نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر برای بسته‌بندی مواد غذایی

بسپار می نویسد، در دنیای مدرن امروزی تصور کالایی تجاری بدون بسته‌بندی دور از ذهن و محال به نظر می‌رسد. علاوه بر ویژگی‌های پایه بسته‌بندی مانند محافظت و نگهداری کالا، در بسته‌بندی مدرن مواد غذایی باید ویژگی‌های دیگری چون پویا بودن و به روز شدن، آینده نگری و خلاقیت را نیز در نظر داشت. صنعت بسته‌بندی یکی از مهم‌ترین صنعت‌ها در دنیای امروز است، به طوری‌که %2 از تولید ناخالص ملی کشورهای توسعه یافته را به خود اختصاص می‌دهد.

معضلات ناشی از به کارگیری پلیمرهای تولید شده از مشتقات نفتی

بیش از 50 سال، پلیمرهای پلاستیکی به عنوان کاربردی‌ترین و اقتصادی‌ترین گزینه در مصارف بسته‌بندی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. در واقع، این مواد به علت قیمت پایین‌تر، دانسیته کمتر، مقاومت به خوردگی و در دسترس بودن، جایگزین مواد سنتی‌تر مانند کاغذ، شیشه و فلزات برای کاربردهای مرتبط با بسته‌بندی شدند. علاوه بر این ویژگی‌ها، خواص اپتیکی، مکانیکی و مقاومت در برابر نفوذ گازها، هدایت گرمایی فوق‌ العاده کم و مقاومت در برابر نفوذ آب و روغن سبب گردید که 40 درصد از کل مصرف پلاستیک‌ها به صنعت بسته‌بندی اختصاص یابد [2،3]. شکل 1 میزان مصرف پلاستیک‌ها را در بازارهای مختلف نشان می‌دهد.

[EasyDNNGallery|4865|Width|400|Height|400|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1– میزان مصرف پلاستیک‌ها در صنایع مختلف

امروزه استفاده از پلاستیک‌ها موجب نگرانی‌های بسیاری در جامعه بشری است. بزرگ‌ترین چالش در مور پلاستیک‌ها مسئله درصد بازیافت این مواد است. در مقایسه با مواد دیگر مانند فلزات با 35 درصد قابلیت بازیافت، کاغذ با 30 درصد و شیشه‌ها با 18 درصد قابلیت بازیافت، پلاستیک‌ها تنها 4-3 درصد قابلیت بازیافت دارند. مشکل دیگری که در بازیافت پلاستیک‌ها وجود دارد بحث انرژی بازیافت و دفن آن‌ها به صورت زباله است. با توجه به آمارهای منتشر شده در اروپا 50 درصد از پلاستیک‌های تولید شده دوباره در چرخه تولید بازیافت نمی‌شوند. این مساله زمانی نگران کننده می‌شود که میزان مصرف پلاستیک‌ها به چندین تن می‌رسد. به عنوان مثال، میزان مصرف ترموپلاستیک‌ها در سال 2006 در اروپا نزدیک به 40 میلیون تن بوده که از این میزان، %4/27 در بسته‌بندی‌های غیرمنعطف و %7/20 در بسته‌بندی‌های منعطف مورد استفاده قرار گرفته است. در سال‌های اخیر با وجود استفاده از پلاستیک‌های نازک (TWP[1]) در صنعت بسته‌بندی، همچنان اصرار زیادی به جایگزینی این مواد با منابع تجدیدپذیر وجود دارد. زیرا همانگونه که پیش‌تر نیز اشاره گردید، پلاستیک‌ها قابل بازیافت و یا زیست‌تخریب‌پذیر نیستند و بنابراین می‌توانند سبب مشکلات جدی زیست محیطی و دفن زباله گردند [2] (شکل 2).

علاوه بر مشکلات ذکر شده نوسانات قیمت نفت و در نتیجه قیمت مشتقات نفتی مانند پلاستیک‌ها بر این بازار بسیار تاثیرگزار است. با توجه به افزایش ناگهانی بهای نفت در بازار‌های جهانی در دهه گذشته و بالا رفتن قیمت محصولات ناشی از مشتقات نفتی، جایگزین نمودن این مواد با موادی که بتواند هزینه ‌بسته‌بندی را کاهش دهد، از دیگر مواردی است که مورد توجه فعالان این صنعت قرار گرفته است [1].

2- جایگزینی پلاستیک‌های نفتی با مواد زیست‌تخریب‌پذیر

امروزه استفاده از مواد زیست‌تخریب‌پذیر به علت پتانسیل بالای آن‌ها، به ویژه برای استفاده در بسته‌بندی مواد غذایی مورد توجه قرار گرفته است. این مواد می‌توانند جایگزین مواد پلاستیکی زیست‌تخریب‌ناپذیر گردند و آسیب‌های زیست محیطی ناشی از آن‌ها را کاهش دهند. اما مواد زیست‌تخریب‌پذیر مقاومت کمتری در برابر نفوذ آب و گاز از خود نشان می‌دهند و از نظر خواص مکانیکی نیز ضعیف‌تر می‌باشند. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکلات، کامپوزیت‌سازی پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر با سایر مواد مفید است [4]. 

3- فناوری نانو و پلیمرهای زیست‌‌تخریب‌پذیر

یکی از محدودیت‌هایی که در کامپوزیت‌سازی وجود دارد این است که بیشتر موادی که برای اصلاح خواص پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر مورد استفاده قرار می‌گیرند، برهمکنش ضعیفی با زمینه خود نشان می‌دهند. این موضوع سبب افت کارایی این کامپوزیت‌ها می‌گردد. تحقیقات انجام شده نشان داد که برای رفع این مشکل و افزایش برهمکنش بین زمینه و پرکننده‌های مورد استفاده در کامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر، می‌توان ابعاد پرکننده‌ها را کاهش داد. استفاده از پرکننده‌های نانومتری سبب به وجود آمدن نانوکامپوزیت‌های زیست‌تخریب‌پذیر با مشخصه‌ها و ویژگی‌هایی مشابه با پلاستیک‌های معمولی می‌گردد. 

پلیمرهای مورد استفاده در ساخت بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر در دو گروه طبقه‌بندی می‌گردند:

·پلیمرهای طبیعی (مانند پلی‌ساکاریدها و پروتئین‌ها)

·پلیمرهای ترکیبی (مانند پلی‌کاپرولاکتون (PCL) و پلی‌لاکتیک اسید (PLA))

پلیمرهای ترکیبی نیز بر اساس منشاء تولید آن‌ها به سه دسته تقسیم می‌گردند:

· پلیمرهای تولید شده از میکرواورگانسیم‌ها

· پلیمرهای به دست آمده از زیست فناوری

· پلیمرهای تولید شده از مشتقات نفتی (غیر تجدید‌پذیر) [8-5].

-2- پلیمرهای ترکیبی

3-2- پلیمرهای تولید شده از میکرواورگانیسم‌ها

در اینگونه از پلیمرها مونومرها محصول متابولیسم یک باکتری هستند که بر روی زیرلایه‌های مختلفی عملیات تخمیر را انجام می‌دهند. البته این فرآیند محصولات جانبی دیگری نظیر لاکتوز نیز به همراه خواهد داشت. این دسته از پلیمرهای ترکیبی در حال حاضر یکی از گزینه‌های جدی برای تولید نانوکامپوزیت‌های زیستی برای بسته‌بندی در صنایع غذایی می‌باشند [5].

3-2- پلیمرهای به دست آمده از زیست فناوری

پلی‌لاکتیک اسید مهم‌ترین پلیمر ترموپلاستیکی است که از زیست فناوری برای بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر مورد استفاده قرار گرفته است. این پلیمر به طور گسترده توسط محققین به عنوان یک ماده زیست‌تخریب‌پذیر مورد بررسی قرار گرفته است، اما خاصیت ممانعت از عبور گاز و نیز چقرمگی و انعطاف‌پذیری آن بسیار کم است [5].