۳-۱- مواد

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم، نشاسته کاساوا و پودر پلی ساکارید سویا محلول در آب ( SSPS)، از شرکت سیگما خریداری شد ( پنانگ مالزی^[۱۰۰] ). گلیسرول و سوربیتول مایع و نیترات منیزیم برای کنترل رطوبت نسبی از آلدریچ سیگما^[۱۰۱] خریداری شد. محیط کشت مولر هینتون آگار^[۱۰۲] و محیط کشت نوترینت براث^[۱۰۳] (مرک آلمان)، هود میکروبی (Beasat)، انکوباتور شرکت پارس طب نوین، سویه­­ استاندارد میکروبی (۱۳۳۳۰ PTCC / ATCC 8739 ) اشرشیا کولی^[۱۰۴] ، از آزمایشگاه مرکزی سازمان پژوهش­های علمی و صنعتی خریداری شد. سایر مواد مورد استفاده از نوع آزمایشگاهی بوده است.

شکل ۳- ۱: تصویر ESEM نانو دی اکسید تیتانیوم

۳-۲ روش تهیه فیلم­های نانوبایوکامپوزیتی

محلول نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم با غلظت ۱، ۳ و ۵% (وزنی/وزنی) پراکنده شدند و در ۶۰ درجه سانتیگراد با تکان دادن مداوم برای ۱ ساعت گرما داده شد و سپس برای ۲۴ ساعت بدون حرارت بر روی شیکر قرارداده شد تا محلول هموژن تولید شود. جهت اطمینان از همگن شدن محلول­های نانو به مدت یک ساعت محلول­ها در حمام اولتراسونیک یکنواخت شدند. ۴/۰ گرم پلی ساکارید SSPS و ۶/۳ گرم نشاسته کاساوا، طبق روش کاستینگ و با اضافه ­کردن نسبت ۳ به ۱ از سوربیتول-گلیسرول۴۰% (w/w ازنشاسته) با هم ترکیب شده به عنوان پلاستی­سایزر اضافه شد. انتخاب این نرم کننده­ها بر اساس پایداری بالاترین حرارت که در آزمایش پیشین از آن گرفته شد مبتنی بود (الماسی^[۱۰۵] و همکاران، ۲۰۰۹). این دیسپرسیون تا ℃۸۵ حرارت داده­ شد و سپس برای کامل کردن ژلاتیناسیون به مدت یک ساعت در این دما نگهداری شد. سپس محلول تا دمای ۳۰ درجه سانتی ­گراد سرد شد. مقدار ۹۰ گرم از دیسپرسیون در پلیت­ها ریخته شدند. این فیلم­ها در دمای محیط خشک شدند. فیلم­های خشک شده از سطح پلیت­ها جدا شدند و در ۲ ۲۳ درجه سانتی ­گراد و با رطوبت نسبی (RH) 5 50 درصد داخل دسیکاتور نگه داری شدند تا اینکه آزمایش شوند. تمام فیلم­ها (شامل کنترل) در سه مرتبه آماده شدند.

۳-۳ - ضخامت فیلم

ضخامت­فیلم باریز­سنج مدل insize با قدرت تفکیک ۰۱/۰ میلی­متر به طور تصادفی در ۵ موقعیت تعیین و میانگین آن­ها برای محاسبات استفاده شد.

۳-۴- آنالیز فیلم

آزمون­های صورت گرفته در این تحقیق شامل اندازگیری ویژگی­های مکانیکی، ویژگی­های فیزیکوشیمیایی (میزان جذب آب و حلالیت) و ممانعتی ( نفوذ پذیری به بخار آب و اکسیژن) و بررسی پارامتر­های رشد میکروبی باکتری اشریشیا کلی با تغییر غلظت­های مختلف نانو دی اکسید تیتانیوم بر فیلم­های SSPS و نشاسته کاساوا می­باشد.

۳-۴-۱- ویژگی های مکانیکی

یک آزمون برای ارزیابی تغییر شکل (کششی) در سرعت ثابت در یک نمونه با ابعاد استاندارد برای اندازه ­گیری نیروی لازم برای پارگی مواد مورد استفاده قرار گرفت. منحنی نیرو در مقابل جابجایی این پارامترها را تعیین می­ کند.
تنش کششی (Tensil stress) (استحکام کششی نیز نامیده می­ شود) که در واحد MPa بیان می­ شود. نیروی لازم برای پارگی (گسیختگی) قسمتی از نمونه را اندازه ­گیری می­ کند.
بیشترین نیرویی که سبب گسیختگی جسم می­ شود تقسیم بر سطح مقطع نمونه، نشان دهنده قدرت کششی فیلم (مقاومت فیلم) است.
که در آن F نیرو بر حسب نیوتن و A مساحت قسمتی از فیلم که مورد آزمون قرار می­گیرد (ضخامت × عرض در mm²)
کشیدگی Elongation (Strain هم نامیده می­ شود) که واحد آن درصد است. که این نسبت جابجایی به طول اولیه نمونه است:
بیشترین تغییر طول به طول اولیه، انعطاف­پذیری فیلم را بررسی می­ کند (چند درصد طولش می ­تواند کش بیاید ولی پاره نشود).
که در آن L جابجایی (mm) و L0 طول اولیه (mm) کشیدگی در نقطه شکست به صورت درصد نسبی است که مقیاسی از انعطاف­پذبری فیلم­ها است.
مدول یانگ (Yang’s Modulus) این پارامتر برابر است با شیب در ناحیه خطی منحنی تنش-کرنش (نسبت stress به strain) بیانگر میزان سختی فیلم­ها است.
ویژگی­های مکانیکی در هر شکست مشخص می­ شود. در هر شکستن تنش و کرنش برای هر نمونه محاسبه شد. قسمتی از آزمون که متفاوت باشد در طول اندازه ­گیری خیلی قابل توجه نیست. شکل منحنی تنش -کرنش رفتار خاص مواد شکننده (شکستن در محدوده الاستیک) یا انعطاف­پذیر (شکست در پلاستیک) را تعریف کند.
ویژگی­های مکانیکی در هر پارگی مشخص شدند. استرس واسترین پارکنندگی (σ، ε) برای هرنمونه محاسبه شد. بخش آزمایش به طورچشمگیری درطی اندازه ­گیری تفاوتی نکرد. می­توان برای تعریف کردن رفتارخاص ماده به عنوان ترد (شکست درمحدوده الاستیک ) یاductile (شکست درپلاستیک)، از شکل منحنی­های stress و strain استفاده کرد. D882-10ASTM باتغییری (اصلاحی) برای تعیین کردن ویژگی­ها مکانیکی­درشرایط­استاندارد­مورد استفاد ه­قرار گرفت­ (ASTM ,2010).­ نوارهای­ فیلم ­به ­طول ۱۰۰mmو عرض ۲۰mm بریده شد و به مدت ۴۸ ساعت در دمای℃ ۲۳ و رطوبت نسبی ۵۳ % تنظیم شد. آنالیز بافت مجهز شده با نرم افزارTexture Exponent 32 به منظور اندازه ­گیری ویژگی­های مکانیکی فیلم به کارگرفته شد. جداسازی سرعت اولیه و سرعت crosshead به ترتیب ۵۰mmو ۳۰ بود. Elongation و قدرت کشش درنقطه پاره شدن از تغییرشکل و نیروی داده ثبت شده توسط نرم افزارمحاسبه شد. ۸ تکرارهرنمونه مورد ارزیابی قرارگرفت.

۳-۴-۲- نفوذ پذیری بخار آب (WVP)

از روش اصلاح شده کاپ گراومتریک به روش استاندارد ملی آمریکا ASTM E96-05 که برای تعیین میزان نفوذ پذیری در فیلم ها استفاده شده است( ASTM ,2005b). در این آزمون کاپ ها با آب پر شدند و هوا حدود ۵/۱ سانتیمتر بین سطح فیلم و آب بود. فیلم ها به اندازه دهانه کاپ بریده شدند و به کمک خمیر بازی بر روی کاپ نگه داشته شدند. در ابتدا وزن اولیه کاپ ها با ترازو با دقت ۰۰۰۱/۰ اندازه گیری شد و سپس درون دسیکاتور که با سیلیکاژل(خشک کن) برای تولید رطوبت نسبی %۰ پر شده بود قرار گرفتند. پس از آن هر ۲ ساعت یک بار نمونه ها توزین شد تا ۷ نقطه این روند ادامه داشت. سپس از نمودار وزن بدست آمده در مقابل زمان برای تعیین (WVTR) استفاده شد. شیب قسمت خطی این نمودار نشان دهنده مقدار حالت پایدار از نفوذ بخار آب در میان فیلم در هر واحد زمان (g/h) (WVTR) بر اساس gr بر m² در هر روز بیان شد. رگرسیون دامنه ضرایب %۹۹/۰ یا بالاتر بدست آمده. (WVP) فیلم توسط ضرب کردن (WVTR) در ضخامت متوسط فیلم و تقسیم آن بر فشار بخار آب در سطح فیلم محاسبه می شود.

۳-۴-۳- حلالیت فیلم ها

حلایت فیلم­ها در آب بر طبق نظر مایزورا^[۱۰۶] و دیگران (۲۰۰۷ ) و با قدری تغییرات تعیین شد پس از تعیین میزان رطوبت موجود در هر فیلم میزان مواد جامد موجود در آن قابل تعیین بود با توجه به این مسأله، تکه­های از فیلم (۶۰۰ میلی گرم) بریده شده در یک دسیکاتور با ( (۰% RH کلرید کلسیم به مدت ۲۴ ساعت در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شد. سپس درون بشر با ۱۰۰ سی­سی آب دیونیزه قرار داده شد این نمونه­ها با تکان خوردن­های دائمی به مدت۲۴ ساعت در دمای اتاق به همزده شدند. سپس مخلوط فیلم و آب بر روی یک کاغذ صافی که قبلا به وزن ثابت رسیده و دقیقا توزین شده بود صاف شد. کاغذ صافی به همراه نمونه تا رسیدن به وزن ثابت در دمای۴۰ درجه سانتیگراد قرار داده ­شد. درصد حلالیت فیلم­ها در آب از رابطه زیر محاسبه گردید.
۱۰۰= درصد حلالیت

۳-۴-۴- ظرفیت جذب آب (WAC)

برای بررسی میزان ظرفیت جذب آب تکه هایی از فیلم (۲×۲ cm) بریده و در دسیکاتور که زیر آن کلرید کلسیم (برای صفر شدن رطوبت) قرار داشت به مدت ۲ روز قرار داشت. نمونه ها با ترازویی با دقت ۰۰۰۱/۰ توزین گردید، درون دسیکاتوری که زیر آن آب قرار دارد، قرار داده می­ شود. و بعد از ۲۴ ساعت نمونه­ها توزین شدند، و از طریق فرمول زیر میزان جذب آب بدست آمد:
وزن خشک فیلم/وزن آب جذب شده =WAC

۳-۴-۵- نفوذ پذیری به اکسیژن

اندازه ­گیری نفوذپذیری فیلم­ها به وسیله MoconOxtran 2/21 انجام شد و با بهره گرفتن از نرم­افزار نفوذپذیری WinPermTM و با کمک روش استاندارد ASTM-D3985-05 نفوذ پذیری به اکسیژن به دست آمد. فیلم­ها در پوشش ­های فویل آلومینیوم با یک فضای باز cm²5 قرار داده شدند و روی یک سل دیفوزیون قرار داده شدند. آزمون در دمای ۲۵، فشار اتمسفری و رطوبت نسبی %۵۰ (RH)، %۲۱ گاز اکسیژن به عنوان تست گاز انجام شد. اکسیژن منتقل شده از میان فیلم­ها با بهره گرفتن از حمل کننده گاز (N₂/H₂)­­ به سنسورهای کالمتریک عبور داده می­ شود. حمل کننده خارجی هر ۱ ساعت ۱ بار برای رسیدن به حالت پایدار انتقال اکسیژن به صورت همگرا اندازه گیری شد.
ضریب نفوذپذیری cc-m/(m² day atm) بر اساس نرخ انتقال اکسیژن در حالت ثابت با در نظر گرفتن ضخامت فیلم محاسبه شد ( ASTM 2005a).
۳-۴-۶- خاصیت ضد میکروبی
کارآیی ضد میکروبی فیلم آماده با بهره گرفتن از ارزیابی روش لرزش فلاسک توسط Appendini and Hotchkiss (2002) مورد بررسی قرار گرفت. برای روش لرزش فلاسک هشت نمونه ( cm 5 /1 2) از فیلم­های نانو کامپوزیت در ml 100 از محیط کشت استریل نوترینت براث برای باکتری ۱۵۰ دور در دقیقه غوطه ور شد و سپس در انکوباتور دمای ۳۷ درجه سانتی ­گراد قرار داده شدند. مدارک و شواهد حاکی از رشد میکروبی بود. مدارک و شواهد از رشد میکروبی با خواندن تغییرات جذب در ۶۰۰ نانومتر با بهره گرفتن از دستگاه اسپکتروفتومتر در فواصل منظم (۲ ساعت) به دست آمد ( هان و همکاران، ۲۰۰۷). جذب داده ­ها با بهره گرفتن از معادله گامپرتز که تغییر افت­هاست توسط ۱۹۹۰ Zwietering et al ارائه شده، مدل شد.
برای تخمین پارامتر­های سنتیک رشد میکروبی
X = غلظت سلولی میکروارگانیسم در محیط کشت
˳X= مقدار اولیه جذب t= زمان = فاز تاخیر
A= حداکثر غلظت باکتریایی بدست آمده در فاز ثابت و مقدار اولیه آن است
µ_max= حداکثر سرعت رشد ویژه (h-1).
۳-۵- تجزیه و تحلیل آماری
از آزمون های آنووا یک طرفه و توکی (یا دانکن) برای ویژگی های فیزیکی و مکانیکی، و پارامترهای مختلف در میان انواع مختلف فیلم در سطح معنی دار %۵ به کار برده شد. تجزیه و تحلیل با بهره گرفتن از گراف پد پریزم ۶، انجام شد. برای انجام مدل سازی از تکنیک کمینه کردن مجموع مربعات اختلاف داده های تئوری و عملی به کمک افزونه Solver در نرم افزار اکسل ۲۰۱۰ استفاده شد.

فصل چهارم: نتایج و بحث

۴-۱- ارزیابی کیفی فیلم زیست­تخریب­پذیر خوراکی

۴-۱-۱- بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص ظاهری فیلم­های ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS

فیلم­های تهیه شده، فیلم­های کاملاً یکنواخت بودند که نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم به طور یکدست در آن پخش شده بودند. سطح روی فیلم­ها براق بودند، فیلم­ها به راحتی و بدون هیچ ابزاری از سطح پلیت کاستینگ جدا شدند. ضخامت در نقاط مختلف تقریبا یکسان بوده و با افزایش درصد نانو ذرات تأثیری روی ضخامت فیلم­ها مشاهده نشد در حالی که بر روی رنگ فیلم­ها تأثیر واضحی داشت به طوری که فیلم شاهد ترکیبی نشاسته کاساوا / SSPS، تقریبا زرد و شفاف بودند ولی با افزایش نانو ذرات تا ۵ % ، فیلم­ها کاملاً شیری رنگ بودند و همچنین با توجه به شکل ۴-۲ نیز با افزایش نانو ذرات رنگ فیلم­ها رو به افزایش بودند.