تولید فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر و خوراکی با ویژگی‌های مکانیکی و نفوذپذیری مناسب، یکی از چالش‌های مهم در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی است. فیلم های خوراکی نه‌تنها به‌طور فیزیکی غذا را محافظت می‌کنند، بلکه موجب کاهش از دست رفتن رطوبت، محدود کردن جذب اکسیژن و کاهش مهاجرت لیپیدها در ماده غذایی می‌شوند.
پلیمرهای با منشأ طبیعی مانند کربوهیدرات‌ها و پروتئین‌ها بهترین مواد در ساخت فیلم های خوراکی هستند، چراکه کاملاً زیست‌تخریب‌پذیر بوده و می‌توانند مانند مکملی در افزایش ارزش غذایی برخی از غذاها مؤثر باشند.
بااین‌حال، حلالیت زیاد در آب و نفوذپذیری فراوان در برابر بخارآب و مقاومت مکانیکی کم، استفاده از این پلیمرها را محدود کرده است. مطالعات متعددی به‌منظور بهبود ویژگی این فیلم‌ها از طریق ساخت فیلم‌های چندلایه و کامپوزیتی و یا ایجاد اتصال عرضی بین اجزای سازنده فیلم به طریق فیزیکی و شیمیایی صورت گرفته است. از آنجا که کیتوزان سازگار با محیط‌زیست و تا حدودی خاصیت ضد میکروبی دارد، اغلب به‌عنوان ماده خام برای آماده‌سازی فیلم‌های کامپوزیتی استفاده می‌شود.
فیلم مورداستفاده در ماده غذایی بایستی دارای یکسری ویژگی‌ها ازجمله کشش‌پذیری، انعطاف‌پذیری، قابلیت خم‌پذیری و مقاومت در برابر انواع استرس باشد. ساختمان خطی پلی‌ساکاریدهایی مثل سلولز، آمیلوز و کیتوزان موجب انعطاف‌پذیری و استحکام فیلم حاصل از این ترکیبات می‌شود. فیلم کیتوزان دارای خصوصیات مکانیکی و نفوذناپذیری مناسب در برابر گازها است.
فیلم های خوراکی
فیلم های خوراکی عبارت‌اند از بافت‌های پیوسته‌ای که برای تغییر خصوصیات سطحی ماده غذایی از پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و یا لیپیدها ساخته می‌شوند. اگرچه اصطلاحات فیلم و پوشش به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند، فیلم‌ها جدا از محصول و از پیش‌ساخته هستند. در حالی که پوشش‌ها مستقیماً روی محصول غذایی تشکیل می‌شوند.
پروتئین‌های مصرفی در فیلم های خوراکی عبارت‌اند از: گلوتن گندم، کولاژن، زئین ذرت، کازئین و پروتئین آب‌پنیر، آلژینات، دکسترین، پکتین، کیتوزان، نشاسته و مشتقات سلولزی معمولاً در فیلم‌های پلی‌ساکاریدی استفاده می‌شوند و لیپیدهای مناسب برای استفاده در فیلم‌ها و پوشش‌ها شامل موم‌ها، آسیل گلیسرول و اسیدهای چرب هستند. فیلم‌هایی که بر پایه بسپارهای طبیعی استوارند زیست‌تخریب‌پذیر بوده و بنابراین تهدیدی برای محیط‌زیست محسوب نشده و می‌توانند در کاهش حجم زباله و هزینه‌ی دفع آن‌ها مؤثر باشند.
از دیگر مزایای بسیار مهم فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر، توانایی انتقال و حمل مواد افزودنی مانند ترکیبات ضد میکروبی و ضد اکسایشی است؛ بنابراین، امکان استفاده از آن‌ها به‌عنوان بسته‌بندی‌های فعال فراهم می‌شود. استفاده از فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر امکان آزادسازی کنترل‌شده این ترکیبات فعال را فراهم کرده و با مقادیر کمتر افزودنی می‌توان عمر انبارمانی بیشتری داشت.
دلایل استفاده از فیلم های خوراکی
برخی از ویژگی‌های خاص بیوپلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر خوراکی باعث افزایش توجه به استفاده از آن‌ها درزمینه‌های مختلف شده است. با استفاده از این نوع پوشش روی میوه‌ها و سبزی‌های تازه، علاوه بر کاهش افت آب و بهبود ظاهر محصول، می‌توان با کاهش تبادل گازها رسیدگی این محصولات را به تأخیر انداخت و درنتیجه ماندگاری آن‌ها را افزایش داد. پوشش دادن آجیل‌ها با این مواد بسته‌بندی سرعت تغییرات اکسیداتیو و سایر انواع فسادها را در این محصولات کاهش داده و به حفظ کیفیت آن‌ها کمک می‌کند.
فیلم های خوراکی می‌توانند از افت رطوبت، چکه کردن، رشد میکروب‌ها و تندشدگی لیپیدهای گوشت و فرآورده‌های گوشتی ممانعت کرده و رنگ و طعم آن‌ها را حفظ کنند و در مقابل صدمات فیزیکی ناشی از حمل‌ونقل از آن‌ها حفاظت کنند. پوشش دادن مواد غذایی با بیوپلیمرها قبل از سرخ کردن آن‌ها باعث کاهش جذب روغن در این محصولات شده و به افزایش ارزش تغذیه‌ای این محصولات کمک می‌کند.
از فیلم‌های بیوپلیمری همچنین برای ریزپوشانی مواد دارویی، پروتئین‌ها، مواد طعمی و سوش‌های میکروبی و حفاظت از آن‌ها استفاده می‌شود. از طرف دیگر با استفاده از فیلم‌ها و پوشش‌های بیوپلیمری می‌توان از جذب ترکیبات بدطعم توسط غذا و یا افت ترکیبات آروماتیک غذا نیز ممانعت کرد.
ترکیب فیلم های خوراکی
مواد طبیعی مورداستفاده برای تهیه فیلم‌ها و پوشش‌های خوراکی شامل پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها، لیپیدها، رزین‌ها یا ترکیبی از این مواد هستند. ترکیبات نرم‌کننده برای جلوگیری از شکننده شدن فیلم‌ها و ایجاد انعطاف در آن‌ها و مواد فعال سطحی برای کمک به تشکیل فیلم در فرمولاسیون این محصولات مورداستفاده قرار می‌گیرند.
– نانوکامپوزیت
کامپوزیت‌ها موادی دو یا چند فازه هستند که از دو جز (دو فاز) مهم اولی زمینه (Matrix) و دومی فاز پرکننده (Filler) یا تقویت‌کننده (Reinforcement) تشکیل شده‌اند. فاز دوم در فاز اول (زمینه) پراکنده می‌شود تا خواص جدیدی در فاز زمینه ایجاد کند که قبل از آن در فاز زمینه به‌تنهایی موجود نبوده است.
نانو کامپوزیت‌ها تعریفی مشابه کامپوزیت‌ها دارند که در آن‌ها حداقل یکی از سه بعد (طول، عرض یا ارتفاع) فیلر در محدوده نانومتری باشد. در اغلب مواقع نانوکامپوزیت‌ها فرم توده‌ای (بالک) دارند ولی موارد زیادی نیز یافت می‌شود که نانوکامپوزیت‌ها در فرم‌های نانو پوش، لایه‌نازک و نانو الیاف و… استفاده می‌شوند. نانو کامپوزیت‌ها بر اساس زمینه مورداستفاده به سه دسته زمینه فلزی، زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری تقسیم می‌شوند که هرکدام با افزودن نانو فیلر می‌تواند خواص متفاوتی باشد.
فیلرهایی که در نانوکامپوزیت‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد می‌تواند دارای هر سه نوع ساختار ابعادی (صفر بعدی، یک‌بعدی و دوبعدی) و با هر شکلی باشد. بهبود خواص مکانیکی و ترمومکانیکی مانند تنش تسلیم، پایداری گرمایی، مقاومت به خزش و بهبود خواص فیزیکی مانند رسانایی الکتریکی و ایجاد خواص سدی در مقابل نفوذپذیری گازها ازجمله کاربردهای نانوکامپوزیت‌ها هستند.
ازجمله تحقیقات انجام‌شده در مورد فیلم‌های نانو کامپوزیت، غلظت‌های ۵/۰، ۱ و ۵/۱ درصد اسانس رزماری را به فیلم‌های نانوکامپوزیت حاوی غلظت‌های ۱، ۳ و ۵ درصد نانو رس طبیعی اضافه کردند و ویژگی‌های فیزیکی، مکانیکی، بازدارندگی و ضدمیکروبی آن‌ها را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد که افزودن نانو رس مونت موریلونیت و اسانس رز ماری به فیلم کیتوزان باعث بهبود ۵۰ درصدی حلالیت و نفوذپذیری به بخارآب می‌شود. همچنین مقاومت کششی و درصد افزایش طول در نقطه شکست به‌طور قابل‌توجهی بهبود یافت. در ضمن خواص ضد میکروبی فیلم نیز با اضافه کردن ۵/۱ درصد اسانس رزماری بهبود پیدا کرد.
– کیتوزان
پس از حذف گروه استیل از کیتین تولید می‌شود. در کیتوزان، پلی‌ساکاریدی کاتیونی با فرمول شیمیایی C6H11NO5n پس از حذف گروه استیل از کیتین تولید می‌شود. درواقع، کیتوزان مشتق استیل‌زدایی شده کیتین است. این ماده دومین پلیمر طبیعی فثراوان به‌دست‌آمده از پوست خرچنگ، میگو و دیگر سخت‌پوستان است. علاوه بر این کیتوزان در برخی گونه‌های قارچی به‌صورت طبیعی وجود دارد.
کیتوزان عمدتاً شامل واحد بتا، آمینه، داکسی و گلوکز است. تمامی بیوپلیمرهای تجاری طبیعی اسیدی هستند در حالی که کیتوزان یکی از پلیمرهای نادر طبیعی با ویژگی پلی‌کاتیونی است که به آن امکان واکنش با بسیاری از ترکیبات پلی‌آنیونی مانند پروتئین‌ها، DNA و غشاء سلولی را می‌دهد. کیتوزان معمولاً در اسیدهایی همچون اسید استیک یا اسید لاکتیک محلول بوده و اغلب از این ترکیبات به‌عنوان حلال کیتوزان استفاده می‌شود. البته امروزه الیگومرهای خاصی از کیتین و کیتوزان تهیه می‌شود که محلول در آب بوده و فعالیت‌های بیولوژیک بیشتری نسبت به کیتین و کیتوزان معمول دارند.
-روش تهیه کیتوزان
تولید کیتوزان شامل چهار مرحله است:
– مرحله‌ی حذف مواد معدنی با استفاده از یک ترکیب اسیدی؛
– مرحله حذف پروتئین با استفاده از یک ترکیب قلیایی؛
– رنگ‌زدایی به روش استخراج حلال و رنگ‌بری؛
-مرحله استیل‌زدایی به‌وسیله‌ی روش شیمیایی و یا روش آنزیمی.
– خصوصیات مکانیکی فیلم کیتوزان
از آنجا که کیتوزان سازگار با محیط‌زیست و تا حدودی خاصیت ضد میکروبی دارد، اغلب به‌عنوان ماده خام برای آماده‌سازی فیلم‌های کامپوزیتی استفاده می‌شود. فیلم مورد استفاده در ماده غذایی بایستی دارای یکسری ویژگی‌ها ازجمله کشش‌پذیری، انعطاف‌پذیری، قابلیت خم‌پذیری و مقاومت در برابر انواع استرس باشد.
ساختمان خطی پلی‌ساکاریدهایی مثل سلولز، آمیلوز و کیتوزان موجب انعطاف‌پذیری و استحکام فیلم حاصل از این ترکیبات می‌شود. فیلم کیتوزان دارای خصوصیات مکانیکی و نفوذناپذیری مناسب در برابر گازها است. به‌طورکلی مقاومت کششی فیلم کیتوزان مشابه فیلم LDPE بوده ولی درصد افزایش طول در نقطه پاره شدن بسیار کمتری دارد. مقاومت کششی فیلم کیتوزان در مقایسه با سایر بیوپلیمرهای مشابه مانند فیلم گلوتن گندم، زئین و پروتئین سویا، بالا است.
به‌طور کلی، خصوصیات مکانیکی فیلم کیتوزان، با افزایش زمان نگهداری، افزایش وزن مولکولی و پلاستی‌سایزر و همچنین کاهش دمای نگهداری فیلم، بهبود می‌یابد. مقاومت کششی فیلم‌های تهیه‌شده در اسید استیک بیشتر از اسیدلاکتیک بوده و با افزایش زمان نگهداری این ویژگی نیز افزایش می‌یابد. این حالت ناشی از این است که اسیدلاکتیک در مقایسه با اسید استیک، به‌جای هیدروژن، دارای گروه هیدروکسیل است.
– فعالیت ضد میکروبی کیتوزان
کیتوزان یکی از معدود کاتیون‌های پلی‌ساکاریدی است که دارای خصوصیات ضد باکتریایی (باکتری‌های بیماری‌زا و میکروارگانیسم‌های عامل فساد)، قارچی (قارچ‌های رشته‌ای) و مخمری است. کیتوزان به‌تنهایی و یا با سایر حامل‌های آنتی‌میکروبی از قبیل EDTA و لیزوزیم استفاده می‌شود. درواقع کیتوزان که برای فعالیت ضد میکروبی استفاده می‌شود، غیرسمی، غیر آلرژی‌زا و قابل‌تجزیه زیستی است. کاربرد کیتوزان به‌عنوان ترکیب ضد میکروبی در سیستم‌های غذایی، باعث می‌شود مستقیماً سلول‌های میکروبی را مطابق یکی از روش‌های زیر تحت تأثیر قرار دهد:
– ایجاد کمپلکس با برخی فلزات و جلوگیری از تولید توکسین و رشد باکتری؛
– مهار فعالیت برخی آنزیم‌های حیاتی میکروارگانیسم‌ها؛
– کیتوزان به درون میکروارگانیسم‌ها نفوذ کرده و با جلوگیری از تبدیل DNAبه RNAمانع از رشد آن‌ها می‌شود.
– ویژگی تشکیل فیلم های کیتوزان
فیلم کیتوزان اولین بار توسط ریگبای در سال ۱۹۳۶ به روش کاستینگ تهیه شد. فیلم تهیه‌شده توسط وی انعطاف‌پذیر، محکم، شفاف، بیرنگ و با قدرت کشش psi 9000 بود.
مطالعات محققان دیگر در فیلم‌های تهیه‌شده به روش بالا نشان داد که چنین فیلم‌هایی دارای خصوصیات مکانیکی و نفوذناپذیری مناسب در برابر گازها است. کیتوزان با ایجاد پیوندهای هیدروژنی داخل و بین‌مولکولی، دارای خاصیت تشکیل پوشش بهتری است.
پوشش کیتوزان خالص، چسبناک بوده و رنگ آن با توجه به نوع اسید مورداستفاده متغیر است. پوشش تهیه‌شده از کیتوزان در اسید استیک، فرمیک و لاکتیک تا حدودی زرد است، در حالی که نوع تهیه شده در اسید پروپیونیک، بیرنگ است. با افزایش قطر فیلم، رنگ فیلم تیره‌تر می‌شود. فیلم تهیه شده در اسید هیدروکلریک، فورمیک و استیک سخت و شکننده بوده، در حالی که فیلم تهیه‌شده با استفاده از اسید لاکتیک و سیتریک، نرم و انعطاف‌پذیر است.
استفاده فیلم کیتوزان در مواد غذایی
در سال ۲۰۰۶ کیتوزان به‌عنوان یک ترکیب سالم توسط سازمان غذا و داروی آمریکا در نظر گرفته شد و درنتیجه به‌عنوان یک نگه‌دارنده سالم در مواد غذایی استفاده می‌شود. در صنایع غذایی کیتوزان به‌طور گسترده برای پوشش سطح گوشت و میوه به‌منظور کاهش زوال غذا و از دست دادن آب و همچنین تأخیر در رسیدن میوه‌ها استفاده می‌شود. فیلم‌های امولسیونی بر پایه کیتوزان/ روغن‌زیتون تولیدشده با غلظت‌های مختلف روغن‌زیتون را موردبررسی قرار دادند.
ماهیت امولسیون‌کنندگی کیتوزان برای پایداری قطره‌های روغن‌زیتون در امولسیون‌های تشکیل‌دهنده فیلم کافی بود زیرا در تمام موارد فیلم‌های نازک، همگن و نیمه شفاف تشکیل شد. توزیع گلبول‌های چربی در فیلم‌ها به‌وسیله‌ی آزمون‌های زاویه تماس و میکروسکوپ نوری بررسی شد. کشش‌پذیری فیلم‌ها و برهمکنش بین کربوهیدرات و فاز روغن با افزودن روغن‌زیتون به بستر فیلم، افزایش پیدا کرد. همچنین ویژگی‌های جذب آب، نفوذپذیری به بخارآب و ضریب انتشار مؤثر با افزودن روغن، کاهش یافت. اندازه‌گیری ماده محلول کل، پیوند قوی بین کیتوزان و روغن را تائید کرد.
بیشتر بخوانید: تولید پلاستیک سبز با استفاده از گلوکز
نتیجه‌گیری
فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر توانایی انتقال و حمل مواد افزودنی مانند ترکیبات ضد میکروبی و ضد اکسایشی دارند؛ بنابراین، امکان استفاده از آن‌ها به‌عنوان بسته‌بندی‌های فعال فراهم می‌شود. استفاده از فیلم‌های زیست‌تخریب‌پذیر امکان آزادسازی کنترل‌شده این ترکیبات فعال را فراهم کرده و با مقادیر کمتر افزودنی می‌توان عمر انبارمانی بیشتری داشت. فیلم های خوراکی نانوکامپوزیت بر پایه کیتوزان می‌توانند از افت رطوبت، چکه کردن، رشد میکروب‌ها و تندشدگی لیپیدهای گوشت و فرآورده‌های گوشتی ممانعت کرده و رنگ و طعم آن‌ها را حفظ کرده و در مقابل صدمات فیزیکی ناشی از حمل‌ونقل از آن‌ها حفاظت کنند.
ناصر غضنفری‌راد
کارشناس ارشد بیوشیمی؛ کارشناس نظارت بر مواد غذایی و آشامیدنی دانشگاه علوم پزشکی ارومیه
