SUPERVISOR
Mehdi Kadivar,Seyed Jalil Razavi najafabadi
مهدی کدیور (استاد راهنما) سیدجلیل رضوی نجف ابادی (استاد مشاور)
STUDENT
Zeinab Ghazanfarzadeh
زینب غضنفرزاده بلیل
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Isolation of Nanocrystalline Cellulose from Oat Husk in Order to Be Added to Whey Protein Biofilm for Improving Mechanical Properties
Nowadays, most materials used for food packaging are practically non-degradable, representing a serious global environmental concern. Accordingly, edible ?lms based on natural materials are receiving much attention as potential packaging materials, principally due to their biodegradability which is considered to be a promising solution to environmental impacts of synthetic polymer packaging .The production of biodegradable and edible ?lms from proteins can play an important role in food preservation by extending shelf life and improving quality of foods. However, biopolymer ?lms are limited in their ability to obtain wide commercial application due to disadvantages related to performance such as brittleness, poor moisture barrier and mechanical properties. Although plasticizers are generally added into ?lm-forming solutions to prevent ?lm brittleness still researchers are looking for other ways to solve the problem. In this case, cellulose ?bers with one nano/micro scale dimension might be attractive as reinforcing ?llers in polymeric matrices due to their stiffness and good mechanical properties with very high bending strength. To provide cellulose, oat which is an agriculture product and among the other cereals has more husks can be considered as a suitable source. Its husk is an agro-industrial byproduct in huge quantities with about 30-35% cellulose in their cell walls that does not use perfectly. The main goal of this study was the isolation and incoporation of nanocrystalline cellulose (NCC) prepared from oat husk to whey protein biofilm to improve its mechanical properties. In this regard, acid hydrolysis was used in order to isolate of nanocrystalline cellulose from the oat husk. In the first stage lignin and hemicellulose was removed using 1.4% acidified sodium chlorite (NaClO 2 ) and 5% potassium hydroxide (KOH). Later and to reach cellulose nanocrystalline, 65% sulfuric acid was also added during acid hydrolysis process. Composition of the materials obtianed after each stage of the treatments and morphological of NCC were monitored by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy ( SEM ) respectively. FTIR spectroscopy indicated the progressive removal of non-cellulosic components while SEM photos showed removal of amorphous regions and remainig crystallin regions, caused producing of NCC with a mean width of about 76 nm. Consequently, bionanocomposite film based on whey protein isolate and NCC in percentages of 2.5, 5 and 7.5(w/w) were prepared by casting sollution method and then the reinforcing effects of cellulose nanocrystalline on mechanical properties, water vapor permeability (WVP), thickness, traarency, surface color, moisture content and solubility on the film were studied. Results indicateed all of the composite were in good uniformity and were suitable for evelation mechanical and tensile properties. The films prepared of 5% NCC showed the highest tensile strenght and modulus of elasticity and the lowest elongation at break. Addition of NCC caused lower WVP that could decrease the WVP up to 36%. In terms of exterior characteristics, however, turbidity and total color difference (?E) were increased with increasing of NCC concentration. In total the result showed that isolation of NCC from the oat husk have positive effects on mechanical and barrier properties of whey isolated protein biofilm and help in improving its properties. Keywords: nanocrystalline cellulose, Oat husk, Whey protein Isolate, mechanical properties, Bionanocomposite
امروزه، اکثر مواد مورد استفاده برای بسته بندی مواد غذایی مواد زیست تخریب ناپذیرند که سبب ایجاد مشکلات محیطی جدی شده اند. بنابراین، فیلم های خوراکی بر پایه مواد طبیعی به دلیل زیست تخریب پذیر بودنشان که می تواند راه حل امیدوارکننده ای برای حل مشکلات محیطی ناشی از بسپارهای سنتزی باشد، توجه محققان را به خود جلب نموده است. تولید فیلم های زیست تخریب پذیر و خوراکی از پروتئین ها می تواند نقش مهمی در نگهداری مواد غذایی با توسعه زمان انبارداری و بهبود کیفیت مواد غذایی داشته باشد، اما تولید این فیلم ها از بسپارهای زیستی کاربردهای گسترده آن ها را به دلیل معایب در ارتباط با عملکرد آن ها از جمله شکنندگی، عدم ممانعت کنندگی قابل قبول در برابر بخار آب و ضعف در ویژگی های مکانیکی محدود می کند. شکنندکی این فیلم ها تا حدی با نرم کننده قابل جبران است اما برای ویژگی های مکانیکی و ممانعتی باید به دنبال راه حل های دیگر بود. در این زمینه، الیاف های سلولزی در ابعاد نانو ومیکرو به دلیل سختی و خصوصیات مکانیکی خوب، همراه با استحکام خمشی بالای خود می تواند به عنوان فیلرهای تقویت کننده در بستر پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. یولاف گیاهی است که در بین غلات نسبت به بقیه از درصد پوسته بیشتری برخوردار است و به عنوان ضایعات محصولات کشاورزی عملا مورد استفاده قرار نمی گیرد. پوسته یولاف تقریبا دارای حدود 30-35% سلولز در دیواره سلولی خود می باشد. بنابراین در این تحقیق سعی شد از این ضایعات کشاورزی استفاده مفیدی در جهت ارتقا کیفیت محصولات غذایی و بسته بندی صورت گیرد. لذا هدف از این پژوهش استخراج و افزودن نانو بلورهای سلولز پوسته یولاف به بیو فیلم پروتئین آب پنیر به منظور افزایش مقاومت مکانیکی آن بود. به همین منظور، از روش شیمیایی و هیدرولیز اسیدی جهت استخراج نانوبلورهای سلولز از پوسته یولاف استفاده شد. در ابتدا به منظور حذف لیگنین و همی سلولز و سیلیکا به ترتیب از محلول 4/1 % سدیم کلریت اسیدی شده و محلول 5% پتاسیم هیدروکسید استفاده شد. در ادامه جهت دستیابی به نانوبلورهای سلولز ازاسید سولفوریک 65% طی فرایند هیدرولیز اسیدی استفاده شد. روند استخراج سلولز با دستگاه طیف سنج مادون قرمز فوریه و مورفولوژی و اندازه قطر نانوبلورهای سلولز با میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرارگرفت. نتایج اسپکتروسکوپی روند حذف ترکیبات غیر سلولزی از پوسته یولاف را نشان داد. در ادامه فیلم های بیونانوکامپوزیتی بر پایه ایزوله پروتئین آب پنیر و نانوبلورهای سلولز با درصدهای(5/2، 5 و 5/7) به روش قالب ریزی محلول تهیه شدند و اثرات نانوبلورهای سلولز بر خصوصیات مکانیکی، نفوذپذیری نسبت به بخارآب، ضخامت، شفافیت، رنگ، محتوی رطوبت وانحلال پذیری فیلم ها مورد بررسی قرارگرفت. نتایج نشان داد همه فیلم ها از یکنواختی نسبتا خوبی برخوردار بودند و افزودن نانوبلورهای سلولز در مجموع سبب بهبود خواص مکانیکی و کششی کامپوزیت ها شده است که در این رابطه فیلم های تهیه شده از کامپوزیت 5% بالاترین استحکام کششی و مدول الاستیسیته و کمترین کشش پذیری را نشان دادند. افزودن نانوبلورهای سلولز سبب کاهش تراوایی فیلم ها به بخار آب شد که تا 36 درصد توانست نفوذپذیری به بخار آب را کاهش دهد. از نظر خصوصیات ظاهری کدورت و اختلاف رنگ کل فیلم ها با افزایش مقدار نانوبلور سلولز افزایش یافت. در مجموع، نتایج به دست آمده نشان می دهد که نانوبلورهای سلولز استخراجی از پوسته یولاف می تواند اثرات مثبتی بر خصوصیات مکانیکی و ممانعتی فیلم ایزوله پروتئین آب پنیر داشته باشد و به بهبود خواص آن کمک کند. واژه های کلیدی : نانوبلورهای سلولز، پوسته یولاف، ایزوله پروتئین آب پنیر، بیونانوکامپوزیت، خصوصیات مکانیکی