بخشی از مقاله
چکیده
امروزه منابع نفتی بخش عمده تولید مواد صنعتی می باشند. با توجه به محدودیت این منابع جایگزین کردن مواد طبیعی و تجدید پذیری که بهعنوان شیمی سبز شناخته میشود در مقیاس جهانی گسترشیافته است. در میان منابع طبیعی نشاسته به عنوان ماده دوست دار محیطزیست شناخته میشود که به نام بیوپلیمر سبز کانون توجهات محققین واقعشده است. در دسترس بودن، طبیعی بودن، قابلیت تجدید پذیری، قابلیت تشکیل فیلم و قیمت ارزان نشاسته سبب شده تا بهعنوان یک بیوپلیمر زیستسازگار موردتحقیق قرار گیرد؛ اما معایبی همچون خاصیت آبدوستی شدید و خواص مکانیکی ضعیف استفاده صنعتی این ماده را محدود ساخته است. اخیراً تحقیقات گستردهای جهت تشدید خاصیت آبگریزی نشاسته انجامشده است که می توان به استریفیکاسیون، استیلاسیون و ترکیب نشاسته با لیپیدها اشاره کرد. چون در سطح زنجیره نشاسته تعدادی گروه هیدروکسیل وجود دارد با اصلاح شیمیایی از طریق استری کردن یا استیله کردن میتوان تا حدودی گروه های هیدروکسیل را مهار یا حذف کرد که در این حالتمعمولاً گروه استیل جایگزین هیدروکسیل شده و خاصیت آبگریزی نشاسته افزایش مییابد. در طی مطالعات انجام شده دو عنصر اساسی که در این امر دخیل هستند استیک اسید و استیک آنهیدرید می باشد. همچنین میتوان از خاصیت آبگریزی اسیدهای چرب و روغنها بهصورت امولسیون با نشاسته بهعنوان افزایش خاصیت آبگریزی، استفاده نمود.
واژههای کلیدی:آبدوست، آبگریز، بیوپلیمر، تجدیدپذیر، زیستتخریبپذیر
مقدمه
امروزه نفت و سایر مواد پتروشیمی، منشأ تولید بسیاری از مواد صنعتی ازجمله: پلیمرها و پلاستیکهای سنتزی میباشند که غیرقابل تجزیه بوده و باعث آلودگی های زیستمحیطی فراوانی مانند اختلال در تغذیه موجودات زنده و ایجاد مخاطرات در سلامتی آنها شده است. - - Shan, Surampalli, Tyagi, & Zhang, 2009 از طرفی با افزایش چشمگیر قیمت نفت خام همچنین محدود بودن منابع نفتی ، مدتزمان طولانی تجزیه پلیمرهای نفتی، مهاجرت مواد پلیمری از بستهبندیهای سنتتیک به مواد غذایی و مشکلات مربوط به دفع زبالههای حاصل از این مواد، استفاده از صنایع پتروشیمی کاهش یافته است . - Sothornvit, Hong, An, & Rhim, 2010 -
بدین ترتیب جایگزین کردن منابع طبیعی دوست دار محیطزیست بهجای مواد پلاستیکی غیرقابل تجزیه، نظر پژوهشگران را جلب به خود ساخته است. امروزه اصطلاح شیمی سبز1 به دلیل اهمیت بالایی که دارد به یک موضوع بینالمللی تبدیلشده است. از اهداف شیمی سبز میتوان به استفاده از منابع طبیعی بهجای شیمیایی، جلوگیری از ساخت و تولید زبالهها و پسماندهای سمی و تولید محصولاتی که پسماند یا زبالههای آن در طبیعت تخریب شده و وارد محیطزیست میشوند نیز اشاره کرد. - Linthorst, 2010 - در طی چند سال اخیر استفاده از پوشش ها و فیلم های خوراکی حاصل از پلی ساکاریدها ،پروتئینها و لیپیدها یا مخلوطی از آنها در صنعت بستهبندی مواد غذایی بهعنوان جایگزین شدن کامل یا بخشی از صنعت پتروشیمی مورد استقبال جمع عظیمی از پژوهشگران واقعشده است. - - Ghanbarzadeh & Almasi, 2011
در بین همه منابع طبیعی بیان شده نشاسته یکی از مهمترین پلی ساکاریدهایی است که بهعنوان بیوپلیمر سبز شناخته شده است. همچنین به دلیل داشتن قابلیت فیلم سازی بالا، سهولت تولید، در دسترس بودن، طبیعی بودن، تجدید پذیری منابع و قیمت پایین بهعنوان یک منبع دوستدار محیطزیست، صنعت بستهبندی را دچار تغییرات شگرفی کرده است . - Rhim & Ng, 2007; Siracusa, Rocculi, Romani, & Dalla Rosa, 2008 - نشاسته ساختاری ناهمگن متشکل از دو ساختار آمیلوز2 و آمیلوپکتین3 با واحدهای آنهیدروگلوکز 4 است که توسط پیوندهای گلوکوسیدی به هم متصل شدهاند که آمیلوز ساختاری خطی داشته و پیوندهای درون زنجیره آن از نوع α و آمیلوپکتین ساختاری منشعب داشته که پیوندها در قسمت انشعاب هر شاخه از نوع α هستند از طرفی وزن مولکولی آمیلوز حدود 106 و آمیلوپکتین 108 دالتون است که وزن مولکولی بالای آمیلوپکتین موجب تحرک کم زنجیرههای پلیمری و همچنین کاهش تمایل زنجیرهها برای همسو شدن و تشکیل پیوند هیدروژنی شده است.
آمیلوز به علت ساختار خطی و وجود تعداد زیاد پیوند هیدروژنی، توانایی تشکیل فیلم قویتری نسبت به آمیلوپکتین دارد بدین ترتیب مقاومت مکانیکی فیلمهای با میزان آمیلوز بالا زیادتر است و فیلم های با نسبت آمیلوپکتین بالا به علت وجود انشعابات زیاد و زنجیرههای با طول کوتاه، نازک و شکننده هستند. فیلمهای حاصل از نشاسته طبیعی که دارای% 25 آمیلوز و % 75 آمیلوپکتین است کهمعمولاً ترد و شکننده5 میباشند یعنی مقاومت به کشش زیاد و کششپذیری کمی دارند. برای رفع این مشکل از یک پلاستیسایزر6 - مانند : گلیسرول - استفاده میشود که سبب انعطاف پذیری بالای فیلم میشود ولی استفاده زیاد از آن، موجب ضعیف شدن - کاهش مقاومت مکانیکی - و مهاجرت آن از پلیمر به مواد غذایی میشود.
از مهمترین مزایای پوششها فیلمهای خوراکیمخصوصاً فیلم نشاسته می توان به حفاظت محصول در مقابل صدمات مکانیکی، نفوذپذیری انتخابی نسبت به انتقال گازها، جلوگیری از مهاجرت روغن، جلوگیری از انتقال مواد آروماتیک و درنتیجه حفظ ترکیبات عطروطعم مواد غذایی را نام برد. با توجه به مزایای فراوان بیانشده در مورد فیلمهای نشاسته، برخی از محدودیتها مانند رنگ مات فیلم ، خاصیت آبدوستی شدید - به علت وجود گروههای هیدروکسیل در نشاسته - و مقاومت مکانیکی ضعیف، امکان بهرهبرداری از این سرمایه عظیم را محدود ساخته است. - Almasi, - Ghanbarzadeh, & Entezami, 2010 امروزه ویژگی آبدوست بودن نشاسته یگانه مشکلی است که باعث افزایش حلالیت و نفوذپذیری بیوپلیمرهای به جذب رطوبت و بخارآب شده است ازاینرو برای رفع این محدودیت، تحقیقات گستردهای انجامشده است که ازجمله آنها میتوان به اصلاح شیمیایی نشاسته، ایجاد اتصالات عرضی در زنجیرههای پلی ساکاریدی نشاسته، کامپوزیت کردن با سایر بیوپلیمرها - Motedayen, Khodaiyan, & Salehi, 2013 - ، و موسیلاژ صمغها اشاره کرد - . - Reddy & Yang, 2010
روشهای اصلاح نشاسته:
روشهای اصلاح کردن نشاسته شامل روشهای اصلاح ژنتیکی، آنزیمی و شیمیایی است که درروش اصلاح ژنتیکی نشاسته مورد دستورزی ژنتیکی قرار میگیرد و به دنبال آن نشاسته با میزان آمیلوز بالا تولید میشود - Jagannath, - Nanjappa, Das Gupta, & Bawa, 2003 .درروش آنزیمی برخی از قسمتهای نشاسته توسط آنزیمهای آمیلولیتیک به ترکیباتی با وزن مولکولی پائین تر مثل مالتودکسترین1یا دکسترین2 هیدرولیز میشود. اصلاح شیمیایی شامل ایجاد گروههای عاملی بر روی مولکولهای نشاسته است که درنتیجه آن تغییرات شگرفی در خصوصیات ساختاری آن مانند تغییر در رفتار ژلاتینه شدن، خمیری شدن و رتروگرداسیون رخ میدهد . - Choi & Kerr , 2003 -
استیلاسیون3
یکی از روشهای اصلاح شیمیایی نشاسته استیلاسیون هست که در این روش گروههای استیل - COCH3 - جایگزین گروههای هیدروکسیل - OH - نشاسته میشود و چون گروه های هیدروکسیلمعمولاً در سطح زنجیرههای نشاسته قرار دارند با مهار کردن آنها تا حدودی میتوان خصوصیات آبدوستی نشاسته را اصلاح کرد. طی پژوهشی که در مورد استیلاسیون نشاسته با استیک اسید و استیک آنهیدرید انجامشده است نتیجهگیری شد که اضافه کردن استیک اسید و سپس استیک آنهیدرید در حضور کاتالیزور متانوسولفونیک اسید موجب ایجاد تغییرات شیمیایی در نشاسته و جایگزین شدن گروه استیل بهجای گروه هیدروکسیل در این زنجیره شده است.
ازآنجاییکه گروه استیل نسبت به گروه هیدروکسیل دارای خاصیت آبگریزی بیشتر است با واکنش استیلاسیون تا حدودی میتوان زاویه تماس آب در نشاسته را افرایش داد. بررسی حاصل از این تحقیق بیانگر افزایش زاویه تماس از 43/1 به 68/2 درجه بوده است. - Chi - et al., 2008 در مطالعات اخیر بهعنوان استفاده از روشهای نوین در فرآوری مواد غذایی از روش ماکروویو جهت استیلاسیون نشاسته استفاده شد بهطوریکه نشاسته را در مقادیر مختلفی از استیک اسید و استیک آنهیدرید مخلوط کرده و محلول حاصل تحت تابش امواج الکترومغناطیسی ماکروویو قرارداده شد. در این حالت گروههای هیدروکسیل نشاسته تحت تأثیر واکنش بین حلال و همچنین امواج ماکروویو واقعشده و تغییراتی در ساختار شیمیایی نشاسته به وجود آمد . نتایج حاصل حاکی از آن است که نسبت 1:1 استیک اسید / استیک آنهیدرید بیشترین عملکرد را در اصلاح ویژگیهای نشاسته داشته است و با انجام این واکنش ، گروههای هیدروکسیل نشاسته کمتر شده که سبب
