Продвинутые нановолоконные мембраны CMCS/PEO методом электроспиннинга для усиленного сохранения свежести фруктов

Аннотация

Электроспиннинг предоставляет эффективный метод генерации нановолокон из раствора карбоксиметилхитозана/полиоксиэтиленоксида (CMCS/PEO). Цель этой работы — исследовать потенциальное применение электроспинненых CMCS/PEO нановолоконных мембран в сохранении свежести фруктов. Были протестированы микроструктура, антибактериальная активность, гидрофильность и газопроницаемость нановолоконной мембраны. Для сравнения изучались эффекты сохранения свежести коммерческой пищевой пленки и CMCS/PEO нановолоконных мембран на скорость гниения и потерю массы клубники. Результаты показывают, что электроспинненная CMCS/PEO мембрана эффективно предотвращает потерю влаги в клубнике и имеет замечательный эффект продления срока хранения благодаря своей вдыхаемости и антибактериальной активности. Кроме того, композитная CMCS/PEO нановолоконная мембрана нетоксична и съедобна, что позволяет استخدامها в пищевой промышленности.

Введение

Разработка пищевых защитных пленок и покрытий перешла от физических или механических обработок к химической защите. Фокус сместился на биологические материалы, обладающие съедобностью, такие как белки, липиды и полисахариды, вместо традиционных защитных пленок из пластика, бумаги и парафина [1, 2]. С растущим осознанием экологической защиты, съедобные покрытия и пленки могут широко использоваться в пищевой промышленности, особенно для фруктов и овощей, требующих высокоэффективного сохранения свежести. Даже тонкий слой мембраны со специфическими свойствами может достичь лучших эффектов [3]. Хитозан — отличный натуральный компонент для пищи благодаря своей биодеградируемости, биосовместимости, антимикробной активности, нетоксичности, универсальным химическим и физическим свойствам [4, 5], а также уникальным антибактериальным свойствам, устойчивостью к гниению и пленкообразующей способностью, он широко применяется в медицине, текстиле и пищевой промышленности [6,7,8,9]. В частности, хитозан может быть получен из сырья шелкопряда, креветок и раковин крабов, которые широко и обильно распространены в природе [10].

Электроспиннинг, непрерывно формирующий мягкие нановолоконные мембраны [11, 12], может предлагать нежную защиту фруктам. Это может помочь решить проблемы хранения и транспортировки некоторых фруктов, таких как клубника, черри-томаты и кумкват. Слоем мягких нановолокон поверхность фрукта может быть защищена от внешнего вторжения, например, внедрения бактерий и царапин. В нескольких исследованиях концентрированный раствор уксусной кислоты использовался как растворитель для электроспиннинга хитозановых нановолокон, а карбоксиметилхитозан (CMCS) электроспинненые нановолокна готовили с использованием деионизированной воды как растворителя [13,14,15]. Водорастворимый полиоксиэтиленоксид (PEO) также добавляли в CMCS раствор как адъювант для оптимизации процесса электроспиннинга [16], который признан нетоксичным полимером [17,18,19].

Недавно была сообщена стратегия сохранения свежести фруктов на основе хитозана путем нанесения хитозанового раствора на поверхность фрукта для формирования влажной пленки, но существовало мало методов оценки волокнистых мембран на основе электроспиннинга [20,21,22]. Однако влажное покрытие обеспечивает контакт между кожурой фрукта и влагой в воздухе, создавая возможность для бактериального роста и потери влаги. Кроме того, этот метод покрытия требует сушки на протяжении всего процесса, что дополнительно вызывает потенциальный ущерб фрукту. В этой работе мы используем новый тип портативного электроспиннингового устройства для приготовления нетоксичной и съедобной CMCS/PEO нановолоконной пленки (Рис. 1) [5, 23]. Цель этого исследования — оценить потенциальное применение хитозановых нановолоконных пленок в сохранении свежести фруктов и улучшить качество традиционных покрытий и продлить срок хранения клубники.

Методы / Эксперимент

Материалы

Органически выращенная столовая клубника собиралась в районе Лаошань (Циндао, Китай) и доставлялась в лабораторию как можно скорее; остатки удаляли перед покрытием. Выбирали клубнику без механических повреждений царапинами и с похожим размером, формой и зрелостью. CMCS (Mw 80 000 ~ 250 000) с 95% N-деацетилизацией приобретали в Aoduofuni (Нанкин, Китай). PEO (Mw ~ 5 000 000) покупали в Aladdin.

Приготовление прядильного раствора

Таблица 1 показывает детали различных соотношений смешанных растворов, содержащих CMCS, PEO и деионизированную воду. Кратко, 3,0 г CMCS смешивали с 0,16 г, 0,20 г и 0,25 г PEO соответственно. Затем они помещали в 40,0 г деионизированной воды в флаконе 100 мл. Магнитное перемешивание применяли около 4 ч при комнатной температуре до тех пор, пока растворы не становились прозрачными и однородными.

Приготовление нановолоконных мембран

Композитные волокнистые мембраны готовили следующим образом: 40% относительная влажность, расстояние игла-сборщик шприца 20 см, и приложенное напряжение 20 кВ. В этой работе использовали портативное электроспиннинговое устройство, разработанное Qingdao Junada Technology Co. Ltd., для приготовления CMCS/PEO нановолоконных мембран. Рисунок 1 показывает схемтическую диаграмму техники приготовления и процесс электроспиннинга.

Характеризация электроспинненых мембран

Морфологии и диаметры нановолокон характеризовали растровой электронной микроскопией (РЭМ; Phenom Pro). Полимерная интермолекулярная структура определялась Фурье-трансформационным инфракрасным (FTIR) спектрометром (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). Вдыхаемость измеряли тестером скорости газовой передачи (FX 3300; Цюрих).

Приготовление процесса сохранения

Клубнику случайно делили на четыре группы. В каждой группе было шесть ягод в чашке Петри. Первая группа полностью экспонировалась атмосфере как пустая контрольная группа. Вторая группа оборачивали обычной бытовой полиэтиленовой пищевой пленкой. Третью группу покрывали электроспиннинговым раствором (PEO:CMCS = 1:20) для формирования защитного слоя с глазированной внешней поверхностью. В этой группе образец тщательно сушили для формирования защитной пленки. Кроме того, электроспинненная CMCS/PEO нановолоконная мембрана использовалась для покрытия последней группы. Наконец, эти группы размещали при комнатной температуре без солнечного света, наблюдали и записывали ежедневно в одно и то же время. Рисунок 2 — схематическая диаграмма сохранения клубники.

Результаты и обсуждение

Морфологический анализ

Хотя чистый CMCS раствор имеет высокую вязкость, достигающую 400–800 мПа·с, все еще трудно формировать волокна электростатическими полями. Препятствие исходит от молекулярной структуры и растворимости хитина и хитозана, особенно для CMCS. По этой причине в CMCS раствор добавляли полиольный связующий компонент, облегчающий формирование волокон, такой как PEO. При приложенном напряжении ясный Тейлоров конус наблюдался для CMCS/PEO растворов в диапазоне концентраций 2,5–7,5 м.% (Рис. 1). Рисунок 3 показывает РЭМ-изображения и распределение диаметров волокон композитных CMCS/PEO волокон с разными соотношениями. Эти композитные волокна имеют цилиндрическую морфологию с диаметрами волокон около 130–400 нм.

При меньшем количестве PEO, смешанном с CMCS, как показано на Рис. 3а (PEO:CMCS = 1:24), волокна были тоньше и неоднородными с диаметром 130–280 нм. Для раствора с PEO:CMCS = 1:18 средний диаметр волокна составлял около 210 нм, и некоторые конглютации между относительно грубыми волокнами наблюдались на Рис. 3б. По мере увеличения соотношения PEO (PEO:CMCS = 1:12) получали довольно однородные волокна со средним диаметром 290 нм (Рис. 3в). Нановолоконная мембрана с соотношением 1:12 PEO/CMCS была выбрана как упаковочная пленка, потому что раствор 1:12 PEO/CMCS имеет более подходящую вязкость для электроспиннинга и легче формирует полную нановолоконную пленку для покрытия фрукта, а электроспинненная пленка имеет более равномерную вдыхаемость благодаря однородным микропорам согласно РЭМ-изображениям.

Инфракрасная спектроскопия

Рисунок 4 показывает FTIR спектры электроспинненого CMCS порошка и CMCS/PEO композитных нановолокон. Частоты и назначения для исходного CMCS указаны следующим образом: пики при 1320 см⁻¹, 1137 см⁻¹ и 1050 см⁻¹ были от изгиба C–H, гликозидной связи C–O–C и растяжения C–O CMCS соответственно. В спектрах появлялись новые пики при 1603 см⁻¹, характерные для карбоксилатной соли (–COO– асимметричное и симметричное растяжение), а также плечевой пик около 1650 см⁻¹, указывающий на аминогруппу. Хотя некоторые различия в двух фигурах наблюдались, обе показывали основные характерные пики CMCS при 3423 см⁻¹ (O–H растяжение) и 2960–2970 см⁻¹ (C–H растяжение). Мы видим, что FTIR спектры не изменились при добавлении PEO, что указывало на отсутствие очевидных структурных изменений между CMCS порошком и CMCS/PEO.

Тест на газопроницаемость

Многие исследования обнаружили, что проницаемость — важный фактор для сохранения фруктов. Микропористая мембрана может способствовать газообмену внутри и снаружи упаковки, регулировать концентрацию O₂ и CO₂, и заставлять упакованные фрукты и овощи иметь хорошую среду хранения, тем самым обеспечивая их качество или меньшее воздействие [24]. Определенная проницаемость пищевой пленки может поддерживать соответствующую концентрацию CO₂ в замкнутом пространстве. Формирование атмосферы хранения может ингибировать дыхание овощей и продлить срок хранения. При условии, что вдыхаемость слишком высока, легко сделать кислородное содержание в упаковке слишком высоким, ускоряя дыхание фруктов, старение быстрее, пожелтение и увядание серьезны [25]. Аналогично, плохая газопроницаемость или плохая герметичность могут привести к анаэробному производству спирта фруктами, что в конечном итоге усугубляет гниение фруктов [26]. Очевидно, проницаемость нановолоконных мембран уменьшается с увеличением толщины пленки. В этом эксперименте PEO/CMCS композитная нановолоконная мембрана с соотношением 1:12 и пищевая пленка были выбраны для теста проницаемости. Базовый принцип тестового устройства используется ниже (Рис. 5а). Разница газового давления на обоих концах круговой трубки контролируется, 200 Па в данном случае. Затем измеряют скорость воздушного потока на выходе воздуха, так что чем больше воздушное сопротивление, тем ниже воздушная скорость. В той же ситуации результат измерения пищевой пленки был 0 мм/с. Согласно литературе, мы знаем, что газопроницаемость нейлона и других тканей в среднем между 100 и 300 мм/с [27]. В измерении 200 Па и 20 см² измеренное значение PEO/CMCS композитной нановолоконной мембраны равномерно распределялось в диапазоне 40–50 мм/с (Рис. 5), указывая, что CMCS/PEO композитная мембрана имела равномерную газопроницаемость. В этом тесте средняя толщина пленки была 0,108 мм. В общем, эта вдыхаемость подходит для использования как упаковочный материал с функцией сохранения.

Антибактериальный тест

В настоящее время многие исследования фокусируются на антибактериальном свойстве хитозана, но меньше — на антибактериальном свойстве CMCS. Хитозан имеет значительный ингибирующий эффект на многие бактерии и грибы, такие как Escherichia coli и Staphylococcus aureus, оба из которых являются виновниками порчи фруктов [28]. Согласно исследованию, хотя антибактериальная способность CMCS не в прямой пропорции с его концентрацией, CMCS показывала наибольшую антибактериальную способность при соответствующей концентрации [29]. Особо отмечается, что амино CMCS могло ингибировать бактерии после растворения CMCS в растворе путем комбинирования с анионом [30, 31]. С точки зрения бактериостаза, электроспинненые CMCS нановолокна подходят как антимикробный пищевой упаковочный материал, даже если их водорастворимость ограничивала область применения. Как показано на Рис. 6, мы проводили антибактериальные эксперименты на фильтровальной бумаге и CMCS волокнистых мембранах с использованием Escherichia coli и Staphylococcus aureus соответственно. Результаты показывали, что CMCS/PEO нановолоконная мембрана имела очевидный ингибирующий эффект на эти два вида бактерий и формировала широкую антибактериальную зону после 18 ч инкубации. Однако две контрольные группы не имели никакого бактериостатического эффекта в (а) и (б). Отмечается, что бактериостатические зоны не были однородными на Рис. 6в, г из-за водорастворимости и текучести CMCS.

Процент потери массы

Отношение потери массы могло быть рассчитано по следующей формуле:

Потеря массы (%) = (M₀−M)/M₀ × 100%,

где M₀ — свежий вес клубники (клубника хранится 0 дней), а M — вес образцов, хранившихся разное количество дней.

Веса различных групп обработки измеряли в разное время хранения. Как показано на Рис. 7, пустая контрольная группа переживала ускорение потери массы, что можно отнести к увеличению метаболической активности фрукта. По сравнению с пустой контрольной группой, фрукты, обработанные обертыванием пищевой пленкой, имели довольно низкую потерю массы из-за компактности пищевой пленки. Очевидно, мы фокусировались на группе с CMCS/PEO покрытием, где потеря массы была более серьезной. В этом случае, несмотря на формирование CMCS/PEO слоя, это приводило к физическому и прямому контакту между влагой и поверхностью фрукта. С контактом обоих, влага разрушала внешний естественный защитный слой фруктов, что в свою очередь приводило к ускорению внутренней скорости потери воды. Для группы, покрытой электроспинненой CMCS/PEO нановолоконной пленкой, она показывала довольно хорошее удержание воды по сравнению с пустой контрольной группой и не имела много эффектов пленки, что сырье гидрорастворимо.

Тест сохранения свежести фруктов

Что касается сохранения свежести фруктов, органолептические свойства явно являются значительной характеристикой как критерий оценки. Начальные (день 0) органолептические свойства (цвет, запах и текстура) этих четырех образцов представлены как согласованные в одинаковой степени (Рис. 8а). Как видно из Рис. 8, в течение хранения цвета тускнели в различных степенях во всех обработках. Начальная полная и глянцевая внешность пустой контрольной группы во многом исчезла, и 70% фруктов начали гнить, из-за того что клубника тонкокорная и соковита, крайне механически уязвима, особенно для потери воды. Примененный пример показывает, что объем был очевидно уменьшен в некоторой степени, с снижением качества с 19,59 до 11,10 г в среднем для контроля (Рис. 8б). PE упаковка имела некоторые последствия в управлении предотвращением и контролем обезвоживания. На Рис. 8в клубника немного увяла, цвет стал темнее, и плесень появилась на части отдельных ягод. Отмечается, что группа с CMCS/PEO покрасочными покрытиями в основном темнела и коричневела (Рис. 8г). Коричневение в основном связано с окислительной деградацией аскорбиновой кислоты. Как упоминалось выше, группа с покрасочными покрытиями имела разрушенную кожуру и покрывающие слои фруктов в плохом состоянии, такими как кожура не была гладкой и серьезное усушкивание, но без гниения. Результаты показывали, что электроспинненная CMCS/PEO нановолоконная пленка была эффективной в предотвращении заболеваний и гниения и улучшении внешнего вида фруктов при хранении на Рис. 8д. Как и другие группы, клубника в этой группе также имела небольшое усушкивание и ароматный вкус. Причины неприятного вкуса в общем могут быть связаны с микробной пролиферацией и накоплением сахара.

Заключение

В заключение, мы разработали нетоксичную и съедобную CMCS/PEO нановолоконную мембрану, которая не только показывала отличное антимикробное свойство, но также имела достойную газопроницаемость с помощью портативного электроспиннингового устройства. CMCS/PEO нановолоконная мембрана демонстрировала антибактериальную способность к обоим Escherichia coli и Staphylococcus aureus. Измеренная газопроницаемость была в масштабе 40–50 мм/с при 200 Па. Эти результаты указывают на то, что CMCS/PEO нановолоконная мембрана может быть пригодна как упаковочный материал для фруктов. По сравнению с типичными традиционными покрытиями, нановолоконная пленка может иметь потенциальную применимость. Эта экологически чистая технология может предоставить альтернативный подход к фруктам в выращивании, транспортировке и продаже.

Аббревиатуры

CMCS:

Карбоксиметилхитозан

FTIR:

Фурье-трансформационная инфракрасная спектроскопия

PEO:

Полиоксиэтиленоксид

SEM:

Растровая электронная микроскопия