۲-۳٫ سیستم­های جاذب اکسیژن
هرچند اولین سیستم­های جاذب اکسیژن بر اساس استفاده از فلزاتی نظیر آهن استوار بود، امروزه، بسیاری از سیستم­های جاذب اکسیژن بر اساس جاذب غیرفلزی مطرح شده ­اند. در ذیل انواع مختلف سیستم­های جاذب اکسیژن به تفصیل بیان شده است:
۲-۳-۱٫ اکسیداسیون پودر آهن
این جاذب اکسیژن در قالب بالشتک^[۵] کوچک تجاری حاوی عوامل فلزی، مانند اکسید پودر آهن، کربنات آهن و پلاتین فلزی در دسترس است. اساس همه این جاذب­ها این جاذب­ها، اکسیداسیون آهن در حضور آب است.
عملکرد جاذب پودر آهن بر دو عامل رطوبت و اکسیژن استوار است که یک نوع از این واکنش­ها خود به خودی بوده که شامل حضور رطوبت در بالشتک است و به محض آن که بالشتک در معرض هوا قرار می­گیرد واکنش شروع می­ شود. در نوع جاذب وابسته به رطوبت، مهار اکسیژن تنها با حضور رطوبت انجام می­ شود که این رطوبت از خود مواد غذایی تامین می­ شود.
این گروه ­های جاذب قبل از استفاده در هوای آزاد باثبات هستند، چرا که آنها بلافاصله پس از قرار گرفتن در معرض هوا، واکنش نشان می­ دهند. بنابراین تنها مراقبت قبل از استفاده در بسته­بندی، نگهداری در مکان خشک است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

مکانیسم عمل جاذب اکسیژن بر اساس اکسیداسیون آهن بسیار پیچیده است و به وسیله واکنش­های زیر توصیف شده است (معادلات ۲-۱).
معادلات۲-۱. اکسیداسیون آهن
اگر نرخ اکسیداسیون مواد غذایی و قابلیت نفوذ اکسیژن به بسته­بندی کاملا شناخته شده بود، این امکان وجود داشت که برای حفظ سطح اکسیژن مطلوب در طول زمان ذخیره سازی، میزان آهن مورد نیاز به صورت دقیق محاسبه شود. یک قاعده کلی این است که ۱ گرم آهن با ۳۰۰ میلی لیتر اکسیژن واکنش نشان می­ دهند.
LD50 دوز کشنده­ای است که ۵۰ درصد از جمعیت را می­کشد این مقدار برای آهن ۱۶گرم بر کیلوگرم وزن بدن هر شخص است. بزرگترین جاذب اکسیژن تجاری در دسترس حاوی ۷ گرم آهن است که این دوز را به مقدار ۱/۰ گرم بر کیلوگرم برای یک فرد ۷۰ کیلوگرمی افزایش می­دهد، و این مقدار۱۶۰ بار کمتر از دوز کشنده است.
۲-۳-۲٫ اکسیداسیون اسید اسکوربیک
اسید اسکوربیک جزء یکی دیگر از جاذب اکسیژن است که در واکنش اکسیداسیون اسکوربات به دهیدروآسکوربیک اسید تبدیل می­ شود. بسیاری از این واکنش­ها آهسته است و می ­تواند با نور و یا یک فلز واسطه به عنوان کاتالیزور، نظیر مس، شتاب بگیرد. اسید اسکوربیک، مس دو بار مثبت را به یکبار مثبت کاهش می­دهد و به شکل دهیدروآسکوربیکاسید در­می ­آید (معادلات ۲-۲، ۱).
یون مس یکبار مثبت، حساس به اکسیژن است. در واکنش با اکسیژن محیط، به یون مس دو بار مثبت تبدیل می­ شود و رادیکال آزاد اکسیژن تولید می­ کند (معادلات ۲-۲، ۲).
یون اکسیژن در واکنش با هیدروژن آزاد شده از واکنش اول و مس دوبار مثبت واکنش نشان داده، اکسیژن، _۲o₂ Hو یون مس دوبار مثبت آزاد می­ کند (معادلات۲-۲، ۳).
معادلات۲-۲. اکسیداسیون اسید آسکوربیک
ترکیب مس و آسکوربات به سرعت ترکیب _۲o₂ Hرا احیا کرده و آب آزاد می­ کند و دی هیدرو آسکوربیک­اسید تولید می­ کند (معادلات۲-۲، ۴).
می­توان معادلات فوق را در معادل ۲-۲-۵ خلاصه کرد: (معادله۲-۳)
معادله۲-۳. خلاصه معادلات اکسیداسیون اسید اسکوربیک
که در آن AA اسید اسکوربیک و DHAA دی هیدروآسکوربیکاسید است.
مجموع ظرفیت جذب اکسیژن با میزان اسید اسکوربیک تعیین می­ شود. برای انجام کامل واکنش کاهش یک مول اکسیژن نیاز به دو مول اسید اسکوربیک است. نمک اسید اسکوربیک و آسکوربات در طراحی جاذب­ها در هر دو فن­آوری جاذب و فیلم استفاده می­ شود. این فیلم فعال ممکن است همراه با یک کاتالیزور، معمولا یک فلز واسطه (مس، کبالت) باشد، و آن را با آب فعال می­ کنند. بنابراین، این تکنولوژی به خصوص برای محصولات غذایی آبی و یا محصول بسته­بندی و سترون شده­ای به کار می­رود که با آب و یا بخار آب داخل اتوکلاو قادر به راه اندازی روند مهار اکسیژن است.
۲-۳-۳٫ اکسیداسیون آنزیمی (به عنوان مثال، گلوکز اکسیداز و الکل اکسیداز)
در برخی جاذب­های اکسیژن ترکیبی از دو آنزیم گلوکز اکسیداز و کاتالاز استفاده می­ شود که با برخی از سوبسترا­های دریافتی برای جذب اکسیژن واکنش می­ دهند. انتقال دو اتم هیدروژن از گلوکز اکسیداز (CHOH گروه گلوکز)، که می ­تواند در خود بسته وجود داشته و یا به محصول اضافه شده باشد، به اکسیژن سبب تشکیل گلوکونو دلتا لاکتون و _۲O₂ H می­ شود. سپس لاکتون خود به خود با آب واکنش داده و اسید گلوکونیک تولید می­ کند. یک عامل منفی در روند واکنش فوق وجود کاتالاز است که یک آلاینده طبیعی موجود در آماده سازی گلوکز اکسیداز محسوب می­ شود، چرا که کاتالاز با _۲O₂ H تشکیل O₂H و _۲ Oمی­دهد و در نتیجه باعث کاهش کارایی سیستم واکنش­دهنده می­ شود. با این حال، تولید گلوکز اکسیداز بدون آنزیم کاتالاز بسیار گران است. واکنش به شرح زیر بیان شده است که در آن قند، سوبسترا است (معادله۲-۴)
(۱)
معادله۲-۴٫ اکسیداسیون آنزیمی
همچنین از آنجا که _۲O₂ Hمحصول نهایی ناخواسته است، کاتالاز موجود به شکستن پراکسید می ­پردازد. (معادله۲-۵)
(۲)
معادله۲-۵. تجزیه پراکسید
با توجه به واکنش، یک مول از گلوکز اکسیده شده با یک مول اکسیژن واکنش می­دهد. بنابراین، در بسته­بندی غیرقابل نفوذ با ۵۰۰ میلی­لیتر فضای خالی سر محصول، فقط ۰۰۴۳/۰ مول گلوکز (۷۸/۰ گرم) برای رسیدن به صفر درصد از اکسیژن لازم است. بهره­وری آنزیمی بستگی به سرعت واکنش، مقدار سوبسترا و قابلیت نفوذ اکسیژن به بسته­بندی دارد.
سیستم­های آنزیمی به تغییرات PH، a_w، مقدار نمک، درجه حرارت و عوامل مختلف دیگر بسیار حساس هستند. علاوه بر این، آنها نیاز به افزودن آب دارند و در نتیجه، نمی­ توان به طور موثر در مواد غذایی کم آب استفاده کرد. یکی از کاربردهای گلوکز اکسیداز از بین بردن اکسیژن از آب جو و بطری­های شراب است. آنزیم­ها می­توانند بخشی از ساختار بسته­بندی باشند و یا در یک جاذب مستقل قرار گیرند. تثبیت جاذب توسط فرایندهای مختلف، از جمله استفاده از پلی­پروپیلن و پلی­اتیلن که بسترهای خوبی برای تثبیت آنزیم­ها هستند، انجام می­ شود.
این جاذب، اکسیژن فضای بسته را در محصولات واقعی درمدت زمان ۴۸-۱۲ ساعت در دمای ۲۰ درجه سانتی ­گراد از بین می­برد که این مقدار در دمای ۲ تا ۶ درجه ۲۴ تا ۹۶ ساعت طول می­کشد. همچنین این جاذب می ­تواند در محصولات مختلف منجمد مورد استفاده قرار گیرد.
علاوه بر گلوکز اکسیداز، آنزیم­هایی دیگر نیز دارای پتانسیل مهار اکسیژن هستند که می­توان به اتانول اکسیداز اشاره کرد. بر اثر فعالیت این آنزیم، اتانول به استالدهید تبدیل می­ شود. این آنزیم می ­تواند برای محصولات غذایی که محدوده گسترده­ای از فعالیت آبی دارند مورد استفاده قرارگیرد چرا که این آنزیم برای عمل به آب نیاز ندارد و می ­تواند راحت­تر مورد استفاده قرارگیرد. لازم به ذکر است در صورتی که قرار باشد اکسیژن بیشتری از بسته جذب شود، مقدار بیشتری از اتانول مورد نیاز خواهد بود، که می ­تواند باعث بوی نامطلوب در بسته شود (سوزا کروز و همکاران، ۲۰۱۲).
۲-۳-۴٫ اکسیداسیون هیدروکربن­های غیراشباع
اکسیداسیون اسیدهای چرب چند غیراشباع ^[۶](PUFA) روش دیگری برای جذب اکسیژن و یک جاذب بسیار عالی برای غذاهای خشک است. جاذب­های اکسیژنی که در قبل شناخته شده ­اند یک نقطه ضعف جدی دارند و آن اینکه زمانی که آب وجود ندارد، واکنش مهار اکسیژن به خودی خود پیشرفت نمی­کند و در حضور یک سیستم مهار اکسیژن، ممکن است کیفیت محصولات غذایی خشک به دلیل مهاجرت آب از جاذب اکسیژن به داخل غذا، به سرعت کاهش یابد.
شرکت شیمیایی گاز میتسوبیشی ژاپن دارای حق ثبت اختراع PUFAs به عنوان یک عامل واکنش و جاذب اکسیژن است. PUFAs ترجیحا از روغن­های سویا، کنجد و یا پنبه دانه که حاوی اولئیک، لینولئیک و لینولنیک اند، بدست می ­آید. روغن­ها و یاPUFA با یک کاتالیزور فلزی انتقالی و یا یک ماده حامل (به عنوان مثال کربنات کلسیم) که به حالت جامد باشد یک ترکیب جاذب اکسیژن را تشکیل می­دهد. در این روش جاذب را می­توان به گرانول یا پودر ساخته شده اضافه کرد و یا می­توان در گروه ­های پلی اتیلن بسته­بندی ترکیب کرد. هیدروکربن­های غیراشباع را می­توان با مواد بسته­بندی سازگار ترکیب کرد که در طول فرایندهای مخلوط کردن معمولی به گرانول­هایی مانند پلی­استر، پلی­اتیلن، پلی­پروپیلن و یا پلی­استایرن اضافه می­ شود. این عمل با بهره گرفتن از روش­های متعارف پردازش­های پلاستیکی مانند تزریق و یا اکستروژن انجام می­ شود.
مشکل اصلی این فن­آوری آن است که در اثر واکنش بین مولکول­های اشباع نشده و اکسیژن، مواد زائدی از جمله اسیدهای آلی، آلدئیدها یا کتون­ها تولید می­ شود که کیفیت حسی مواد غذایی را تحت تاثیر قرار می­دهد. در واقع، برخی از این ترکیبات برای تعیین کیفیت و ماندگاری مواد غذایی چرب استفاده می­ شود، زیرا آنها ذاتا مربوط به ترشیدگی می­باشند.
این مشکل با بهره گرفتن از موانعی که مانع مهاجرت محصولات اکسیداسیون نامطلوب به مواد غذایی می­ شود، می ­تواند به حداقل برسد. این لایه کاربردی باید به عنوان سد ترکیبات آلی عمل کند، اما اجازه دهد اکسیژن مهاجرت کند تا بتواند از مواد غذایی به لایه جاذب وارد شود. راه حل دیگر استفاده از مواد جذب کننده است. برخی از پلیمرها داری خاصیت ذاتی مهار مواد آلی در ساختار پلیمر اند که از آن جمله می­توان به سیلیکا ژل، زئولیت اشاره کرد.
Oxbar سیستم توسعه یافته توسط یک جعبه بوده (Carnaud-Metal Box در حال حاضر در تاج چوب پنبه تعبیه شده) که شامل اکسیداسیون کبالت کاتالیز شده با نایلون۶MXD است و با پلیمر دیگری مخلوط گردیده است. این سیستم به ویژه در ساخت بطری­هایPET سفت و سخت برای بسته­بندی شراب، آبجو، مشروبات الکلی طعم دار و نوشیدنی­های مبتنی بر مالت استفاده می­ شود (برودی و همکاران، ۲۰۰۱).
۲-۳-۵٫ تثبیت میکروارگانیسم­ها در بستر جامد
دو اختراع ثبت شده در سال ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ از مخمر برای حذف اکسیژن از فضای بسته­های مهر و موم شده استفاده می­ کنند که در آن­ها، تولید کننده آنزیم (Brocades)، در اختلاط با مخمر بی­حرکت شده و به بوش بسته بطری اضافه می­ شود.
در این سیستم­ها مخمر به وسیله رطوبت فعال شده و اکسیژن را مصرف و تولید دی اکسید کربن کرده و به علاوه الکل نیز تولید می­ کند. در مورد آبجو در طی فرایند درب بندی بطری، دی اکسید کربن و الکل تولید شده بدون ایجاد تغییرات در محتویات قابل اندازه گیری محصول، اکسیژن بطری را کاهش می­ دهند.
جاذب اکسیژن طبیعی و زیستی بر اساس استفاده از میکروارگانیسم­های محبوس در یک ماتریس پلیمری، برای حفظ مواد غذایی موثر بوده و برای مصرف کننده، ارزان و در محیط زیست بی­خطر است و می ­تواند یک مفهوم بسیار جالب برای صنایع غذایی مدرن باشد.
متاسفانه، مطالعات انجام شده را نمی­ توان برای توسعه یک جاذب اکسیژن صنعتی بیولوژیکی استفاده کرد. زیرا، تهیه یک فیلم اکسیژن­زدای بیولوژیکی، شامل به دام افتادن میکروارگانیسم­ها در یک ماتریس پلیمری مناسب (تولید فیلم)، نگهداری فیلم به حالت خشک تا هنگام استفاده و قرار دادن فیلم در معرض ماده غذایی در هنگام استفاده، با مشکلات و موانع متعدد رو به رو است.
۲-۳-۶٫ اکسیداسیون رنگ به نور
دیگر تکنیک جذب اکسیژن، اکسیداسیون رنگ به نور است که بر روی یک فیلم پلیمری انجام می­ شود. وقتی که این فیلم توسط تابش نور ماورای بنفش (UV)، رنگ را فعال و اکسیژن را با خود درگیر کرد، واکنش حذف اکسیژن بسیار سریعتر انجام می­ شود.
محققان استرالیایی گزارش کرده ­اند که واکنش آهن به حالت پایه بیش از حد کند است. اما اکسیژن، توسط حساسیت به رنگ به حالت پایه در آمده و با بهره گرفتن از نزدیک کردن به اشعه مادون قرمز، مرئی و یا ماوراء بنفش فعال می­ شود، در این حالت اکسیژن بسیار واکنش­پذیر شده و به همین ترتیب واکنش شیمیایی آن با جذب سریع اتفاق می­افتد. این روش شامل بسته­بندی با فیلم اتیل سلولز، حاوی رنگ photosensitizing حل شده و یک ترکیب پذیرنده اکسیژن بوده، که در فضای یک بسته شفاف است. وقتی که این فیلم با توجه به طول موج مناسب فعال شد، مولکول­های رنگ حساس به مولکول اکسیژن برانگیخته شده، در پلیمر نشر پیدا می­ کند. این مولکول اکسیژن با مولکول­های پذیرنده واکنش می­دهد و در نتیجه مصرف می­ شود شکل (۲-۳). واکنش فتوشیمیایی را می­توان به شرح زیر معرفی کرد(معادله۲-۶).
معادله۲-۶. واکنش جذب اکسیژن به وسیله رنگ به نور
در این روش، به آب به عنوان فعال کننده نیاز نیست، پس می­توان از آن برای بسته­بندی محصولات مرطوب و خشک استفاده کرد. زیرا فعال کردن شروع واکنش مهار اکسیژن، در خط بسته­بندی توسط یک فرایند راه اندازی نوری آغاز می­ شود.
شکل۲-۳. فیلم جاذب اکسیژن رنگ به نور
لایه جاذب اکسیژن اکسترود شده با یک فیلم چند لایه، می ­تواند میزان اکسیژن فضای بسته را در مدت زمان ۴ تا ۱۰ روز به سطح ۱ درصد پی­پی­ام کاهش دهد (سوزا کروز و همکاران، ۲۰۱۲).