Abstract

Filme nanocompozite pe bază de chitosan cu diferite încărcări de argilă (0, 5, 10, 15% în greutate), cu (10, 20, 30% în greutate) și fără glicerol ca plastifiant, au fost preparate prin turnare în soluție. Efectele adăugării de argilă și glicerol asupra proprietăților termice, mecanice, de absorbție a apei și ale activității antimicrobiene ale filmelor de nanocompozite de chitosan/argilă au fost cercetate în acest studiu. Rezultatele XRD au indicat că structura intercalată a fost obținută în nanocompozite chitosan/argilă cu și fără glicerol. Stabilitatea termică a chitosanului a fost semnificativ îmbunătățită de prezența argilei și glicerinei. S-a constatat că adăugarea de argilă în chitosan a îmbunătățit semnificativ rezistența la tracțiune și modulul de tracțiune. Cele mai mari valori ale rezistenței și rigidității au fost atinse pentru nanocompozitele chitosal/argilă cu 5% în greutate argilă și 20% în greutate glicerol. Adăugarea atât a argilei, cât și a glicerinei a redus drastic ductilitatea chitosanului. Cea mai bună rezistență la apă a fost obținută pentru filmul de chitosan care conține 5% în greutate argilă și 20% în greutate glicerol. Filmul nanocompozit cu chitosan/argilă avea potențial pentru aplicarea unor materiale alternative de ambalare a alimentelor.

apei

1. Introducere

Chitosanul este unul dintre cei mai interesanți biopolimeri pentru aplicarea materialelor alternative de ambalare a alimentelor datorită biodegradabilității, biocompatibilității, proprietăților antimicrobiene și netoxicității [1, 2, 3, 4]. Cu toate acestea, chitosanul are rezistență scăzută la apă, proprietăți mecanice și termice slabe, limitând utilizarea acestuia în filmele funcționale. Aceste dezavantaje ale chitosanului sunt atribuite naturii hidrofile a chitosanului [5, 6]. O metodă frecvent utilizată pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice și de barieră ale chitosanului este prin adăugarea de întăriri la scară nanomatică în lanțurile de chitosan [7, 8, 9, 10, 11]. Argila cu montmorillonit a fost utilizată pe scară largă ca o armare eficientă în nanocompozitele polimerice/argiloase, datorită faptului că a constat din mai multe straturi de silicat, un raport de aspect ridicat și o interacțiune puternică cu matricea polimerică [12, 13, 14, 15].

Scopul acestui studiu este de a elabora efectele argilei montmorillonitice modificate organic și glicerolului, pe lângă stabilitatea termică, mecanică, sorbția apei și proprietățile activității antimicrobiene ale nanocompozitelor chitosan/argilă. Nanocompozitele de chitosan/argilă au fost preparate prin amestecarea diferitelor argile (0, 5, 10, 15% în greutate) și cu și fără glicerol (10, 20 și 30% în greutate). Structura nanocompozitelor a fost caracterizată folosind difracția de raze X (XRD). Proprietățile mecanice au fost studiate prin testul de tracțiune pentru a găsi rezistența la tracțiune, modulul elastic și alungirea la rupere. Stabilitatea termică a fost evaluată utilizând analiza termogravimetrică. S-au investigat, de asemenea, comportamentul de absorbție a apei și activitatea antimicrobiană.

2. Experimental

2.1. Materiale

Chitosan cu greutate moleculară mare (CS) sub formă de pulbere (310-375 kDa, cu vâscozitate de 800-2000 cP, 1% în greutate În acid acetic 1% 25 ° C cu un grad de deacetilare mai mare de 75%) a fost achiziționat de la Sigma- Aldrich, Singapore. Acidul acetic glacial a fost adus de la Sigma Aldrich, Singapore pentru a produce soluții de acid acetic. Glicerolul folosit ca plastifiant a fost achiziționat de la Sigma-Aldrich, Singapore. Argila de montmorillonit (MMT) (Nanomer I.28E) utilizată în această lucrare a fost argila de montmorillonit modificată de ioni cuaternari trimetilstearilamoniu având un raport de aspect aproximativ de 75-120 μm, achiziționat de la Nanocor Co., SUA.

2.2. Prepararea nanocompozitelor de chitosan/argilă

Soluția de chitosan a fost preparată prin dizolvarea a 2 g de pulbere de CS în 100 ml soluție apoasă de acid acetic (1%, v/v), utilizând o placă de agitare magnetică la 90 ° C și 150 rpm timp de 1 oră și apoi răcită la temperatura camerei. Filmele nanocompozite de chitosan au fost obținute prin dispersarea unor cantități selectate de argilă (0, 5, 10 și 15% (greutate/greutate) pe CS solid) în 100 ml soluție apoasă de acid acetic 1% (v/v) timp de 2 ore în cameră temperatura. Această dispersie a fost adăugată la soluția CS și agitată timp de 1 oră la temperatura camerei. Dispersia a fost apoi turnată pe discuri de sticlă (diametru = 14 cm) și uscată în condiții ambientale timp de 3 zile, până când apa a fost complet evaporată. Soluția de chitosan și nanocompozitul său au fost apoi plastifiate cu adaos de glicerol (10, 20 și 30% în greutate) pe CS solid și agitat timp de 2 ore la 60 ° C. Denumirea eșantionului și cantitățile de chitosan, argilă și glicerol utilizate pentru fiecare probă au fost rezumate în Tabelul 1 .

tabelul 1

Desemnarea și compoziția probei.

SampleCompositionParts (% în greutate)
C/OClChitosan/argilă100/0
C/5ClChitosan/argilă95/5
C/10CIChitosan/argilă90/10
C/15CIChitosan/argilă85/15
C/5Cl/10GlChitosan/argilă/glicerol85/5/10
C/5Cl/20GlChitosan/argilă/glicerol75/5/20
C/5Cl/30GlChitosan/argilă/glicerol65/5/30

2.3. Analiza difracției cu raze X (XRD)

Analiza difracției cu raze X a filmelor de nanocompozite de argilă și chitosan a fost efectuată în modul de reflecție folosind difractometru cu raze X (micromeritică ASAP 2020) la o rată de scanare de 3 °/min într-un interval de 2θ de 0-40 ° și operat la 40 kV și 50 mA.

2.4. Analiza spectrelor ifra-roșu transformat Fourier (FT-IR)

Spectrele FI-IR ale chitosanului pur și nanocompozitele sale cu sau fără pelicule de glicerol au fost realizate în modul de transmisie utilizând un spectrofotometru FT-IR în intervalul 4000-400 cm -1 la o rezoluție de 4 cm -1 .

2.5. Stabilitate termică

Procesele de degradare termică a chitosanului pur și a filmelor sale nanocompozite au fost investigate utilizând analiza termogravimetrică (TGA) (Perkin Elmer) în intervalul de temperatură de 30-800 ° C la o rată de încălzire de 10 ° C/min în azot.

2.6. Măsurători de tracțiune

Testele de tracțiune au fost efectuate în conformitate cu ASTM D638 tip IV folosind o mașină de testare universală la o viteză transversală de 5 mm/min. Au fost determinate rezistența la tracțiune, modulul elastic și alungirea la rupere.

2.7. Comportamentul de sorbție a apei

Filmele de chitosan au fost tăiate în bucăți mici (1,2 cm × 1,2 cm), uscate peste noapte sub vid și cântărite pentru a determina masa lor uscată. Filmele cântărite au fost plasate în pahare închise conținând 30 ml de apă și depozitate la temperatura camerei. Cinetica de umflare a fost evaluată prin măsurarea periodică a creșterii în greutate a probelor în raport cu peliculele uscate cu o balanță exactă la 0,001 g, după îmbutelierea ușoară a suprafeței cu un țesut, până la atingerea echilibrului. Câștigul de apă (W.G.) a fost calculat după cum urmează:

unde filmul mwet și mdry flm reprezintă greutatea filmului umed și respectiv al filmului uscat.

2.8. Activitate antimicrobiană

Activitatea antimicrobiană a chitosanului pur și a filmelor sale nanocompozite a fost evaluată folosind metoda de difuzie solidă. Bacteria patogenă alimentară reprezentativă (Escherichia coli) a fost utilizată pentru a testa activitatea antimicrobiană. Soluțiile de chitosan pur și filmele nanocompozite au fost preparate în tampon de acetat la o concentrație de 1% (greutate/volum). Celulele Escherichia coli au fost cultivate pe agar nutritiv și incubate la 37 ° C timp de 24 de ore. Probele testate au fost diluate sistematic de la 0,1% (g/v), 0,05% (g/v), 0,025% (g/v) și 0,0125% (g/v) pentru a determina valorile concentrației minime de inhibiție (MIC).

3. Rezultate si discutii

3.1. Analiza XRD

FIG. 1 prezintă modelul XRD de lut. Modelul XRD al argilei prezintă un vârf de difracție caracteristic (001) la 2θ = 3,48 °, care corespunde unei distanțe bazale de 2,48 nm. Vârful larg observat la 5,56 ° este atribuit montmorillonitului nemodificat că cationii anorganici ai argilei nu au fost înlocuiți complet cu ioni organici [34]. Modelele XRD ale filmelor de nanocompozite chitosanice care conțin 5% în greutate argilă cu și fără glicerol sunt prezentate în Fig. 2. Vârful caracteristic al argilei poate fi observat în filmul nanocompozit chitosan/argilă cu și fără glicerol (Fig. 2a și 2b). Acestea indică faptul că structura intercalată și/sau aglomerarea argilei se găsesc în aceste filme de nanocompozite de chitosan.