بررسی مکانیزم لکه گذاری و از بین بردن لکه چای ایجاد شده بر روی منسوجات

مقدمه
چای بدون شک یکی از پرطرفدارترین نوشیدنی  ها در جهان است. گیاه چای با نام “Camellia sinensis” یکی از محصولات مهم زراعتی و تجاری با مجموعه  ای از فرآیندهای تولیدی می باشد. تعداد زیادی ترکیبات پلی فنولیک در ساختار بنیادی گیاه چای وجود دارد. سیر سنتز بیولوژیکی ترکیبات شیمیایی موجود در بافت چای به صورت کلی در گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به بررسی های صورت گرفته مشخص گردید چای سیاه و چای سبز محتوی میزان زیادی ترکیبات پلی فنل هستند. روش های مختلف هم اکنون برای اندازه گیری میزان پلی فنل های مهم چای که شامل کاتیچین ها (Catechins)، فلاونول ها (Flavonols)، فلاونول گلیکوزیدها (Flavonol glycosides) و تیفلاوین ها (Theaflavins) استفاده می شود[۱-۲].
نوشیدنی چای از جوشاندن برگ گیاه (Camellia sinensis) تهیه می گردد. چای به طور قطع پرمصرف ترین نوشیدنی در جهان امروز است که سرانه مصرف سالیانه آن برای هر نفر ۴۰ لیتر میباشد [۳].
چای تاریخچه باستانی و منحصر به خود را دارا می باشد. اسطوره شناسی چینی بر این باور است که در سال ۲۷۳۷ قبل از میلاد مسیح امپـراتور “Shen Nung” زمانی که در حـومه شهر به سر می برد، با این نوشیدنی آشنا شد. امپراتور از آن زمان علاقه شدیدی به بوی مطبوع چای هنگامیکه برگ های چای را جهت جوشاندن به درون آب جوش می انداختند داشت. اولین یافته ها از نحوه نگهداری و پرورش چای توسط یک پژوهشگر چینی با نام (Kou PO) در سال ۳۵۰ بعد از میلاد مسیح نوشته شده است. مردم چین استفاده تاریخی از چای دارند و از آن علاوه بر یک نوشیدنی خوشبو برای درمان نیز استفاده می کنند. چای در سال ۶۰۰ بعد از میلاد مسیح در ژاپن، در سال ۱۶۱۰ در اروپا و در سال ۱۶۵۰ در امریکای مهاجرنشین معرفی گردید [۳].
همزمان با برداشت برگ چای نیاز است برگ چای را جهت مصرف به یکی از سه نوع اصلی الف. چای سبز(non-fermented)، ب. oolong (semi- fermented) و ج. چای سیاه (fermented) تبدیل نمود [۳,۴].
تولید چای سیاه شامل اکسیداسیون آنزیمی Flavan-3-ols در برگ چای سبز به تعدادی پلی فنل های به هم فشرده شامل Theaflavins، Thearubigins ، bisfloronols و Epitheaflaric acids می باشد. پلی فنل اکسیـداز کلید آنزیم جهت انجام واکنش اکسیداسیون میباشد. این آنـزیم یک پروتئین فلزی شامل یک عـامل مس با وزن مـولکولی ۱۴۰,۰۰۰ دالتـون است[۴].
Theaflavins(TFs) و Therubigins(TRs) از مهمترین پیگمنتهای فنولیک چای سیاه به شمار آمده و عامل اصلی ایجاد لکه چای بر روی سطوح و منسوجات هستند. این دو پیگمنت دارای خاصیت اسیدی ضعیف میباشند و از اکسید شدن و پلیمریزاسیون catechin در جریان تولید چای سیاه به وجود میآیند(شکل ۱) [۴,۵] .

شکل ۱- ساختار شیمیایی کاتچین و Theaflavin در چای سیاه[۴]

Therubigins(TRs) تا سال ۱۹۶۲ در ساختار چای مشخص نشده بود و در حال حاضر با گذشت نیم قرن از شناخته شدن این پلیفنول اطلاعات کمی در مورد ساختمان شیمیایی آن در دسترس است[۱,۴]. تقسیم بندیهای مختلفی برای Therubigins تا امروز ارایه شدهاند یکی از این تقسیم بندیهای ارایه شده توسط Roberts و همکارانش در سال ۱۹۷۵ انجام شده بود که در آن Therubigins(TRs) به سه بخش عمده تقسیم گردید، SI-TR که قابل استخراج از اتیل استات است، SII-TR که به فرم مایع میباشد و SIa-TR که به فرم مایع بوده با این تفاوت که حلالیت بیشتری در دیاتیلاتر دارد [۴,۵] .
از بین بردن رنگ لکه از روی پارچه میتواند با کمک حلال لکه انجام گیرد. حلالها به صورت عمده میتوانند در دو گروه اصلی قطبی و غیرقطبی تقسیم بندی شوند. مشخص شده است که حلالهای قطبی، ترکیبات قطبی را بهتر در خود حل مینمایند و حلالهای غیرقطبی ترکیبات قطبی را بهتر در خود حل مینمایند.
امروزه کاربرد نانوذرات در صنایع مختلف با توجه به پتانسیلهای ذاتی آنها شتاب بسیار زیادی دارد. یکی از این گونه نانوذرات دیاکسیدتیتان است که به علت فعالیت فتوکاتالیستی بسیار مورد مطالعه و استفاده قرار گرفته است. یکی از خصوصیات بارز نانوذرات اکسیدتیتانیم جذب اشعه ماوراء بنفش است. بنابراین سطوحی که توسط این مواد پوشش داده میشوند قادرند تا از طریق فوتوکاتالیز یا کاتالیز نوری باعث تجزیه آلوده کننده ها و باکتریهای موجود در سطح گردند که این عمل در طی یک واکنش اکسیداسیون- احیاء صورت میپذیرد. از آنجایی که اکسیدتیتانیوم یک فتوکاتالیست است، هنگامی که در معرض نوری با انرژی بالاتر از لایه خالی(۳/۲ ev) آن قرار گیرد، الکترون در اکسیدتیتانیوم از لایه والانس به لایه رسانش جهش میکند و زوج الکترون e- در حفره الکتریکی مثبت +h، سطح فتوکاتالیست را تشکیل میدهند. الکترونهای منفی با اکسیژن ترکیب شده و O-2را تشکیل میدهند. حفره های الکتریکی مثبت و آب، رادیکالهای هیدروکسیل را تشکیل میدهند. از آنجا که هر دو مواد شیمیایی ناپایدار هستند، هنگامی که ترکیب آلی روی سطح فوتوکاتالیست میافتد، به ترتیب با O-2 وOH- ترکیب شده و تشکیل دیاکسیدکربن CO2 وآب H2O میدهد. این واکنش اکسیداسیون – احیا نامیده میشود[۶].
طیف انعکاسی به دست آمده از نمونه پارچه پنبه ای خام و نمونه پوشش داده شده با نانولایهای از جنسTiO2، در محدوده طول موجهای ۳۶۰ الی ۷۵۰ نانومتر مشخص میسازد که در طول موجهای ۳۶۰ الی ۴۰۰ نانومتر که بخشی از محدوده اشعه فرابنفش می باشد، نمونه پوشش داده شده قابلیت جذب بیشتری از اشعه فرابنفش را نسبت به پارچه پنبه ای خام دارد، این افزایش جذب در محدوده طیف فرا بنفش تأمینکننده خواص فوتوکاتالیستی و کاهش مقدار پرتو فرابنفش عبوری از پارچه پنبهای بوده و متعاقب آن ایجادکننده خاصیت «UV Blocking» میباشد[۷,۸].
تا به حال تحقیقات پراکنده ای بر روی از بین بردن لکه چای انجام گرفته است. Yoshiaki Tanizawa و همکاران در سال ۲۰۰۶ بر روی لکه چای روی ظروف چینی و سرامیکی تحقیقی را انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که لکه چای شامل پلیفنلهای اکسید شده به همراه درصد بالایی از سیلیکاتهای کلسیم میباشد. عملیات لکه بری برای از بین بردن ساختار تیره رنگ لکه چای بر روی سطح ظروف چینی و سرامیکی در این تحقیقات توسط حلالهای آلی مختلفی همچون کلروفرم، استون، تتراهیدروفوران، متیلالکل و اتیلالکل انجام گردید و در این حالت دیده شد که این قسمت از رنگ چای به طور قابل ملاحظه ای پایدار بود این در حالی است که قسمت رنگی با شید رنگی کمتر به آسانی از روی این ظروف از بین رفت[۹].Justin K. Maghanga و همکاران در سال ۲۰۰۹ به روش الکترولیز با طول موج کوتاه عمل رنگبری بر روی چای سیاه را بررسی نمودند[۱۰]. Kaihong Qi و همکاران در سال ۲۰۰۶ با پوشش دادن یک لایه نازک TiO2 بر روی منسوج پنبهای به روش dip-pad–dry-cure توانستند لکه رنگی شراب قرمز و قهوه را تجزیه و تخریب نمایند[۱۱].
در این مطالعه، هدف تسریع و بهبود فرآیند لکه بری چای سیاه از روی منسوج پنبه ای، نایلونی و پلیاستری است و مقایسه تاثیر سفیدکننده و ترکیب آن با نانوذرات TiO2 میباشد.

مواد مورد استفاده
• چای کیسه ای ساده حاوی ۲ گرم چای خرد شده، ساخت کشور هندوستان جهت تولید محلول چای
•پارچه پنبه ای سفیدگری شده تاری-پودی از کارخانجات کاشان تار و پود- کاشان، پارچه پلیاستری(داکرون مدل ۵۴)، پارچه نایلون ۶۶ با برند Testfabric
•شوینده نانیونیک از کمپانی Merck آلمان
•پودر نانو TiO2 p25 Degussa از کشور آلمان با اندازه ذرات ۲۱ nm
•دستگاه اسپکتروفتومتری با برند X-rite و مدل Color-Eye 7000 ساخت کشور امریکا

روش تولید محلول چای و لکه گذاری
۲ عدد چای کیسه ای در ۱۵۰ سیسی آب در حال جوش برای مدت ۵ دقیقه قرار داده شد و بعد خارج گردید [۹]. محلول چای تهیه شده توسط فرآیند قطره گذاری به وسیله پیپت و با استفاده از پوآر از فاصله ۱۰ سانتیمتری روی هر نمونه قرار داده شد. به ازای هر نمونه پارچه یک قطره محلول چای با اندازه ۵ میکرولیتر گذاشته شد و قطر لکه های ایجاد شده روی نمونه ها در حدود ۲ سانتیمتر بود.

روش ارزیابی لکه بری
با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری انعکاسی روند لکه بری نمونه ها در محدوده طول موج ۳۶۰ تا ۷۰۰ با یکدیگر مقایسه گردیدند و در نهایت نمونه ها با هم مقایسه شدند [۱۲,۱۳].

تجزیه و تحلیل
در این قسمت میزان جذب لکه و تاثیر زمان در جذب لکه چای توسط پارچه نایلونی گزارش گردیده است . میزان جذب لکه توسط پارچه نایلونی با گذشت زمان افزایش مییابد این فرآیند توسط شکل ۲ به خوبی قابل مشاهده است. همانطور که دیده میشود میزان جذب در ۱۵ دقیقه اول یک رشد تصاعدی را به همراه دارد، این رشد پس از ۲۰ دقیقه اول یک حالت نسبتاً ثابت را تا پایان ۶۰ دقیقه به همراه دارد. میزان جذب با توجه به زمان نیز افزایش چشمگیری را به همراه داشت این روند در شکل ۳ به خوبی مشاهده میشود.

شکل ۲- لکه گذاری بر روی پارچه نایلونی با چای در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد با تابع زمان

پلیاستر، پنبه و نایلون لکه گذاری شده با آب شستشو داده شدند و برای مدتی جهت خشک شدند به آنها زمان داده شد. لکه چای تمامی قسمتهای الیاف را که لکه گذاری شده بودند به صورت قابل مشاهده ای تغییر رنگ داد. اگر چه شوینده های مختلف قابلیت رنگبری متفاوتی را دارا میباشند اما آنچه با یک شوینده منحصر انجام گردید در جدول ۱ آورده شده است. در این جدول میزان تمایل لکه چای به پارچه ها به صورت نایلون>پنبه>پلی استر میباشد. شستشو برای ۱۰ دقیقه به کمک g/L 2 شوینده (بدون سفیدگری) در دمای ۲۵درجه سانتیگراد بخش عمده ای از لکه در پلی استر را از بین میبرد این میزان در پنبه کمی بیشتر از پلی استر است حال آنکه تفاوت بین حالت شسته نشده و پس از شستشو در نایلون بسیار پایین است.

شکل ۳- تاثیر دمای چای بر لکه گذاری روی پارچه نایلون

جدول ۱- اختلاف رنگ در پارچه های مختلف قبل و بعد از شستشوی لکه

نتایج
بررسی ها نشان داد میزان تمایل زیاد لکه چای به نایلون بیانگر حقایقی خاص در ساختار لکه چای سیاه میباشد. میزان لکه گذاری بر روی نایلون به طور قطع به واسطه ساختار اسید چای است. اگر چای پایه قلیایی داشت میزان تمایل چای با افزایش Ph میبایست با کاهش روبرو میشد اما مشاهده شد که با افزایش Ph میزان این تمایل افزایش یافت. این رخداد را نیز میتوان در واکنش یونی شکل گرفته شده میان گروههای کربوکسیل ساختار رنگی لکه و گروه های آمین موجود در نایلون توجیه نمود.
این توجیه که استفاده از آب در از بین بردن لکه از نایلون تا حدی به صورت معکوس عمل مینماید نیز قابل بررسی است چرا که آب به صورت عادی یک خاصیت نسبتاً اسیدی را داراست لذا بر تثبیت بیشتر لکه بر روی منسوج تاثیرگذار خواهد بود.

مراجع
[۱] Kuhnert, N., “ Archives of Biochemistry and Biophysics”, Vol 501, pp 37–۵۱, ۲۰۱۰
[۲] Menet, M. C., Sang, Sh., Yang , C. S., Chi-Tang and Rosen, R.T., Agric, J., Food Chem., vol 52, pp2455-2461, 2004
[۳] Davis , A. L., Phytochemistry, J., Vol 46, pp 1397-1402, 1997
[۴] Menet, M.C., Sang, S., Yang, C.S., Ho, C.T., Rosen RT., J. Agric Food Chem., vol 52, pp 2455–۲۴۶۱, ۲۰۰۴
[۵] Kuhr, S., Herzig, B, H. Engelhardt. U., Z Lebensm Unters Forsch.J., vol 199, pp 13-16, 1994
[۶] H. Lowry, Th., Schueller Richardson, K., “Mechanism and Theory in Organic Chemistry”, Benjamin-Cummings Publishing Company, 1987
[۷] M. Hansen, Ch., “ Hansen solubility parameters”, CRC Press, 2007
[۸] Karimi, L., Mirjalili, M., Yazdanshenas, M. E., Nazari, A., “Photochemistry and Photobiology”., vol 86, pp1030-1037, 2010
[۹] Tanizawa, Y., Abe, T., Yamada, K., Food Chemistry, vol 103, pp1-7, 2007
[۱۰] Maghanga, J.K., Segor , F. K., Etiégni , L., Lusweti, J., Chem, B.J., vol 23, pp 371-381, 2009
[۱۱] Yuranova ,T., Mosteo ,R., Bandara, J., Laub, D., Kiwi, J., Journal of Molecular Catalysis, vol 244, pp160-167, 2006
[۱۲] Moradiyan, S., “ Principles of color science and technology “, Amir Kabir University, 1994
[۱۳] Yu, J. C., Chan, L. Y. L., Journal of Chemical Education, vol 75, pp750-751, 1998