พลอยชมพู พรรณราย*, ปารีณา สถิตธรรมนิตย์, ดวงแข ศรีคุณ, วีรวุฒิ เทียนขาว
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ อำเภอพุทธมณฑล จังหวัดนครปฐม
Email:
ทำความรู้จักกับ “ลิกนิน”
ลิกนิน (lignin) เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของชีวมวลลิกโนเซลลูโลส สามารถพบได้สูงถึง 30% ของเซลล์พืชทั่วไป ซึ่งมีปริมาณรองลงมาจากเฮมิเซลลูโลสและเซลลูโลส ลิกนินมีโครงสร้างแบบอะโรมาติก สามารถดูดกลืนรังสี UV ในช่วงกว้าง 200-400 nm ทำให้ลิกนินถูกประยุกต์ใช้เป็นสารเติมแต่งในผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เพื่อพัฒนาคุณสมบัติป้องกันรังสี UV เช่น ส่วนประกอบของครีมกันแดด น้ำยาเคลือบสีหรือน้ำยาเคลือบเงา ฟิล์มห่ออาหาร (Sadeghifar & Ragauskas, 2020) ลิกนินประกอบด้วยมอนอเมอร์ 3 ชนิด ได้แก่ coniferyl, sinapyl และ p-coumaryl alcohols ที่เชื่อมต่อกันจนทำให้เกิดโมเลกุลชีวภาพขนาดใหญ่ที่ซับซ้อน จึงมักถูกสกัดออกจากชีวมวลด้วยปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรง (วรรณวิทู วรรณโมลี, 2566) ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของโครงสร้างลิกนิน ลิกนินที่สกัดได้มีคุณสมบัติไม่ตรงตามที่ต้องการประยุกต์ใช้งาน นอกจากนี้สารละลายที่ใช้สกัดลิกนินในกระบวนการเหล่านี้เป็นสารที่อันตรายและยากต่อการกำจัด ทำให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการสกัดที่ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ หรือกระบวนการออร์แกโนโซลฟ์ (organosolv lignin) เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่ดีในการสกัดลิกนิน เนื่องจากกระบวนการนี้ไม่มีการใช้ปฏิกิริยาเคมีที่รุนแรง ทำให้ลิกนินที่สกัดได้มีโครงสร้างที่สมบูรณ์และมีความบริสุทธิ์สูง นอกจากนี้ตัวทำละลายที่ใช้ในการสกัด ในที่นี้คือเอทานอล เป็นตัวทำละลายที่ง่ายต่อการกำจัด และไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพการสกัดขึ้นอยู่กับหลายตัวแปร เช่น ประเภทและที่มาของชีวมวล ความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ และระยะเวลาที่ใช้ในการสกัด (Zijlstra et al., 2020)
ที่มาโครงสร้าง organosolv lignin: https://www.lookchem.com/casno8068-03-9.html
การประยุกต์ใช้ลิกนินในฟิล์มห่ออาหารเพื่อป้องกันรังสี UV
ปัจจุบันมีการถนอมอาหารโดยใช้ฟิล์มห่ออาหารกันอย่างแพร่หลาย ส่วนใหญ่เป็นฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ที่รับประทานได้ เพื่อความปลอดภัยต่อผู้บริโภคและมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้น เช่น เมทิลเซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส แป้ง ไคติน และเจลาติน (Zhao et al., 2021) แต่ฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ยังมีข้อจำกัดในด้านคุณสมบัติดูดซับรังสี UV ค่อนข้างต่ำ จึงมีการประยุกต์ใช้ organosolv lignin ในฟิล์มห่ออาหารเพื่อพัฒนาคุณสมบัติดังกล่าว เนื่องจากอาหารที่ผ่านการผลิตและถูกเก็บในบรรจุภัณฑ์ใสสามารถสลายตัวและสูญเสียคุณค่าทางสารอาหารโดยรังสี UV ได้ เช่น วิตามินซี สามารถสลายตัวจากรังสี UV ได้ง่ายมากเมื่อเปรียบเทียบกับวิตามินอื่น ๆ ได้แก่ วิตามินเอ วิตามินอี และวิตามินบี 2 (Guneser & Yuceer, 2012) ผลิตภัณฑ์อาหารเสริมที่ผสมวิตามินซีหลายชนิดบรรจุในภาชนะใสเพื่อให้เห็นผลิตภัณฑ์ที่อยู่ภายใน การเก็บรักษามีความจำเป็นต้องใช้บรรจุภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติในการป้องกันรังสี UV Zhong & Wang (2022) พัฒนาฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ที่มีความโปร่งแสงสูงจากไคติน และยังสามารถป้องกันรังสี UV ได้ โดยใช้ organosolv lignin (OSL) เป็นสารป้องกันรังสี UV ซึ่งสกัดจากเศษเหลือจากป่าไม้ พบว่า OSL เพียง 2% สามารถป้องกันรังสี UV (200-400 nm) ได้ถึง 91.9% และมีความโปร่งแสง (400-800 nm) 80.3% ซึ่งวัดโดยใช้ UV-vis spectrometer และเมื่อเพิ่มความเข้มข้น OSL จนถึง 20% สามารถป้องกันรังสี UV ได้ถึง 99.9% แต่ความโปร่งแสงจะต่ำลงตามความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ
โครงงานฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ผสมลิกนินเพื่อป้องกันการสลายตัวของวิตามินซีในผลิตภัณฑ์กัมมี่
คณะผู้จัดทำได้ศึกษาการนำ organosolv lignin จากกาบมะพร้าวดังรูปที่ 2 ซึ่งเป็นวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาใช้เป็นสารเติมแต่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของฟิล์มไบโอโพลิเมอร์ในการป้องกันรังสี UV เพื่อลดการสลายตัวของวิตามินซีในผลิตภัณฑ์กัมมี่ การสกัดลิกนินจากกาบมะพร้าวด้วยเอทานอลทำให้ลิกนินที่ได้เป็น organosolv lignin ที่มีความบริสุทธิ์สูง และทำให้เป็น lignin nanoparticles (LNPs) นำไปผสมในฟิล์ม พบว่าฟิล์มเจลาตินผสม LNPs 0.01% w/v ที่มีความหนาไม่เกิน 0.3 mm มีค่าการส่องผ่านของแสงขาวเกิน 80% ดังแสดงในรูปที่ 3b ส่วนในฟิล์ม carboxymethyl cellulose (CMC) ผสม LNPs มีค่าการส่องผ่านแสงขาวประมาณ 40% ดังแสดงในรูปที่ 3d ซึ่งวัดโดยใช้ light sensor และ data logger ฟิล์มทั้งสองชนิดมีความสามารถในการดูดกลืนรังสี UV ในช่วง 200-400 nm ซึ่งวัดโดยใช้ UV-vis spectrometer ฟิล์มเจลาตินผสม LNPs สามารถลดการสลายตัวของวิตามินซีในกัมมี่ได้เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับฟิล์มเจลาตินธรรมดา (รูปที่ 3a) เนื่องจากเจลาตินมีหมู่คาร์บอนิลและโครงสร้างของวงอะโรมาติกที่เหมาะสมกับการดูดซับรังสี UV ในขณะที่ฟิล์ม CMC ผสม LNPs สามารถลดการสลายตัวของวิตามินซีได้ถึง 18% เทียบกับฟิล์ม CMC ธรรมดา (รูปที่ 3c) ซึ่งวิเคราะห์โดยการไทเทรตเพื่อหาปริมาณวิตามินซีที่เหลือด้วยสารละลาย 2,6-dichloroindophenol ลิกนินจึงเหมาะสมต่อการประยุกต์ใช้ในฟิล์ม CMC ซึ่งไม่สามารถดูดซับรังสี UV ได้
ฟิล์มใสป้องกันรังสี UV
ฟิล์มถนอมอาหารที่ผ่านการเติมแต่งลิกนินมักมีสีเข้ม แต่ความโปร่งแสงไม่บดบังสีสันของอาหารที่ถูกห่อหุ้มอยู่ภายในก็เป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นฟิล์มห่ออาหารควรมีสีอ่อนเพื่อให้อาหารยังคงมีรูปลักษณ์และสีสันที่น่ารับประทาน โดยสามารถทำให้ลิกนินมีสีอ่อนลงด้วยกระบวนการ acetylation ซึ่งเป็นการเติมหมู่ acetyl ให้กับหมู่ hydroxyl ในโครงสร้างลิกนิน (Kim et al., 2017) ส่งผลให้ฟิล์มใสขึ้นและไม่กระทบต่อคุณสมบัติการดูดซับรังสี UV จึงยังสามารถป้องกันรังสี UV ได้เช่นเดิม แสดงให้เห็นว่าการใช้ลิกนินเป็นสารเติมแต่งพลาสติกบรรจุภัณฑ์เป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้ลิกนิกที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก ช่วยเพิ่มมูลค่าแก่ลิกนินซึ่งเป็นของเหลือทิ้งทางการเกษตรให้มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอย่างยั่งยืน ส่งผลกระทบต่อธรรมชาติน้อยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
อ้างอิง
วรรณวิทู วรรณโมลี. (2566). รู้จักกับ “ลิกนิน” สารธรรมชาติที่แสนจะไม่ธรรมดา. https://www.nanotec.or.th/ncas/2023/06/06/รู้จักกับ-ลิกนิน-สารธร/#:~:text=ลิกนินมี,อิสระ%20(Antioxidant)%20ยับยั้งการเจริญ
Guneser, O., & Yuceer, Y. K. (2012). Effect of ultraviolet light on water- and fat-soluble vitamins in cow and goat milk. Journal of Dairy Science, 95(11), 6230-6241. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022030212007424
Kim, Y., Suhr, J., Seo, H., Sun, H., Kim, S., Park, I., Kim, S., Lee, Y., Kim, K., & Nam, J. (2017). All biomass and UV protective composite composed of compatibilized lignin and poly (Lactic-acid). Scientific Reports, 7(1). https://doi.org/10.1038/srep43596
LookChem. (n.d.). Cas 8068-03-9, LIGNIN, ORGANOSOLV. https://www.lookchem.com/casno8068-03-9.html
Sadeghifar, H., & Ragauskas, A. (2020). Lignin as a UV light blocker—a review. Polymers, 12(5), 1134. https://doi.org/10.3390/polym12051134
Zhao, Y., Li, B., Li, C., Xu, Y., Luo, Y., Liang, D., & Huang, C. (2021). Comprehensive review of polysaccharide-based materials in edible packaging: a sustainable approach. Foods, 10(8), 1845. https://doi.org/10.3390/foods10081845
Zhong, T., & Wang, J. (2022). Developing highly transparent yet ultraviolet blocking fully biocomposite films based on chitin and lignin using ethanol/water as processing solvents. International Journal of Biological Macromolecules, 201, 308-317. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.01.003
Zijlstra, D. S., Lahive, C. W., Analbers, C. A., Figueirêdo, M. B., Wang, Z., Lancefield, C. S., & Deuss, P. J. (2020). Mild organosolv lignin extraction with alcohols: the importance of benzylic alkoxylation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(13), 5119- 5131. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07222
