سنتز نانوالیاف کازئینات سدیم، کیتوزان و پلیوینیل الکل به روش الکتروریسی

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

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

چکیده

سابقه و هدف: از الکتروریسی برای تولید نانوالیاف با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی ارتقاء یافته استفاده می‌گردد. به عنوان یک فن‌آوری در حال توسعه این سامانه به دلیل مکانیسم ساده و استفاده از انواع مختلفی از پلیمرها ، به عنوان قوی‌ترین روش برای صنعتی سازی در نظر گرفته می شود. در این پژوهش، الکتروریسی چند جزیی به منظور بهبود ویژگی مقاومت حرارتی باالکتروریسی سه پلیمر کازئینات‌سدیم/ کیتوزان/ پلی‌وینیل‌الکل مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: ابتدا فاکتورهای دستگاه الکتروریسی شامل محدوده فاصله، ولتاژ، پس از انجام پیش تست‌های مختلف جهت تعیین شرایط بحرانی مناسب برای تولید نانوالیاف بررسی شد. پس از تعیین موارد ذکر شده یعنی فاصله 12 سانتی‌متر و ولتاژ 16 کیلوولت، و شدت جریان 5/0 میلی‌لیتر بر ساعت نسبت‌های متفاوتی از محلول سه پلیمر‌ کازئینات‌سدیم، کیتوزان و پلی‌وینیل‌الکل براساس طرح مخلوط تهیه و الکتروریسی انجام شد. مورفولوژی و قطر نانوالیاف توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با توجه به نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی سه گروه از انانوالیاف بر اساس تفاوت در قطر (قطر کم، متوسط و زیاد) انتخاب، و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آن ها شامل بررسی ساختار کریستالی (پراش اشعه ایکس)، بررسی واکنش‌های مولکولی (طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه) و بررسی مقاومت به تجزیه حرارتی (آنالیز گرما وزن‌سنجی) مطالعه گردید.
یافته‌ها: نانوالیاف کازئینات‌سدیم/ کیتوزان/ پلی‌وینیل‌الکل، با میانگین قطر 121 تا 192 نانومتر به خوبی الکتروریسی شد. نانوالیاف 622 (شامل 60 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 20 درصد کیتوزان و 20 درصد کازئینات سدیم)، 811 (شامل 80 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 10 درصد کیتوزان و 10 درصد کازئینات سدیم) و 721 (شامل 70 درصد پلی‌وینیل‌الکل، 20 درصد کیتوزان و 10 درصد کازئینات سدیم) به ترتیب حائز ببیشترین قطر (192 نانومتر)، قطر متوسط (178 نانومتر) و کمترین قطر (121 نانومتر) شدند. در بررسی نتایج، کاهش شدت پیک مشاهده شده در الگوی پراش اشعه ایکس نانوالیاف (در مقایسه با نمونه‌های پلی‌وینیل‌الکل، کیتوزان و کازئینات سدیم) را می‌توان به کاهش شدید ساختار نیمه بلوری پلی‌وینیل‌الکل به دلیل تشکیل پیوند هیدروژنی بین پلی‌وینیل‌الکل ، مولکول آب، کیتوزان و کازئینات‌سدیم، و نیز به واسطه سازگاری فاز بی نظم و بلوری در پلیمرها به خصوص کیتوزان و کازئینات‌سدیم نسبت داد. همچنین نتایج طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نشان داد، سه پلیمر پلی‌وینیل‌الکل، کیتوزان و کازئینات‌سدیم در نانوالیاف الکترواسپان به‌طور کامل پراکنده شده‌اند. بررسی نتایج حاصل از آنالیز گرما وزن‌سنجی نیز نشان داد اگرچه نمونه بدون کیتوزان (نمونه 703) دمای شروع تخریب حرارتی بیشتری داشت، اما حضور کیتوزان باعث بهبود پایداری حرارتی و منجر به مشاهده رخدادهای حرارتی در محدوده دمایی گسترده‌تری شد. به طوری که نمونه نانوالیاف 622 (قطر 192 نانومتر)، بیشترین مقاومت به تخریب را از خود نشان داد.
نتیجه‌گیری: با توجه به نتایج اشاره شده استفاده از سه پلیمر مذکور (با نسبت بهینه (622) در فاصله 12 سانتی‌متر، ولتاژ 16 کیلوولت، و شدت جریان 5/0 میلی‌لیتر بر ساعت) امکان الکتروریسی موفق و تولید نانوالیاف با ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی مناسب مانند مقاومت حرارتی بالا را فراهم می‌سازد. در نتیجه قابلیت بکارگیری نانوالیاف تولید شده در شرایط شدید حرارتی و همچنین با توجه به حضور سدیم کازئینات، امکان ریزپوشانی ترکیبات زیست فعال بویژه ترکیبات هیدروفوب با آن پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Fabrication of polyvinyl alcohol/chitosan /sodium caseinate nanofibers using electrospinning

نویسندگان [English]

  • Mohsen Asghari Ghajari
  • Yahya Maghsoudlou
  • Seid Mahdi Jafari
  • Mohammad Ghorbani
Faculty of Food Science, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Iran
چکیده [English]

Background and objectives:
Electrospinning is used to produce multi compound nanofibers with enhanced physicochemical properties. As a promising technology, it is considered as the most potent methods for industrial development due to its humble mechanism and several applicable polymers. Accordingly, the present study investigated electrospinning of three polymers including polyvinyl alcohol / Chitosan / Sodium caseinate to bring enhanced thermal resistance multi compound nanofibers.

Materials and methods
First, the operating factors including needle to collector distance, polymer concentration, and high-voltage were evaluated after performing various of preliminary experiments. Then, based on the D-Optimal mixture design (Design of experiments (DOE), Ver 10), electrospinning was carried out at a distance of 12 cm, voltage of 16 kV, and a flow rate of 0.5 ml/h with different ratios of three polymeric solutions (Polyvinyl alcohol, Chitosan, and Sodium Caseinate). The morphology and diameter of nanofibers were investigated using scanning electron microscopy images, and according to the results, three samples were selected based on differences in diameter (low, medium, and high). Therefore, the physicochemical properties of these samples plus a chitosan-free sample were investigated using X-ray diffraction (to determine crystallographic structure), Fourier transform infrared spectroscopy (to observe chemical changes) and Thermogravimetric analysis (to determine the nanofiber's thermal stability).

Results:
Nanofibers of Polyvinyl alcohol / Chitosan / Sodium Caseinate were successfully electrospun with mean diameters in the range from 121 nm to 192 nm. The nanofibers 622 (i.e. 60% polyvinyl alcohol, 20% chitosan and 20% sodium caseinate), 811 (i.e. 80% polyvinyl alcohol, 10% chitosan and 10% sodium caseinate), and 721 (i.e. 70% polyvinyl alcohol, 20% chitosan and 10% sodium caseinate) exhibited the thickest, the medium size, and the thinnest sample, respectively. The observed decrease of peak intensity in nanofibers X-ray diffraction pattern was attributed to the sharp decrease in the semi-crystalline structure of Polyvinyl alcohol in combination with chitosan and Sodium Caseinate polymers, which is due to the formation of hydrogen bonds and crystalline-amorphous phase compatibility. The Fourier transform infrared spectroscopy confirmed that all the polymers were fully dispersed in the nanofibers. The Thermogravimetric analysis results also showed that despite the higher initial decomposition temperature of chitosan free sample (i.e. 703), the presence of chitosan improves thermal stability, resulted in thermal changes occurring over a wider temperature range.

Conclusion:
Owing to the successful electrospinning and the appropriate physicochemical properties of the nanofibers as with proper thermal resistance, it can be propounded to employ chitosan, Polyvinyl alcohol, and specially Sodium Caseinate electrospun nanofibers for implementing in sever thermal circumstances and nanoencapsulation of bioactive compounds (like the ones with hydrophobic nature).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electrospinning
  • Polyvinyl Alcohol
  • Chitosan
  • Sodium Caseinate
  • Physicochemical Properties

مراجع

  1. 1.Abou_Taleb, M., 2009. Thermal and spectroscopic studies of poly (N‐vinyl pyrrolidone)/poly (vinyl alcohol) blend films. J. Appl. Polym Sci. 114: 2.1202-1207.

    2.Abraham, A., Soloman, P., and Rejini, V. 2016. Preparation of chitosan-polyvinyl alcohol blends and studies on thermal and mechanical properties. Procedia Technology. 24: 741-748.

    3.Agnihotri, S.A., Mallikarjuna, N.N., and Aminabhavi, T.M. 2004. Recent advances on chitosan-based micro-and nanoparticles in drug delivery. J Control Release. 100: 1.5-28.

    4.Alehosseini, A., Gómez-Mascaraque, L.G., Martínez-Sanz, M., and López-Rubio, A. 2019. Electrospun curcumin-loaded protein nanofiber mats as active/bioactive coatings for food packaging applications. Food Hydrocolloids. 87: 758-771.

    5.Arvanitoyannis, I., Kolokuris, I., Nakayama, A., Yamamoto, N., and Aiba, S.I. 1997. Physico-chemical studies of chitosan-poly (vinyl alcohol) blends plasticized with sorbitol and sucrose. Carbohyd Polym. 34: 1-2.9-19.

    6.Bazhban, M., Nouri, M., and Mokhtari, J. 2013. Electrospinning of cyclodextrin functionalized chitosan/PVA nanofibers as a drug delivery system. Chinese J Polym Sci. 31: 10.1343-1351.

    7.Benjakul, S., Oungbho, K., Visessanguan, W., Thiansilakul, Y., and Roytrakul, S. 2009. Characteristics of gelatin from the skins of bigeye snapper, Priacanthus tayenus and Priacanthus macracanthus. Food Chem. 116: 2.445-451.

    8.Bhajantri, R., Ravindrachary, V., Harisha, A., Crasta, V., Nayak, S.P., and Poojary, B. 2006. Microstructural studies on BaCl2 doped poly (vinyl alcohol). Polymer. 47: 10.3591-3598.

    9.Biranje, S., Madiwale, P., and Adivarekar, R. 2018. Porous electrospun Casein/PVA nanofibrous mat for its potential application as wound dressing material. J Porous Mat. p. 1-12.

    1. 10. Bondì, M.L., Emma, M.R., Botto, C., Augello, G., Azzolina, A., Di Gaudio, F., Craparo, E.F., Cavallaro, G., Bachvarov, D., and Cervello, M. 2017. Biocompatible lipid nanoparticles as carriers to improve curcumin efficacy in ovarian cancer treatment. J Agric Food Chem. 65: 7.1342-1352.
    2. 11. Dong, H., Strawhecker, K.E., Snyder, J.F., Orlicki, J.A., Reiner, R.S., and Rudie, A.W. 2012. Cellulose nanocrystals as a reinforcing material for electrospun poly (methyl methacrylate) fibers: Formation, properties and nanomechanical characterization. Carbohyd Polym. 87: 4.2488-2495.
    3. 12. Ferfera-Harrar, H., and Dairi, N. 2013. Elaboration of cellulose acetate nanobiocomposites using acidified gelatin‐montmorillonite as nanofiller: Morphology, properties, and biodegradation studies. Polym Composite. 34: 9.1515-1524.
    4. 13. Fernandes, S.C., Freire, C.S., Silvestre, A.J., Neto, C.P., Gandini, A., Berglund, L.A., and Salmén, L. 2010. Transparent chitosan films reinforced with a high content of nanofibrillated cellulose. Carbohyd Polym. 81: 2. 394-401.
    5. 14. Ganesh, M., Aziz, A.S., Ubaidulla, U., Hemalatha, P., Saravanakumar, A., Ravikumar, R., Peng, M.M., Choi, E.Y., and Jang, H.T. 2016. Sulfanilamide and silver nanoparticles-loaded polyvinyl alcohol-chitosan composite electrospun nanofibers: synthesis and evaluation on synergism in wound healing. J Ind Eng Chem. 39: 127-135.
    6. 15. Gibson, P.W., Lee, C., Ko, F., and Reneker, D. 2007. Application of nanofiber technology to nonwoven thermal insulation. J Eng Fiber Fabr. 2: 2. 155892500700200204.
    7. 16. Hadipour-Goudarzi, E., Montazer, M., Latifi, M., and Aghaji, A.A.G. 2014. Electrospinning of chitosan/sericin/PVA nanofibers incorporated with in situ synthesis of nano silver. Carbohyd polym. 113: 231-239.
    8. 17. Jafarizadeh-Malmiri, H., Sayyar, Z., Anarjan, N., and Berenjian, A. 2019. Nano-additives for Food Industries. P 41-68, In: H. Jafarizadeh-Malmiri., Z. Sayyar., N. Anarjan and A. Berenjian (eds), Nanobiotechnology in Food: Concepts, Applications and Perspectives, Springer, London.
    9. 18. Kadir, M., Aspanut, Z., Majid, S., and Arof, A.K. 2011. FTIR studies of plasticized poly (vinyl alcohol)–chitosan blend doped with NH4NO3 polymer electrolyte membrane. Spectrochim Acta A. 78: 3.1068-1074.
    10. 19. Katouzian, I., and Jafari, S.M. 2016. Nano-encapsulation as a promising approach for targeted delivery and controlled release of vitamins. Trends Food Sci Tech. 53: 34-48.
    11. 20. Koo, S.Y., Mok, I.K., Pan, C.H., and Kim, S.M. 2016. Preparation of fucoxanthin-loaded nanoparticles composed of casein and chitosan with improved fucoxanthin bioavailability. J Agric Food Chem. 64: 49.9428-9435.
    12. 21. Luo, Y., Teng, Z., Wang, T.T., and Wang, Q. 2013. Cellular uptake and transport of zein nanoparticles: effects of sodium caseinate. J Agric Food Chem. 61: 31.7621-7629.
    13. 22. Moradkhannejhad, L., Abdouss, M., Nikfarjam, N., Mazinani, S., and Heydari, V. 2018. Electrospinning of zein/propolis nanofibers; antimicrobial properties and morphology investigation. J Mater Sci Mater Med. 29: 11.p165.
    14. 23. Naghibzadeh, M., Firoozi, S., Nodoushan, F.S., Adabi, M., Khoradmehr, A., Fesahat, F., Esnaashari, S.S., Khosravani, M., Tavakol, S., and Pazoki-Toroudi, H. 2018. Application of electrospun gelatin nanofibers in tissue engineering. Biointerface Research in Applied Chemistry. 8: 1.3048-3052.
    15. 24. Neo, Y.P., Ray, S., Jin, J., Gizdavic-Nikolaidis, M., Nieuwoudt, M.K., Liu, D., and Quek, S.Y. 2013. Encapsulation of food grade antioxidant in natural biopolymer by electrospinning technique: A physicochemical study based on zein–gallic acid system. Food Chem. 136: 2.1013-1021.
    16. 25. Pan, K., Zhong, Q., and Baek, S.J. 2013. Enhanced dispersibility and bioactivity of curcumin by encapsulation in casein nanocapsules. J Agric Food Chem. 61: 25.6036-6043.
    17. 26. Rezaei, B., Askari, M., Shoushtari, A.M., and Malek, R.A.M. 2014. The effect of diameter on the thermal properties of the modeled shape-stabilized phase change nanofibers (PCNs). J Therm Anal Calorim. 118: 3.1619-1629.
    18. 27. Sun, B., Long, Y., Zhang, H., Li, M., Duvail, J., Jiang, X., and Yin, H. 2014. Advances in three-dimensional nanofibrous macrostructures via electrospinning. Prog Polym Sci. 39: 5.862-890.
    19. 28. Tian, J., Deng, H., Huang, M., Liu, R., Yi, Y., and Dong, X. 2019. Electrospun Nanofibers for Food and Food Packaging Technology. P 455-516, In: H. Dang., J. Yu and X. Wang (eds), Electrospinning: Nanofabrication and Applications, Elsevier.
    20. 29. Tripathi, S., Mehrotra, G., and Dutta, P. 2009. Physicochemical and bioactivity of cross-linked chitosan–PVA film for food packaging applications. Int J Biol Macromol. 45: 4.372-376.
    21. 30. Vega-Lugo, A.C., and Lim, L.T. 2008. Electrospinning of soy protein isolate nanofibers. J Biobased Mater Bioe. 2: 3.223-230.
    22. 31. Xie, J., and Hsieh, Y.L. 2003.Ultra-high surface fibrous membranes from electrospinning of natural proteins: casein and lipase enzyme. J Mater Sci. 38: 10.2125-2133.
    23. 32. Yousefi Abdolmaleki, A., Zilouei, H., Nouri Khorasani, S., and Abdolmaleki, A. 2017. Optimization and characterization of electrospun chitosan/poly (vinyl alcohol) nanofibers as a phenol adsorbent via response surface methodology. Polym Advan Tech. 28: 12.1872-1878.
    24. 33. Zhang, Y., Zhang, C., Feng, Y., Zhang, T., Chen, Q., Chi, Q., Liu, L., Li, G., Cui, Y., and Wang, X. 2019. Excellent energy storage performance and thermal property of polymer-based composite induced by multifunctional one-dimensional nanofibers oriented in-plane direction. Nano energy. 56: 138-150.
    25. 34. Zhong, J., Mohan, S.D., Bell, A., Terry, A., Mitchell, G.R., and Davis, F.J. 2018. Electrospinning of food-grade nanofibres from whey protein. Int j biol macromol. 113: 764-773.
    26. 35. Zhuang, P.Y., Li, Y.L., Fan, L., Lin, J., and Hu, Q.L. 2012. Modification of chitosan membrane with poly (vinyl alcohol) and biocompatibility evaluation. Int j biol macromol. 50: 3.658-663.
نشریه فرآوری و نگهداری مواد غذایی
دوره 13، شماره 2
تیر 1400
صفحه 1-18

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار