غیرخوراکی به فیلم یا پوشش اضافه شود قابلیت خوراکی بودن را از دست میدهد.
۳-۶- کاربردهای فیلمها و پوششهای خوراکی
فیلمها و پوششهای خوراکی عمدتاً برای حذف بستهبندی غیرخوراکی استفاده نمیشوند بلکه به همراه بستهبندیهای مرسوم به بهبود کیفیت و ماندگاری کمک میکنند و تعداد لایههای بستهبندی را کاهش میدهند و بعد از اینکه بسته باز شد حفاظت از غذا را ادامه میدهند. فیلمهای خوراکی همچنین ممکن است به عنوان لایهای از بستهبندیهای چند لایه مورد استفاده قرار گیرد. برخلاف فیلمها و پوششهای خوراکی استفاده از فیلمها و پوششهای زیستتخریبپذیر با هدف جایگزینی کامل با مواد بستهبندی سنتزی صورت میگیرد.
در زیر کاربردهای مختلف فیلمهای خوراکی بطور خلاصه ارائه شدهاند:
۱) به تاخیر انداختن تبادل رطوبت بین ماده غذایی و محیط و همچنین بین اجزاء تشکیل دهندهی ماده غذایی هتروژن. این عمل میتواند منافع زیر را در بر داشته باشد:
الف) جلوگیری از کاهش کیفیت بافتی
ب) جلوگیری از فساد مواد غذایی
ج) حفظ ارزش اقتصادی فرآورده
۲) کاهش تبادل گازهای تنفسی (اکسیژن و دیاکسیدکربن) بین محیط و ماده غذایی