کاربرد فوم های جامد تهیه شده از پلیمر گیاهی: روند فعلی در صنایع غذایی
فوم ها نوعی از متریال بسیار مهم هستند که به دلیل ترکیبی چندین خواص، چگالی فوق العاده کم، ساختار متخلخل قابل تنظیم و خواص مکانیکی عالی کاربرد بسیار گسترده ای دارند. تولید فوم های پلیمری در سراسر جهان به فوم های ساخته شده از پلیمرهای مصنوعی بستگی دارد که ممکن است زیست تخریب پذیر یا غیر قابل تجزیه باشند. پلیمرهای غیرقابل تجزیه به یک نگرانی بزرگ زیست محیطی تبدیل شده اند که دشوار بودن مدیریت پسماند را نیز در پی دارد. فوم های تهیه شده از منابع تجدیدپذیر، به ویژه فوم های جامد ساخته شده از پلیمرهای گیاهی، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته اند. این مقاله به بررسی توسعه فوم های جامد ساخته شده از پلیمرهای گیاهی و کاربرد آنها طی 15 سال گذشته می پرداخته و همچنین، رابطه بین خواص مواد و ساختار آنها را نیز بررسی می کند. این فوم ها را به دو دسته می توان تقسیم کرد؛ فوم های خوراکی و فوم های بسته بندی. اکثر پلیمرهای گیاهی مورد استفاده در صنایع غذایی از پروتئین ساخته شده اند، در حالی که نشاسته و سلولز معمولآ به دلیل هزینه کم و در دسترس بودن برای بسته بندی مواد غذایی کاربرد دارند. با این حال، فوم های جامد ساخته شده از پلیمر گیاهی دارای معایبی همچون جذب بالای آب و خواص مکانیکی ضعیف هستند. بیشتر کارهای تحقیقاتی بر بهبود این دو خواص فیزیکی متمرکز هستند؛ اگرچه مطالعات کمتری به بررسی تغییرات میکرو به ماکروساختاری که امکان مدیریت و طراحی مناسب فرایند فوم سازی را فراهم می کنند، می پردازند. با این حال، چالش های متعددی وجود دارد که کنترل خواص ساختاری فوم جامد یکی از مهم ترین آنها محسوب می شود.
فوم ها نوعی از متریال بسیار مهم هستند که به دلیل ترکیب چندین خواص، چگالی فوق العاده کم، ساختار متخلخل و خواص مکانیکی عالی کاربردهای مختلفی دارند. استفاده از آنها در ساخت جاذب های انرژی جنبشی، داربست های زیست پزشکی، عایق های حرارتی، ساخت و ساز، جداسازی ها و تجهیزات ذخیره و تولید انرژی را می توان بعنوان کاربرد صنعتی آنها نام برد. در حال حاضر، تولید فوم های پلیمری در سراسر جهان به فوم های ساخته شده از پلیمرهای مصنوعی بستگی دارد که اساسآ ارزان قیمت بوده و کاربرد مختلفی دارند که از مهم ترین آنها می توان عملکرد مکانیکی را نام برد. پلیمرهای مصنوعی ممکن است زیست تخریب پذیر (برای مثال پلی اسید گلیکولیک (PGA)، پلی لاکتیک اسید (PLA) و کوپلیمرهای آنها) یا غیر قابل تجزیه باشند. پلیمرهای غیر قابل تجزیه به یگ نگرانی زیست محیطی بزرگ تبدیل شده اند چرا که حجم عظیمی از پسماندهای جامد را در بر گرفته و بر همین اساس، مدیریت پسماند را دشوار می کنند. فوم های ساخته شده از پلیمرهای مصنوعی غیر قابل تجزیه معمولآ از نفت مشتق شده اند مانند پلی اتیلن (PE)، پلی استایرن (PS)، پلی یورتان (PU) و پلی پروپیلن (PP). پلیمرهای زیست تخریب پذیر به دی اکسید کربن، آب، ترکیبات معدنی و زیست توده تجزیه می شوند که در نهایت، هوموس را تشکیل می دهند. با این حال، میتوان آنها را جایگزین مناسبی برای فوم های پلیمری تجزیه ناپذیر دانست. با افزایش نگرانی های زیست محیطی، محققان به توسعه فوم های تولید شده از منابع تجدید پذیر مانند مواد سلولزی، نشاسته، پروتئین و دیگر بیوپلیمرها در حوزه های غذایی، زیست محیطی، پزشکی و غیره پرداخته اند. برخی از آنها در زمینه های پزشکی و زیست محیطی امیدوارکننده بودند و تحقیقات در این زمینه در دهه گذشته پیشرفت های زیادی داشته است. با توجه به تعداد بالای کارهای پژوهشی، نمی توان تمام کاربردها را در این بررسی سیستماتیک جای داد زیرا تمرکز آنها بر هدف اصلی که همان توسعه فوم های جامد تهیه شده از پلیمرهای گیاهی را با کاربرد بالقوه یا مستقیم در صنایع غذایی بین سال های 2021-2015 است، محدود می کند.
کاربرد فوم های جامد ساخته شده از پلیمرهای گیاهی در صنایع غذایی اساسآ به دو حوزۀ فوم های خوراکی و فوم های بسته بندی معطوف است. از پلیمرهای گیاهی زیادی برای این کار استفاده می شود. با این حال، اکثر مطالعات بر استفاده از نشاسته و سلولز به دلیل دسترسی آسان و هزینه کم متمرکز شده اند. اما نشاسته در حوزه فوم های خوراکی با جدیدت بررسی نشده است زیرا یک محصول جانبی بسیار رایج در صنایع کشاورزی و غذایی محسوب می شود. به این معنا که از نشاسته خالص فوم های ضعیف با جذب بالای آب تولید می شود؛ بنابراین، بایستی نشاسته را یا اصلاح کرد و یا ترکیبات دیگری را به منظور تقویت فوم ها و کاهش جذب آب در آنها اضافه کرد. این کار، هزینه تولید محصول نهایی را افزایش می دهد. از طرفی، بررسی رفتار نشاسته در حضور سایر اجزاء برای رفع برخی معایب من جمله شکنندگی و جذب بالای آب ضرورت دارد. بیشتر تحقیقات با هدف بهبود خواص فیزیکی فوم های جامد، به ویژه خواص مکانیکی و حرارتی که به طور کلی تحت تأثیر شرایط فرایند فوم سازی قرار دارند، انجام می شود. با این حال، ایجاد دانش و درک کامل از اصلاح میکروساختار به ماکرو ساختار امکان مدیریت و طراحی مناسبتر رایط پردازش را فراهم می کند. با توجه به موارد ذکر شده، از دو سبک مطالعاتی برای این کار می توان کمک گرفت. اول، مطالعاتی که در آنها محققان خواص مختلف را ارزیابی کرده و بدون تفسیر بیشتر، آنها را به تغییرات ساختاری نسبت می دهند. سبک دوم فراتر از آن است و تغییرات را براساس پدیده های ناشی از چندین برهمکنش فیزیکی و شیمیایی بین اجزای فوم ها تفسیر می کند. این دانش به منظور تنظیم خواص ساختاری فوم های جامد از طریق کنترل خواص فوم مایع (مانند اندازه حباب، باز شدن منافذ، چگالی فوم و غیره) که یک چالش بزرگ محسوب می شود، بسیار مهم است.
با این حال، هنوز پژوهشی در مورد پلیمرهای گیاهی و مختص به این مبحث انجام نشده است. علاوه براین، کاربرد موفقیت آمیز فوم های جامد به دیگر جنبه ها به ایجاد فوم بستگی دارد که بسیار چالش برانگیز است. برای مثال، حفظ ساختار فوم مایع در طی فرایند انتقال از فوم مایع به جامد و هماهنگی مقیاس زمانی بین پایداری فوم مایع و انجماد. یکی از معایب اصلی ریشه در ساختار داخلی فوم های تهیه شده از پلیمر گیاهی دارد که احتمالآ به دلیل خواص مکانیکی ضعیف از بین خواهد رفت. با توجه به این موضوع، استفاده از پروتئین های کاربردی بعنوان عوامل فوم ساز در تولید فوم های خوراکی مانند پروتئین سویا و پروتئین عدس، به حفظ ساختار داخلی تا حدودی کمک می کند. اما به تثبیت کننده ها هم نیاز است؛ برای مثال، برای عمل بعنوان ذرات پیکرینگ (جمع کننده) یا برای افزایش ویسکوزیته. دیگر ترکیبات نیز ممکن است به تقویت ساختاری کمک کنند. برای مثال سلولز حتی اگر به طور کامل بررسی نشده باشد. به عبارت دیگر، ادغام الیاف طبیعی مانند نانوالیاف سلولزی (CNF) یا میکروفیبریل شده (CMF) خواص مکانیکی فوم های جامد تهیه شده از پلیمرهای گیاهی را بهبود بخشیده و با تقویت ساختار به غلبه بر عدم استحکام طبیعی آنها در فرایند خشک کردن فوم کمک می کند. از دیگر محدودیت ها می توان به آبدوستی بالای ترکیبات پلیمری گیاهی در شرایط مرطوب و پایداری حرارتی اشاره کرد. در کل، این معایب با افزودن الیاف سلولزی، به ویژه لیگنین برطرف می شوند که ممکن است مقاومت در برابر آب برای سیستم ایجاد کنند.
