การเตรียมแป้งมันสำปะหลังออกซิไดซ์ด้วยกระบวนการพลาสมาวัฏภาคของเหลวสำหรับใช้งานด้านฟิล์มห่อหุ้มอาหารที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

Abstract

In this work, the solution plasma process (SPP) is used to treat cassava starch for preparing oxidized cassava starch as a biodegradable film wrap application. The plasma treatment was investigated at a range of time between 0-300 min, pulse frequency 20-30 kHz and the effect of hydrogen peroxide (H2O2) adding to cassava starch suspension. The physical properties of native starch and oxidized cassava starch were studied in terms of carbonyl and carboxyl contents, amylose content and chemical structure by FT-IR technique. The experimental results showed that carbonyl and carboxyl groups were produced. The formation of carbonyl and carboxyl groups increased with increasing oxidation time at the same pulse frequency. Additionally, the results were also given higher formation of carbonyl and carboxyl groups with the increase in pulse frequency at the same time. The hydroxyl group was first oxidized prior to be the carbonyl group. Finally, the carbonyl group was then oxidized again to the carboxyl group. To confirm the formation of carbonyl and carboxyl groups, the chemical structure was analyzed by using FT-IR. The FT-IR spectra were found important peaks occurring on oxidized cassava starch at 1737-1742 cm-1, which may be identified as carbonyl and carboxyl groups forming. The oxidation occurred can be explained by depolymerization in the amorphous region in starch which consisted mainly of amylose. The results also showed that amylose content decreased with increasing oxidation time at the same pulse frequency. Increasing the pulse frequency at the same oxidation time was given that the amylose content decreased. Oxidation by SPP resulted in strong polymerization on cassava starch, therefore both some the crystalline and amorphous regions were destroyed. X-Ray Diffractograms of oxidized cassava starch was obvious that the crystalline and amorphous regions were reduced. Therefore, this can be concluded that H2O2 is indicated as an important species for advanced oxidation processes in higher levels of oxidation.

From the preparation of oxidized cassava starch, cassava starch at various conditions were taken to form cassava starch film by using glycerol as a plasticizer. Native cassava starch and oxidized cassava starch-containing H2O2 films at oxidation time of 60, 180 and 300 min and a pulse frequency of 30 kHz were carried out and compared. Finally, the comparison with the oxidized cassava starch without H2O2 at oxidation time 300 min and pulse frequency 30 kHz was compared. Water vapor permeability, solubility, swelling properties and mechanical properties i.e. tensile strength and elongation at break were finally investigated. The results showed that the water vapor permeability of oxidized cassava starch-containing H2O2 film was decreased. Normally, the vapors are moved throughout the amorphous regions while the polymerization will decrease the amorphous regions. In addition, the solubility and swelling power in oxidized cassava starch films decrease due to the carboxyl groups formed in the oxidized cassava starch can be produced strong bonds with the hydroxyl group and improved the interaction between molecules within starch resulting in hydrophobicity. Moreover, the mechanical properties of the oxidized cassava starch films increased with tensile strength and decreased with the elongation at break. Therefore, this can be summarized that the SPP in this work affects the oxidized cassava starch and the properties of starch film should be able to apply for the biodegradable film wrap application.

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ทำการศึกษาการเตรียมแป้งมันสำปะหลังออกซิไดซ์ด้วยกระบวนการพลาสมาวัฏภาคของเหลวเพื่อประยุกต์ใช้งานด้านฟิล์มห่อหุ้มอาหารที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ โดยศึกษาเวลาที่ใช้ในการออกซิเดชันด้วยพลาสมา 0 ถึง 300 นาที ความถี่ของพลาสมา 20 ถึง 30 กิโลเฮิรตซ์ และผลของการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่อัตราส่วนแป้งต่อไฮโดรเจนเปอร์-ออกไซด์โดยน้ำหนักเท่ากับ 1 ต่อ 0.05 จากนั้นทำการวิเคราะห์คุณสมบัติของแป้งมันสำปะหลังก่อนและหลังออกซิเดชัน โดยทำการวิเคราะห์การก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและคาร์บอกซิล ปริมาณของอะไมโลส และตรวจสอบโครงสร้างทางเคมีด้วยเทคนิค FT-IR ผลการทดลองพบว่าแป้งมันสำปะหลังที่ผ่านการออกซิเดชันพบการก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและกลุ่มคาร์บอกซิล โดยที่ความถี่พลาสมาเดียวกันเมื่อเวลาในการออกซิเดชันเพิ่มขึ้นส่งผลให้ปริมาณการก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและคาร์บอกซิลเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการเพิ่มความถี่ของพลาสมาที่เวลาในการออกซิเดชันเดียวกันพบว่าปริมาณการก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและคาร์บอกซิลเพิ่มขึ้น การก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและกลุ่มคาร์บอกซิลสามารถบ่งชี้ถึงระดับการออกซิเดชัน โดยกลุ่มไฮดรอกซิลจะถูกออกซิไดซ์ครั้งแรกเป็นกลุ่มคาร์บอนิลและจะถูกออกซิไดซ์อีกครั้งเป็นกลุ่มคาร์บอกซิล เพื่อยืนยันผลการก่อตัวของกลุ่มคาร์-บอนิลและคาร์บอกซิลจึงทำการตรวจสอบโครงสร้างทางเคมีด้วยเทคนิค FT-IR พบว่าแป้งมันสำปะหลังที่ผ่านการออกซิเดชันที่ตำแหน่ง 1,737 ถึง 1,742 ต่อเซนติเมตร แสดงถึงพันธะคู่ที่เชื่อมระหว่างคาร์บอนและออกซิเจน (C=O) จึงสันนิษฐานพันธะคู่ดังกล่าวที่เป็นส่วนประกอบของกลุ่มคาร์-บอนิลหรือกลุ่มคาร์บอกซิล การออกซิเดชันจะส่งผลให้เม็ดแป้งมันสำปะหลังถูกดีพอลิเมอไรเซชัน (Depolymerization) ซึ่งโดยส่วนใหญ่จะเกิดบริเวณที่มีส่วนประกอบของอะไมโลสเป็นหลัก โดยอะ-ไมโลสจะเป็นส่วนประกอบหลักของโครงสร้างบริเวณอสัณฐาน (Amorphous) เมื่อทำการตรวจวัดปริมาณของอะไมโลสในโครงสร้างแป้งมันสำปะหลังพบว่าที่ความถี่ของพลาสมาเดียวกันเมื่อเพิ่มเวลาในการออกซิเดชันส่งผลให้ปริมาณอะไมโลสมีค่าลดลง และเมื่อเพิ่มความถี่ของพลาสมาที่เวลาในการออกซิเดชันเดียวกันพบว่าปริมาณอะไมโลสมีค่าลดลงเช่นเดียวกัน การออกซิเดชันด้วยกระบวนการพลาสมาวัฏภาคของเหลวส่งผลให้เกิดการดีพอลิเมอไรเซชันอย่างรุนแรงบนแป้งมันสำปะหลัง จึงส่งผลกระทบกับทั้งบริเวณผลึกและอสัณฐานของเม็ดแป้ง จากผลการวิเคราะห์โครงสร้างผลึกด้วยเทคนิค XRD พบว่าทั้งบริเวณผลึก (Crystalline) และอสัณฐานของเม็ดแป้งลดลง เมื่อทำการทดสอบผลของการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ก่อนการออกซิเดชันพบว่าการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ส่งผลให้เกิดการออกซิเดชันในระดับที่สูงขึ้น เนื่องจากไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้รับการยอมรับว่าเป็นสปีชีส์ที่มีความสำคัญสำหรับกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูง

จากกระบวนการเตรียมแป้งสำปะหลังออกซิไดซ์ข้างต้น ได้ทำการเลือกแป้งมันสำปะหลังที่สภาวะต่าง ๆ เพื่อขึ้นรูปเป็นฟิล์มแป้งมันสำปะหลังโดยใช้กลีเซอรอลเป็นสารเสริมสภาพพลาสติก ทำการศึกษาเพื่อเปรียบเทียบฟิล์มแป้งมันสำปะหลังที่ไม่ผ่านการออกซิเดชันและแป้งมันสำปะหลังที่มีการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ก่อนการออกซิเดชันที่ความถี่พลาสมา 30 กิโลเฮิรตซ์ เวลาในการออกซิเดชัน 60 180 และ 300 นาที และสุดท้ายทำการศึกษาเปรียบเทียบกับแป้งมันสำปะหลังที่ไม่มีการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ก่อนการออกซิเดชันที่เวลา 300 นาที จากนั้นนำไปทดสอบคุณสมบัติต่าง ๆ ในด้านความสามารถในการซึมผ่านของไอน้ำ ความสามารถในการละลายของฟิล์ม ระดับการบวมน้ำ และคุณสมบัติทางกล คือความทนแรงดึงและความยืดหยุ่น ณ จุดขาด ผลการทดลองพบว่าฟิล์มแป้งมันสำปะหลังที่ผ่านการออกซิเดชันโดยมีการเติมไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เวลาในการออกซิเดชันเพิ่มขึ้นมีค่าความสามารถในการซึมผ่านของไอน้ำลดลง เนื่องจากโดยปกติไอน้ำจะเคลื่อนที่ผ่านบริเวณอสัณฐานแต่การดีพอลิเมอไรเซชันจะส่งผลให้บริเวณอสัณฐานลดลง นอกจากนี้การก่อตัวของกลุ่มคาร์บอนิลและคาร์บอกซิลในปริมาณมากส่งผลให้ความสามารถในการละลายและการบวมน้ำของฟิล์มแป้งลดลง แป้งจะมีความชอบน้ำน้อยลงเนื่องจากกลุ่มคาร์บอกซิลที่ก่อตัวขึ้นในแป้งออกซิไดซ์จะสร้างพันธะที่แข็งแรงกับหมู่ไฮดรอกซิลและปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลภายในเม็ดแป้ง ผลการทดสอบคุณสมบัติทางกลพบว่าฟิล์มแป้งมันสำปะหลังที่ผ่านการออกซิเดชันมีค่าความทนแรงดึงเพิ่มขึ้นแต่มีค่าความสามารถในการยืดหยุ่นที่ลดลง ดังนั้นสภาวะของพลาสมาวัฏ-ภาคของเหลวที่ส่งผลต่อแป้งออกซิไดซ์และคุณสมบัติของฟิล์มแป้งมันสำปะหลังในการศึกษานี้จึงน่าจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านฟิล์มห่อหุ้มอาหารที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ