پديد آورندگان :
اصغري قاجاري، محسن دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان - دانشكده صنايع غذايي، گرگان، ايران , مقصودلو، يحيي دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان - گروه علوم و صنايع غذايي، گرگان، ايران , جعفري، مهدي دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي گرگان - گروه مهندسي مواد و طراحي صنايع غذايي، گرگان، ايران , قرباني، محمد دانشگاه علوم كشاورزي و منابع طبيعي - گروه علوم و صنايع غذايي، گرگان ، ايران
كليدواژه :
الكتروريسي , پلي‌وينيل‌الكل , كيتوزان , كازئينات‌سديم , خواص فيزيكوشيميايي
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: از الكتروريسي براي توليد نانوالياف با ويژگي‌هاي فيزيكوشيميايي ارتقاء يافته استفاده مي‌گردد. به عنوان يك فن‌آوري در حال توسعه اين سامانه به دليل مكانيسم ساده و استفاده از انواع مختلفي از پليمرها ، به عنوان قوي‌ترين روش براي صنعتي سازي در نظر گرفته مي شود. در اين پژوهش، الكتروريسي چند جزيي به منظور بهبود ويژگي مقاومت حرارتي باالكتروريسي سه پليمر كازئينات‌سديم/ كيتوزان/ پلي‌وينيل‌الكل مورد بررسي قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: ابتدا فاكتورهاي دستگاه الكتروريسي شامل محدوده فاصله، ولتاژ، پس از انجام پيش تست‌هاي مختلف جهت تعيين شرايط بحراني مناسب براي توليد نانوالياف بررسي شد. پس از تعيين موارد ذكر شده يعني فاصله 12 سانتي‌متر و ولتاژ 16 كيلوولت، و شدت جريان 0/5 ميلي‌ليتر بر ساعت نسبت‌هاي متفاوتي از محلول سه پليمر كازئينات‌سديم، كيتوزان و پلي‌وينيل‌الكل براساس طرح مخلوط تهيه و الكتروريسي انجام شد. مورفولوژي و قطر نانوالياف توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفت. در ادامه با توجه به نتايج ميكروسكوپ الكتروني روبشي سه گروه از انانوالياف بر اساس تفاوت در قطر (قطر كم، متوسط و زياد) انتخاب، و ويژگي‌هاي فيزيكوشيميايي آن ها شامل بررسي ساختار كريستالي (پراش اشعه ايكس)، بررسي واكنش‌هاي مولكولي (طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه) و بررسي مقاومت به تجزيه حرارتي (آناليز گرما وزن‌سنجي) مطالعه گرديد.
يافته‌ها: نانوالياف كازئينات‌سديم/ كيتوزان/ پلي‌وينيل‌الكل، با ميانگين قطر 121 تا 192 نانومتر به خوبي الكتروريسي شد. نانوالياف 622 (شامل 60 درصد پلي‌وينيل‌الكل، 20 درصد كيتوزان و 20 درصد كازئينات سديم)، 811 (شامل 80 درصد پلي‌وينيل‌الكل، 10 درصد كيتوزان و 10 درصد كازئينات سديم) و 721 (شامل 70 درصد پلي‌وينيل‌الكل، 20 درصد كيتوزان و 10 درصد كازئينات سديم) به ترتيب حائز ببيشترين قطر (192 نانومتر)، قطر متوسط (178 نانومتر) و كمترين قطر (121 نانومتر) شدند. در بررسي نتايج، كاهش شدت پيك مشاهده شده در الگوي پراش اشعه ايكس نانوالياف (در مقايسه با نمونه‌هاي پلي‌وينيل‌الكل، كيتوزان و كازئينات سديم) را مي‌توان به كاهش شديد ساختار نيمه بلوري پلي‌وينيل‌الكل به دليل تشكيل پيوند هيدروژني بين پلي‌وينيل‌الكل ، مولكول آب، كيتوزان و كازئينات‌سديم، و نيز به واسطه سازگاري فاز بي نظم و بلوري در پليمرها به خصوص كيتوزان و كازئينات‌سديم نسبت داد. همچنين نتايج طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه نشان داد، سه پليمر پلي‌وينيل‌الكل، كيتوزان و كازئينات‌سديم در نانوالياف الكترواسپان به‌طور كامل پراكنده شده‌اند. بررسي نتايج حاصل از آناليز گرما وزن‌سنجي نيز نشان داد اگرچه نمونه بدون كيتوزان (نمونه 703) دماي شروع تخريب حرارتي بيشتري داشت، اما حضور كيتوزان باعث بهبود پايداري حرارتي و منجر به مشاهده رخدادهاي حرارتي در محدوده دمايي گسترده‌تري شد. به طوري كه نمونه نانوالياف 622 (قطر 192 نانومتر)، بيشترين مقاومت به تخريب را از خود نشان داد.
نتيجه‌گيري: با توجه به نتايج اشاره شده استفاده از سه پليمر مذكور (با نسبت بهينه (622) در فاصله 12 سانتي‌متر، ولتاژ 16 كيلوولت، و شدت جريان 0/5 ميلي‌ليتر بر ساعت) امكان الكتروريسي موفق و توليد نانوالياف با ويژگي‌هاي فيزيكوشيميايي مناسب مانند مقاومت حرارتي بالا را فراهم مي‌سازد. در نتيجه قابليت بكارگيري نانوالياف توليد شده در شرايط شديد حرارتي و همچنين با توجه به حضور سديم كازئينات، امكان ريزپوشاني تركيبات زيست فعال بويژه تركيبات هيدروفوب با آن پيشنهاد مي‌شود.
چكيده لاتين :
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).
