کاربرد تیمار سطحی پلاسما به منظور تولید فیلم نانوکامپوزیت دو لایه پلی اتیلن ترفتالات-کربوکسی متیل سلولز حاوی نانو ذرات اکسیدروی به عنوان نوعی بسته بندی جدید برای مواد غذایی

نویسندگان
سیده لیلا نصیری 1
محمدحسین عزیزی 2
فرناز موحدی 3
ناهید رحیمی فرد 4
حمید توکلی پور 5
1 دانشجوی دکتری علوم و صنایع غذایی، گروه علوم و صنایع غذایی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 علوم و صنایع غذایی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 شیمی آلی، گروه پژوهشی سلولزی و بسته بندی، پژوهشکده شیمی و پتروشیمی، پژوهشگاه استاندارد، کرج، ایران.
4 میکروبیولوژی، آزمایشگاه کنترل غذا و دارو، وزارت بهداشت و آموزش پزشکی، تهران، ایران.
5 علوم و صنایع غذایی، گروه صنایع غذایی، دانشگاه آزاد اسلامی- واحد سبزوار، سبزوار، ایران.
10.52547/fsct.18.120.19
چکیده
در این پژوهش فیلم های نانوکامپوزیتی پلی اتیلن ترفتالات- کربوکسی متیل سلولز(PET-CMC) حاوی نانوذرات اکسید روی (4%، 3%، 2%، 1%، 0% ZnO NPs:) تهیه شد و در نهایت فیلم های نانوکامپوزیتی تهیه شده تحت آزمون های نفوذپذیری بخارآب، رطوبت، مکانیکی و میکروبی قرار گرفت. برای اتصال بهتر کربوکسی متیل سلولز (CMC) روی سطح فیلم پلی اتیلن ترفتالات ((PET، از پیش تیمار پلاسمای اکسیژن استفاده شد. همچنین به منظور بررسی اثر تیمار پلاسما در بهبود ویژگی های فیلم های دولایه، مقایسه بین فیلم های دولایه ی تیمار شده با پلاسما و تیمار نشده، با استفاده از آزمون FTIR صورت پذیرفت. نتایج نشان داد که گروه های قطبی مانند C = O و OH در سطح PET پس از تیمار با پلاسما تشکیل شد که باعث بهبود چسبیدن دولایه ی پلیمر به یکدیگر گردید. با افزودن نانوذرات، نفوذپذیری بخار آب فیلم دولایه PET-CMC-ZnO نسبت به فیلم PET-CMC کاهش پیدا کرد. در آزمون مکانیکی با افزودن نانوذرات در فیلم های نانوکامپوزیتی نسبت به فیلم PET-CMC بر میزان استحکام کششی فیلم ها از 77/123 به 80/466 MPa افزوده شد و مقاومت بیشتری نشان دادند. درحالی که طول کشش هنگام شکست، با افزایش درصد نانوذرات در فیلم های نانوکامپوزیت از ٪38/48 به 59/10٪ کاهش یافت. بنابراین فیلم های نانوکامپوزیت در مقایسه با فیلم PET-CMC مقاومت بیشتری نشان می دهند که کمک به تسهیل حمل و نقل و ذخیره مواد غذایی می کنند. حضور نانوذرات اکسیدروی در فیلمPET-CMC فعالیت ضد میکروبی در برابر اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس نشان داد. به طور کلی افزایش نانو ذراتZnO، باعث بهبود خواص فیزیکی، مکانیکی و میکروبی می شود. یافته های این مطالعه نشان داد که فیلم های PET/CMC تحت تیمار پلاسما، قابلیت استفاده در بسته بندی های ضد میکروبی مواد غذایی را دارند و می توانند ماندگاری مواد غذایی بسته بندی شده را به عنوان بسته بندی فعال افزایش دهند.
کلیدواژه‌ها
فیلم نانوکامپوزیت
نانوذرات ZnO
کلد پلاسما
خواص میکروبی
خواص مکانیکی

موضوعات

عنوان مقاله English

Application of plasma surface treatment to produce CMC-PET/ZnO bilayer nanocomposite film as a novel food packaging

نویسندگان English

Seyedeh Leila Nasiri 1
Mohammad Hossein Azizi 2
Farnaz Movahedi 3
Nahid Rahimifard 4
Hamid Tavakolipour 5
1 Ph.D. student of Food Science and Technology, Department of Food Science and Technology, Tehran North Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Food Science and Technology, College of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
3 Department of Cellulosic Materials and Packaging, Chemistry and Petrochemistry Research Center, Standard Research Institute (SRI), Karaj, Iran
4 Food and Drug Control Laboratories, Ministry of Health and Medical Education, Tehran, Iran.
5 Department of Food Science and Technology, Sabzevar Branch, Islamic Azad University, Sabzevar, Iran.
چکیده English

In this study, PET-CMC bilayer nanocomposites films containing different levels of zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs; 0%, 1%, 2%, 3%, 4%) were prepared and characterized. For better attachment of CMC on Polyethylene terephthalate (PET), atmospheric plasma pretreatment was used. The water vapor permeability, moisture, mechanical and microbial properties of the films were analyzed. Also, in order to investigate the effect of plasma treatment on improving the properties of bilayer films, a comparison was made between plasma treated and untreated bilayer films using FTIR test. Results showed the formation of polar groups such as C=O and OH on the PET surface following the plasma treatment which improved the adhesion of the two layers of polymer to each other. The water vapor permeability of PET-CMC films containing ZnO NPs decreased compared to the pure film with increasing the ZnO NPs percentage. Increasing the nanoparticles percentage had a positive impact on the tensile strength and increased this factor from 123.77 to 466.80 MPa, while the elongation at break decreased from 48.38% to 10.59%, and the nanocomposite films were revealed more resistant compared to the pure PET-CMC film, which facilitates the transport and storing of the foodstuffs. In addition, the presence of ZnO NPs in PET-CMC films exhibited antimicrobial activity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. In general, this research verifies improvement in physical, mechanical, and microbial characteristics of PET-CMC nanocomposite films along with the increasing of ZnO NPs. Our findings suggest that plasma-treated PET/CMC films have the potential for application in food antimicrobial packaging and can extend the shelf-life of packaged food as active packaging.

کلیدواژه‌ها English

Nanocomposite film
ZnO nanoparticles
cold plasma
Antimicrobial activity
Mechanical properties
1. Petrou, S., Tsiraki, M., Giatrakou, V., & Savvaidis, I. N. (2012). Chitosan dipping or oregano oil treatments, singly or combined on modified atmosphere packaged chicken breast meat. International journal of food microbiology, 156(3), 264-271.
2. Salmanian, H., Khodaiyan, F., & Hosseini, S. S. (2019). Biodegradable kefiran-chitosan nanocellulose blend film: Production and physical, barrier, mechanical, thermal, and structural properties. Journal of Food and Bioprocess Engineering, 2(2), 101-106.
3. Jafari, S., Hojjati, M., & Noshad, M. (2018). Influence of soluble soybean polysaccharide and tragacanth gum based edible coating to improve the quality of fresh‐cut apple slices. Journal of food processing and preservation, 42(6), e13638.
4. Paunonen, S. (2013). Strength and barrier enhancements of cellophane and cellulose derivative films: a review. BioResources, 8(2), 3098-3121.
5. Appendini, P. and J. H. Hotchkiss (2002). Review of antimicrobial food packaging. Innovative Food Science & Emerging Technologies 3(2): 113-126.
6. Motedayen, A. A., Khodaiyan, F., Atai Salehi, E., & Hosseini, S. S. (2019). Characterisation of biocomposite film made of kefiran and carboxymethyl cellulose (CMC). Journal of Food and Bioprocess Engineering, 2(1), 61-70.
7. Mutsuga, M., Tojima, T., Kawamura, Y., & Tanamoto, K. (2005). Survey of formaldehyde, acetaldehyde and oligomers in polyethylene terephthalate food-packaging materials. Food Additives and contaminants, 22(8), 783-789.
8. Welle, F., Bayer, F., & Franz, R. (2012). Quantification of the sorption behavior of polyethylene terephthalate polymer versus PET/PA polymer blends towards organic compounds. Packaging Technology and Science, 25(6), 341-349.
9. Heinze, Th. 2005. Carboxymethyl ethers of cellulose and starch: A review. Center of excellence for polysaccharide research, 3: 13-29 and nutrition, 47: 411-433
10. Brody, A. L., Strupinsky, E. P., & Kline, L. R. (2001). Active packaging for food applications. CRC press.
11. Emamifar, A., Kadivar, M., Shahedi, M. Soleimanian-Zad, S. (2010). Evaluation of nanocomposite packaging containing Ag and ZnO on shelf life of fresh orange juice. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 11(4), 742-748.
12. Llorens, A., Lloret, E., Picouet, P. A., Trbojevich, R., & Fernandez, A. (2012). Metallic-based micro and nanocomposites in food contact materials and active food packaging. Trends in Food Science & Technology, 24(1), 19-29.
13. Makari, M., Hojjati, M., Shahbazi, S., & Askari, H. (2021). Elimination of Aspergillus flavus from Pistachio Nuts with Dielectric Barrier Discharge (DBD) Cold Plasma and Its Impacts on Biochemical Indices. Journal of Food Quality, 2021.
14. Pankaj, S. (2015). Cold Plasma Treatment of Biodegradable films and smart packaging.
15. Ghanbarzadeh, B., Saianjali, S., & Ghiyasifar, S. H. (2011). Antifungal properties of CMC-based films containing potassium sorbate on selected Aspergillus strains in pistachio. Journal of FoodScience Technology, 32(8), 43-50.
16. Kanmani, P., & Rhim, J. W. (2014). Properties and characterization of bionanocomposite films prepared with various biopolymers and ZnO nanoparticles. Carbohydrate polymers, 106, 190-199.

17. Yadav, M., Liu, Y. K., & Chiu, F. C. (2019). Fabrication of cellulose nanocrystal/silver/alginate bionanocomposite films with enhanced mechanical and barrier properties for food packaging application. Nanomaterials, 9(11), 1523.
18. Honarvar, Z., Farhoodi, M., Khani, M. R., Mohammadi, A., Shokri, B., Ferdowsi, R., & Shojaee-Aliabadi, S. (2017). Application of cold plasma to develop carboxymethyl cellulose-coated polypropylene films containing essential oil. Carbohydrate polymers, 176, 1-10.
19. Arfat, Y. A., Benjakul, S., Prodpran, T., Sumpavapol, P., & Songtipya, P. (2014). Properties and antimicrobial activity of fish protein isolate/fish skin gelatin film containing basil leaf essential oil and zinc oxide nanoparticles. Food Hydrocolloids, 41, 265-273.
20. Kumar, S., Shukla, A., Baul, P. P., Mitra, A., & Halder, D. (2018). Biodegradable hybrid nanocomposites of chitosan/gelatin and silver nanoparticles for active food packaging applications. Food packaging and shelf life, 16, 178-184.
21. ASTM, (2016). Standard test method for water vapor transmison of materials ASTM standard:Philadelphia.
22. ASTM, (2018). Srtandard test method for tensile prperties of thin plastic sheeting ASTM standard: Philadelphia.
23. ISO 22196, (2011). ISO-International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland.
24. Dashipour, A., Razavilar, V., Hosseini, H., Shojaee-Aliabadi, S., German, J. B., Ghanati, K., ... & Khaksar, R. (2015). Antioxidant and antimicrobial carboxymethyl cellulose films containing Zataria multiflora essential oil. International journal of biological macromolecules, 72, 606-613.
25. Kim, S., & Song, K. B. (2018). Antimicrobial activity of buckwheat starch films containing zinc oxide nanoparticles against Listeria monocytogenes on mushrooms. International Journal of Food Science & Technology, 53(6), 1549-1557
26. Sanchez-Garcia, M. D., Lagaron, J. M., & Hoa, S. V. (2010). Effect of addition of carbon nanofibers and carbon nanotubes on properties of thermoplastic biopolymers. Composites science and technology, 70(7), 1095-1105.
27. Shaili, T., Abdorreza, M. N., & Fariborz, N. (2015). Functional, thermal, and antimicrobial properties of soluble soybean polysaccharide biocomposites reinforced by nano TiO2. Carbohydrate Polymers, 134, 726-731.
28. Rukmanikrishnan, B., Ismail, F. R. M., Manoharan, R. K., Kim, S. S., & Lee, J. (2020). Blends of gellan gum/xanthan gum/zinc oxide based nanocomposites for packaging application: Rheological and antimicrobial properties. International journal of biological macromolecules, 148, 1182-1189.
29. Jafarzadeh, S., Alias, A. K., Ariffin, F., Mahmud, S., Najafi, A., & Ahmad, M. (2017). Fabrication and characterization of novel semolina-based antimicrobial films derived from the combination of ZnO nanorods and nanokaolin. Journal of food science and technology, 54(1), 105-113.
30. Arezoo, E., Mohammadreza, E., Maryam, M., & Abdorreza, M. N. (2020). The synergistic effects of cinnamon essential oil and nano TiO2 on antimicrobial and functional properties of sago starch films. International Journal of Biological Macromolecules, 157, 743-751.
31. Nafchi, A. M., Mahmud, S., & Robal, M. (2012). Antimicrobial, rheological, and physicochemical properties of sago starch films filled with nanorod-rich zinc oxide. Journal of food engineering, 113(4), 511-519.
32. Echeverría, I., Eisenberg, P., & Mauri, A. N. (2014). Nanocomposites films based on soy proteins and montmorillonite processed by casting. Journal of Membrane Science, 449, 15-26.
33. Sorrentino, A., Gorrasi, G., & Vittoria, V. (2007). Potential perspectives of bio-nanocomposites for food packaging applications. Trends in food science & technology, 18(2), 84-95
34. Oun, A. A., & Rhim, J. W. (2020). Preparation of multifunctional carboxymethyl cellulose-based films incorporated with chitin nanocrystal and grapefruit seed extract. International journal of biological macromolecules, 152, 1038-1046.
35. Barbaro, G., Galdi, M. R., Di Maio, L., & Incarnato, L. (2015). Effect of BOPET film surface treatments on adhesion performance of biodegradable coatings for packaging applications. European Polymer Journal, 68, 80-89.
36. Jebel, F. S., & Almasi, H. (2016). Morphological, physical, antimicrobial and release properties of ZnO nanoparticles-loaded bacterial cellulose films. Carbohydrate polymers, 149, 8-19.