สมบัติ เสถียรภาพ และสภาพสลายได้ทางชีวภาพของฟิล์มโปรตีนถั่วเหลืองสกัดเสริมเส้นใยเซลลูโลส

Properties, stability and bio-degradability of cellulose fiber- reinforced soy protein isolate film

Name: นันทพร โพธิวุฒิคุณ

keyword: โปรตีนจากพืช

; เซลลูโลส

; พลาสติกที่ย่อยสลายทางชีวภาพ

Abstract: โปรตีนถั่วเหลืองเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่สามารถนำมาพัฒนาเป็นฟิล์มย่อยสลายได้ อย่างไรก็ตามฟิล์มโปรตีนถั่วเหลืองมีข้อจำกัดสำคัญในด้านความแข็งแรงเชิงกล การเสริมความแข็งแรงด้วยเส้นใยเป็นวิธีหนึ่งที่สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงสมบัติเชิงกลของวัสดุต่างๆ เส้นใยเซลลูโลสเป็นเส้นใยที่มีความแข็งแรงและสามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติ จึงมีศักยภาพในการนำมาเสริมความแข็งแรงให้แก่ฟิล์มย่อยสลายได้ งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาผลของการเติมเส้นใยจากเซลลูโลสต่อสมบัติ เสถียรภาพ และสภาพสลายได้ของฟิล์มโปรตีนถั่วเหลืองสกัด โดยแปรชนิดของเส้นใยจากเซลลูโลสเป็น 2 ชนิด ได้แก่ เซลลูโลส และไมโครคริสตัลลีนเซลลูโลส แปรขนาดอนุภาคของเส้นใยเป็น 2 ขนาด ได้แก่ 20 และ 50 ไมโครเมตร และแปรปริมาณเส้นใยเป็น 3 ระดับ ได้แก่ 5, 10 และ 15% โดยน้ำหนักของโปรตีนถั่วเหลืองสกัด ในด้านสมบัติเชิงกลพบว่าการเสริมเส้นใยส่งผลต่อความต้านทานแรงดึงขาด (tensile strength) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติมไมโครคริสตัลลีนเซลลูโลสที่มีขนาดอนุภาค 20 ไมโครเมตร ซึ่งพบว่าทำให้ฟิล์มมีความต้านทานแรงดึงขาดสูงกว่าตัวอย่างควบคุมอย่างมีนัยสำคัญ (p≤0.05) ในขณะที่การยืดตัวถึงจุดขาด (elongation at break) ของทุกตัวอย่างมีค่าลดลงเมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น การเสริมเส้นใยส่งผลให้ความโปร่งแสงของฟิล์มลดลง ในขณะที่สภาพให้ซึมผ่านได้ของไอน้ำ (water vapor permeability) และมุมสัมผัส (contact angle) ระหว่างหยดน้ำกับผิวฟิล์มมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ฟิล์มที่เติมเส้นใยมี L* ลดลง ในขณะที่ a* และ b* มีค่าสูงขึ้น มุมสีของทุกตัวอย่างมีค่าประมาณ 90 องศา ซึ่งเป็นมุมของสีเหลือง นอกจากนี้พบว่าความเข้มสีมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น จากการศึกษาลักษณะโครงสร้างของพื้นผิวและภาคตัดขวางพบว่าฟิล์มที่เสริมเส้นใยมีพื้นผิวที่ขรุขระมากขึ้นและเนื้อฟิล์มมีความเป็นเนื้อเดียวกันลดลง สำหรับด้านเสถียรภาพ พบว่าชนิดและขนาดอนุภาคของเส้นใยมีผลต่อความสามารถในการละลายน้ำของฟิล์ม โดยฟิล์มที่เติมเส้นใยขนาดอนุภาค 20 ไมโครเมตร มีความสามารถในการละลายน้ำต่ำกว่าฟิล์มที่เติมเส้นใยขนาดอนุภาค 50 ไมโครเมตร และฟิล์มที่เติมเซลลูโลสมีความสามารถในการละลายน้ำต่ำกว่าฟิล์มที่เติมไมโครคริสตัลลีนเซลลูโลส จากการติดตามพฤติกรรมการดูดความชื้นของฟิล์มที่ 25 องศาเซลเซียส พบว่าฟิล์มที่เสริมเส้นใยมีรูปแบบของเส้นพฤติกรรมการดูดความชื้นใกล้เคียงกับตัวอย่างควบคุม ความต้านทานแรงดึงขาดมีค่าลดลงและการยืดตัวถึงจุดขาดมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อวอเตอร์แอกทิวิตีมีค่าสูงขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าฟิล์มแต่ละตัวอย่างมีการเปลี่ยนแปลงของสมบัติเชิงกลที่สัมพันธ์กับวอเตอร์แอกทิวิตีที่แตกต่างกัน สำหรับการสลายตัวด้วยความร้อน พบว่าตัวอย่างฟิล์มรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักที่คล้ายคลึงกัน โดยมีการสูญเสียน้ำหนักเป็น 3 ช่วง คือ การระเหยของน้ำ (ช่วงอุณหภูมิ 80-120 องศาเซลเซียส) การระเหยของกลีเซอรอล (ช่วงอุณหภูมิ 180-260 องศาเซลเซียส) และการสลายตัวของโปรตีนและเส้นใยจากเซลลูโลส (ช่วงอุณหภูมิ 300-320 องศาเซลเซียส) สำหรับสภาพย่อยสลายได้ทางชีวภาพในภาวะที่มีอากาศภายใต้ภาวะการหมักขยะที่ควบคุม พบว่าที่ระยะเวลาการหมัก 45 วัน ฟิล์มที่เติมไมโครคริสตัลลีนเซลลูโลสขนาดอนุภาค 20 ไมโครเมตร ปริมาณ 15% มีร้อยละการย่อยสลายเท่ากับ 86.97 ซึ่งใกล้เคียงกับตัวอย่างควบคุมที่มีร้อยละการย่อยสลายเท่ากับ 85.43

Abstract: Soy protein is one of the biopolymers that can be used for fabricating bio-degradable film. Soy protein film, however, still has limitation in terms of mechanical strength. Fiber reinforcement is one technique that could be used to improve mechanical property of various materials. Being high in strength and bio-degradable, cellulosic fibers are thus good candidate for using as reinforcing agent in bio-degradable films. This research aimed to investigate the effect type, particle size, and content of cellulosic fibers on properties, stability and bio-degradability of soy protein isolate film. Two types of cellulosic fibers (cellulose and microcrystalline cellulose) were varied in terms of particle size (20 and 50 µm) and content (5, 10 and 15% by weight of protein). Regarding to mechanical properties, fiber reinforcement was found to pose an effect on tensile strength, especially for those samples reinforced with 20 µm microcrystalline cellulose which exhibited significantly higher tensile strength than the control (p≤0.05). In contrast, elongation at break was found to decrease with increasing fiber content. Fiber reinforcement was shown to induce a decrease in film transparency and an increase in water vapor permeability and contact angle between water droplet and the film surface. Fiber-containing films demonstrated decreasing L* and increasing a* and b*. All samples possessed a hue angle of about 90°, representing yellow color. Chroma was found to increase with increasing fiber content. Pertaining to film morphology, the fiber-containing films possessed increasing surface roughness and reduced matrix homogeneity. For film stability, it was found that type and particle size of cellulosic fiber did affect water solubility. The films with 20 µm-fiber were less soluble than those with 50 µm-fiber. On the other hand, the cellulose-added films exhibited lower solubility than those added with microcrystalline cellulose. From the sorption behavior at 25 °C, all film samples demonstrated similar isotherm shape. In general, the film samples had decreasing tensile strength and increasing elongation at break with increasing water activity. Similar thermal degradation profiles were observed for the control and those with cellulosic fiber. Three regions of mass loss were revealed with water evaporation occurring in the temperature range of 80-120 ̊C, volatilization of glycerol occurring in the temperature range of 180-260 ̊C, and degradation of protein and cellulosic fiber occurring in the temperature range of 300-320 ̊C. Bio-degradability as determined using aerobic bio-degradation under controlled composting condition unveiled that the film containing 20 µm-microcrystalline cellulose at 15% concentration demonstrated 86.97% bio-degradation, which was similar in value to the control which demonstrated 85.43% bio-degradation.

จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. สำนักงานวิทยทรัพยากร

Address: กรุงเทพมหานคร

Email: cuir@car.chula.ac.th

Name: ธนจันทร์ มหาวนิช

Role: ที่ปรึกษา

Name: เกียรติศักดิ์ ดวงมาลย์

Role: ที่ปรึกษา

Created: 2557

Modified: 2020-10-12

Issued: 2563-07-16

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

URL: http://cuir.car.chula.ac.th/handle/123456789/60940

tha

DegreeName: วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: เทคโนโลยีทางอาหาร

Grantor: จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

©copyrights จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	5572016823.pdf	4.46 MB	7	2023-03-07 15:52:05

ใช้เวลา

0.026937 วินาที