| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,265 |
| تعداد مقالات | 36,080 |
| تعداد مشاهده مقاله | 55,214,898 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 94,205,142 |
روابط ساختار–خواص پکتین تقویت‌شده با نانوفیبریل‌های سلولزی برای فیلم‌های بایونانوکامپوزیتی پایدار | ||
| تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران | ||
| مقاله 7، دوره 41، شماره 2 - شماره پیاپی 95، تیر 1405، صفحه 167-184 اصل مقاله (914.35 K) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwpr.2026.371750.1823 | ||
| نویسندگان | ||
| سید مجید ذبیح زاده* 1؛ سیده مطهره محسنی شکتائی2؛ مریم قربانی کوکنده3؛ قاسم اسدپور1 | ||
| 1دانشیار، گروه چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| 2دانشجوی دکتری رشته صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| 3استاد، گروه چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: استفاده گسترده از پلیمرهای نفتی در صنعت بسته‌بندی به دلیل زیست‌تجزیه‌ناپذیری، موجب انباشت پسماند و آلودگی خاک و آب‌های سطحی و درنهایت تخریب اکوسیستم‌ها شده است. در این راستا، بیوپلیمرها به‌ویژه پکتین استخراج‌شده از پوست مرکبات به‌عنوان محصول جانبی کشاورزی، گزینه‌ای مناسب برای جایگزینی پلیمرهای سنتزی محسوب می‌شوند. استخراج پکتین با اسیدهای آلی مانند سیتریک اسید، به‌دلیل ایمنی، سازگاری زیست‌محیطی و کیفیت مناسب، رویکردی سبز و مطلوب است. بااین‌حال، فیلم‌های پکتین خالص معمولاً ازنظر خواص مکانیکی و ممانعتی محدودیت دارند. نانوفیبریل سلولز به دلیل مدول کشسانی بالا، مقاومت کششی مطلوب و زیست‌تجزیه‌پذیری، می‌تواند به‌عنوان تقویت‌کننده مؤثر در ماتریس پکتین به‌کار رود. هدف این پژوهش، ساخت و مشخصه‌یابی فیلم‌های بایونانوکامپوزیتی پکتینCNF/ با خواص بهبود‌یافته برای کاربردهای بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر است. مواد و روش‌ها: پکتین با درجه استری‌شدن 63/61% از پوست لیموترش با استفاده از سیتریک اسید استخراج شد و نانوفیبریل سلولز (CNF) از شرکت نانونوین پلیمر تهیه گردید. فیلم‌ها به روش ریخته‌گری محلول تولید شدند؛ بدین منظور پکتین در آب مقطر در دمای C°70 حل شد، سپس گلیسرول به‌عنوان نرم‌کننده افزوده و pH محلول روی 4 تنظیم گردید. همزمان،CNF در سطوح 1، 3 و 5 درصد (وزنی/وزنی) در آب پراکنده و به‌مدت 30 دقیقه با اولتراسوند پراکنده شد. پس‌ازآن، سوسپانسیون CNF به محلول پکتین افزوده و مخلوط به مدت 25 دقیقه همگن‌سازی شد. محلول‌ها پس از هواگیری در آون خلأ، در پتریدیش ریخته شدند و به‌مدت 48 ساعت در دسیکاتور حاوی محلول اشباع منیزیم نیترات (رطوبت نسبی 8/52 درصد در C25°) خشک شدند. خواص کششی، خواص نوری، ضخامت، نفوذپذیری بخار آب و جذب رطوبت فیلم‌ها اندازه‌گیری شد. فیلم‌های پکتین خالص و حاوی 5 درصد CNF برای آزمون‌های FTIR،XRD و SEM انتخاب شدند. تحلیل آماری داده‌ها با استفاده از نرم‌افزار SPSS انجام شد. نتایج: نتایج نشان داد افزودن نانوفیبریل سلولز (CNF) اثر معنی‌داری بر خواص فیلم‌های پکتینی دارد. مدول یانگ از 12/3 مگاپاسکال در فیلم پکتین خالص به 08/8 مگاپاسکال در فیلم حاوی 5 درصد CNF افزایش یافت. همچنین استحکام کششی از 42/1 به 60/2 مگاپاسکال و جذب انرژی کششی از 94/12 به 43/22 ژول ارتقا یافت که بیانگر بهبود همزمان سفتی، استحکام و چقرمگی سامانه است. نفوذپذیری بخار آب با افزودن 5 درصد CNFحدود 51 درصد کاهش یافت و از g/m.s.Pa10-11×54/4 به g/m.s.Pa 10-11×22/2 رسید؛ این مقدار ازنظر عملکرد ممانعتی با سلوفان قابل مقایسه است. جذب رطوبت نیز در غلظت 5 درصد CNFبه 35/25 درصد کاهش یافت. در مقابل، شفافیت فیلم‌ها با افزایش CNF از 26/98 درصد به 09/80 درصد کاهش یافت. نتایج FTIR تشکیل پیوندهای هیدروژنی قوی میان CNF و پکتین را تأیید کرد. الگوهایXRD افزایش 73 درصدی شدت پراش و بهبود درجه بلورینگی را نشان دادند. همچنین تصاویر SEM پراکندگی نسبتاً مناسب نانوفیبریل سلولز و سازگاری فازی مطلوب بین CNF و ماتریس پکتین را تأیید نمود. نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد فیلم بایونانوکامپوزیتی پکتین/نانوفیبریل سلولز ترکیبی مطلوب از خواص مکانیکی و ممانعتی را فراهم می‌کند. بهبود عملکرد این سامانه را می‌توان به شکل‌گیری پیوندهای هیدروژنی قوی بین ماتریس پکتین و CNF، افزایش درجه بلورینگی و ایجاد یک شبکه تقویت‌کننده سه‌بعدی نسبت داد. بر این اساس، فیلم پکتین/نانوفیبریل سلولز گزینه‌ای امیدبخش به‌عنوان جایگزین زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته‌بندی‌های پلاستیکی متداول بوده و می‌تواند در کاهش پیامدهای زیست‌محیطی پسماندهای بسته‌بندی، در چارچوب اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار، نقش مؤثری ایفا کند. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| واژه‌های کلیدی: پکتین؛ نانوفیبریل سلولز؛ بایونانوکامپوزیت؛ بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر؛ پوست لیمو ترش | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Structure–property relationships of pectin reinforced with cellulose nanofibrils for sustainable bionanocomposite films | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Sead Majid Zabihzadeh1؛ Seyedeh Motahareh Mohseni Shektai2؛ Maryam Ghorbani Kokandeh3؛ Ghasem Asadpur1 | ||
| 1Associate Professor, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran | ||
| 2PhD student, Cellulosic Industry, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran | ||
| 3Professor, Department of Wood and Cellulosic Products Engineering, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Mazandaran, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Background and Objective: The extensive use of petroleum-based polymers in the packaging industry and their non-biodegradable nature, has led to the accumulation of persistent waste, contamination of soil and surface waters, and ultimately the degradation of ecosystems. In this context, biopolymers - particularly pectin extracted from citrus peels as an agricultural by-product - have emerged as suitable alternatives to conventional synthetic polymers. The extraction of pectin using organic acids such as citric acid represents a green and sustainable approach, owing to its safety, environmental compatibility, and ability to produce materials of appropriate quality. However, films made from neat pectin generally exhibit limitations in mechanical strength and barrier performance. Cellulose nanofibrils, due to their high elastic modulus, favorable tensile strength, and biodegradability, can be effectively employed as reinforcing agents within pectin matrices. The aim of this study was to fabricate and characterize pectin/CNF bionanocomposite films with enhanced properties for biodegradable packaging applications. Methodology: Pectin with a degree of esterification of 61.63% was extracted from lemon peel using citric acid, and cellulose nanofibrils (CNF) were supplied by NanoNovin Polymer Co. Films were prepared using the solution casting method. Briefly, pectin was dissolved in distilled water at 70 °C, glycerol was then added as a plasticizer, and the pH of the solution was adjusted to 4. Simultaneously, CNF was dispersed in distilled water at concentrations of 1, 3, and 5% (w/w) and subjected to ultrasonication for 30 min to ensure uniform dispersion. The CNF suspension was subsequently added to the pectin solution, and the mixture was homogenized for 25 min. After degassing in a vacuum oven, the film-forming solutions were cast into Petri dishes and dried for 48 h in a desiccator containing a saturated magnesium nitrate solution (52.8% relative humidity at 25 °C). The tensile properties, optical properties, thickness, water vapor permeability, and moisture absorption of the films were evaluated. Neat pectin films and films containing 5% CNF were selected for Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM) analyses. Statistical analysis of the data was performed using SPSS software. Results: The results demonstrated that the incorporation of cellulose nanofibrils (CNF) had a significant effect on the properties of pectin-based films. The Young’s modulus increased from 3.12 MPa for the neat pectin film to 8.08 MPa for the film containing 5% CNF. Likewise, the tensile strength increased from 1.42 to 2.60 MPa, and the tensile energy absorption increased from 12.94 to 22.43 J, indicating a simultaneous improvement in stiffness, strength, and toughness of the system. The water vapor permeability decreased by approximately 51% upon the addition of 5% CNF, from 4.54 × 10⁻¹¹ to 2.22 × 10⁻¹¹ g/m·s·Pa, demonstrating a substantial enhancement in barrier performance comparable to that of cellophane. In addition, the moisture absorption of the films decreased to 25.35% at a CNF content of 5%. In contrast, increasing the CNF content resulted in a reduction in film transparency from 98.26% to 80.09%. FTIR analysis confirmed the formation of strong hydrogen bonds between CNF and the pectin matrix. XRD patterns revealed an approximately 73% increase in diffraction intensity, indicating an improvement in the degree of crystallinity. Furthermore, SEM micrographs confirmed the relatively uniform dispersion of cellulose nanofibrils and good interfacial compatibility between CNF and the pectin matrix. Conclusion: The findings of this study demonstrated that pectin/cellulose nanofibril bionanocomposite films provide a favorable combination of mechanical and barrier properties. The enhanced performance of this system can be attributed to the formation of strong hydrogen bonds between the pectin matrix and CNF, an increased degree of crystallinity, and the development of a three-dimensional reinforcing network. Accordingly, pectin/cellulose nanofibril films represent a promising biodegradable alternative to conventional plastic packaging materials and can contribute effectively to reducing the environmental impacts of packaging waste within the framework of the circular economy and sustainable development. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Keywords: Pectin, Cellulose nanofibrils, Bionanocomposite, Biodegradable packaging, Lime peel | ||
| مراجع | ||
|
-Alasalvar, H., Yildirim, Z. & Yildirim, M., 2023. Development and characterization of sustainable active pectin films: The role of choline chloride/glycerol-based natural deep eutectic solvent and lavender extracts. Heliyon, 9,75126. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e21756.
-Allian, M., Ramasaviny, B. & Emmambuk, M., 2020. Extraction, Characterization, and Application of Pectin from Tropical and Sub-Tropical Fruits: A Review. Food Reviews International, DOI: 10.1080/87559129.2020.1733008.
-ASTM E96/E96M-16. 2016. Standard test methods for water vapor transmission of materials. West Conshohocken: ASTM International.
-ASTM D882-12. 2012. Standard test method for tensile properties of thin plastic sheeting. West Conshohocken: ASTM International.
-Azeredo, H.M.C., Mattoso, L.H.C., Wood, D., Williams, T.G., Avena-Bustillos, R.J. & McHugh, T.H., 2009. Nanocomposite edible films from mango puree reinforced with cellulose nanofibers. Journal of Food Science, 74, N31–N35. https://doi.org/10.1111/ j.1750-3841 2009.01186.x.
-Azeredo, H.M.C., Miranda, K.W.E., Rosa, M.F., Nascimento, D.M. & De Moura, M.R., 2012. Edible films from alginate-acerola puree reinforced with cellulose whiskers. LWT-Food Science and Technology, 46, 294–297. https://doi.org/10.1016/j .lwt.2011.09.016.
-Azeredo, H.M.C., Morrugares-Carmona, R., Wellner, N., Cross, K., Bajka, B. & Waldron, K.W. 2016. Development of pectin films with pomegranate juice and citric acid. Food Chemistry, 198, 101–106. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.10.117.
-Azeredo, H.M.C., Rosa, M.F. & Mattoso, L.H.C., 2017. Nanocellulose in bio-based food packaging applications. Industrial Crops and Products, 97, 664-671. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.03.013.
-Azizah, F., Nursakti, H., Ningrum, A. & Supriyadi., 2023. Development of Edible Composite Film from Fish Gelatin–Pectin Incorporated with Lemongrass Essential Oil and Its Application in Chicken Meat. Polymers,15,2075. https://doi.org/10.3390/polym15092075.
-Bhatia, S., Harrasi, A., Shah, Y.A., Alrasbi, A.N.S., Jawad, M., Koca, E., Aydemir, L.Y., Alamoudi, J.A., Almoshari, Y. & Mohan, S., 2024. Structural, mechanical, barrier and antioxidant properties ofpectin and xanthan gum edible films loaded with grapefruit essential oil. Helyon, 10: e25501, https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25501.
-Biratu, G., Woldemariam, H.W. & Gonfa, G., 2024. Development of active edible films from coffee pulp pectin, propolis, and honey with improved mechanical, functional, antioxidant, and antimicrobial properties. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 8, 100557. https://doi.org/10.1016/j.carpta.2024.100557.
-Chalapud, M.C., Salgado-Cruz, Ma de., Baumler, E.R., Carelli, A.A., Morales- Sanchez, E., Calderon-Domínguez, G. & García-Hernandez, A.B., 2023. Study of the physical, chemical, and structural properties of low- and high-methoxyl pectin-based film matrices including Sunflower Waxes. Membranes, 13 (10), 846, https://doi.org/10.3390/ membranes13100846.
-Chaichi, M., Hashemi, M., Badii, F. & Mohammadi, A., 2017. Preparation and characterization of a novel bio nanocomposite edible film Based on pectin and crystalline nanocellulose. Carbohydrate Polymer, 157, 167–175. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016 .09.062.
-Chen, L., Wu, Y., Jiang, X., Gan, D., Fan, J., Sun, Y., Liu, W. & Li, X., 2023. Dietary fiber extraction from citrus peel pomace: Yield optimization and evaluation of its functionality, rheological behavior, and microstructure properties. Journal Food Science, 88,3507–3523. https://doi.org/10.1111/1750-3841. 16702.
-Chen, L., Wu, Y., Guo, Y., Yan, X. and Liu, W., 2024 Huang, S. Preparation and Characterization of Soluble Dietary Fiber Edible Packaging Films Reinforced by Nanocellulose from Navel Orange Peel Pomace. Polymers, 16,315. https://doi.org /10.3390 polym16030315.
-Chylińska, M., Szymańska-Chargot, M. & Zdunek, A., 2016. FT-IR and FT-Raman characterization of non-cellulosic polysaccharides fractions isolated from plant cell wall. Carbohydrate Polymer, 154, 48–54. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.07.121.
-Da Costa, M.P.M., de Mello Ferreira, I.L. & Macedo Cruz, M.T., 2016. New polyelectrolyte complex from pectin/chitosan and montmorillonite clay. Carbohydrate Polymer, 146, 123–130, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.03.025.
-El Miri, N., Abdelouahdi, K., Barakat, A., Zahouily, M., Fihri, A., Solhy, A. & El Achaby, M., 2015. Bio-nanocomposite films reinforced with cellulose nanocrystals: Rheology of film-forming solutions, transparency, water vapor barrier and tensile properties of films. Carbohydrate Polymer, 129, 156–167. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015. 04.051.
-Guo, H., Li, H., Huang, G., Jin, X., Xiao, Y., Gan, R.Y. & Gao, H., 2024. Development of apple pectin/soy protein isolate-based edible films containing punicalagin for strawberry preservation. International Journal of Biological Macromolecules, 1(273), 133111, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac. 2024.133111.
-Hossain, Md., Ara, R., Yasmin, F., Suchi, M. & Zaman, W., 2024. Microwave and ultrasound assisted extraction techniques with citric acid of pectin from Pomelo (Citrus maxima) peel. Measurement Food, https://doi.org/10.1016/ j.meafoo.2024.100135.
-Huang, J.Y. Liao, J.S., Qi, J.R., Jiang, W.X. & Yang, X.Q., 2020. Structural and physicochemical properties of pectin-rich dietary fiber prepared from citrus peel. Food Hydrocolloid, 110, 106140. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.106140.
-Kaynarca, G.B., Kamer, D.D.A., Yusel, E., Yilmaz, O.S., Henden, Y., Kaymaz, E. & Gumus, T., 2024. The potential of pectin-based films enriched with bioactive components for strawberry preservation: A sustainable and innovative coating. Scientia Horticulturae, 113294, https://doi.org/10.1016/j. scienta.2024.113294.
-Khalil, R.K., Sharaby, M.R. & Abdelrahim, D.S., 2023. Novel active edible food packaging films based entirely on citrus peel wastes. Food Hydrocolloid, 134, 107961. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2022. 107961.
-Manrich, A., Moreira, F.K.V., Otoni, C.G., Lorevice, M.V., Martins, M.A. & Mattoso, L.H.C., 2017. Hydrophobic edible films made up of tomato cutin and pectin. Carbohydrate Polymers, 164, 83-91. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.01.075.
-Mosayebi, V. & Emam, Djomeh, Z., 2017. Optimization of ultrasound assisted extraction of pectin from black mulberry (Morus nigra.L) pomace. Iranian Food Science and Technology Research Journal, 13 (4): No. 594-610. https://doi.org/10.22067/ifstrj.v1395i0. 50466.
-Nechyporchuk, O., Belgacem, M. & Bras, J., 2016. Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances. Industrial Crops and Products, 93, 2-25 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.02.016.
-Nisar, T., Wang, Z., Yang, X., Tian, Y., Iqbal, M. & Guo, Y., 2017. Characterization of citrus pectin films integrated with clove bud essential oil: physical, thermal, barrier, antioxidant and antibacterial properties. International Journal of Biological Macromolecules, https://doi.org/10.1016 /j.ijbiomac.2017.08.068.
-Oliveira, T.I.S., Rosa, M.F., Cavalcante, F.L., Pereira, P.H.F., Moates, G.K., Wellner, N., Mazzetto, S.E., Waldron, K.W. & Azeredo, H.M.C., 2016. Optimization of pectin extraction from banana peels with citric acid by using response surface methodology. Food Chemistry, 198, 113-118. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.08.080.
-Otoni, C.G., de Moura, M.R., Aouada, F.A., Camilloto, G.P., Cruz, R.S., Lorevice, M.V., Soares, N.F.F. & Mattoso, L.H.C., 2014. Antimicrobial and physical-mechanical properties of pectin/papaya puree/cinnamaldehyde nano emulsion edible composite films. Food Hydrocolloids, 41, 188–194. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.04.013.
-Qin, Ch., Yang, G., Zhu, Ch. & Wey, M., 2022. Characterization of edible film fabricated with HG-type hawthorn pectin gained using different extraction methods. Carbohydrate Polymer, 285,119270. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022. 119270.
-Viana, R.M., Sa, N.M.S.M., Barros, M.O., Borges, M.F. & Azeredo, H.M.C., 2018. Nano fibrillated bacterial cellulose and pectin edible films added with fruit purees. Carbohydrate Polymers. https://doi.org/ 10.1016/ j.carbpol.2018.05.017.
-Wang, J., Li, L., Li, Y., Song, Q., Hu, Y., Yong, Q. and Lu. S., 2025. Characterization of thyme essential oil microcapsules and potato starch/pectin composite films and their impact on the quality of chilled mutton. Food Chemistry, 2(464):141692. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141692.
-Younis, G.R. and Zhao, G., 2019. Physicochemical properties of the edible films from the blends of high methoxyl apple pectin and chitosan. International Journal of Biological Macromolecules, 131: 1057-1066.http://www.elsevier.com/locate/ijbiomac
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 373 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 208 |
||