بررسی کمی و کیفی تولید نانو بلور سلولز از پسماندهای نخل خرما (Phoenix Dactylifera L.) به روش هیدروليز
الموضوعات :علی خضیری 1 , حسن ذکی دیزجی 2 , محمد رضا فتحی عمادآبادی 3
1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز. ایران.
2 - دانشیار گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران. *(مسول مکاتبات)
3 - دانشیار گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، بلوار گلستان، اهواز، ایران.
الکلمات المفتاحية: زائدات نخل, شادگان, سلولز, نانو بلور, مدیریت ضایعات.,
ملخص المقالة :
زمینه و هدف: سلولز موجود در ضایعات و زائدات بخش کشاورزی، می‌تواند منبع مناسبی برای تولید مواد باارزش بر پایه سلولز در صنعت باشد. سلولز و نانو کریستال سلولز توسط فرآیندهای مختلف از منابع گیاهی مختلفی استخراج و تولید می‌شود. هدف این پژوهش بررسی شرایط هیدرولیز اسیدی بر ساختار نانو بلورهای سلولزی تولید شده از زائدات هرس نخل خرما می باشد. روش بررسی: در این تحقیق ابتدا سلولز از مواد زائد حاصل از هرس برگ نخل خرما استخراج و سپس توسط روش هیدرولیز اسیدی، سلولز استخراجی به نانوبلور سلولز تبدیل شد. سپس تأثیر دو پارامتر دما (در سه سطح 30، 45 و 60 درجه سلسیوس) و زمان (در سه سطح 45 ، 60 و 120 دقیقه) بر کیفیت و کمیت نانو بلورهای حاصل از برگ درخت خرما گونه استعمران موردمطالعه قرار گرفت. برای تحلیل ویژگی‌های کیفی و کمی نمونه‌ها از روشهای طیف سنجی فروسرخ (FTIR)، آزمون پراش اشعه ایکس(XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) و دستگاه اندازه‌گیری ذرات(PSA) استفاده شد. یافته‌ها: نتایج استخراج سلولز از برگ درخت نخل نشان داد، افزایش دما در مرحله لیگنین زدایی و رنگ بری باعث افزایش خلوص سلولز استخراجی می‌شود. همچنین تیمارهای شدیدتر باعث ایجادنانو بلور‌هایی با ابعاد کوچک‌تر (5 تا 100 نانومتر بوده و عمدتا 30 نانومتر) می‌شود. در این پژوهش زمان 60 دقیقه و دمای 60 درجه سلسیوس به‌عنوان بهترین فاکتورها از میان فاکتورهای مشابه معرفی گردید که در این تیمار 50% ذرات دارای میانگین قطری 37/1 نانومتر می‌باشند. بحث و نتیجه گیری: نتیجه بررسی نشان داد اگر نانو بلورهای سلولزی استخراجی به صورت شبکه‌ای تبدیل شوند پتانسیل کاربرد در نانو فیلترها و نانو داربستهارا دارا می باشند.
1. Hiasa, S., Iwamoto, S., Endo, T and Edashige, Y. 2014. Isolation of cellulose nanofibrils from mandarin (Citrus unshiu) peel waste. Industrial Crops and Products, 62: 280-285.
2. Nishino, T and Arimoto, N. 2007. All-Cellulose Composite Prepared by Selective Dissolving of Fiber Surface. Biomacromolecules, 8: 2712-2716.
3. Sonkaria, S., Ahn, SH., Khare, V. 2012. Nanotechnology and its impact on food and nutrition: a review. Recent Pat Food Nutr Agriculture, 4: 8–18.
4. Syverud, K., Chinga-carrasco, G., Toledo, J. and Toledo, PG. 2010. A comparative study of Eucalyptus and Pinus radiata pulp fibres as raw materials for production of cellulose nanofibrils. Carbohydrate Polymers, 84: 1033–1038
5. Wenshuai, C., Haipeng, Y., Yixing, L., Peng, C., Mingxin, Z., Yunfei, H., 2010. Individualization of cellulose nanofibers from wood using high-intensity ultrasonication combined with chemical pretreatments. Carbohydrate polymers. 83, 1804-1811.
6. Bendahou, A., Dufresne, A., Kaddami, H and Habibi, Y. 2007. Isolation and structural characterization of hemicellulose from palm of phoenix dactylifera L. Carbohydrate polimers 68, 601-608.
7. Coffey, D. G., D. A. Bell and A. Henderson. 1995. “Cellulose and Cellulose Derivatives. Food Polysaccharides and their Applications. P 124.
8. Wenshuai, C., Haipeng, Y., Yixing, L., Peng, C., Mingxin, Z. and Yunfei, H. 2011. Individualization of cellulose nanofibers from wood using high-intensity ultrasonication combined with chemical pretreatments. Carbohydrate Polymers, 83: 1804-1811.
9. Chiraiyl, C J., Mathew, L and Thomas, S. 2014. Review of recent research in nano cellulose preparation from different lignocellulosic fibers, 37: 20-28.
10. Abe, K., Iwamoto, S., & Yano, H. 2007. Obtaining cellulose nanofibers with a uniform width of 15 nm from wood. Biomacromolecules, 8(10): 3276-3278.
11. Chen, W., Yu, H., Liu, Y., Chen, P., Zhang, M., & Hai, Y. 2011. Individualization of cellulose nanofibers from wood using high-intensity ultrasonication combined with chemical pretreatments. Carbohydrate Polymers, 83(4): 1804-1811.
12. De Morais Teixeira, E.M, Corrêa, A. C., Manzoli, A., de Lima Leite, F., de Oliveira, C. R., &Mattoso, L. H. C. 2010. Cellulose nanofibers from white and naturally colored cotton fibers. Cellulose, 17(3): 595-606.
13. Dufresne, A., Dupeyre, D., &Vignon, M. R. 2000. Cellulose microfibrils from potato tuber cells: processing and characterization of starch–cellulose microfibril composites. Journal of Applied Polymer Science, 76(14): 2080-2092.
14. Habibi, Y., Lucia, L.A., Rojas, O.J., 2010. Cellulose nanocrystals: chemistry, selfassembly, and applications. Chem. Rev. 110, 3479–3500.
15. Rondeau-Mouro, C., Bouchet, B., Pontoire, B., Robert, P., Mazoyer, J., &Buléon, A. 2003. Structural features and potential texturising properties of lemon and maize cellulose microfibrils. Carbohydrate Polymers, 53(3): 241-252.
16. Wang, B., &Sain, M. 2007b. Isolation of nanofibers from soybean source and their reinforcing capability on synthetic polymers. Composites Science and Technology, 67(11-12): 2521-2527.
17. Alemdar, A., &Sain, M. 2008. Isolation and characterization of nanofibers from agricultural residues–Wheat straw and soy hulls. Bioresource technology, 99(6): 1664-1671.
18. Wang, B., &Sain, M. 2007a. The effect of chemically coated nanofiber reinforcement on biopolymer based nanocomposites. Bioresources, 2(3): 371-388.
19. Dos Santos Rosa, D., EduardoVolponi, J., &Fassina Guedes, C. d. G. 2006. Biodegradation and the dynamic mechanical properties of starch gelatinization in poly (ε‐caprolactone)/corn starch blends. Journal of applied polymer science, 102(1): 825-832.
20. Li, R., Fei, J., Cai, Y., Li, Y., Feng, J., & Yao, J. 2009. Cellulose whiskers extracted from mulberry: A novel biomass production. Carbohydrate Polymers, 76(1): 94-99.
21. Cherian, B. M., Leão, A. L., de Souza, S. F., Thomas, S., Pothan, L. A., &Kottaisamy, M. 2010. Isolation of nanocellulose from pineapple leaf fibres by steam explosion. Carbohydrate Polymers, 81(3): 720-725.
22. Tibolla, H., Pelissari, F. M., Martins, J. T., Vicente, A., &Menegalli, F. C. 2018. Cellulose nanofibers produced from banana peel by chemical and mechanical treatments: Characterization and cytotoxicity assessment. Food Hydrocolloids, 75: 192-201.
23. Tibolla, H., Pelissari, F. M., Rodrigues, M. I., &Menegalli, F. C. 2017. Cellulose nanofibers produced from banana peel by enzymatic treatment: Study of process conditions. Industrial Crops and Products, 95: 664-674.
24. Zuluaga, R., Putaux, J. L., Cruz, J., Vélez, J., Mondragon, I., &Gañán, P. 2009. Cellulose microfibrils from banana rachis: Effect of alkaline treatments on structural and morphological features. Carbohydrate Polymers, 76(1): 51-59.
25. Morán, J. I., Alvarez, V. A., Cyras, V. P., & Vázquez, A. 2008. Extraction of cellulose and preparation of nanocellulose from sisal fibers. Cellulose, 15(1): 149-159.
26. Chen, Y., Liu, C., Chang, P. R., Cao, X., & Anderson, D. P. 2009. Bionanocomposites based on pea starch and cellulose nanowhiskers hydrolyzed from pea hull fiber: effect of hydrolysis time. Carbohydrate Polymers, 76(4): 607-615.
27. Yan, J., Hu, J., Yang, R., Zhang, Z., & Zhao, W. 2018. Innovative Nanofibrillated Cellulose from Rice Straw as Dietary Fiber for Enhanced Health Benefits Prepared by a Green and Scale Production Method. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(3): 3481-3492.
28. Duan, B., Lu, A., Deng, H., Du, Y., Shi, X., & Zhang, L. 2018. Fabrication of cellulose nanofibers from waste brown algae and their potential application as milk thickeners. Food Hydrocolloids.
29. Klemm, D., Cranston, E. D., Fischer, D., Gama, M., Kedzior, S. A., Kralisch, D., Kramer, F., Kondo, T., Lindström, T., & Nietzsche, S. 2011. Nanocellulose as a natural source for groundbreaking applications in materials science: Today’s state. Materials Today.
30. Siqueira, G., Bras, J and Dufresne, A. 2010. Cellulosic Bionanocomposites: A Review of Preparation: Properties and Applications. Polimers, 2, 728-765.
31. Brinchi, L., Cotana, F., Fortunati, E. and Kenny, JM. 2013. Production of nanocrystalline cellulose from lignocellulosic biomass: technology and applications. Carbohydr Polymers, 94: 154-169.
32. Xhanari, K., Syverud, K., Chinga-Carrasco, G., Paso, K., &Stenius, P. 2011. Reduction of water wettability of nanofibrillated cellulose by adsorption of cationic surfactants. Cellulose, 18(2), 257–270.
33. FlauzinoNeto, W.P., Silverio, H.A., Dantas, N.O. andPasquini, D. 2013. Extraction and characterization of cellulose nanocrystals from agro-industrial residue–Soy hulls. Industrial Crops and Products, 42:480-488.
34. Henrique, M.A., Silverio, H.A., FlauzinoNeto, W.P. and Pasquini, D. 2013. Valorization of an Agro-Industrial Waste, Mango Seed, by the Extraction and Characterization of Its Cellulose Nanocrystals. Environ Manage, 121:202-209.
35. Wang, Z., Bo, N., Liu, Y., Yang, G., Lv, G. and Liu,Y. 2013. Modification of Bleached Eucalyptus Kraft Pulp by p-DMA-co-ECH and Its Application for the Removal of Acid Scarlet G in Aqueous Solution. BioResources, 8(4): 5184-5201.
36. Elazzouzi-Hafraoui, S., Nishiyama, Y., Putaux , JL., Heux, L., Dubreuil, F.andRochas, C. 2008. The shape and size distribution of crystalline nanoparticles prepared by acid hydrolysis of native cellulose. Biomacromolecules, 9(1):57-65.
37. Fan, J. and Li, Y.2012. Maximizing the yield of nanocrystalline cellulose from cotton pulp fiber. Carbohydrate Polymers, 88(4):1184-1188.
38. Beck-Candanedo, S., Roman, M.andGray, DG. 2005. Effect of reaction conditions on the properties and behavior of wood cellulose nanocrystal suspensions. Biomacromolecules, 6(2):1048-54.
39. Mehri, E., Ghasemian, A., Afra, E., and Jafari Petroudi, S.R. 2015. Production of Cellulose Nanowhisker from bamboo and Evaluation of Its Properties. J. of Wood & Forest Science and Technology, Vol. 21 (4): 115-130. (InFarsi)
40. Mahseswari, U., Obi reddy, K., Muzenda, E., Guduri, B.R and VaradaRajulu, A. 2012. Extraction and characterization of cellulose microfibrils from agricultural residue - Cocos nucifera L. Biomass and bioenergy, 46, 555-563.
41. Teixeira, E. D., Carolina, A and Manzoli, A. 2010. Cellulose nanofibers from white and naturally colored cotton fibers. Cellulose, 17, 595- 606.
42. Kargarzadeh, H., Ahmad, I., Abdullah, I., Dufresne, A., Zainudin, S. Y., Sheltami, R. M. 2012. “Effects of hydrolysis conditions on the morphology, crystallinity, and thermal stability of cellulose nanocrystals extracted from kenaf bast fibers”. Cellulose, 19: 855–866.
43. Segal, L., Creely, J. J., Martin, A. E., & Conrad, C. M. 1959. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Textile Research Journal, 29(10): 786–794.
44. Moriana, R. F. Vilaplana, M. Ek, (2016) “Cellulose Nanocrystals from Forest Residues as Reinforcing Agents for Composites: A Study from Macro- to Nano-Dimensions”, Journal of Carbohydrate Polymers, 139 139–149.
