สมบัติ เสถียรภาพ และสภาพสลายได้ทางชีวภาพของฟิล์มโปรตีนถั่วเหลืองสกัดเสริมเส้นใยเซลลูโลส

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