รศ.ดร.ประสงค์ สีหานาม นางสาวสุภัคศิริ คำก้อน ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม ทุนรายได้ คณะวิทยาศาสตร์ ประจำปีงบประมาณ 2565
บรรจุภัณฑ์ที่ทำมาจากพลาสติก ได้รับความนิยมในการใช้งานมาก เนื่องจากมีราคาถูกและคุณภาพคงที่ในการผลิต อย่างไรก็ตาม บรรจุภัณฑ์พลาสติกได้ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง เนื่องจาก พลาสติกนำกลับมาใช้งานใหม่ยาก และไม่แตกสลายด้วยกระบวนการทางชีวภาพ นักวิจัยพยายามหาวัสดุเพื่อมาทดแทนหรือลดการใช้พลาสติกสังเคราะห์ โดยพบว่า พลาสติกชีวภาพ (bioplastics หรือ biodegradable polymers) มีสมบัติในการแตกสลายได้ดีด้วยกระการทำงานของสิ่งมีชีวิต จึงสามารถลดปัญหาขยะที่ล้นโลกได้และยังไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม
เซลลูโลส (cellulose) เป็นเส้นใยที่พบบริเวณผนังเซลล์ของพืช จึงถือว่าเป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติที่มีปริมาณมากที่สุด โครงสร้างประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสที่ต่อกันด้วยพันธะ β-1,4-glycosidic และยังมีเฮมิเซลลูโลส ประมาณร้อยละ 20-30 และลิกนิน ประมาณร้อยละ 15-30 รวมอยู่ในโครงสร้างด้วย ปัจจุบัน มีการนำมาใช้ประโยชน์หลายด้าน เนื่องจากมีสมบัติที่ดีหลายประการที่เหมาะต่อการนำไปใช้งาน เช่น การแตกสลายทางชีวภาพ มีความโปร่งใส เหนียว ความชื้นต่ำ และขึ้นรูปเป็นพลาสติกได้ง่าย
ธูปฤาษี (Cattail; Typha angustifolia L.) ประกอบด้วยเส้นใย (fiber) ถึงร้อยละ 40 เส้นใยนี้มีความชื้นร้อยละ 8.9 เซลลูโลส (cellulose) ร้อยละ 63 เฮมิเซลลูโลส (hemicellulose) ร้อยละ 8.7 ลิกนิน (lignin) ร้อยละ 9.6 ไข (wax) ร้อยละ 1.4 และเถ้า (ash) ร้อยละ 2 จึงมีลิกโนเซลลูโลสชีวมวลที่อุดมสมบูรณ์ ลำต้นและใบของธูปฤาษีสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการทำกระดาษเนื่องจากมีปริมาณเส้นใยสูงและคุณภาพเส้นใยที่ดี เส้นใยลิกโนเซลลูโลสที่ได้จากใบธูปฤาษีที่ลอกกาวสามารถใช้ในการเตรียมแผ่นเสริมแรงได้ นอกจากนี้ ใบธูปฤาษียังสามารถใช้ ในการสานกระเป๋าถือหมอนอิงและงานฝีมือ
ผู้วิจัยจึงสนใจที่จะศึกษาสภาวะที่เหมาะสมในการเตรียมฟิล์มเซลลูโลสจากธูปฤาษีที่มีสมบัติเหมาะสมสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์อาหารซึ่งอาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ฟิล์มที่เตรียมได้เป็นบรรจุภัณฑ์อาหารที่ปลอดภัยต่อผู้บริโภคและไม่ส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมได้ต่อไปในอนาคต
ผลการตรวจสอบฟิล์มเซลลูโลส พบว่า เซลลูโลสที่สกัดได้ สามารถเตรียมให้อยู่ในรูปฟิล์มได้ เมื่อผสมกลีเซอรอลซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวก่อพลาสติก (plasticizer) ฟิล์มที่ได้มีความยืดหยุ่นขึ้น สามารถดัดโค้งโดยไม่มีการแตกหัก รวมทั้งมีความโปร่งแสงสูงขึ้นตามปริมาณกลีเซอรอลที่ผสมเข้าไป เนื่องจากกลีเซอรอลช่วยเพิ่มความมีขั้วและลดความเป็นผลึกของเซลลูโลส
เมื่อตรวจสอบด้วย กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ผลการทดลองแสดงดังรูปที่ 2 โดยแถว I แสดงพื้นผิวของฟิล์ม พบว่า ฟิล์มสานต่อเป็นเนื้อเดียวกัน ปรากฏเส้นใยเซลลูโลสขนาดเล็กปรากฏวางเรียงในทิศทางแบบสุ่ม เมื่อพิจารณาภาคตัดขวางของฟิล์ม (II) แสดงให้เห็นเนื้อฟิล์มรวมเป็นเนื้อเดียวกัน มีลักษณะแยกกันปรากฏบริเวณใกล้ผิวหน้าของฟิล์ม ซึ่การเติมกลีเซอรอลลงในเซลลูโลส ทำให้เส้นใยเกาะกันได้ชิดขึ้น (b) รวมทั้งทำให้เส้นใยบริเวณผิวหน้าถูกตรึงฝังในเนื้อฟิล์มได้ดี โดยเฉพาะฟิล์มที่มีการผสมกลีเซอรอลในปริมาณสูงขึ้น (d)
ผลจาก ATR-FTIR สเปกตรัมของฟิล์มเซลลูโลสแสดงตำแหน่งการดูดกลืนแสงของหมู่ฟังก์ชันสำคัญของเซลลูโลส ได้แก่ หมู่ไฮดรอกซิล (-OH) หมู่เมทิล (-CH3) หมู่คาร์บอนิล (C=O) และ ตำแหน่งอสมมาตรของพันธะไกลโคซิดิก (C–O–C) การผสมกลีเซอรอลแสดงการดูดกลืนแสงไม่แตกต่างจากฟิล์มที่ไม่ผสม แต่มีตำแหน่งพีคของหมู่ไฮดรอกซิล (-OH) และหมู่เมทิล (-CH3) สูงและคมกว่า และมีการเลื่อนพีคของตำแหน่งพันธะไกลโคซิดิก ที่อาจมีการสร้างพันธะไฮโดรเจนปรากฏขึ้น ทำให้ค่าความเสถียรเชิงความร้อนของเซลลูโลสบางช่วงเพิ่มขึ้น ฟิล์มเซลลูโลสสามารถทนต่อการละลายน้ำได้มากกว่า 80% หลังการทดสอบเป็นเวลา 7 วัน แสดงให้เห็นว่า เนื้อฟิล์มที่เตรียมได้มีความเสถียรต่อการละลาย แต่สามารถแตกสลายได้เมื่อเพิ่มระยะเวลานานขึ้น เนื่องจากสามารถดูดซับน้ำเข้าหาเนื้อฟิล์มโดยเฉพาะฟิล์มเซลลูโลสที่ผสมกลีเซอรอลสามารถดูดซึมน้ำได้สูงกว่าฟิล์มเซลลูโลสธรรมดาประมาณ 5-6 เท่า โดยการดูดซึมน้ำของฟิล์มเพิ่มขึ้นตามปริมาณกลีเซอรอลที่เพิ่มขึ้น
ผลการทดลองที่ได้แสดงให้เห็นว่า สามารถสกัดเซลลูโลสจากธูปฤาษีที่สามารถนำไปขึ้นรูปเป็นฟิล์มที่มีสมบัติที่เหมาะสมต่อการนำไปใช้ประโยชน์โดยเฉพาะการพัฒนาเป็นวัสดุสำหรับบรรจุภัณฑ์อาหารที่แตกสลายทางชีวภาพได้ จึงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและทำให้เพิ่มมูลค่าของวัชพืชให้สูงขึ้นอีกด้วย
เอกสารอ้างอิง
Acharya, S., Hu, Y., Moussa, H. and Abidi, N. 2017, “Preparation and characterization of transparent cellulose films using an improved cellulose dissolution process,” Journal of Applied Polymer Science, 134(21), P. 44871.
Barragán, E.U.P., Guerrero, C.F.C., Zamudio, A.M., Cepeda, A.B.M., Heinze, T. and Koschella, A. 2019, “Isolation of cellulose nanocrystals from Typha domingensis named southern cattail using a batch reactor,” Fibers and Polymers, 20, PP. 1136-1144.
