زیست فناوری کشاورزی

مرکز جامع اطلاع رسانی

ساخت بسته‌ بندی‌ های غذایی با استفاده از پلاستیک زیستی کیتوسان

امروزه اغلب از مواد پلیمری غیرقابل تجزیه در صنایع مختلف به‌ویژه برای بسته‌بندی موادغذایی استفاده می‌شود. عدم زیست تخریب‌پذیری این پلیمرها سبب شده است تا محققان به دنبال راهکاری برای حل این مشکل باشند. از سه دهه گذشته کیتوسان به‌عنوان یک عامل عالی برای فیلم‌های بسته‌بندی مورد استفاده قرار گرفته است و در صنایع مختلفی مانند زیست‌پزشکی، مواد غذایی و صنایع شیمیایی و کشاورزی استفاده می‌شود. این پلیمر فعال زیستی طبیعی دارای یک فعالیت ضد میکروبی ذاتی است که باعث می‌شود در صنایع غذایی و بسته‌بندی کاربرد فراوانی داشته باشد.

در سال‌های گذشته محققان تلاش کرده‌اند تا با استفاده از مواد مختلف، بسته‌بندی زیست سازگاری را برای تقویت ماندگاری مواد غذایی در برابر عوامل بیماری‌زا و حمله قارچی تهیه کنند و در نهایت موفق شدند فیلم‌های پلیمری خوراکی زیست تخریب‌پذیر را تولید کنند که می‌تواند در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده شود. دلیل اصلی توجه روزافزون به این نوع از بسته‌بندی‌ها، مشکلات مربوط به پلیمرهای مصنوعی است که از مواد نفتی تشکیل شده‌اند که از لحاظ بهداشتی و محیطی مشکلات فراوانی دارند. کاربرد پلیمرهای زیستی روز به‌ روز در صنایع مختلف در حال افزایش است، اما هنوز هم این پلیمرهای زیستی از نظر ویژگی‌های حیاتی برای رعایت استانداردهای صنعتی، کمبود دارند. خواص فیزیکی بسته‌بندی‌هایی که از پلیمرهای زیستی تهیه شده‌اند باید طوری باشد که در مقایسه با پلاستیک‌های مصنوعی بر پایه نفتی مقرون‌‌به‌صرفه‌ تر باشند.

کیتوسان یکی از پلیمرهای زیستی است که به‌دلیل دارا بودن خاصیت زیست‌سازگاری، تجزیه‌پذیری، خاصیت آنتی‌اکسیدانی، عدم سمیت، ضد سرطانی بودن و ضد میکروبی بودن کاربردهای فراوانی پیدا کرده است. کیتوسان را می‌توان از ضایعات مواد غذایی دریایی از جمله پوسته‌های غذاهای دریایی به دست آورد، در نتیجه کم‌هزینه است. در واقع کیتوسان پس از داستیلاسیون قلیایی کیتین به دست می‌آید. کیتین به‌عنوان یک پلیمر ساختاری مهم شناخته شده است که در حشرات و قسمت خارجی سخت‌پوستان وجود دارد. گروه‌های عاملی موجود در کیتوسان باعث می‌شوند که این ماده مستعد تغییرات شیمیایی شود، هم‌چنین در بعضی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی از جمله حلالیت و ویژگی‌های مکانیکی نقش اساسی دارند. فیلم‌های مبتنی بر کیتوسان دارای مزایای متعددی هستند؛ به‌عنوان مثال فعالیت ضد باکتریایی دارند و علاوه بر آن باعث ایجاد ظاهری جذاب و همچنین سالم‌تر برای مصرف‌کننده می‌شوند. این نوع از کامپوزیت‌های جدید را می‌توان با انواع مختلف روغن‌های گیاهی یا عصاره‌ها ترکیب کرد که باعث خاصیت آنتی‌اکسیدانی فیلم تهیه‌شده می‌شود. در حالت ایده‌ال، این فیلم‌های بر پایه زیست‌محیطی باید توانایی محافظت از مواد غذایی در برابر اشعه ماورا بنفش را داشته باشند. در این بررسی، پیشرفت‌های مهم اخیر در فیلم‌های بر پایه کیتوسان برای بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن بررسی شده است. 

 

خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی فیلم‌ها و کامپوزیت‌های کیتوسان

کیتوسان از کیتین به دست می‌آید که می‌تواند به‌عنوان فراوان‌ترین پلیمر پس از سلولز در نظر گرفته شود. فیلم‌های کیتوسانی که با سایر پلیمرها و عصاره‌های گیاهی ترکیب شده‌اند دارای خواص فیزیولوژیکی، بیولوژیکی و مکانیکی خوبی هستند که می‌توان آن را به‌عنوان بسته‌بندی مواد غذایی استفاده کرد. در بررسی فعلی سعی شده است که پیشرفت‌های انجام شده در ۵ تا ۷ سال گذشته در زمینه کیتوسان، برای کاربرد آن در صنایع غذایی خلاصه شود. این نوع از فیلم‌ها دارای خواص مطلوب زیادی هستند. این خواص تابعی از بعضی از عوامل مانند درجه استیله شدن، ویسکوزیته محلول و درجه حرارت خشک شدن است

این نوع از فیلم‌ها دارای خواص مطلوب زیادی هستند. این خواص تابعی از بعضی از عوامل مانند درجه استیله شدن، ویسکوزیته محلول و درجه حرارت خشک شدن است.

 

ویژگی‌های مکانیکی

استحکام کششی فیلم‌های بر پایه کیتوسان به‌طور مستقیم به خواص وزن مولکولی و درجه دی‌استیله شدن کیتوسان وابسته است. درجه حرارت خشک شدن و رطوبت نسبی نیز نقش مهمی در خصوصیات مکانیکی این فیلم‌ها دارد. استحکام کششی فیلم‌های کیتوسان تولید شده با اسید استیک، در طول ذخیره‌سازی در دمای اتاق افزایش می‌یابد. افزایش وابسته به زمان استحکام کششی را می‌توان از طریق تغییرات کنفورماسیونی مولکول‌های کیتوسان با گذشت زمان و همچنین با کاهش حجم آزاد پلیمر توصیف کرد. در یک مطالعه توضیح داده شده است که ترکیب فنولیک طبیعی مانند protocatechuic acid در ساختار کیتوسان باعث افزایش استحکام کششی فیلم می‌شود. هم‌چنین استحکام کششی بالاتری برای فیلم‌های کامپوزیتی بر پایه کیتوسان پس از ترکیب اسید گالیک مشاهده شده است.

ویژگی‌های مکانیکی فیلم‌های کیتوسان به نوع و ماهیت حلال اسیدی بستگی دارد. استحکام کششی برای فیلم‌های کیتوسان تولید شده با استفاده از محلول‌های اسیداستیک در مقایسه با فیلم‌های تولید شده از محلول‌های اسیدلاکتیک، اسیدمالیک و یا اسیدسیتریک بیشتر بود. علاوه بر این ویژگی‌های مکانیکی فیلم‌های کیتوسان با استفاده از گلیسرول به‌عنوان نرم‌کننده می‌تواند بهبود یابد. از پلی‌وینیل الکل‌هایی با وزن مولکولی کم (۲۰ تا ۳۰ درصد) به‌عنوان نرم‌کننده در فیلم‌های کیتوسان استفاده می‌شود. کارایی گلیسرول با اسید اولئیک نیز مقایسه شده است. نتایج نشان داد که گلیسرول به‌عنوان نرم‌کننده بهتر و نسبتاً مؤثرتر از اسید اولئیک است. افزایش اتانول در مقیاس‌های کوچک به محلول اسیداستیک کیتوسان، باعث ترکیب روغن زیتون و روغن ذرت در محلول و تسهیل واکنش کیتوسان با زنجیره‌های روغنی می‌شود. محققان فیلم‌های کیتوسان را که شامل پنج روغن از جمله زنجبیل، رزماری، مریم‌گلی، چای و آویشن بود را مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که این روغن‌ها باعث بهبود خواص مکانیکی فیلم می‌شود.

 

خواص عدم نفوذپذیری

ویژگی نفوذناپذیری فیلم‌های بر پایه کیتوسان در نگهداری ارزش غذایی و ماندگاری میوه و سبزی‌های بسته‌بندی شده تأثیر دارد. جذب بخار آب و یا ضریب نفوذپذیری بخار آب، وزن مولکولی فیلم‌های بر پایه کیتوسان را افزایش می‌دهد. در حین ذخیره‌سازی در دمای اتاق جذب بخار آب در فیلم‌های کیتوسان کاهش می‌یابد، اما جذب بخار آب این فیلم‌ها در طی ذخیره‌سازی در دمای ۲۴- درجه سانتی‌گراد تا ۴+ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. همچنین مشاهده شده است که در فیلم‌هایی که مخلوطی از کیتوسان و پلی‌وینیل کلراید هستند، با افزایش غلظت پلی‌وینیل کلراید میزان رطوبت افزایش یافته است. در طی تحقیقات دیگر کاهش تدریجی در میزان رطوبت و نفوذپذیری بخار آب در فیلم‌ کیتوسان که حاوی آنتی‌اکسیدان فنولی protocatechuic acid بود را مشاهده کردند.

 

خواص ضدمیکروبی

فیلم‌های کیتوسان کاربرد گسترده‌‌ای در بسته‌بندی مواد غذایی دارند که یکی از علت‌های استفاده از آن به‌دلیل خاصیت ضدمیکروبی این نوع از فیلم‌ها است. به‌عنوان مثال اسید اولئیک خواص ضدمیکروبی فیلم‌های کامپوزیتی بر پایه کیتوسان را افزایش می‌دهد. همچنین فیلم‌های ژلاتین ماهی و کیتوسان حاوی اکسید روی، خواص ضدباکتریایی در برابر استافیلوکوکوس اورئوس و سایر باکتری‌ها را دارند. علاوه بر این مشاهده کردند که ترکیب عصاره زردچوبه در محلول، باعث تشکیل فیلمی بسیار مؤثر می‌شود و همچنین ویژگی‌های ضد میکروبی فیلم‌های کیتوسان را افزایش می‌دهد.

 

ویژگی‌های آنتی‌اکسیدانی

از فیلم‌های کیتوسان می‌توان به‌عنوان بسته‌بندی فعال برای جلوگیری از اکسیداسیون کالاهای مواد غذایی استفاده کرد. طی مطالعاتی که انجام شد محققان مشاهده کردند که فیلم‌های خوراکی بر پایه کیتوسان همراه با پلی‌فنول‌ های حاوی نشاسته از عصاره آویشن فعالیت آنتی‌اکسیدانی بیشتری دارند.

 

نقش عصاره‌های طبیعی در کیتوسان

علاوه بر استفاده کیتوسان به‌صورت خالص، به‌منظور بهبود خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی فیلم‌های پلیمری مبتنی بر کیتوسان، تعداد زیادی مطالعه در مورد ترکیب انواع مختلفی از عصاره‌های طبیعی انجام شده است. ادغام عصاره‌های طبیعی در کیتوسان باعث بهبود خواص مقابله با نفوذپذیری اکسیژن، بخار آب و خواص مربوط به استحکام کششی می‌شود. در این پژوهش اثر عصاره‌های مریم‌گلی، رزماری، چای سبز، چای سیاه و زردچوبه بر روی فیلم‌های کامپوزیتی بررسی شده است.

زردچوبه یک ادویه بسیار محبوب و ارزان‌قیمت است که دارای چندین کاربرد دارویی و فعالیت ضدباکتریایی است. ترکیب زردچوبه با کیتوسان و سولفات سدیم، به‌عنوان عامل اتصال عرضی باعث افزایش استحکام کششی فیلم‌ها می‌شود. با این حال افزودن زردچوبه باعث تغییر در نفوذ بخار آب و پایداری حرارتی نمی‌شود. همچنین زردچوبه مانع عبور نور می‌شود. همه این خصوصیات باعث می‌شوند که فیلم‌های کیتوسان حاوی عصاره زردچوبه را بتوان به‌عنوان یک ماده مفید برای بسته‌بندی مواد غذایی استفاده کرد.

در تحقیقی دیگر فیلم‌های کیتوسان با آرد زیتون مخلوط شدند که باعث شد ساختار سطح ناهمگن‌تر و سفت‌تر شود و همچنین منجر به پایین آمدن خصوصیات مکانیکی ماده نهایی و نفوذپذیری بیشتر بیوپلاستیک‌ها شد؛ اما در عوض دارای خاصیت آنتی‌اکسیدانی بهتری بودند. در آزمایش دیگر از میکرو ذرات آرد زیتون در فیلم‌های کامپوزیتی بر پایه کیتوسان استفاده کردند که باعث شد ساختار یکنواخت ایجاد شود و خصوصیات مکانیکی بهتری به وجود آید.

کامپوزیت‌های کیتوسان همراه با فلزات، اکسیدهای فلزی و مواد افزودنی نانو ذرات نقره دارای خاصیت گسترده‌ای در فعالیت‌های ضدمیکروبی و بسیاری از کاربردهای پزشکی هستند، همچنین در دمای بالا نیز پایدارند. نانو ذرات نقره می‌تواند به دیواره سلولی باکتری‌ها نفوذ کند و باعث از بین رفتن باکتری ‌شود. به‌علاوه این مخلوط خاصیت آنتی‌اکسیدانی بالایی دارد و همچنین سمی نیست که باعث می‌شود تا همراه با کیتوسان به‌عنوان ماده بسته‌بندی ایمن برای مواد غذایی استفاده شود.

 

نگهداری انگور قرمز در مواد مختلف در دمای 37 درجه سانتی‌گراد به مدت 6 روز: (الف) بسته‌بندی پلاستیکی (ب) بسته‌بندی تهیه شده از کیتوسان خالص (ج) بسته‌بندی تهیه شده از کیتوسان-TiO2.

 

در آزمایشی دیگر تیتانیوم دی‌اکسید در فرم نانو توجه زیادی را به خود جلب کرده است؛ زیرا دارای ویژگی برجسته به‌عنوان رفتار ضدمیکروبی است که به‌دلیل وجود گونه‌های اکسیژن فعال است، این خاصیت در فیلم‌های دارای تیتانیوم‌ دی‌اکسید با اثر متقابل بین نور و تیتانیوم‌ دی‌اکسید ایجاد می‌شود که این عامل، توانایی تخریب سلول‌های باکتریایی و قارچی را دارد. همچنین تیتانیوم دی‌اکسید در فرم نانو برای بهبود خصوصیات مکانیکی فیلم‌های کیتوسان استفاده شده است.

 

 

 

اضافه کردن پودر نانوی تیتانیوم دی‌اکسید به ماتریکس کیتوسان، به‌منظور تولید فیلم‌های بسته‌بندی ضدمیکروبی برای حفظ مواد غذایی استفاده می‌شود. در شکل زیر از انواع مواد گوناگون برای بسته‌بندی انگور استفاده شده است. مشاهده شد که به‌طور کلی فیلم‌های کیتوسان حاوی تیتانیوم‌ دی‌اکسید بر کاهش انتقال نور و بهبود خصوصیات مکانیکی اثر می‌گذارد. نوعی دیگر از فیلم‌های کیتوسان با مخلوط کردن دیاتومیت (متشکل از سیلیس) در غلظت‌های مختلف به‌همراه گلوتارآلدئید به‌عنوان اتصال‌دهنده به‌دست آمده‌ است. نتایج نشان داد که فیلم‌های کامپوزیتی تولیدشده بسیار سمی نبوده و دارای خواص ضدمیکروبی خوبی هستند. پژوهشگران پیشنهاد کردند که فیلم‌های کامپوزیتی بر پایه کیتوسان همراه با دیاتومیت می‌توانند به‌عنوان بسته‌بندی مواد غذایی استفاده شوند؛ چون میزان آب‌گریزی، پایداری حرارتی و خصوصیات مکانیکی با افزایش دیاتومیت در فیلم‌ها افزایش یافته است؛ اما هیچ تغییر قابل توجهی در نتایج آنتی‌اکسیدانی دیده نشده است.

در آزمایشی دیگر به‌منظور تقویت خاصیت نفوذناپذیری بیوپلاستیک‌های مبتنی بر کیتوسان، آن را با روکش‌های کربنی پوشانده‌اند. نتایج نشان داد که پوشش‌های کربنی در فیلم‌های بر پایه کیتوسان به‌طور قابل توجهی باعث افزایش بهبود نفوذناپذیری در برابر اکسیژن و همچنین بخار آب شده است. درنتیجه به‌طور کلی فیلم‌های کیتوسان با روکش کربن می‌تواند ماده جدیدی برای بسته‌بندی مواد غذایی باشند.

محصور کردن مواد فعال توسط کیتوسان

گوشت گاو در معرض حمله بسیاری از باکتری‌ها و پاتوژن‌ها قرار دارد. تلاش‌های زیادی برای کاهش فساد گوشت گاو انجام شده است که در بین آن‌ها از باکتریوفاژها استفاده کرده‌اند. باکتریوفاژها می‌توانند باکتری‌ها را مصرف و آن‌ها را از بین ببرند، اما متاسفانه فاژها در محیط اسیدی پایداری کمی دارند و فعالیت ضدباکتریایی خود را خیلی سریع از دست می‌دهند. در تحقیقی که توسط گروهی از پژوهشگران انجام شده است، از لیپوزوم‌ها برای بهبود ثبات فاژها استفاده شده است. لیپوزوم‌ها به‌عنوان وزیکول‌های لیپیدی مصنوعی شناخته می‌شوند که از دو لایه فسفولیپیدی متمرکز تشکیل شده‌اند و می‌توانند آب را محصور کنند. لیپوزوم‌ها قادرند که حدود 57.66 درصد باکتریوفاژها را محصور کنند و سپس کل سیستم در یک فیلم کیتوسان تعبیه می‌شود تا ثبات لیپوزوم‌ها حفظ شود. در نهایت کامپوزیت حاصل به‌عنوان فیلم‌های ضدباکتریایی با ظرفیت و حفاظت بالا از گوشت گاو مشاهده و بسیار کارآمد بود.

 

فرآیند ضد باکتریایی فیلم کیتوسان حاوی لیپوزوم

 فرآیند ضد باکتریایی فیلم کیتوسان حاوی لیپوزوم

 

اختلاط کیتوسان با سایر پلیمرها

به‌دلیل وجود گروه‌های آمین بر روی ساختار کیتوسان، این پلیمرها در برابر تغییرات شیمیایی بسیار فعال هستند. در کیتوسان، هنگام تعامل با سایر پلیمرها تغییرات مهمی در ساختارش ایجاد می‌شود که منجر به تغییر قابل‌توجه در خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آن می‌شود. در این راستا، طی سال‌های اخیر تعداد زیادی مطالعه در مورد ترکیب کیتوسان با سایر پلیمرها انجام شده است تا به خواص فیزیکی و شیمیایی موردنظر برای پلاستیک‌های زیستی مبتنی بر کیتوسان برسد. در طی یک پژوهش، با ادغام آگارز و کیتوسان، بسته‌بندی‌هایی زیست تخریب‌پذیر برای مواد غذایی تولید شد. بهترین ترکیب مخلوط 50:50 از آگارز و کیتوسان بود که مشخص شد در این حالت بهترین ویژگی‌های مکانیکی را دارد.

 

نتیجه‌گیری

به‌طور کلی پردازش فیلم‌های پلیمری بر پایه نفت در فناوری غذایی به‌دلیل معایب آن باید به حداقل برسد. در این بررسی با توجه به توسعه گسترده در زمینه پلیمرهای زیستی و مواد بیولوژیکی، به این نتیجه رسیدیم که پلیمرهای زیستی مانند کیتوسان می‌توانند گزینه خوبی برای جایگزینی به جای پلاستیک‌های مصنوعی باشند. همچنین با افزایش عصاره‌های گیاهی طبیعی، به‌طور گسترده‌ای باعث بهبود خواص مکانیکی، عدم نفوذپذیری اکسیژن و آب، بهبود مقاومت در برابر اشعه ماوراءبنفش می‌شود. در مطالعات مختلف مشخص شد که ترکیبی از پلیمرهای دیگر مانند متیل سلولز، کربوکسی متیل سلولز، پلی وینیل الکل‌ها، آگارز و پلی‌فنول‌ها همراه با فیلم‌های کیتوسان، در افزایش خصوصیات مختلف فیزیکی و شیمیایی فیلم نقش داشته است. با توجه به گزارش‌های بسیاری در مورد فیلم‌های کیتوسانی، هنوز شکاف‌هایی وجود دارد که می‌توان با انجام تحقیقات بیشتر در آینده آن‌ها را برطرف کرد.

در سال‌های اخیر توسعه و پیشرفت در زمینه بسته‌بندی‌ های نوین حاصل از منابع طبیعی تجدیدپذیر با رشد چشم‌گیری مواجه شده است و تعداد مقالات تحقیقاتی مربوط به تولید و فراوری فیلم کامپوزیتی بر پایه کیتوسان نسبتاً زیاد است، چون این پلیمر سمیتی برای انسان و حیوانات ندارد و همچنین زیست تخریب‌پذیر بوده و به‌راحتی در طبیعت بدون ایجاد آلودگی از بین می رود. اما هنوز کاربرد عملی کیتوسان در مقیاس صنعتی محدود است که می‌تواند دلایل مختلفی داشته باشد. مثلاً روش پردازش فیلم‌های ترکیبی کیتوسان هنوز هم شامل روش‌های شیمیایی سخت است که درنتیجه هزینه پردازش فیلم‌های مخلوط را افزایش می‌دهد. دلیل دیگر این است که در دسترس بودن منابع کیتوسان هنوز هم محدود است که باعث می‌شود تولید انبوه کیتوسان را در مقیاس صنعتی محدود کند.

مترجم: شکوه ناصری

مجله زیست فن

مقاله منبع

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

اخبار ویژه

اخبار

این پایگاه اطلاع رسانی به کارگروه کشاورزی ستاد توسعه زیست فناوری تعلق دارد.