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Investigation on gas barrier characteristics of polymer-clay nanocomposite films and effects of nanoclay on flavor retention properties

Investigation on gas barrier characteristics of polymer-clay nanocomposite films and effects of nanoclay on flavor retention properties
Issue Date
대학원 식품공학과
이화여자대학교 대학원
The permeation of water vapor, oxygen, and carbon dioxide through a low density polyethylene (LDPE)-clay nanocomposite was investigated. The nanocomposite sheet of 1.465 mm thickness was prepared by heat-pressing LDPE granules containing 500 mg/kg nanoclay at 280℃. Inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES) showed that the nanoclay was mainly composed of Ca (40.7 %) and Na (2.8 %). Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) demonstrated that the intermolecular bonds of LDPE were not significantly affected by the addition of nanoclay. Water vapor permeability (WVP) was determined by gravimetric method at 20, 30, and 40℃, where relative humidity was set at 48, 51, and 54 %, respectively. Oxygen and carbon dioxide permeabilities (OP and CDP, respectively) were determined at the same temperatures by diaphragm diffusion analysis. OP was reduced by about 33% at 20 and 30℃ in the presence of nanoclay but only by 4.3% at 40℃. Also CDP was decreased by 40% at 20 ℃ with the addition of nanoclay, but only by about 4% at 30 and 40 ℃. WVP was found to be lowered by 12, 32, and 19% at 20, 30, and 40℃, respectively, with the addition of nanoclay. In general, gas permeabilities through the LDPE-clay were lower than those of Neat LDPE. The effects of different packaging materials (Neat PP and PP-claynanocomposite) on the volatile compounds and stability of soybean oil were studied at 20 and 40 ℃ during 8 weeks of storage. OP of neat PP and PP-clay nanocomposite was determined at 20, 40 ℃ by diaphragm diffusion analysis. Volatile compounds in soybean oil were isolated by solid phase micro-extraction (SPME) and then analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Other lipid oxidation stability such as peroxide value, conjugated dienoic acid value, and p-anisidine value were also measured to determine the oxidation stability. The intermolecular bonds of PP-clay nanocomposite were not changed, regardless of nanoclay contents, compared to those of Neat PP. OPs of PP-clay nanocomposite (0.822×10-8 mL/m·s·Pa at 20℃, 1.056×10-8 mL/m·s·Pa at 40℃) were lower than Neat PP (1.158×10-8 mL/m·s·Pa at 20℃, 1.351×10-8 mL/m·s·Pa at 40℃). Based on the results of SMPE/GC-MS, relative amounts of volatiles from lipid oxidation including pentanal, hexanal, and (E)-2-heptenal were higher in Neat PP than in PP/clay nanocomposite containers. The quality parameters were also significantly higher (p<0.05) in Neat PP than PP-clay nanocomposites. The overall results suggest that PP-clay nanocomposites indicated oxidation stability of soybean oil, compared to the Neat PP.;본 연구에서는 고분자 재료에 고온 (1500℃)에서 생성된 변성나노클레이를 500 ppm수준으로 첨가하여 제조한 나노컴포지트 포장재가 기존의 포장재와 비교하여 기체차단 효과를 알아보고자 수행되었다. 또한 이에 따른 기체 차단성 향상이 휘발성 지방산화물 생성에 미치는 영향을 규명하고자 수행되었다. 나노클레이 입자의 조성 분석을 유도 결합 발광 분광법으로 분석한 결과, 나노클레이 입자는 주로 Ca (40.733 %) 및 Na (2.808 %)로 구성됨을 확인할 수 있었다. 제조된 나노컴포지트와 기존의 포장재를 적외선 분광 분석한 결과, 나노클레이 입자는 고분자 수지와 주요한 결합을 하지 않은 것으로 판단되었다. 나노컴포지트의 산소 및 이산화탄소투과도는 diaphragm diffusion analysis방법으로 20, 30 및 40℃에서 측정하였다. 나노컴포지트의 산소투과도는 20℃와 30℃에서 30 % 정도의 차단효과를 나타내었으나, 40℃에서는 약 4 % 정도의 차단효과를 보였으며, 이산화탄소투과도에서도 20oC에서만 40 % 향상된 차단효과가 측정되었고, 30℃와 40℃에서는 4 % 정도의 약한 차단효과를 보였다. 나노컴포지트의 수분투과도는 gravimetric방법에 의하여 산소 및 이산화탄소투과도와 동일한 온도에서 수행하였다. 나노컴포지트의 수분투과도는 20, 30 및 40℃에서 각각 12, 32 및 19 %의 차단효과를 보였다. 나노클레이의 도입하여 제조한 나노기능성 용기의 기체차단성 향상이 휘발성지방산화물 생성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 먼저 용기의 구조적 차이와 산소차단효과를 살펴보았다. 나노기능성 용기와 기존의 용기를 적외선 분광 분석한 결과, 나노클레이 입자는 고분자 수지와 주요한 결합을 하지 않은 것으로 판단되었다. 또한, 20℃와 40℃에서 나노기능성 용기는 대조구 용기보다 약 20 % 강한 산소 차단효과를 나타내었다. 나노기능성 용기가 휘발성 지방산화물 생성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 나노기능성 용기에 대두유를 포장하여 20℃와 40℃에서 8주 동안 저장하면서 휘발성 지방산화물과 산화안정성을 기존 용기와의 비교를 통하여 규명하였다. 저장기간 (0주, 1주, 3주, 5주 및 8주)에 따른 휘발성 지방산화물 생성은 고체상미추출법을 통하여 GC-MS 분석하였고, 산화안정성은 과산화물가법, 공액이중산가법 및 아니시딘가법을 사용하여 측정하였다. 저장온도 20℃에서 용기 내 시료의 휘발성 지방산화물은 저장 8주에 나노기능성 용기가 대조구 용기보다 유의적으로 낮게 나타났다. 저장온도 40℃에서 용기 내 시료의 휘발성 지방산화물은 저장 3주에 나노기능성 용기가 대조구 용기보다 상대적으로 낮게 분석되었다. 저장온도 20℃에서 산화안정성은 휘발성 지방산화물 분석결과와 유사한 경향을 나타내었다. 저장온도 40℃에서 산화안정성은 저장 3주부터 나노기능성 용기가 대조구 용기보다 유의적으로 낮게 측정되었다. 위 결과로 보아 기존 포장재에 나노클레이 입자의 혼입이 기체차단 및 초기 지방산화의 억제를 향상시키는 것을 알 수 있었다.
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