سویا، اکسید، دی، تیتانیوم

. مهمترین خصوصیت این مواد بازدارندگی آنها از خروج گاز دی اکسید کربن از این نوشیدنیهاست. سیلیکات کلسیم نانو ساختار برای بسته بندی مواد غذایی فسادپذیر استفاده شدهاند. نانو ذرات سیلیکات کلسیم دارای ساختار متخلخل و خاصیت جذب رطوبت هستند. یکی از اکسیدهای معدنی ای که در سالهای اخیر بیش از پیش در دنیای نانو به ویژه در پوشش دهی منسوجات و تولید کرمهای ضد آفتاب و بسته بندی مورد استفاده قرار گرفته دی اکسید تیتانیوم است ( چامورن۳۴ و همکاران، ۲۰۰۸). این ماده در صنعت رنگ سازی کاربردهای فراوان دارد ولی ذرات کوچک نانو متری آن به دلیل داشتن خواص فوق العاده و منحصر به فرد موارد استفاده زیادی پیدا کرده اند. از این ماده در تصفیه، گندزدایی، رنگ زدایی، بوزدایی،ساخت سرامیک های ویژه، از بین بردن سلول های سرطانی، ساخت فتوکاتالیست ها، کاغذ سازی، تولد لوازم بهداشتی و آرایشی، تهیه پوششهای محافظ در مقابل اشعه ماوراء بنفش و ایجاد درخشندگی استفاده میشود. دی اکسید تیتانیوم در اندازه نانو متری یک فوتوکاتالیست ایده آل است که مهمترین دلیل وجود این خاصیت در این ماده قابلیت جذب اشعه فرابنفش است. فوتونهای فرابنفش بسیار پر انرژی هستند و در بیشتر موارد می توانند به سادگی باعث تخریب اجسام گردند. این پدیده معمولاً از طریق شکست پیوندهای شیمیایی در آنها صورت میگیرد. بنابراین دی اکسید تیتانیوم با جذب اشعه فرابنفش و به واسطه خاصیت فوتوکاتالیستی خود میتواند پوششی ضد باکتری روی سطوح ایجاد کند و هم چنین مانع از عبور اشعه گردد. واکنش فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم برای غیرفعالسازی طیف وسیعی از میکروارگانیسمها استفاده شده است. TiO2 غیر سمی میباشد و توسط اداره کل غذا و دارو امریکا (FDI) برای استفاده در غذای انسان، داروها، مواد در تماس با غذا و مواد آرایشی تأیید شده است. اثرات ضد باکتریایی و ضد قارچی دی اکسید تیتانیوم روی اشرشیا کلای، سالمونلا کلرئاسویس، ویبریو پاراهمولیتیکوس، لیستریا مونو سیتوژنز، سودو موناس آئروژنیوسا، استافیلوکوکوس اورئوس، دیاپورته اکتینیدیا، پنی سیلیوم اکسپنسوم گزارش شده است ( کیم۳۵ و همکاران، ۲۰۰۳ ؛ چو۳۶ و همکاران، ۲۰۰۴ ؛ مانرات۳۷ و همکاران، ۲۰۰۶ ؛ مانس۳۸ و همکاران، ۱۹۹۹).
تلفیق نانو ذرات فلزی دی اکسید تیتانیوم در فیلم ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین، موجب ایجاد نوعی بسته بندی فعال میگردد. بسته بندی فعال نوعی بسته بندی است که علاوه بر داشتن خواص بازدارندگی اصلی بسته بندی های معمول (مانند خواص بازدارندگی در برابر گازها، بخارآب و تنش های مکانیکی)، با تغییر شرایط بسته بندی، ایمنی، ماندگاری و یا ویژگیهای حسی ماده غذایی را بهبود میبخشد و در عین حال کیفیت ماده غذایی را حفظ میکند.

۱-۵- اهداف تحقیق
۱-۵-۱- هدف اصلی
هدف اصلی از این تحقیق تهیه فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین گاوی غنی شده با نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم می باشد. اثر این نانو ذرات بر خواص فیزیکوشیمیایی و نمودار تعادلی رطوبت فیلمهای تهیه شده از ژلاتین گاوی بررسی شده است. خاصیت جذب اشعه UV نانو ذرات TiO2 این نانو ذرات را گزینهای مناسب جهت تلفیق با فیلم ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین گاوی خصوصاً برای بسته بندی و نگهداری مواد غذایی حساس میسازد. همچنین با توجه به نقصان در جذب عنصر روی مواد غذایی توسط بدن و عوارض ناشی از کمبود آن، این فیلمها میتواند تا حدی در جبران این مشکل مؤثر باشند. ارزش تغذیه ای و زیست تخریب پذیر بودن و شکل پذیری خوب نشاسته و ژلاتین موجب اهمیت کاربرد آن در تهیه فیلمهای خوراکی جهت بسته بندی مواد غذایی و داروها میباشد.

۱-۵-۲- اهداف اختصاصی
بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر معادلات جذب تعادلی رطوبت فیلم ترکیبی ژلاتینی/SSPS
بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص مکانیکی فیلم ترکیبی ژلاتینی/SSPS
بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص فیزیکوشیمیایی فیلم ترکیبی ژلاتینی/SSPS

۱-۶- پرسشهای تحقیق
آیا دی اکسید تیتانیوم به صورت ذرات نانو میتواند میزان جذب آب را در پوششهای ترکیبی کاهش دهد؟
آیا ذرات نانو از جنس دی اکسید تیتانیوم باعث تغییر در پارامترهای معادله G.A.B میشوند؟
آیا ذرات نانو از جنس دی اکسید تیتانیوم بر خواص فیزیکوشیمیایی فیلمهای ترکیبی ژلاتینی/SSPS تاثیر دارند؟
آیا استفاده از نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص ضد میکروبی فیلمهای خوراکی فیلمهای ترکیبی ژلاتینی/SSPS تاثیردارد؟

۱-۷- محدودیتهای تحقیق
در این پژوهش حداکثر غلظت ترکیب نانو به عنوان یک محدود کننده مطرح میگردد. بیشتر از ۵% ترکیب نانو باعث هتروژن نمودن فیلم میشد.

۱-۸- نمودار روش تحقیق
شکل ۱-۱ نمودار فرآیند پژوهش را به صورت شماتیک نشان میدهد.

شکل ۱-۱: نمودار فرآیند پژوهشی

فصل دوم: مروری بر پژوهشهای پیشین

۲-۱- ترکیبات اساسی بایوکامپوزیت
۲-۱-۱- نشاسته
نشاسته یک جزء غذایی عمده است و یک کربوهیدرات تجزیه پذیر که از هزاران واحد گلوکز ساخته شده است. نشاسته در برگیرنده زنجیرههای خطی و شاخهدار مولکولهای گلوکز است که آمیلوز۳۹ و آمیلو پکتین۴۰ نامیده میشوند. آمیلوز که یک حالت خطی نشاسته است مسئول شکل گیری فیلمهای قوی است. پیوندهای فیزیکی در شبکه ماکرو مولکولی نشاسته بیشتر براساس آمیلوز هستند و بر خصوصیات مکانیکی فیلمها تاثیر میگذارند از سوی دیگر، ساختار شاخهدا
ر آمیلو پکتین عموماً باعث ایجاد فیلمهایی میشود که شکننده هستند ( فازیلا۴۱ و همکاران، ۲۰۱۱).
نشاسته در طبیعت به شکل نیمه کریستالی وجود دارد با این توضیح که شکل کریستالی آن منحصرا مربوط به بخش آمیلو پکتین و حالت آمورفی آن نمایانگر بخش آمیلوز میباشد (لویی۴۲ ،۲۰۰۳). نشاسته ترکیبی از دو پلیمر است آمیلوز، یک اتصال خطی (۴? ۱ ) از glucan – D – ? و آمیلوپکتین، یک مولکول پرشاخه که از شاخه های کوچک (۴ ? ۱ ) glucan – D – ? و پیوند ? (۶ ? ۱) در اتصالات تشکیل شده است. طول زنجیره آمیلوز حدود ۶۰۰۰ واحد D – گلوکو پیرانوز، با وزن مولکولی بین ۶۰۰۰۰۰ – ۱۵۰۰۰۰ دالتون است. آمیلو پکتین، بر عکس بسیار پر شاخه است به طور میانگین ۲۶- ۱۷ شاخه، با واحدهای D- گلوکوزیل جداشده از پیوندهای (۶ ? ۱ ) ? است. اندازهی مولکولی آمیلو پکتین بزرگتر از آن است که به طور دقیق مشخص شود ولی مطالعات پراکنش نور حدود ۱۰۶ D – گلوکوزیل در هر مولکول را نشان داد که آمیلو پکتین را یکی از بزرگترین ماکرو مولکولهای موجود در طبیعت میکنند. همهی نشاستهها از این دو ترکیب ساخته شدهاند. نسبت آنها در نمونههای نشاسته معمولا ۲۰ به ۸۰ آمیلوز به آمیلو پکتین است (یقبانی و محمدزاده، ۱۳۸۴ ؛ قنبرزاده و همکاران، ۱۳۸۸). نشاسته پلی ساکاریدی با دو پلیمر خطی آمیلوز و شاخه دار آمیلو پکتین میباشد. اغلب نشاستهها حاوی حدود ۲۵% آمیلوز و ۷۵% آمیلوپکتین میباشند. برای نشاسته با آمیلوز بالا به دلیل قدرت تشکیل ژل خوب و ساختار پلیمر خطی مارپیچ، یکی از مواد بسیار عالی و مفید برای تشکیل فیلم محسوب میگردد. (فورسل۴۳،۲۰۰۲)

شکل ۲- ۱: ساختمان شیمیایی نشاسته

نشاسته پلیمری از مولکولهای گلوکز است. این ماده در بافت های گیاهی به صورت دانه های جدا از هم یا گرانول وجود دارد که قطر آنها از۲ تا۱۰۰ میکرون متغیراست. گرانولها به لحاظ شکل ممکن است به صورتهای کروی، بیضی و یا چند وجهی باشند که با میکروسکوپ قابل بررسی هستند. این گرانولها اکثراً دارای یک مبدا مرکزی موسوم به هیلام میباشند که اغلب توسط حلقه های متحد المرکزی احاطه شده اند. مهم ترین منبع تهیه نشاسته، ذرت است اما نشاسته گندم، برنج، سیب زمینی، کاساوا و ساگو نیز تولید و به بازار عرضه میشود. در این میان بزرگ ترین گرانولها مربوط به سیب زمینی و کوچک ترین آنها متعلق به برنج است. نشاسته از دو قسمت یا دو نوع مولکول پلیمری تشکیل شده است. یک قسمت به صورت خطی و فاقد انشعاب موسوم به آمیلوز است و قسمت دیگر که دارای انشعاب میباشد آمیلو پکتین نام دارد (فاطمی، ۱۳۸۴).
نشاسته که به وفور در طبیعت یافت میشود، به دلیل قیمت پائین، قابلیت تجدید شوندگی و بازیافت زیستی، یکی از مواد خام جذاب و مورد علاقه برای استفاده در بسته بندیهای خوراکی محسوب میگردد. علاوه بر این حساسیت زا نبوده و به دلیل دارا بودن ویژگیهای مکانیکی و مقاومت در برابر نفوذ گازها، امکان به کارگیری و استفاده از آن در صنایع غذایی وجود دارد ( الماسی و همکاران، ۱۳۸۸ و جوانمرد و همکاران، ۱۳۸۵). نشاسته به دلیل ماهیت پلیمری قابلیت فیلم سازی دارد. به علاوه به دلیل قیمت مناسب و در دسترس بودن توجه زیادی به آن میشود ( بمیلر۴۴، ۲۰۰۹). یکی از معایب فیلم های نشاسته، مقاومت پایین آنها به رطوبت است (آهویناینن۴۵، ۲۰۰۳). برای حل این مشکل می توان از چربیها یا پلیمرهای زیست تخریب پذیر مقاوم به رطوبت استفاده کرد.(کاتر۴۶، ۲۰۰۶)
علاقه به استفاده از نشاسته به عنوان پر کننده به منظور زیست تخریب کردن در صنایع بسته بندی از سال ۱۹۷۰ آغاز شد، گریفین۴۷ اولین کسی بود که از نشاسته به عنوان پر کننده در پلاستیک های سنتتیک استفاده کرد، او محصولی با بیش از ۵۰% نشاسته بدست آورد که در آن از پلیمر سنتزی LDPE وTPS استفاده شد. این فیلم مانع عبور مایع بود اما در برابر گاز ها نفوذ پذیری داشت (گیلبرت۴۸،۲۰۰۰ ؛ مالی۴۹، ۲۰۰۵). نشاسته به دلیل ماهیت پلیمری قابلیت فیلم سازی را دارد (بمیلر، ۲۰۰۹).
نشاسته فیلمهای شفاف، نیمه شفاف، بی طعم و بی مزه و بیرنگ تولید میکند (میلارینن۵۰، ۲۰۰۲). نشاسته به دلیل فراوانی در طبیعت (دومین بایو پلیمر فراوان در طبیعت است)، ارزان بودن و قابلیت ترمو پلاستیک شدن به عنوان ماده بسته بندی مورد توجه زیادی قرار دارد. هرچند نشاسته به تنهایی، دارای معایبی مانند آبدوستی بالا و ویژگی مکانیکی ضعیف (شکنندگی) میباشد (قنبرزاده۵۱ و همکاران، ۲۰۰۷ ؛ جی.اچ.لی۵۲، ۲۰۰۹)
عموما پلاستی سایزرها برای فیلمهای خوراکی بر پایه نشاسته برای غلبه بر شکنندگی فیلم مورد استفاده قرار میگیرند. معمولا پلاستی سایزرهایی که برای فیلمهای نشاسته ای استفاده میشود سوربیتول و گلیسرول است .یکی از معایب عمده فیلم های نشاسته مقاومت پائین آنها به رطوبت است ( مالی، ۲۰۰۵).
فیلمهایی که بر پایه نشاسته تهیه میگردند نسبت به رطوبت نسبی محیط پیرامون حساس میباشند، به همین دلیل رطوبت نسبی محیط باعث تغییر ویژگیهای مکانیکی و مقاومت نسبت به نفوذ گاز ها میگردد ( شی۵۳، ۲۰۰۷).

۲-۱-۲- سویا
سویا یکی از بقولات است. نیام و دانه آن غذای میلیون‌ها نفر را فراهم می‌کنند و در تهیه مواد شیمیایی نقش عمده دارند. سویا احتمالاً حاصل اهلی‌سازی گیاهی وحشی در شرق آسیا است. روغن استخراج شده از دانه‌های سویا یکی از مهم‌ترین انواع روغنها است. این روغن حاوی اسید لینولئیک بسیار بالایی است و به همین دلیل از آن نمی‌توان برای تهیه روغن سرخ کردنی استفاده کرد. دانه سویا از لحاظ اسید آمینه میتونین نسبت به کنجد فقیر است اما از لحاظ اسید آمینه لیزین در سطح بالایی قرار دارد.
سویا بیش از سایر دانه‌ها به پروتئین حیوانی شباهت دارد. روغن سویا ?? درصد لینولئیک اسید و ?? درصد اسیداولئیک دارد. میزان پروتئین دانه سویا بسیار بیشتر از سایر دانه‌های روغنی است. ارقام زیر نشان دهنده تفاوت عمده سویا با سایر دانه‌های روغنی به لحاظ میزان روغن و پروتئین است. میزان پروتئین سویا??-?? درصد، کلزا??-?? درصد، آفتابگردان ??-?? درصد، گلرنگ ??-?? درصد، کنجد ??-?? درصد، بادام زمینی ??-?? درصد می‌باشد. وجود پروتئین زیاد سبب شده است که کنجاله روغن کشیده شده آن برای تغذیه انسان بسیار مناسب باشد.
از دیدگاه گیاه شناسی لوبیا روغنی با نام علمی Glycine max گیاهی است از تیره نخود) لگومینوز) که به صورت بوته‌ای استوار و با شاخ بر گ زیاد رشد می‌کند. ریشه سویا مستقیم و با انشعاب زیاد است اما در شرایط ایران ریشه در عمق ?? سانتی متر خاک پراکنده است. بر روی ریشه سویا نوعی باکتری همزیست Rhizobium japonicum مشاهده می‌شود. باکتری‌های ریزو بیوم، کربوهیدرات‌ها و سایر مواد غذایی را از آوند ابکشی گرفته و انرژی دریافتی را صرف تبدیل نیتروژن هوا به یون آمونیوم و در نهایت اسیدهای آمینه می‌کند. مقداری از نیتروژن تولید شده که مازاد مصرف باکتری است در اختیار گیاه قرار می‌گیرد و مقداری نیتروژن هم از تجزیه بافت گره‌های مرده (قطع در اثر پیری و رشد ثانویه ریشه) آزاد گردیده و در اختیار گیاه قرار می‌گیرد. سویا دارای دو فرم رشد محدود و نامحدود است. در گیاهان با فرم محدود گل‌ها در ابتدای گره‌های فوقانی به ظهور رسیده و به طرف پایین ادامه می‌یابد. در ارقام رشد نامحدود گل دهی در گره‌های پایینی آغاز گردیده و به طرف بالا پیش می‌رود. در سویا اشکال رشد نامحدود بزرگ ترین بر گ‌ها در وسط بوته قرار دارند و در بخش‌های بالایی و پایینی بوته از سطح برگ‌ها و طول دمبرگ کاسته می‌شود. در ارقام رشد محدود برگ‌ها ی قسمت انتهایی بوته دارای سطح برگ کمتر و دمبرگ کوتاهتر می‌باشند، ولی نزدیک شدن به طرف پایین بوته، سطح برگها و طول دمبر گ افزایش می‌یابد ( تاجیک۵۴ و همکاران، ۲۰۱۳).
با افزایش محبوبیت گیاه خواری در دهه ?۰ میلادی قرن بیستم و به اوج رسیدن آن در دهه ?۰، سویا توسط حامیان آن بعنوان “ماده غذایی سالم” معرفی گردید و از مزایای آن میتوان موارد زیر را برشمرد: منبعی ایده آل از پروتئین، کاهنده کلسترول، محافظت کننده در برابر سرطان، کاهنده علائم یائسگی و خطر ابتلا پوکی استخوان، تاثیر بر سطوح تستسترون در مردان به دلیل محتوای فیتواسترون، کمک به هضم غذا و حفظ سلامت روده و معده، جلوگیری از ابتلا به بیماری های قلبی، تقویت سیستم ایمنی بدن، حفظ سلامت پوست و مو بدلیل وجود ویتامین E، کاهش خطر ابتلا به سرطان پروستات و طاسی در مردان، تقویت استخوانها، منبع آنتی اکسیدان، پیشگیری از ابتلا به آلزایمر به شرط استفاده متعادل از سویا، کمک به بازسازی ماهیچه ها با مصرف یک مشت سویا در روز.

۲-۱-۳- پلی ساکارید محلول در سویا
به تازگی یک پلی ساکارید از مواد دیواره سلولی لپه سویا استخراج شده است. SSPSاز خانواده پکتین مانند از بیوپلیمر اسیدی استخراج شده از محصول فرعی کربوهیدرات باقی مانده از تولید پروتئین سویا جدا شده (SPI) تولید میشود. مزایای SSPS برای سلامتی انسان، پایین آوردن کلسترول خون، بهبود رخوت و کاهش خطر ابتلا به دیابت