بهینه‌سازی و طراحی فیلم‌ بیوکامپوزیت خوراکی بر پایه پکتین پوست سیر تقویت شده با نانوفیبرهای سلولز باکتریایی: ارزیابی ویژگی‌های ساختاری، مکانیکی و تراوایی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و صنایع غذایی، دانشکده صنایع غذایی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان ایران

2 گرگان خیابان شهید بهشتی بعد از فلکه کریمی بهشت بیستم خوابگاه حضرت زینب

3 علوم و مهندسی صنایع غذایی،، دانشکده صنایع غذایی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گروه علوم و صنایع غذایی

چکیده

سابقه و هدف: هدف از این پژوهش، طراحی و توسعه یک فیلم بیوکامپوزیت خوراکی نوین بر پایه پکتین استخراج‌شده از پوست سیر(P) و تقویت‌شده با نانوفیبرهای سلولز باکتریایی (BC) بود. در این مطالعه، اثر متقابل نسبت‌های مختلف بیوپلیمری و غلظت‌های متفاوت نرم‌کننده گلیسرول بر ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی، مکانیکی، نوری و تراوایی نسبت به بخار آب فیلم‌های حاصل، با هدف دستیابی به فرمولاسیون بهینه برای بسته‌بندی فرآورده‌های گوشتی امولسیونی مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، پکتین از پوست سیر به روش اسیدی (HCl 1/0 مولار/ KCl ، 2 pH = ) و سپس افزودن اگزالات آمونیوم25/0 درصد (وزنی/حجمی) استخراج شد. سلولز باکتریایی نیز از اسکوبی کامبوچا استخراج و خالص‌سازی گردید. فیلم‌های بیوکامپوزیت با ترکیب نسبت‌های مختلف این دو بیوپلیمر(BC:P) (100:0 ، 25:75، 50:50، 75:25 و 0:100 ) و غلظت‌های متفاوت نرم‌کننده گلیسرول (۲۰ تا ۴۰ درصد) به روش قالب‌گیری تهیه شدند. در ادامه، ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی، تراوایی و ریزساختاری توسط FTIR و SEM نمونه‌ها ارزیابی و نتایج با استفاده از آنالیز واریانس دوطرفه و آزمون تعقیبی توکی مورد تحلیل آماری قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که ضخامت فیلم‌ها (09/0 تا 21/0 میلی‌متر) و محتوای رطوبت (20 تا 36 درصد) به‌طور معنی‌داری تحت تأثیر متقابل نسبت بیوپلیمرها و غلظت گلیسرول قرار دارند. افزایش محتوای سلولز باکتریایی به دلیل درجه تبلور بالا، منجر به کاهش چشمگیر حلالیت در آب (از 11/90 درصد در پکتین خالص به حدود ۳۳ درصد) و بهبود ویژگی‌ تراوایی نسبت به بخار آب گردید. کمترین میزان نفوذپذیری نسبت به بخار آب (WVP) در نمونه‌های غنی از BC ثبت شد. از منظر مکانیکی، افزودن BC منجر به افزایش مقاومت کششی (TS) تا ۳۲/۲۱ مگاپاسکال گردید، درحالیکه گلیسرول با نفوذ در شبکه پلیمری، ضمن کاهشTS، باعث بهبود انعطاف‌پذیری و افزایش ازدیاد طول (EB) شد. بررسی‌های نوری و رنگ‌سنجی نشان داد که حضور نانوفیبرها کدورت را افزایش می‌دهد (تا ۲۴/۵۵ درصد)، اما نفوذ نرم‌کننده با تعدیل ضریب شکست، شفافیت را بهبود می‌بخشد. آنالیز طیف‌سنجی مادون قرمز (FTIR) تشکیل پیوندهای هیدروژنی جدید میان BC و پکتین و ایجاد ساختار جعبه تخم‌مرغی را تایید کرد. همچنین، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) پدیده پرکنندگی حفرات و یکپارچگی فازی کامل را در نمونه منتخب (۷۵ درصد BC و ۲۵ درصد P) به تصویر کشید.
نتیجه‌گیری: در نهایت، فرمولاسیون حاوی ۷۵ درصد BC و ۲۵ درصد P و ۲۰ درصد گلیسرول به عنوان نمونه بهینه با خواص مکانیکی و تراوایی متوازن شناخته شد. این فیلم با دارا بودن استحکام کششی مناسب (۲۵/۱۷ مگاپاسکال) و نفوذپذیری پایین، نه تنها الزامات استاندارد ملی ایران را برآورده می‌کند، بلکه پتانسیل بالایی برای جایگزینی پلیمرهای مصنوعی در بسته‌بندی محصولاتی نظیر کالباس و حفظ کیفیت حسی آن‌ها داراست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization and Design of an Edible Biocomposite Film Based on Garlic Peel Pectin Reinforced with Bacterial Cellulose Nanofibers: Assessment of Structural, Mechanical, and Barrier Properties

نویسندگان [English]

  • Morteza Khomeiri 1
  • Atousa kokabian 2
  • Yahya Maghsoudlou 3
  • َAli Moayedi 4
  • Hoda Shahiri 4
1 Dept. of Food Science and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
2 PhD Student, Department of Food Science and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Department of Food Science and Technology, College of Food Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources.
4 Department of Food Science and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

Background and Objective: The objective of this study was to design and develop a novel edible biocomposite film based on pectin extracted from garlic peel (P) and reinforced with bacterial cellulose (BC) nanofibers. In this study, the interactive effects of various biopolymer ratios and different concentrations of glycerol (as a plasticizer) on the physicochemical, mechanical, optical, and water vapor permeability properties of the resulting films were evaluated, aiming to achieve an optimal formulation for packaging emulsion meat products.
Materials and Methods: In this research, Pectin was extracted from garlic peel using an acid extraction method (0.1 M HCl / KCl, pH = 2), followed by the addition of 0.25% (w/v) ammonium oxalate. Bacterial cellulose was also extracted and purified from Kombucha SCOBY. Biocomposite films were prepared via the solvent casting method by combining different ratios of these two biopolymers (BC: P) 75:25, 50:50, 25:75, and 0:100) and varying concentrations of glycerol plasticizer (20% to 40%). Subsequently, the physical, mechanical, barrier, and microstructural properties of the samples were evaluated utilizing FTIR and SEM. The data were statistically analyzed using a two-way analysis of variance (ANOVA) followed by Tukey's post-hoc test.
Results: The results indicated that film thickness (0.09 to 0.21 mm) and moisture content (20% to 36%) were significantly influenced by the interactive effect of the biopolymer ratio and glycerol concentration. Increasing the bacterial cellulose content, due to its high degree of crystallinity, led to a substantial decrease in water solubility (from 90.11% in pure pectin to approximately 33%) and improved the water vapor barrier properties. The lowest water vapor permeability (WVP) was recorded in BC-rich samples. From a mechanical perspective, the addition of BC increased the tensile strength (TS) up to 21.32 MPa. Conversely, the penetration of glycerol into the polymer network reduced TS while enhancing flexibility and increasing elongation at break (EB). Optical and colorimetric analyses revealed that the presence of nanofibers increased opacity (up to 55.24%), but the diffusion of the plasticizer improved transparency by modulating the refractive index. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the formation of new hydrogen bonds between BC and pectin, as well as the creation of an "egg-box" structure. Furthermore, scanning electron microscopy (SEM) images illustrated the pore-filling phenomenon and complete phase integration in the selected sample (75% BC and 25% P).
Conclusion: Ultimately, the formulation containing 75% BC, 25% P, and 20% glycerol was identified as the optimal sample, exhibiting balanced mechanical and barrier properties. With adequate tensile strength (17.25 MPa) and low permeability, this film not only meets the requirements of the Iranian National Standard but also demonstrates high potential to replace synthetic polymers in the packaging of products such as sausages, thereby preserving their sensory quality.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Garlic peel
  • pectin
  • Bacterial cellulose
  • Edible film
  • Assessment of properties