Elektrospinnen von Carboxymethylchitosan/Polyoxyethylenoxid-Nanofasern zur Frischhaltung von Obst

Hintergrund

Die Entwicklung von Lebensmittelschutzfolien und -beschichtungen wurde von physikalischen oder mechanischen Behandlungen auf chemischen Schutz umgestellt. Die Menschen konzentrieren sich auf biologische Materialien, die am meisten essbar sind, wie Proteine, Lipide und Polysaccharide anstelle von traditionellen Schutzfolien wie Plastik, Papier und Paraffin [1, 2]. Mit dem wachsenden Bewusstsein für den Umweltschutz können essbare Beschichtungen und Folien in großem Umfang in Lebensmitteln verwendet werden, insbesondere für Obst und Gemüse, die eine hochwirksame Frischhaltung benötigen. Eine einfache Beschichtung selbst einer dünnen Membranschicht mit einigen spezifischen Eigenschaften kann bessere Effekte erzielen [3]. Chitosan passt aufgrund seiner biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität, antimikrobiellen Aktivität, Nichttoxizität, vielseitigen chemischen und physikalischen Eigenschaften [4, 5] und seiner einzigartigen antibakteriellen Eigenschaft, Fäulnisbeständigkeit und filmbildenden Eigenschaft hervorragend zu Lebensmitteln. es wird häufig in der Medizin, Textil- und Lebensmittelindustrie verwendet [6,7,8,9]. Chitosan kann insbesondere aus den Rohstoffen von Seidenraupen, Garnelen und Krabbenschalen gewonnen werden, die in der Natur weit und reichlich verbreitet sind [10].

Das Elektrospinnen, das kontinuierlich weiche Nanofasermembranen herstellt [11, 12], kann Früchte sanft schützen. Dies kann helfen, die Lagerungs- und Transportprobleme einiger Früchte wie Erdbeeren, Kirschtomaten und Kumquat zu lösen. Mit einer Schicht aus weichen Nanofasern kann die Fruchtoberfläche vor dem Eindringen von außen wie Bakterien und Kratzern geschützt werden. In mehreren Studien wurde konzentrierte Essigsäurelösung als Lösungsmittel zum Elektrospinnen von Chitosan-Nanofasern verwendet, und elektrogesponnene Carboxymethylchitosan (CMCS)-Nanofasern wurden unter Verwendung von entionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt [13,14,15]. Auch wasserlösliches Polyoxyethylenoxid (PEO) wird der CMCS-Lösung als Hilfsmittel zur Optimierung des Elektrospinnverfahrens zugesetzt [16], das als ungiftiges Polymer anerkannt ist [17,18,19].

Kürzlich wurde über eine Strategie zur Frischhaltung von Früchten auf der Grundlage von Chitosan berichtet, bei der eine Chitosanlösung auf die Fruchtoberfläche aufgetragen wurde, um einen nassen Film zu bilden, aber es gab einige Methoden zur Bewertung von Fasermembranen auf der Grundlage von Elektrospinnen [20,21,22]. Der nasse Beschichtungsfilm stellt jedoch den Kontakt zwischen der Fruchtschale und der Feuchtigkeit in der Luft her und bietet somit die Möglichkeit für Bakterienwachstum und Feuchtigkeitsverlust. Darüber hinaus erfordert diese Beschichtungsmethode während des gesamten Prozesses eine Trocknung, was zu weiteren möglichen Schäden an den Früchten führt. In dieser Arbeit verwenden wir einen neuen Typ eines handgehaltenen Elektrospinngeräts zur Herstellung eines ungiftigen und essbaren CMCS/PEO-Nanofaserfilms (Abb. 1) [5, 23]. Der Zweck dieser Forschung besteht darin, die potenzielle Anwendung von Chitosan-Nanofaserfolien in der Frischhaltung von Obst zu bewerten und die Qualität traditioneller Beschichtungen zu verbessern und die Haltbarkeit von Erdbeeren zu verlängern.

Schema der Methode zur Herstellung der CMCS/PEO-Nanofasermembran für die Frischhaltung von Erdbeeren

Methoden/Experimental

Materialien

Biologisch angebaute Tafelerdbeeren wurden im Distrikt Laoshan (Qingdao, China) geerntet und so schnell wie möglich ins Labor gebracht; Rückstände wurden vor der Beschichtung entfernt. Die ausgewählten Erdbeeren sind solche ohne mechanische Gefahrenkratzer und mit ähnlicher Größe, Form und Reife. CMCS (Mw 80.000 ~ 250.000) mit 95 % N-Deacetylierung wurde von Aoduofuni (Nanjing, China) bezogen. PEO (Mw ~5.000.000) wurde von Aladdin gekauft.

Vorbereitung der Spinnlösung

Tabelle 1 zeigt die Details der verschiedenen Verhältnisse der gemischten Lösungen, die CMCS, PEO und entionisiertes Wasser enthalten. Kurz gesagt wurden 3,0 g CMCS mit 0,16 g, 0,20 g bzw. 0,25 g PEO gemischt. Dann wurden sie in eine 100-ml-Flasche mit 40,0 g entionisiertem Wasser gegeben. Bei Raumtemperatur wurde etwa 4 h lang mit einem Magnetrührer gerührt, bis die Lösungen transparent und homogen wurden.

Herstellung von Nanofasermembranen

Die Verbundfasermembranen wurden wie folgt hergestellt:40 % relative Feuchtigkeit, Spritzennadel-Kollektor-Abstand von 20 cm und angelegte Spinnspannung von 20 kV. In dieser Arbeit wurde ein tragbares Elektrospinngerät von Qingdao Junada Technology Co. Ltd. verwendet, um CMCS/PEO-Nanofasermembranen herzustellen. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm der Präparationstechnik und des Elektrospinnens.

Charakterisierung von e-gesponnenen Membranen

Die Morphologien und Durchmesser von Nanofasern wurden durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM; Phenom Pro) charakterisiert. Die intermolekulare Polymerstruktur wurde mit einem Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektrometer (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham) bestimmt. Die Atmungsaktivität wurde mit einem Gastransmissionsratentester (FX 3300; Zürich) gemessen.

Vorbereitung des Konservierungsprozesses

Die Erdbeeren wurden zufällig in vier Gruppen eingeteilt. Jede Gruppe hatte sechs Erdbeeren in einer Kulturschale. Die erste Gruppe wurde als Blindkontrollgruppe vollständig der Atmosphäre ausgesetzt. Die zweite Gruppe wurde mit haushaltsüblicher Polyethylen-Kunststofffolie umwickelt. Die dritte Gruppe wurde mit der Elektrospinnlösung (PEO:CMCS =1:20) gestrichen, um eine Schutzschicht mit Glasuroberfläche außen zu bilden. In dieser Gruppe wurde die Probe sorgfältig getrocknet, um einen Schutzfilm zu bilden. Darüber hinaus wurde eine elektrogesponnene CMCS/PEO-Nanofasermembran verwendet, um die letzte Gruppe abzudecken. Schließlich wurden diese Gruppen bei Raumtemperatur ohne Sonnenlicht platziert, beobachtet und jeden Tag zur gleichen Zeit aufgezeichnet. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm zur Konservierung von Erdbeeren.

Das schematische Diagramm der Erdbeerkonservierung in jeder Gruppe:a leere Kontrollgruppe in Kulturschale, b Gruppe in Kulturschale mit Plastikfolie bedeckt, c Gruppe mit CMCS/PEO-Lösungsbeschichtungen auf Oberflächen einzelner Erdbeeren und d Gruppe in Kulturschale, bedeckt mit elektrogesponnenem CMCS/PEO-Nanofaserfilm

Ergebnisse und Diskussion

Morphologische Analyse

Obwohl reine CMCS-Lösung eine hohe Viskosität hat, die bis zu 400–800 mPa ∙ s erreichen kann, ist es immer noch schwierig, durch elektrostatische Felder Fasern zu bilden. Das Hindernis ergibt sich aus der molekularen Struktur und Löslichkeit von Chitin und Chitosan, insbesondere für CMCS. Aus diesem Grund wurde der CMCS-Lösung das die Faserbildung erleichternde Polyolbindemittel wie PEO zugesetzt. Unter der angelegten Spannung wurde ein klarer Taylor-Kegel für die CMCS/PEO-Lösungen im Konzentrationsbereich von 2,5–7,5 Gew.-% beobachtet (Abb. 1). Abbildung 3 zeigt die REM-Bilder und die Faserdurchmesserverteilung der CMCS/PEO-Verbundfasern mit unterschiedlichen Verhältnissen. Diese Verbundfasern haben eine zylindrische Morphologie mit Faserdurchmessern von etwa 130–400 nm.

REM-Bilder und Faserdurchmesserverteilung des Elektrospinnens, erhalten aus Lösungen von a PEO:CMCS =1:24, b PEO:CMCS =1:18 und c PEO:CMCS =1:12

Wenn eine kleinere Menge PEO mit CMCS gemischt wurde, wie in Abb. 3a dargestellt (PEO:CMCS =1:24), waren die Fasern mit einem Durchmesser von 130–280 nm dünner und inhomogen. Für eine Lösung mit PEO:CMCS =1:18 betrug der durchschnittliche Faserdurchmesser etwa 210 nm, und in Abb. 3b wurde eine gewisse Verklebung zwischen den relativ groben Fasern beobachtet. Mit zunehmendem Verhältnis des PEO (PEO:CMCS =1:12) wurden ziemlich homogene Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 290 nm erhalten (Abb. 3c). Als Verpackungsfolie wurde die Nanofasermembran mit einem Verhältnis von 1:12 von PEO/CMCS gewählt, da die Lösung von 1:12 von PEO/CMCS eine geeignetere Viskosität für das Elektrospinnen hat und es einfacher ist, eine vollständige Nanofaserfolie zum Abdecken zu bilden die Frucht, und der elektrogesponnene Film hat eine gleichmäßigere Atmungsintensität aufgrund der gleichmäßig großen Mikroporen gemäß den REM-Bildern.

Infrarotspektroskopie

Abbildung 4 zeigt die FTIR-Spektren von elektrogesponnenem CMCS-Pulver und CMCS/PEO-Komposit-Nanofasern. Die Häufigkeiten und Zuordnungen für das unberührte CMCS sind wie folgt angegeben:die Peaks bei 1320 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ , und 1050 cm ^− 1 stammten von der C-H-Biegeschwingung, der glycosidischen Bindung C-O-C bzw. der C-O-Streckschwingung von CMCS. In den Spektren neue Peaks bei 1603 cm ⁻¹ charakteristisch für Carbonsäuresalz (–COO– asymmetrische und symmetrische Dehnung) erschien, während ein Schulterpeak bei 1650 cm ⁻¹ Hinweis auf die Aminogruppe. Obwohl ein gewisser Unterschied zwischen den beiden Zahlen beobachtet wurde, zeigten beide die grundlegenden charakteristischen Peaks für CMCS bei 3423 cm ⁻¹ (O–H-Stretch) und 2960–2970 cm ⁻¹ (C–H-Streckung). Wir können sehen, dass sich die FTIR-Spektren durch die Zugabe von PEO nicht verändert haben, was darauf hindeutet, dass es keine offensichtliche Strukturänderung zwischen CMCS-Pulver und CMCS/PEO gab.

FTIR-Spektren des a elektrogesponnenes CMCS-Pulver und b elektrogesponnene CMCS/PEO-Verbund-Nanofasermembran

Luftdurchlässigkeitstest

Viele Studien haben gezeigt, dass die Durchlässigkeit ein wichtiger Faktor für die Konservierung von Früchten ist. Die mikroporöse Membran kann den Gasaustausch innerhalb und außerhalb der Verpackung fördern, die Konzentration von O₂ . regulieren und CO₂ , und sorgen dafür, dass das verpackte Obst und Gemüse eine gute Lagerumgebung hat, wodurch seine Qualität sichergestellt oder weniger beeinträchtigt wird [24]. Die gewisse Durchlässigkeit der Plastikfolie kann die entsprechende CO₂-Konzentration aufrechterhalten auf engstem Raum. Die Bildung von Lageratmosphäre kann die Atmung von Gemüse hemmen und die Haltbarkeit verlängern. Vorausgesetzt, dass die Atmungsaktivität zu hoch ist, ist es leicht, den Sauerstoffgehalt der Verpackung zu hoch zu machen, was die Atmung von Früchten beschleunigt, schneller altert, bräunlich wird und ernsthaft ausbleicht [25]. In ähnlicher Weise kann eine schlechte Luftdurchlässigkeit oder eine schlechte Luftdichtheit zu einer anaeroben Produktion von Alkohol führen, was letztendlich die Fruchtfäule verschlimmert. [26]. Offensichtlich nimmt die Permeabilität von Nanofasermembranen mit zunehmender Filmdicke ab. In diesem Experiment wurden für den Permeabilitätstest eine PEO/CMCS-Komposit-Nanofasermembran im Verhältnis 1:12 und eine Kunststofffolie ausgewählt. Das grundlegende Testprinzip des hier verwendeten Geräts ist wie folgt (Abb. 5a). Die Differenz des Gasdrucks an beiden Enden eines runden Rohrs wird kontrolliert, in diesem Fall 200 Pa. Messen Sie dann den Luftdurchsatz am Luftauslass, so dass die Luftgeschwindigkeit umso geringer ist, je größer der Luftwiderstand ist. In derselben Situation war das Messergebnis der Plastikfolie 0 mm s ⁻¹ . Aus der Literatur wissen wir, dass die Luftdurchlässigkeit von Nylon und anderen Stoffen zwischen 100 und 300 mm s ⁻¹ . liegt im Durchschnitt [27]. Bei der Messung von 200 Pa und 20 cm ² , der gemessene Wert der PEO/CMCS-Komposit-Nanofaser gleichmäßig verteilt in den 40–50 mm s ⁻¹ (Fig. 5), was darauf hinweist, dass die CMCS/PEO-Verbundmembran eine gleichmäßige Luftdurchlässigkeit aufwies. Bei diesem Test betrug die durchschnittliche Filmdicke 0,108 mm. Generell eignet sich diese Atmungsaktivität als Verpackungsmaterial mit Konservierungsfunktion.

Die Luftdurchlässigkeit von a schematische Darstellung des Versuchsaufbaus und b die luftdurchlässige PEO/CMCS-Nanofasermembran im Verhältnis 1:12. Die Daten konzentrieren sich auf 45 mm s ⁻¹ . Die rote Linie ist eine Orientierungshilfe für die Augen

Antibakterieller Test

Derzeit konzentrieren sich viele Studien auf die antibakterielle Eigenschaft von Chitosan, jedoch weniger auf die antibakterielle Eigenschaft von CMCS. Chitosan hat eine signifikante Hemmwirkung auf viele Bakterien und Pilze, wie zum Beispiel Escherichia coli und Staphylococcus aureus , die beide für den Fruchtverderb verantwortlich sind [28]. Obwohl die antibakterielle Fähigkeit von CMCS nicht direkt proportional zu seiner Konzentration ist, zeigte CMCS laut Untersuchungen die stärkste antibakterielle Wirkung bei der entsprechenden Konzentration [29]. Es wird besonders darauf hingewiesen, dass Amino von CMCS die Bakterien hemmen könnte, nachdem das CMCS in der Lösung gelöst wurde, indem das Anion kombiniert wurde [30, 31]. Unter dem Gesichtspunkt der Bakteriostase eignen sich elektrogesponnene CMCS-Nanofasern als antimikrobielles Lebensmittelverpackungsmaterial, auch wenn ihre Wasserlöslichkeit den Anwendungsbereich einschränkt. Wie in Abb. 6 gezeigt, haben wir mit Escherichia coli . antibakterielle Experimente an Filterpapier und CMCS-Fasermembranen durchgeführt und Staphylococcus aureus , bzw. Die Ergebnisse zeigten, dass die CMCS/PEO-Nanofasermembran eine offensichtliche hemmende Wirkung auf diese beiden Bakterienarten hatte und nach 18 Stunden Training einen breiten antibakteriellen Ring bildete. Die beiden Kontrollgruppen hatten jedoch in (a) und (b) keine bakteriostatische Wirkung. Es ist anzumerken, dass die bakteriostatischen Ringe in Abb. 6c, d aufgrund der Wasserlöslichkeit und Fluidität von CMCS nicht einheitlich waren.

Die Hemmung von CMCS/PEO-Nanofasern auf Staphylococcus aureus und Escherichia coli . a Staphylococcus aureus mit Filterpapier (Kontrolle), b Escherichia coli mit Filterpapier (Kontrolle), c Staphylococcus aureus mit CMCS/PEO-Nanofasern und d Escherichia coli mit CMCS/PEO-Nanofasern

Prozentsatz der Gewichtsabnahme

Das Gewichtsverlustverhältnis könnte nach folgender Formel berechnet werden:

Gewichtsverlust (%) \( =\frac{M_0-M}{M_0}\times 100\%\),

wo M ₀ ist das Frischgewicht der Erdbeeren (Erdbeeren werden 0 Tage gelagert) und M ist das Gewicht der Proben, die für verschiedene Tage gelagert wurden.

Die Gewichte verschiedener Behandlungsgruppen wurden zu verschiedenen Lagerzeiten gemessen. Wie in Abb. 7 gezeigt, erfuhr die leere Kontrollgruppe eine Beschleunigung des Gewichtsverlusts, die auf eine Zunahme der Stoffwechselaktivität der Frucht zurückzuführen ist. Verglichen mit der Blindkontrollgruppe weist die mit Plastikfolie umhüllte Frucht aufgrund der Kompaktheit der Plastikfolie einen recht geringen Gewichtsverlust auf. Anscheinend haben wir uns auf die Gruppe der CMCS/PEO-Beschichtungsfilme konzentriert, bei denen der Gewichtsverlust stärker ist. In diesem Fall kommt es trotz der Bildung der CMCS/PEO-Schicht zu einem physikalischen und direkten Kontakt zwischen Feuchtigkeit und Fruchtoberfläche. Bei Kontakt der beiden zerstörte Feuchtigkeit die äußerste natürliche Schutzschicht der Früchte, was wiederum zu einer Beschleunigung der inneren Wasserverlustrate führte. Für die Gruppe, die von einer elektrogesponnenen CMCS/PEO-Nanofaserfolie abgedeckt wurde, zeigte sie im Vergleich zur Blindkontrollgruppe eine ziemlich gute Wasserrückhaltung und es hatte nicht viele Auswirkungen der Folie, dass die Rohstoffe wasserlöslich sind.

Die Gewichtsverlustverhältnisse von Erdbeeren in verschiedenen Gruppen während der Lagerung bei Umgebungstemperatur

Fruchtfrischhaltetest

Bei der Obstfrischhaltung sind sensorische Eigenschaften als Bewertungskriterium eindeutig ein wesentliches Merkmal. Die anfänglichen sensorischen Eigenschaften (Tag 0) (Farbe, Geruch und Textur) dieser vier Proben werden in gleichem Maße als Konsistenz dargestellt (Abb. 8a). Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, wurden die Farben während der gesamten Lagerung bei allen Behandlungen in verschiedenen Graden abgedunkelt. Das anfängliche volle und glänzende Erscheinungsbild der Blanko-Kontrollgruppe war weitgehend verschwunden und 70 % der Früchte hatten begonnen zu faulen, da dünn geschälte und saftreiche Erdbeeren mechanisch extrem anfällig waren, insbesondere für Wasserverlust. Das angewandte Beispiel zeigt, dass das Volumen offensichtlich in gewissem Maße geschrumpft war, wobei die Qualität bei einer durchschnittlichen Kontrolle von 19,59 auf 11,10 g abnahm (Abb. 8b). PE-Wrapper hatte einige Auswirkungen auf das Management der Prävention und Kontrolle von Dehydration. In Abb. 8c waren Erdbeeren einige Zeit verwelkt, wobei sich die Farbe verdunkelte und Mehltau auf der Seite des Individuums auftrat. Es ist anzumerken, dass die Gruppe der CMCS/PEO-Lackbeschichtungen hauptsächlich nachdunkelnd und bräunend ist (Abb. 8d). Die Bräunung ist hauptsächlich auf den oxidativen Abbau von Ascorbinsäure zurückzuführen. Wie oben erwähnt, hatte die Gruppe der mit Farbbeschichtungen verzierten Haut eine zerstörte Haut und die Deckschichten der Früchte sehen in einem schlechten Zustand aus, wie die Haut war nicht glatt und stark geschrumpft, aber ohne jegliche Fäulnis. Die Ergebnisse zeigten, dass die elektrogesponnene CMCS/PEO-Nanofaserfolie Krankheiten und Fäulnis wirksam verhindert und das Aussehen von Früchten in der Lagerung in Abb. 8e verbessert. Wie andere Gruppen hatten auch die Erdbeeren in dieser Gruppe ein wenig Schrumpfung und einen aromatischen Geschmack. Die Ursachen für Fehlgeschmack können im Allgemeinen mit der mikrobiellen Vermehrung und der Ansammlung von Zucker zusammenhängen.

Die ersten Erdbeeren a und die Auswirkungen verschiedener Behandlungen auf das Aussehen von Erdbeeren derselben Größe nach 6 Tagen Lagerung bei Raumtemperatur:b leere Kontrolle, c mit Plastikfolie geschützt, d durch CMCS/PEO-Lackbeschichtungen geschützt und e geschützt mit elektrogesponnener CMCS/PEO-Nanofaserfolie

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir eine ungiftige und essbare CMCS/PEO-Nanofasermembran entwickelt, die nicht nur die hervorragende antimikrobielle Eigenschaft zeigte, sondern auch eine bewundernswerte Luftdurchlässigkeit für das handgehaltene Elektrospinngerät aufwies. Die CMCS/PEO-Nanofasermembran zeigte antibakterielle Fähigkeiten sowohl gegen Escherichia coli und Staphylococcus aureus . Die gemessene Gasdurchlässigkeit lag auf einer Skala von 40–50 mm s ^–1 im 200 Pa. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die CMCS/PEO-Nanofasermembran als Verpackungsmaterial für Obst geeignet sein könnte. Im Vergleich zu typischen herkömmlichen Beschichtungen kann der Nanofaserfilm potenzielle Anwendbarkeit aufweisen. Diese umweltfreundliche Technologie kann eine alternative Herangehensweise an die Frucht beim Anbau, Transport und Verkauf bieten.

Abkürzungen

CMCS:

Carboxymethylchitosan

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarot

PEO:

Polyoxyethylenoxid

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie