توصيفگر ها :
آئروژل , نانوالياف سلولزي , عايق حرارتي , تغيير فازدهنده , بسته بندي
چكيده فارسي :
مقادير قابل توجه ضايعات توليدي در كارخانه¬هاي مواد غذايي در كنار بسته‌بندي و زنجيره سرد نامناسب، سالانه خسارات جبران ناپذيري به صنعت غذا تحميل مي¬كند. استفاده از اين ضايعات و بازگرداندن آن¬ها به چرخه توليد گامي مفيد در جهت كاهش خسارات اقتصادي و زيست¬محيطي ناشي از دفع آن¬ است. از سوي ديگر استفاده از عايق‌هاي حرارتي و مواد تغيير فاز دهنده در بسته‌بندي مواد غذايي حساس به حرارت كاهش ضايعات در اثر نوسانات و قطع سيستم سرمايي را در پي دارد. با اين حال عدم ثبات شكل و نشتي در حين تغيير فاز از موانع اصلي كاربرد تغيير فاز دهنده‌هاي داراي تغيير فاز جامد به مايع، به شمار مي‌روند. بنابراين در اين تحقيق، از دانه مصرف شده ماءالشعيرسازي كه حجم قابل توجهي (بيش از 85 درصد) از ضايعات كارخانجات فرآوري ماءالشعير را به خود اختصاص مي¬دهد، به عنوان منبع اوليه استخراج نانوالياف سلولز، توليد آئروژل به عنوان عايق حرارتي و توليد كامپوزيت آئروژل/تغيير فازدهنده استفاده شد. براي اين منظور، از يك تيمار شيميايي ملايم (تيمار قليايي و رنگبري يك مرحله‌اي) نسبت به محدود پژوهش‌هاي انجام شده در اين زمينه براي استخراج سلولز استفاده گرديد. در ادامه با استفاده از ميكروفلودايزر به تنهايي و يا با پيش تيمار اكسيداسيون تمپو، دو نوع نانوفيبر توليد شد. ويژگي‌هاي نانوفيبرهاي توليد شده توسط ميكروسكوپ‌هاي نوري، الكتروني، اتمي، طيف سنج مادون قرمز، پراش اشعه ايكس، آناليز توزين حرارتي، زتاسايزر و رئومتر بررسي گرديد. در ادامه، براي نخستين بار با استفاده از دو نوع نانوفيبر توليد شده در غلظت‌هاي 3-1 درصد وزني و كاربرد دو روش انجماد يكسويه و تصادفي آئروژل‌ها توليد گرديدند. تاثير نوع نانوفيبر و روش انجماد بر ريزساختار، هدايت حرارتي و ويژگي‌هاي مكانيكي آئروژل‌هاي توليد شده مورد بررسي قرار گرفت. در مرحله بعد، كامپوزيت‌هاي پلي‌اتيلن‌گلايكول (PEG)/آئروژل با استفاده از دو روش مختلف، شامل افزودن PEG در مرحله سل (با و يا بدون پيوند عرضي فيزيكي) با غلظت‌هاي 80، 85، 90 درصد وزني و افزودن در مرحله ژل توليد گرديدند. در ادامه ويژگي‌هاي ظاهري، حرارتي، مكانيكي و تنظيم حرارتي كامپوزيت‌هاي توليد شده بررسي شد. در مرحله پاياني، كارايي آئروژل و كامپوزيت توليد شده در بسته‌بندي گوشت منجمد و هنگام قطع سيستم سرمايي سنجيده شد. نتايج به دست آمده نشان داد، نانوفيبرهاي توليد شده از طريق كاربرد اكسيداسيون تمپو از قطر كوچك‌تر (4/5 نانومتر) و توزيع اندازه يكنواخت‌تر برخوردار بودند. كليه آئروژل‌هاي توليد شده داراي دانسيته پايين (009/0 تا g/cm3030/0)، هدايت حرارتي پايين (4/32 تا W/mK 037/0) و ضريب الاستيسيته kPa 4-311 بودند. انجماد يكسويه و اكسيداسيون تمپو سبب بهبود خواص عايق حرارتي و مكانيكي آئروژل‌ها شد. به طور خاص، آئروژل توليد شده با استفاده از انجماد يكسويه و غلظت 3 درصد وزني، كمترين هدايت حرارتي (W/mK 032/0) و بالاترين ضريب الاستيسيته (kPa 311) را نشان داد. آزمون‌هاي FTIR و TGA انجام شده بر كامپوزيت‌ها، وجود برهمكنش فيزيكي بين PEG و نانوفيبر و بهبود پايداري حرارتي PEG پس از ادغام در آئروژل را نشان داد. آنتالپي ذوب و تبلور كامپوزيت‌ها به ترتيب بين 2/44 تا J/g 2/93 و 1/42 تا J/g 1/79 متغير بود. كامپوزيت PEG/CNF توليد شده با افزودن PEG در مرحله ژل داراي بالاترين آنتالپي تغيير فاز (J/g 4/4 ± 2/93)، بالاترين نسبت آنتالپي موثر%3/86، بالاترين مقاومت فشاري و ضريب الاستيسيته (140 كيلو پاسكال) بود. بسته‌بندي حاوي اين كامپوزيت توانست دماي گوشت منجمد را براي حدود 5137 ثانيه زير صفر درجه سلسيوس حفظ كند، كه به معناي كارآمدي 4 برابري بسته مذكور نسبت به بسته شاهد بود؛ ضمن آن كه عدم تغيير شكل و امكان نشتي در حين تغيير فاز از جمله مزاياي كاربرد كامپوزيت نسبت به PEG خالص بود. افزون براين، كامپوزيت به كار برده شده در بسته‌بندي توانست به طور موثري ميزان تغييرات رنگ و خروج خونابه را در مقايسه با بسته شاهد كاهش دهد. به طوركلي، پژوهش حاضر چشم‌اندازي جديد در زمينه استفاده از ضايعات توليد ماءالشعير در طراحي عايق حرارتي زيست‌تخريب‌پذير ارائه داد.
چكيده انگليسي :
The brewery industry produces about 21-26 billion kilos of waste annually. The majority of this waste, approximately 85%, consists of brewery spent grains (BSG). While BSG can be considered as a rich source of fibers, proteins, polyphenols, vitamins and antioxidants, usually it is sold as a low-value waste to the animal feed industry or is directly disposed which makes it a problem from an environmental perspective. Despite recent attempts to reduce waste through bioactive peptide extraction for nutraceutical and food concepts, the retained fiber after peptide extraction is still considered as waste without any high value application. On the other hand, cold chain interruptions during the perishable food transportation such as meat inflicts irreversible economic losses on the food industry. In this work, the potential use of beer industry waste materials as a source of CNF has been explored to produce high value-added nanocellulose, nanocellulose aerogel materials, and a carrier of phase-changing material (PCM) as thermal insulators in packaging applications. The CNF from beer waste was extracted using microfluidization with and without a TEMPO oxidation pretreatment. The properties of aerogels obtained from the extracted CNF were then compared with respect to processing method, CNF concentration, and microstructure induced by unidirectional or random freeze casting. Specifically, morphology, thermal conductivity, mechanical properties, density, porosity, and thermal properties of the resulting aerogels were analyzed. Furthermore, a green shape-stabilized polyethylene glycol 300 (PEG) composite was developed. Two different routes were examined for the incorporation of PEG into the cellulose nanofiber (CNF) aerogel including adding different dry mass ratios of PEG (80, 85, and 90 wt%) in the sol stage, with or without physical crosslinking, or adding the PEG after CNF gelation. The obtained results showed that the TEMPO-treated CNFs exhibited finer diameter (5.4 nm) with a more homogeneous size distribution compared to the non-oxidized samples. All of the produced aerogels demonstrated low densities (0.009-0.031 g/cm3), low thermal conductivities (32.3-37.7 mW/mK), and a compressive Young’s modulus in the range of 4-311 kPa. Unidirectional freezing and TEMPO-oxidation showed a distinct improvement in the thermal conductivity and mechanical properties of the aerogels compared to the random frozen samples. Specifically, the unidirectional frozen aerogel with the highest investigated CNF concentration of 3 (wt%) exhibited the lowest thermal conductivity (32.4 mW/mK), highest Young’s modulus (311 kPa), and good thermal stability. FTIR and TGA analysis of produced composites revealed the physical interaction between PEG and CNF and improved thermal stability of PEG after incorporation into the CNF aerogel. The PEG/CNF composite produced by adding PEG in the gel stage outperformed the other material formulations by demonstrating the highest enthalpy value (93.2 J/g) and the best mechanical properties (141 KPa). Its thermal repeatability and regulation properties were confirmed by DSC cyclic test, infrared imaging, climate chamber measurements, and frozen meat packaging. The package containing the PEG/CNF composite could maintain the meat temperature below 0 ℃ around 4 times longer than the control package when the cold system was interrupted. These results showed that the BSG-derived nanocellulose is a valuable resource for producing eco-friendly, biodegradable, and thermally insulating aerogels and high-value shape-stabilized PCM for perishable food packaging.
