منابع و ماخذ پایان نامه بازدارندگی، نفوذپذیری، رطوبت نسبی

محصولات حاصل از قالب‌گیری تزریقی مانند قاشق، چنگال و قوطی‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
برای اینکه نشاسته با پلیمرهای سنتزی موجود قابل رقابت باشد باید همانند آنها با خطوط تولید رایج قابل فرآیند باشد و همچنین خواص مکانیکی و بازدارندگی محصول نهایی شبیه محصولات شاخه شده از پلیمرهای نفتی موجود باشد. ولی به سه دلیل زیر نشاسته نمی‌تواند چنین خواصی را از خود نشان دهد:
1) آن بسیار آبدوست است.
2) بخش عمده نشاسته از آمیلوپکتین تشکیل شده است که پلیمری انشعابی است و این موجب کاهش قابلیت کشش‌پذیری و تضعیف خواص مکانیکی می‌شود.
3) مولکول آمیلوپکتین و آمیلوز تمایل به کریستالیزاسیون مجدد (رتروگراداسیون) دارند که در اثر تشکیل پیوندهای هیدروژنی زیاد بین زنجیرهای پلیمر رخ می‌دهد. رتروگراداسیون باعث تضعیف شدید خواص مکانیکی می‌شود.
تغییر پیکربندی ساختار پلیمر، افزایش نسبت بخش خطی پلیمر به بخش انشعابی و افزایش طول زنجیرهای پلیمر که موجب گیر‌افتادن بیشتر زنجیرها می‌شود، می‌تواند خواص مکانیکی پلیمر نشاسته را بهبود دهد. اگرچه استفاده از نشاسته‌های با آمیلوز بالا، می‌تواند تا حدی مشکل اول را حل نماید ولی رتروگراداسیون سریع آمیلوز همچنان به عنوان یک مشکل باقی خواهد ماند. اصلاحات شیمیایی بر روی نشاسته که بتواند موجب تغییرات مطلوب در ساختار نشاسته گردد، می‌تواند موجب بهبود هرچه بیشتر خواص پلیمری نشاسته گردد. استریفیکاسیون نشاسته با اسیدهای کربوکسیلیک (مانند اسید مالیک، سوکسینیک و تارتاریک) می‌تواند موجب بهبود آبگریزی و خواص ترموپلاستیک و کاهش سرعت رتروگراداسیون شود. همچنین افزودن انواع لیپیدها و موم‌ها می تواند خواص آبگریزی نشاسته را بهبود دهد.
3-8- تولید فیلم نشاسته
فیلم نشاسته توسط دو روش زیر قابل تولید است:
روش کاستینگ
روش ترموپلاستیک (اکستروژن دمشی یا غلطکی)
الف) روش کاستینگ (روش حلال): همانطور که گفته شد، نشاسته در حالت طبیعی داخل گرانول‌هایی مجزا از هم می‌باشد. بنابراین برای اینکه بیوپلیمرهای آمیلوز و آمیلوپکتین قابلیت پلیمریزاسیون و تشکیل فیلم پیدا کنند، لازم است که این ماکرومولکول‌ها از داخل گرانول‌ها آزاد گردد. برای این منظور، بایستی نشاسته ژلاتینه شود. در واقع، در فرآیند ژلاتینه‌شدن، گرانول‌های نشاسته در حضور آب متلاشی شده و زنجیرهای آمیلوز و آمیلوپکتین از داخل آنها آزاد می‌گردد. گرانول‌های نیمه کریستالی نشاسته در دمای اتاق نسبت به انحلال در آب از خود مقاومت نشان می‌دهند. هنگامی که دیسپرسیون نشاسته در آب حرارت داده می‌شود و سپس سرد می‌شود، بسته به دما و زمان حرارت دهی چهار مرحله زیر تشخیص داده می‌شود:
ژلاتینه‌شدن، خمیری‌شدن، ترکیدن گرانول ها و رتروگراداسیون، که در شکل 3-1 نشان داده شده است.
شکل 3-1: تغییرات قوام دیسپرسیون نشاسته‌های مختلف در طی حرارت دادن و سرد کردن
1) ژلاتینه‌شدن: گرانول‌های نشاسته در آب سرد نامحلول می‌باشند و آب کمی جذب می‌کنند. حرارت دادن مخلوط گرانول‌ها و آب، موجب شکسته‌شدن پیوندهای هیدروژنی نشاسته- نشاسته و ایجاد پیوندهای نشاسته- آب در دمای ژلاتینیزاسیون می‌شود و در نتیجه آبگیری تسریع می‌یابد و آب به داخل گرانول‌ها نفوذ می‌کند و موجب تورم برگشت‌پذیر گرانول‌ها می‌شود (قابلیت برگشت با سرد کردن و خشک کردن). در مرحله ژلاتینه شدن افزایش ویسکوزیته محلول ناچیز است ولی افزایش آبگیری نشاسته را می‌توان از روی کاهش شکست دوگانه‌ی نور زیر میکروسکوپ نوری پلاریزه تشخیص داد. کریستالی بودن ساختار میسل‌های نشاسته موجب شکست دوگانه نور49 می‌شود. جذب آب موجب تبدیل شکل کریستالی به آمورف و کاهش شکست دوگانه نور می‌شود.
2) خمیری شدن50: گذشت زمان و افزایش دمای سوسپانسیون نشاسته موجب افزایش آبگیری و تورم برگشت‌ناپذیر گرانول‌ها در دمای خمیری‌شدن و افزایش یکباره‌ی ویسکوزیته می‌گردد. در مرحله‌ی خمیری‌شدن، بخشی از مولکول‌های نشاسته (به ویژه آمیلوز) از داخل گرانول‌ها به فضای بین گرانول‌ها وارد می‌شود و ماتریکس بین گرانولی تشکیل می‌دهد که این ماتریکس باعث افزایش شدید ویسکوزیته می‌شود. (گفتنی است که دو مرحله‌ی ژلاتینیزاسیون و خمیری شدن در برخی کتاب‌ها به عنوان مراحل ابتدایی و انتهایی ژلاتینیزاسیون معرفی می‌شوند). هر چقدر اندازه‌ی گرانول‌ها بزرگتر باشد زمان و دمای ژلاتینه شدن و خمیری‌شدن پایین‌تر خواهد بود. گرانول‌های بزرگتر، پیک ویسکوزیته‌ی بالاتری را ایجاد می‌کنند. برای مثال سیب‌زمینی دارای دمای ژلاتینه‌شدن و خمیری‌شدن کمتر و ویسکوزیته‌ی بالاتری نسبت به نشاسته‌ی غلات می‌باشد. همچنین، هر چقدر نسبت آمیلوز کمتر باشد دمای ژلاتینه و خمیری شدن کمتر خواهد بود. شکل 3-2 تغییرات گرانول های نشاسته را در طول ژلاتیته‌شدن (وخمیری شدن) را نشان می‌دهد(قنبرزاده و همکاران، 1388).
3) ترکیدن گرانول‌هاک ادامه حرارت دهی و آبگیری موجب ترکیدن گرانول‌ها و کاهش ویسکوزیته می‌شود. به هم زدن دیسپرسیون (اعمال برش) و پایین بودن pH موجب ترکیدن سریعتر می‌گردد.
4) رتروگراداسیون نشاسته: سرد کردن دیسپرسیون نشاسته در آب موجب پیوندهای هیدروژنی نشاسته- نشاسته و کاهش پیوندهای هیدروژنی آب- نشاسته می‌گردد. خطی بودن زنجیرهای آمیلوز موجب ممانعت فضایی کمتر، تحرک و نزدیک‌شدن بیشتر زنجیرها و تشکیل سریعتر پیوندهای هیدروژنی نسبت به زنجیرهای آمیلوپکتین می‌شود. اگر محلول نشاسته، غلیظ و سرعت سرد کردن بالا باشد پیوندهای هیدروژنی در نقاط محدود تشکیل می‌شوند و آب را گیر انداخته و شبکه ژلی تشکیل می‌دهند (رتروگراده نمی‌شوند). رقیق بودن محلول نشاسته و یا سرد کردن آرام محلول غلیظ نشاسته، موجب تشکیل پیوندهای هیدروژنی در نقاط زیاد و در نتیجه تبدیل شکل آمورف به شکل کریستالی می‌شود (رتروگراداسیون). نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین بالاتر موجب رتروگراداسیون سریعتر می‌شود. برای مثال نشاسته سیب‌‌زمینی دیرتر از نشاسته گندم رتروگراده می‌گردد.
با توجه به توضیحات فوق، حرارت دادن، مرحله اساسی در تولید فیلم نشاسته محسوب می‌شود. در روش کاستینگ پس از تهیه محلول تشکیل دهنده‌ی فیلم (5-1 درصد W/W نشاسته در آب)، آن را تا بالای دمای ژلاتینه‌شدن حرارت می‌دهند (معمولا 90درجه‌سانتی گراد به مدت 30 دقیقه). سپس آن را خنک می‌کنند و بر روی سطح نچسب تفلونی پخش می‌کنند. با خشک کردن در دمای حدود 60 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت فیلمی یکنواخت تولید می‌شود که می توان به راحتی آن را از سطح جدا کرد (مایلارینن و همکاران، 2002).
نشاسته در عدم حضور نرم کننده فیلمی بسیار سخت و شکننده تولید می‌کند. بنابراین استفاده از نرم کننده در تولید فیلم نشاسته امری ضروری است. رایج ترین نرم‌کننده مورد استفاده در تولید فیلم‌های نشاسته‌ای گلیسرول است. با افزودن گلیسرول خواص مکانیکی فیلم نشاسته تا حدود زیادی اصلاح می‌شود. امّا خواص بازدارندگی فیلم نشاسته با افزودن نرم‌کننده دچار تغییر شده و تا حدود زیادی تضعیف می‌شود.
شکل 3-2: فرایند ژلاتینه شدن نشاسته (1) گرانول‌های طبیعی نشاسته متشکل از آمیلوز (خطی) و آمیلوپکتین (انشعابی)، (2) کاهش حالت کریستالی، گسستن هلیکس‌ها و تورم برگشت‌پذیر گرانول‌ها در اثر افزودن آب، (3) تورم برگشت ناپذیر و خروج آمیلوز گرانول‌ها در اثر افزایش میزان آب و حرارت دادن، (4) تخریب کامل گرانول‌ها و محصور شدن رشته‌های آمیلوپکتین در بین زنجیرهای آمیلوز در اثر افزایش بیشتر دما.
ب) روش ترموپلاستیک: در این روش، نشاسته در عدم حضور آب (یا مقادیر پایین آب) و در حضور نرم‌کننده‌های غیر فرّار (عمدتاً گلیسرول)، در داخل اکسترودر و تحت فرآیندهای مکانیکی و حرارتی به نشاسته‌ی ترموپلاستیک تبدیل می‌شود که قابلیت شکل‌پذیری توسط حرارت را دارد و می‌توان از آن در تولید انواع مواد بسته بندی از جمله فیلم‌ها استفاده کرد. در واقع در این روش برای ژلاتینه‌شدن نشاسته از حرارت و تنش‌های مکانیکی استفاده می‌شود. فیلم‌های حاصل از روش ترموپلاستیک خواص مکانیکی بهتری از فیلم‌های حاصل از روش کاستینگ خواهد داشت. وقتی در روش کاستینگ، از آب به عنوان نرم کننده فیلم نشاسته‌ای استفاده می‌شود، پس از تبخیر آب امکان تشکیل پیوندهای هیدروژنی بیشتری بین زنجیرهای نشاسته ایجاد شده و در نتیجه فیلم حاصل بسیار سخت و شکننده و فاقد ویژگی برگشت‌پذیری حرارتی خواهد بود. امّا وقتی از نرم کننده‌های غیر فرّار نظیر گلیسرول استفاده شود تداخل مولکول‌های نرم‌کننده در بین زنجیرهای پلیمر باعث کاهش تعداد و شدت برهمکنش‌ها بین زنجیرهای نشاسته می‌شود و ماده‌ای که حاصل می‌گردد دارای ویژگی برگشت پذیری حرارتی خواهد بود و به همین دلیل به آن نشاسته ترموپلاستیک اطلاق می‌شود.
نکته مهمی که در تولید فیلم نشاسته بایستی مورد توجه قرار گیرد این است که قابلیت فیلم‌سازی نشاسته به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد و مهمترین عامل، نسبت آمیلوز به آمیلوپکتین است. بالا بودن آمیلوز در نشاسته به تولید فیلمی مقاوم‌تر می‌انجامد. اما نشاسته‌ای که آمیلوپکتین زیادی داشته باشد فیلمی با خواص کاربردی ضعیف تولید می‌کند (قنبرزاده و همکاران، 1388).
3-9- خواص کاربردی فیلم‌ نشاسته‌‌ی سیب‌زمینی
بازدارندگی ضعیف نسبت به بخار آب از عیب‌های اساسی فیلم‌های نشاسته‌ای به حساب می‌آید. به علت ماهیّت آبدوست نشاسته، فیلم‌های حاصل از آن نفوذ‌پذیری بالایی نسبت به بخار آب دارند (برتوزی و همکاران، 2007). این حساسیت نسبت به رطوبت باعث ایجاد تغییر در خواص کاربردی فیلم نشاسته در شرایط محیطی مختلف شده و در نتیجه کاربرد فیلم‌های نشاسته‌ای در شرایط مختلف (به ویژه در رطوبت‌های نسبی بالاتر) را محدود می‌سازد.
ترکیب شیمیایی نشاسته، فرمولاسیون (به ویژه میزان نرم‌کننده)، شرایط تولید فیلم و شرایط محیطی (به ویژه رطوبت نسبی) از جمله عواملی هستند که WVP51 فیلم نشاسته را تحت تأثیر قرار می‌دهند. نوع نشاسته مورد استفاده در تهیه فیلم تأثیر به سزایی بر روی WVP فیلم نهایی دارد.
بهترین روش برای بهبود خواص بازدارندگی فیلم نشاسته، ایجاد تغییر در نشاسته و یا اصلاح آن است. تولید فیلم از نشاسته اصلاح شده باعث کاهش نفوذپذیری آن نسبت به بخار آب و اکسیژن می‌شود. به عنوان مثال جانهید و همکاران (2007) خواص بازدارندگی فیلم‌های حاصل از نشاسته طبیعی سیب‌زمینی و نشاسته اصلاح‌شده به دو روش مختلف را مورد مقایسه قرار دادند.
برای این کار از دو نوع نشاسته‌ی اصلاح‌شده استفاده شد: نشاسته آبگریز (با استفاده از انهیدرید سوکسینیک) و هیدروکسی پروپیل نشاسته. همانطور که در جدول 3-1 مشاهده می‌شود با اصلاح نشاسته نفوذپذیری نسبت به اکسیژن و بخار آب کاهش می‌یابد. کمترین WVP مربوط به فیلم حاصل از نشاسته آبگریز است.
از دیگر روش‌های افزایش بازدارندگی فیلم می‌توان به روش‌های زیر اشاره نمود:
افزایش قسمت‌های آمیلوز نسبت به آمیلو پکتین
اختلاط با سایر بیوپلیمرها لیپیدها و پروتئین‌ها تا حدودی دارای خاصیت آبگریزی هستند و قادرندWVP فیلم نشاسته را کاهش دهند.
افزایش پیوندهای دی‌سولفیدی مثلاً با افزودن کازئین
نفوذ‌پذیری نسبت به گاز و ترکیبات فرّار آروما در فیلم‌های پلی‌ساکاریدی تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد: نسبت نواحی کریستالی به نواحی آمورف، میزان تحرک زنجیرهای پلیمری و میزان بر همکنش‌ها بین گروه‌های عملگرای پلیمر و مولکول‌های گاز و ترکیبات فرّار در نواحی آمورف.
فیلم‌های نشاسته‌ای به دلیل وجود تراکم و فشردگی بالا بین زنجیرها، وجود مقدار زیاد پیوندهای هیدروژنی، وجود حالت نیمه کریستالی، بازدارندگی

مطلب مشابه :  مقاله با موضوعبهره بردار

Author: admin3

دیدگاهتان را بنویسید