การศึกษาคุณสมบัติของภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาวและการศึกษาเชิงตัวเลขของการกระจายอุณหภูมิในกระบวนการขึ้นรูปภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาว

Abstract

This study aimed to analyze the physical and chemical properties of bastard teak leaf along with biodegradable bastard teak leaf dishes. The mathematical model for biodegradable bastard teak leaf dishes was developed using one of numerical methods called the Finite Element Method (FEM) to evaluate temperature distributions during the forming process. In addition, the capability of the dishes to be used in a microwave oven was also carried out. The characterizing properties of the dishes were performed with a Scanning Electron Microscope (SEM) to examine the physical structure of bastard teak leaf, X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF) for the chemical compositions, a bomb calorimeter for the Gross Heating Value (GHV), and a universal testing machine for the tensile strength. The Response Surface Method (RSM) using the particular controlled moisture content was used to design experiments during the forming process. Temperature distributions obtained from non-insulated mold and insulated mold were compared. The mathematical model by FEM from MATLAB program was used to compute the temperature distributions of the forming process.

The structure of the leaf and leaf dishes was explained by the results from the SEM. Results showed that cellulose was the major chemical component in the compositions of bastard teak leaf at 32.58 %. The bastard teak leaf heating value tended to be higher than the bastard teak leaf dishes, which were 5.48±0.06 and 4.88±0.08 kcal g-1, respectively. However, the tensile strength of bastard teak leaf was lower than bastard teak leaf dishes, which were 2.29±0.79 and 3.00±0.08 MPa, respectively. The RSM performed that the temperature and time conditions during formation were at 161, 165, 175, 185 and 189 °C for 48, 60, 90, 120 and 132 s, respectively. The optimum condition was found to be equal to 8.72±0.23 % moisture content at a temperature of 175 °C for 120 s. This moisture content suggests that the product life is extended and the microbes was reduced. Moreover, the implementation of the bastard teak leaf dishes was tested by heating in a microwave at 1,100 W for 2, 4 and 6 min. The result obtained that the product was capable of holding hot water without deformation and led to heat resistant and watertight products. A comparison of the non-insulated mold and the insulated mold proved that the insulated mold reduced heat loss to the surrounding atmosphere. These can be observed from the adjacent temperature data along the time study. The mathematical model results showed similar trends to the experimental results and the model was established with a degree of agreement of 80% regarding the temperature data.

The results suggested that the mathematical model can be applied to the development of mold design for new alternative biodegradable products, which will be advantageous in reducing expenses and environmental problems, as the bastard teak leaf product was biodegradable, chemical-free, eco-friendly and medicinal plant properties.

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อศึกษาวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของใบทองกวาวและภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาว โดยทำการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ด้วยวิธีการเชิงตัวเลขสำหรับภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาวที่ย่อยสลายได้ เพื่อวิเคราะห์การกระจายอุณหภูมิในระหว่างการขึ้นรูปโดยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element Method; FEM) รวมถึงศึกษาความสามารถในการนำไปใช้งานด้วยการใช้ไมโครเวฟ การศึกษาคุณลักษณะต่าง ๆ ของใบทองกวาวดำเนินการโดย วิเคราะห์คุณสมบัติของใบทองกวาวด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope; SEM) วิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีด้วยเทคนิคเอกซเรย์ฟลูออเรสเซนต์ (X-ray Fluorescence Spectroscopy; XRF) วิเคราะห์ค่าความร้อน (Gross Heating Value; GHV) ด้วยเครื่องบอมบ์แคลอริมิเตอร์ (Bomb calorimeter) วิเคราะห์ความเค้นแรงดึง (Tensile strength) ด้วยเครื่องวัดแรงดึง (Universal testing machine) หลังจากนั้นทำการออกแบบการทดลองโดยใช้วิธีพื้นผิวตอบสนอง (Response Surface Method; RSM) สำหรับกระบวนการขึ้นรูปจากค่าร้อยละความชื้นที่เหมาะสม และเปรียบเทียบผลของการกระจายอุณหภูมิระหว่างการหุ้มฉนวนและไม่หุ้มฉนวนความร้อนที่แม่พิมพ์ รวมถึงข้อมูลที่คำนวณการกระจายอุณหภูมิการขึ้นรูปจากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดยวิธี FEM จากโปรแกรมแมตแล็บ (MATLAB)

ผลการศึกษาคุณสมบัติของใบทองกวาวพบว่า โครงสร้างภายในจากการวิเคราะห์ด้วย SEM สามารถนำมาอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระหว่างการขึ้นรูป ผลการวิเคราะห์ทางเคมีพบว่าองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นเซลลูโลสโดยมีปริมาณสูงถึงร้อยละ 32.58 ผลการวิเคราะห์ค่าความร้อน พบว่า ปริมาณค่าความร้อนของใบทองกวาวมีค่าสูงกว่าภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาว คือ 5.48±0.06 และ 4.88±0.08 กิโลแคลอรี่ต่อกรัม ตามลำดับ ในทางตรงกันข้ามปริมาณค่าความเค้นแรงดึงของใบทองกวาวมีค่าต่ำกว่าภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาว คือ 2.29±0.79 และ 3.00±0.08 เมกะปาสคาล ตามลำดับ ผลจากการออกแบบการทดลองโดยวิธี RSM จะได้สภาวะอุณหภูมิที่ใช้ขึ้นรูปคือ 161 165 175 185 และ 189 องศาเซลเซียส และเวลาที่ใช้ขึ้นรูป 48 60 90 120 และ 132 วินาที โดยสภาวะดังกล่าว พบว่าที่อุณหภูมิ 175 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 120 วินาที มีปริมาณร้อยละความชื้นเท่ากับ 8.72±0.23 ซึ่งเป็นค่าที่มีความเหมาะสมสำหรับการขึ้นรูปและการเพิ่มความสามารถในการเก็บรักษาผลิตภัณฑ์ อีกทั้งลดการก่อโรคจากเชื้อจุลินทรีย์ นอกจากนี้เมื่อทดสอบอุ่นภาชนะบรรจุอาหารที่ขึ้นรูปจากใบทองกวาวในไมโครเวฟที่กำลังไฟ 1,100 วัตต์ เป็นเวลา 2 4 และ 6 นาที ตามลำดับ พบว่าภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาวยังคงสภาพรูปทรงเดิมไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปทรง และ สามารถทนความร้อนได้ โดยไม่มีการรั่วซึม จากสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการขึ้นรูปดังกล่าว ผลการเปรียบเทียบการหุ้มฉนวนความร้อนที่แม่พิมพ์ พบว่าสามารถลดการสูญเสียความร้อนออกสู่ภายนอกได้ดี เนื่องจากอุณหภูมิเฉลี่ยระหว่างการขึ้นรูปของแต่ละตำแหน่งมีค่าใกล้เคียงกันทุกจุด และการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์พบว่า มีแนวโน้มใกล้เคียงกับผลการทดลองและสามารถทำนายการกระจายอุณหภูมิในการขึ้นรูปภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาวในระดับยอมรับได้ร้อยละ 80

จากการที่ภาชนะบรรจุอาหารจากใบทองกวาวสามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ ปราศจากสารเคมี เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีสรรพคุณที่ดีในการออกฤทธิ์ทางยา ดังนั้นในการศึกษานี้จึงน่าจะมีความเป็นไปได้ในการนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านการพัฒนาออกแบบการขึ้นรูปจากวัสดุที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพในอนาคต เพื่อช่วยลดค่าใช้จ่ายและลดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม