فیلم های مرکب بر پایه نانوسلولز دربسته‌ بندی مواد غذایی

چکیده
طی دهه اخیر، افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی مرتبط با استفاده از بسته‌بندی‌های بر پایه مشتقات نفتی منجر به انجام پژوهش‌های گسترده جهت یافتن مواد جایگزینِ بر پایه پلیمرهای زیستی طبیعی شده است. پلیمرهای زیستی معمولاً دارای خواص مکانیکی ضعیف و نفوذپذیری بالا در برابر بخار آب می‌باشند. با این‌حال، می‌توان با استفاده از نانو موادی مانند نانوسلولز تا حد زیادی بر این معایب غلبه نمود. برخی از مزایای استفاده از نانوسلولز شامل افزایش مدّت ماندگاری ماده غذایی، بهبود کیفیت محصول و عمل نمودن به عنوان حامل مواد فعال مانند آنتی‌اکسیدان‌ها و مواد ضدّ میکروبی می‌باشد. علاوه بر این، فیلم‌های مرکب بر پایه الیاف نانوسلولز دارای توانایی زیادی برای تهیه نانوکامپوزیت‌های ارزان قیمت، بسیار قوی و سبک وزن می‌باشند. بنابراین، هدف از این مطالعه معرفی کاربردهای بالقوه و مزایای استفاده از نانوکامپوزیت‌ها، به ویژه نانوسلولز، در زمینه بسته‎بندی مواد غذایی است.

واژه های كلیدی
بسته‌بندی، نانوکامپوزیت‌، نانوسلولز، پلیمر زیستی

1- مقدمه
هدف از بسته‌بندی مواد غذایی، حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی موجود در آن از زمان تولید تا زمان استفاده توسط مصرف‎کننده می‌باشد و علاوه بر فراهم ساختن امکان توزیع و نگهداری مؤثر ماده غذایی، یک نقش مهم بسته‎بندی، محافظت از محصول در برابر آسیب‌های فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی است. همچنین، بسته‎بندی باید در مورد محصول و محتویات بسته اطلاعاتی در اختیار مصرف‌کننده قرار دهد. علاوه بر این، بسته‌بندی دارای یک نقش ثانویه، برای مثال، کاهش آسیب و ضایعات برای توزیع‌کننده و مصرف‌کننده است و ذخیره‌سازی یا انبارداری، جابه‌جایی و سایر عملیات تجاری آن را نیز تسهیل می‌کند. بنابراین، با داشتن این نقش‌های مهم، بسته‌بندی تبدیل به سومین صنعت بزرگ در جهان شده است که حدود 2% از تولید ناخالص ملّی (GNP) در کشورهای توسعه یافته را شامل می‌شود قابل ذکر است که حدود 50 % از محصولات کشاورزی به دلیل عدم انجام بسته‌بندی از بین می‌روند. علل از بین رفتن این محصولات بسته‌بندی نشده، آب و هوای بد، فسادهای فیزیکی، شیمیایی و میکروبیولوژیکی می‌باشد.

چکیده
طی دهه اخیر، افزایش نگرانی های زیست¬محیطی مرتبط با استفاده از بسته¬بندی¬های بر پایه مشتقات نفتی منجر به انجام پژوهش¬های گسترده جهت یافتن مواد جایگزینِ بر پایه پلیمرهای زیستی طبیعی شده است. پلیمرهای زیستی معمولاً دارای خواص مکانیکی ضعیف و نفوذپذیری بالا در برابر بخار آب می¬باشند. با این¬حال، می¬توان با استفاده از نانو موادی مانند نانوسلولز تا حد زیادی بر این معایب غلبه نمود. برخی از مزایای استفاده از نانوسلولز شامل افزایش مدّت ماندگاری ماده غذایی، بهبود کیفیت محصول و عمل نمودن به عنوان حامل مواد فعال مانند آنتی¬اکسیدان¬ها و مواد ضدّ میکروبی می¬باشد. علاوه بر این، فیلم¬های مرکب بر پایه الیاف نانوسلولز دارای توانایی زیادی برای تهیه نانوکامپوزیت¬های ارزان قیمت، بسیار قوی و سبک وزن می¬باشند. بنابراین، هدف از این مطالعه معرفی کاربردهای بالقوه و مزایای استفاده از نانوکامپوزیت¬ها، به ویژه نانوسلولز، در زمینه بسته‎بندی مواد غذایی است.

واژه هاي كليدي
بسته¬بندی، نانوکامپوزیت¬، نانوسلولز، پلیمر زیستی

1- مقدمه
هدف از بسته¬بندی مواد غذایی، حفظ کیفیت و ایمنی مواد غذایی موجود در آن از زمان تولید تا زمان استفاده توسط مصرف‎کننده می¬باشد و علاوه بر فراهم ساختن امکان توزیع و نگهداری مؤثر ماده غذایی، یک نقش مهم بسته‎بندی، محافظت از محصول در برابر آسیب¬های فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی است. همچنین، بسته‎بندی باید در مورد محصول و محتویات بسته اطلاعاتی در اختیار مصرف¬کننده قرار دهد. علاوه بر این، بسته¬بندی دارای یک نقش ثانویه، برای مثال، کاهش آسیب و ضایعات برای توزیع¬کننده و مصرف¬کننده است و ذخیره¬سازی یا انبارداری، جابه¬جایی و سایر عملیات تجاری آن را نیز تسهیل می¬کند. بنابراین، با داشتن این نقش¬های مهم، بسته¬بندی تبدیل به سومین صنعت بزرگ در جهان شده است که حدود 2% از تولید ناخالص ملّی (GNP) در کشورهای توسعه یافته را شامل می¬شود قابل ذکر است که حدود 50 % از محصولات کشاورزی به دلیل عدم انجام بسته¬بندی از بین می¬روند. علل از بین رفتن این محصولات بسته¬بندی نشده، آب و هوای بد، فسادهای فیزیکی، شیمیایی و میکروبیولوژیکی می¬باشد.
پیشرفت در بسته¬بندی مواد غذایی در طول چند سال آینده بسیار مهم خواهد بود؛ عمدتاً به دلیل الگوها و سبک زندگی جدید و پرمشغله مصرف¬کنندگان، ایجاد تقاضا و رشد جمعیت جهان که تخمین زده می¬شود تا سال 2025 به 15 میلیارد برسد. شناخته¬شده¬ترین مواد بسته¬بندی که این معیارها را برآورده می¬کنند، مواد پلاستیکی(به ویژه مواد بر پایه پلی¬اتیلن) هستند که در صنایع غذایی بیش از 50 سال مورد استفاده قرار گرفته¬اند. این مواد ایمن، ارزان، متنوع و انعطاف¬پذیر هستند. با این حال، یکی از محدودیت¬ها برای استفاده از مواد پلاستیکی برای بسته‎بندی مواد غذایی، مسئله دور انداختن یا دفع آن¬ها می¬باشد که دارای قابلیت بازیافت بسیار کم هستند. اخیراً، تمام پلاستیک¬هایی که به طور گسترده در بخش¬های مختلف استفاده می¬شوند، از محصولات پتروشیمی تولید می‎شوند. با افزایش هزینه¬های نفت، نگرانی برای پیدا کردن روش¬های مقرون به صرفه برای تولید مواد بسته¬بندی به وجود می¬آید. علاوه بر مسائل زیست محیطی بالا، بسته¬بندی مواد غذایی تحت تأثیر تغییرات قابل ‎توجّه در توزیع مواد غذایی، از جمله تمایل مصرف¬کننده برای مواد غذایی تازه¬تر و راحت¬تر و همچنین میل برای مواد غذایی با کیفیت بهتر و ایمن¬تر قرار می¬گیرد. با توجّه به این موارد، مصرف¬کنندگان خواهان انواعی از مواد برای بسته¬بندی محصولات غذایی هستند که طبیعی¬تر، یکبار مصرف زیست¬تخریب¬پذیر و قابل بازیافت باشند.
این مقاله کاربردهای بالقوه و مزایای استفاده از نانوکامپوزیت، به ویژه نانوسلولز در زمینه بسته¬بندی مواد غذایی را مورد بحث قرار می¬دهد.

9- منابع
1. Khan, A., Huq, T., Khan, R. A., Riedl, B., Lacroix, M., 2014. “Nanocellulose-based composites and bioactive agents for food packaging”, Critical reviews in food science and nutrition, 54, 163-174.
2. Han, J. H., 2005. “Innovations in food packaging” (2nd ed.), San Diego, CA: Academic Press.
3. Villanueva, M. P., Cabedo, L., Feijoo, J. L., Lagaron, J. M., Gimenez, E., 2006. “Optimization of biodegradable nanocomposites based on a PLA/PCL blends for food packaging applications”. Macromolecular Symposia, 233, 191–197.
4. Chandra, R., Rustgi, R., 1998. “Biodegradable polymers”. Progress in polymer science, 23, 1273–1335.
5. Siro, I., Plackett, D., 2010. “Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: A review”. Cellulose, 17, 459–494.
6. Khan, A., Huq, T., Saha, M., Khan, R. A., Khan, M. A., 2010a. “Surface modification of calcium alginate fibers with silane and methyl methacrylate monomers”. Journal of reinforced plastics and composites, 29, 3125–3132.
7. John, M. J., Thomas, S., 2008. “Biofibres and biocomposites”. Carbohydrate polymers, 71, 343–364.
8. Bledzki, A. K., Gassan, J., 1999. “Composites reinforced with cellulose based fibres”. Progress in Polymer Science, 24, 221–274.
9. Darder, M., Aranda, P., Ruiz-Hitzky, E., 2007. “Bionanocomposites: A new concept of ecological, bioinspired, and functional hybrid materials”. Advanced materials, 19, 1309–1319.
10. Soykeabkaew, N., Arimoto, N., Nishino, T., Peijs, T., 2008. “All-cellulose composites by surface selective dissolution of aligned ligno-cellulosic fibres”. Composites science and technology, 68, 2201–2207.
11. Beck-Candanedo, S., Roman, M., Gray, D. G., 2005. “Effect of reaction conditions on the properties and behavior of wood cellulose nanocrystal suspensions”. Biomacromolecules, 6, 1048–1054.
12. Cao, X., Chen, Y., Chang, P. R., Muir, A. D., Falk, G., 2008. “Starch-based nanocomposites reinforced with flax cellulose nanocrystals”. Polymer Letters, 2, 502–510.
13. Dieter-Klemm, D., Schumann, D., Kramer, F., Hessler, N., Hornung, M., Schmauder, H. P., Marsch, S., 2006. “Nanocelluloses as innovative polymers in research and application”. Advances in polymer science, 205, 49–96.
14. Rhim, J. W., Hong, S. I., 2006. “Preparation and characterization of chitosan nanocomposite films with antimicrobial activity”. Journal of Agricultural and food chemistry, 54, 5814–5822.
15. Sorrentino, A., Gorrasi, G., 2007. “Potential perspectives of bio-nanocomposites for food packaging applications”. Trends in food science and technology, 18, 84–95.
16. Hitzky E. R., Darder, M., Pilar, A., 2005. “Functional biopolymer nanocomposites based on layered solids”. Journal of materials. 15, 3650–3662.
17. Strawhecker, K. E. and Manias, E., 2000. “Structure and properties of poly (vinyl alcohol)/Na+ montmorillonite nanocomposites”. Chemistry of materials, 12, 2943–2949.
18. Petersen, K., Nielsen, P. V., Bertelsen, G., Lawther, M., Olsen, M. B., Nilsson, N. H. and Mortensen, G., 1999. “Potential of bio-based materials for food packaging”. Trends in Food Science & Technology,10, 52–68.
19. Avella, M., Vlieger, J. J. D., Errico, M. E., Fischer, S., Vacca, P., Volpe, M. G., 2005. “Biodegradable starch/clay nanocomposite films for food packaging applications”. Food chemistry, 93, 467–474.
20. Ozdemir, M., Floros, J. D., 2004. “Active food packaging technologies”. Critical reviews in food science, 44,185–193.
21. Masa, S., Alloin, F., Dufresne, A., 2005. “Review of recent research into cellulosic whisker, their properties and their application in nanocomposite filed”. Biomacromolecules, 6, 612–626.
22. Klemm, D., Philipp, B., Heinze, T., Heinze, U. and Wagenknecht, W., 1998. “Comprehensive cellulose chemistry: fFunctionalization of cellulose”, Vol. 2, Ch. 4, Systematics of cellulose derivatization, p. 29. wiley–VCH verlag, weinheim, germany.
23. Tischer, P. C. S. F., Sierakowski, M. R., Westfahl, H. Jr., Cesar Augusto Tischer, C. A., 2011. “Nanostructural reorganization of bacterial cellulose by ultrasonic treatment”. Biomacromolecules, 11, 1217–1224.
24. Turbak, A. F., Snyder, F. W. and Sandberg, K. R., 1983. “Microfibrillated cellulose, a new cellulose product: properties, uses, and commercial potential”. Journal of applied polymer science. Applied polymer symposium, 37, 815–827.
25. Kumar, V., 2002. “Powdered/microfibrillated cellulose”, WO Pat. 2002022172.
26. Klemm, D., Schumann, D., Kramer, F., Heßler, N., Hornung, M., Schmauder, H-P., and Marsch, S., 2006. “Nanocelluloses as Innovative Polymers in Research and Application”. In: D. Klemm (Ed.), Polysaccharides II, vol. 205 (pp. 49-96): Springer Berlin Heidelberg.
27. Nakagaito, A. N., Yano, H., 2004. “The effect of morphological changes from pulp fiber towards nano-scale fibrillated cellulose on the mechanical properties of high-strength plant fiber based composites”. Applied physics A, 78, 547–552.
28. Lee, S.-Y., Mohan, D. J., Kang, I.-A., Doh, G.-H., Lee, S., Han, S. O., 2009. “Nanocellulose reinforced PVA composite films: effects of acid treatment and filler loading”. Fibers and Polymers, 10(1), 77-82.
29. Zimmermann, T., Pohler, E., Geiger, T., 2004. “Cellulose fibrils for polymer reinforcement”. Advanced engineering materials, 6, 754–761.
30. Khan, R. A., Salmieri, S., Dussault, D., Calderon, J. U., Kamal, M. R., Safrany, A., Lacroix, M., 2010c. “Production and properties of nanocellulose reinforced methylcellulose-based biodegradable films”. Journal of agricultural and food chemistry, 58, 7878–7885.
31. Dufresne, A., Dupeyre, D., Vignon, M. R., 2000. “Cellulose microfibrils from potato tuber cells: Processing and characterization of starch-cellulose microfibril composites”. Journal of applied polymer science, 76, 2080–2092.
32. Jebali, A., Hekmatimoghaddam, S., Behzadi, A., Rezapor, I., Mohammadi, B., Jasemizad, T., Yasini, S., Javadzadeh, M., Amiri, A., Soltani, M., Rezaei, Z., Sedighi, N., Seyfi, M., Rezaei, M., and Sayadi, M., 2013. “Antimicrobial activity of nanocellulose conjugated with allicin and lysozyme”. Cellulose, 20, 2897-2907.
33. Hansen, N. L., Blomfeldt, T. J., Hedenqvist, M., and Plackett, D., 2012. “Properties of plasticized composite films prepared from nanofibrillated cellulose and birch wood xylan”. Cellulose, 19, 2015-2031.
34. Dehnad, D., Mirzaei, H., Emam-Djomeh, Z., Jafari, S.-M., and Dadashi, S., 2014. “Thermal and antimicrobial properties of chitosan–nanocellulose films for extending shelf life of ground meat”. Carbohydrate Polymers, 109, 148-154.
35. Pitkänen, M., Kangas, H., Laitinen, O., Sneck, A., Lahtinen, P., Peresin, M., and Niinimäki, J., 2014. “Characteristics and safety of nano-sized cellulose fibrils”. Cellulose, 21, 3871-3886.
36. Pitkanen, M., Sneck, A., Hentze, H-P., Sievanen, J., Hiltunen, J., Hellen, E., Honkalampi, U., and von Wright, A., 2010. “Nanofibrillar cellulose-Assessment of cytotoxic and genotoxic properties in vitro”. In: Tappi International conference on nanotechnology for the forest products industry. Sept 27-29, 2010, Espoo, Finland.
37. Vartiainen, J., Pohler, T., Sirola, K., Pylkkanen, L., Alenius, H., Hokkinen, J., Tapper, U., Lahtinen, P., Kapanen, A., Putkisto, K., Hiekkataipale, P., Eronen, P., Ruokolainen, J., and Laukkanen, A., 2011. “Health and environmental safety aspects of friction grinding and spray drying of microfibrillated cellulose”. Cellulose 18, 775-786.
38. Moreira, S., Silva, NB., Almeida-Lima, J., Rocha, HAO., Medeiros, SRB., Alves, C., and Cama, FM., 2009. “BC nanofibers: in vitro study of genotoxicity and cell proliferation”. Toxicology Letters, 189, 235-241.
39. Alexandrescu, L., Syverud, K., Gatti, A., Chinga Carrasco, G., 2013. “Cytotoxicity test of cellulose nanofibril-based structures”. Cellulose, 20, 1765-1775.
40. Hua, K., Carlsson, D.O., Alander, E., Linstrom, T., Stromme, M., Mihranyan, A., and Ferraz, N., 2014. “Translational study between structure and biological response of nanocellulose from wood and green algae”. RSC Advances, 4, 2892-2903.
41. Forestcluster, Ltd., 2011. “Intelligent and resource-efficient production technologies”. Eff Tech programme. Programme report 2008-2010, pp 119-120.

آدرس نويسنده
آذربایجان شرقی، تبریز، بلوار 29 بهمن، دانشگاه تبریز، دانشکده کشاورزی، گروه علوم و صنايع غذايي.