در این کار تحقیقاتی تولید و بررسی خصوصیات فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین/ نانو خاک رس مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور­ نانو خاک رس در نسبت­های 1%، 3% و 5% پلاستی­سایزر40% به فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین اضافه شد. پس از آماده شدن محلول نانو و اضافه شدن به فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین، این فیلم­ها به روش کاستینگ تحت شرایط کنترل شده تهیه شد. خواص فیزیکوشیمیایی، مکانیکی، عبور ­دهی در برابر بخار آب و اکسیژن و ایزوترم فیلم­ها تحت شرایط استاندارد مورد ارزیابی قرار گرفت. آزمون مکانیکی فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین/ نانو خاک رس نشان داد که استحکام کششی از 08/26 تا 39/34 مگاپاسکال افزایش، درصد کشیدگی از 35/12 تا 03/7 درصد کاهش و مدول یانگ از1133/17 تا 1395/03 مگاپاسکال افزایش معنی دار داشت. برای فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین/ نانو خاک رس، کاهش نفوذ پذیری به بخار آب از 15/5 تا 77/4 (g/m.s.pa 10^-7 ) و نفوذ یذیری به اکسیژن از 06/4 تا 05/4 cc–mil [m². day]، میزان جذب آب، حلالیت و محتوای رطوبت فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین/ نانو خاک رس، نشان داده شد. بررسی پارامتر­های رنگی نشان داد که با افزایش غلظت شفافیت از 80/94 تا 25/94 کاهش یافت. رنگ فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین/ نانو خاک رس، با افزایش غلظت رو به زردی و همچنین از سبزی کاسته شده و رو به قرمزی افزایش داشت. نمودارهای FTIR نشان داد که تعاملات انجام شده تماماً فیزیکی بوده و واکنش­های شیمیایی رخ نداده است. با بررسی ایزوترم­های جذب نانو بایوکامپوزیت حاصل مشخص شد که مقدار رطوبت آب تک لایه کاهش یافته و نمودار به سمت پایین جابجا شده است و این حاکی از آن است که ذرات نانو خاک رس روی توانایی آبگریز کردن فیلم را دارند. به طور کلی با توجه به بررسی های انجام شده نانو خاک رس روی توانایی بهبود خواص اساسی فیلم­های ترکیبی نشاسته سیب زمینی و ژلاتین را دارا می­باشند و می­توانند به عنوان فیلرهای جاذب اشعه ماورا بنفش و فیلم­های بسته بندی مواد غذایی در صنایع غذایی مورد استفاده قرار گیرند.

واژگان کلیدی: نشاسته سیب زمینی، ژلاتین، نانو خاک رس، نفوذ پذیری به اکسیژن، نفوذ به بخار آب، حلالیت، میزان جذب آب، خواص مکانیکی،

1-1- پیش زمینه

از سال 1970 مصرف پلاستیک­ها هر 4 یا 5 سال 2 برابر می­ شود. حدود 30% پلاستیک­های تولیدی یک بار مصرف هستند. میزان پلاستیک­های یک بار مصرف در امریکا سالانه 8 میلیون تن است. همچنین بسیاری از پلاستیک­های مورد استفاده در بسته­بندی بعد از استفاده، استفاده مجدد نمی­شوند. علت این امر آلودگی بالای این مواد و نیاز به تمیز کردن قبل از استفاده مجدد است که به دلیل هزینه ­بر بودن، غیر اقتصادی است بر اساس یک بررسی 28- 14% حجم کل زباله­های جامد شهری و حدود 12- 9% حجم کل زباله­های جامد و فاضلاب شهری را پلاستیک ­ها تشکیل می­دهند. از طرفی با توجه به طول عمر بالای پلاستیک­ها و تقریبا زیست تخریب پذیر نبودن این پلیمرها، دچار یک بحران زیست محیطی شده­ایم و باید این مشکل به نحوی حل گردد یکی از راه حل­های این مشکل، سنتز و طراحی پلیمرهای زیست تخریب پذیر[1] است (امینی و همکاران، 1391).

تولید بیوپلیمر­هایی که از منابع تجدیدپذیر بدست می­آیند بر خلاف پلیمر­های سنتزی که بیشتر منشا نفتی دارند در محیط طبیعی تجزیه پذیر هستند و موجب حفظ منابع تجدید ناپذیر می­گردد. این بیوپلیمر­ها که قابلیت برگشت به طبیعت را دارند از محصولات کشاورزی بدست آمده و موجب آلودگی محیط زیست نمی­شوند و در فرایند کمپوست توسط میکروارگانیسم ها به محصولات طبیعی مانند آب، متان، دی اکسید کربن، و توده زیستی تبدیل می­شوند. پلیمر­هایی که پس از فرایند تجزیه توسط میکروارگانیسم ها ­ کاملا به محصولات طبیعی تبدیل می­شوند زیست تخریب پذیر نامیده می­شوند (قنبرزاده و همکاران، 1388).

پلیمرهای زیست تخریب­پذیر را می­توان بر اساس ترکیب شیمیایی، روش سنتز، روش فرایند، اهمیت اقتصادی، کاربرد، منشاء و …. طبقه بندی نمود. پلیمرهای زیست تخریب پذیر را بر اساس منشا می­توان به پلیمرهای طبیعی یا بیوپلیمرها که از منابع تجدید شونده حاصل می­شوند و پلیمرهای سنتزی که از نفت خام (یک منبع غیر تجدید شونده) سنتز می­شوند، طبقه بندی نمود.

بیوپلیمرها با منشاء طبیعی را می­توان به 6 زیر گروه طبقه بندی کرد:

1)پلی ساکاریدها، مانند: نشاسته، سلولز، لیگنین و کیتین

2)پروتئین­ها، مانند: ژلاتین، کازئین، گلوتن گندم، ابریشم، پشم

3)لیپیدها، که شامل: چربی­های حیوانی و روغن­های گیاهی مانند روغن کرچک

4)پلی استرهای تولید شده بوسیله میکروارگانیسم­ها یا بوسیله گیاهان مانند پلی هیدورکسی آلکانوآت ها(PHA) و پلی 3- هیدورکسی بوتیرات(PHB)

5)پلی استرهای سنتز شده از منومرهای با منشا طبیعی مانند: پلی­لاکتیک اسید (PLA)

6)دیگر پلیمرهای طبیعی مانند کائوچوی طبیعی ( اسمیت، 2005).

بسته بندی­های زیستی حاصل از بیوپلیمر­های خالص دارای سرعت زیست تخریب پذیری بالاتری نسبت به فیلم­های آلیاژ شده می­باشند ولی کیفیت مکانیکی و نفوذپذیری آن­ها به نسبت پایین تر است (قنبرزاده و همکاران، 1388).

دلایل استفاده از این نوع بسته بندی عبارتند از: جلوگیری از انتقال رطوبت، جلوگیری از خروج ترکیبات فرار موجود در ماده غذایی، کاهش دهنده سرعت تنفس، به تاخیر انداختن تغییرات در بافت ماده غذایی، مانعی بسیار عالی در برابر عبور چربیها و روغن ها، عبوردهی بسیار انتخابی گازهایی نظیر اکسیژن و دی اکسیدکربن (ایران منش، 1388).

فیلم­های خوراکی لایه نازکی از بیوپلیمرها هستند که برای بهبود و نگه داری بهتر مواد غذایی بر روی سطح ماده غذایی کشیده می­شوند و یا بین اجزای مواد غذایی قرار داده می­شوند. البته عمدتا” فیلم­ها و پوشش ­های خوراکی برای حذف بسته بندی غیر خوراکی استفاده نمی­شوند بلکه به همراه بسته بندی­های مرسوم به بهبود کیفیت و ماندگاری کمک می­ کنند و تعداد لایه ­های بسته بندی را کاهش می­ دهند و بعد از این که بسته باز شد حفاظت از غذا را ادامه می­دهند. فیلم­های خوراکی همچنین ممکن است به عنوان لایه­ای از بسته بندی­های چند لایه مورد استفاده قرار گیرند (قنبر زاده و همکاران، 1388).

بر خلاف فیلم­ها و پوشش ­های خوراکی استفاده از فیلم­ها و پوشش ­های زیست تخریب پذیر با هدف جایگزینی کامل با مواد بسته بندی سنتزی صورت می­گیرد. فیلم­ها و پوشش ­های زیست تخریب پذیر نیز دارای قابلیت بازدارندگی مقابل رطوبت، اکسیژن، مواد طعمی، آروما و روغن بوده و کیفیت غذا یا دارو را حفظ می­ کنند. همچنین می­توان به آن­ها مواد آنتی اکسیدانی و ضدمیکروبی نیز افزود. فیلم­ها و پوشش ­های زیست تخریب پذیر ویژگی­های ظاهری مانند رنگ، جلا و شفافیت محصول را بهبود می­بخشد (قنبر زاده و همکاران، 1388).

1-2- اهمیت موضوع

امروزه بخش بزرگی از مواد استفاده شده در صنعت بسته بندی از فرآوردهای نفتی و پتروشیمی به دست می­آیند که غیر قابل تجزیه در طبیعت بوده و مشکل زیست محیطی ایجاد می­ کنند. از اینرو محققین همواره به دنبال راه حل­هایی برای این موضوع می­باشند. رشد روز افزون محصولات زیستی و توسعه تکنولوژی­های نوین سبب کاهش وابستگی به استفاده از سوخت های فسیلی گردیده است. در چند دهه اخیر میزان توجه و علاقه افراد به استفاده از بیوپلیمرها[2] به دلیل افزایش بیشتر آگاهی مصرف کنندگان، افزایش قیمت نفت خام، افزایش آلودگی­های زیست محیطی و تجزیه ناپذیر بودن پلیمرهای نفتی و توجه به گرمای جهانی افزایش یافته است و سبب شده تلاش های فراوانی در جهت تولید مواد بسته بندی با منشا طبیعی(پروتئین،چربی و کربوهیدرات) به صورت فیلم یا پوشش صورت گیرد. اینگونه بیوپلیمرها در مقایسه با بهره گرفتن از پلاستیک­ها اثرات مخرب کمتری بر محیط زیست دارند ( پین و همکاران، 1992).

رشد فزاینده علاقه نسبت به فیلم­های ساخته شده از بیو­پلیمرهای طبیعی از قبیل نشاسته به عنوان یک منبع جایگزین به منظور حل پلیمرهای غیر قابل تجزیه و انهدام ضایعات شكل گرفته از پلیمرهای سنتیک مطرح شده است. از این رو، استفاده از بیوپلیمرهای كشاورزی كه از نظر زیستی به راحتی تجزیه­پذیر هستند نه تنها باعث حل این مشكلات می­ شود بلكه به ارائه كاربرد جدیدی از تولیدات مازاد كشاورزی نیز می ­پردازد. به واسطه نگرانی­های محیطی، تركیب مواد نگهدارنده زیستی با فیلم­هایی که از نظر زیستی تجزیه پذیر می­باشند مناسب­تر از تركیب با فیلم­های پلاستیكی است (تورهان و همکاران، 2004).