Fortschrittliche CMCS/PEO-Nanofasermembranen durch Elektrospinnen für verbesserte Fruchtfrische-Erhaltung

Zusammenfassung

Elektrospinnen bietet eine effektive Methode zur Erzeugung von Nanofasern aus Lösungen von Carboxymethylchitosan/Polyoxyethylenoxid (CMCS/PEO). Ziel dieser Arbeit ist es, das potenzielle Anwendungsfeld elektrogesponnener CMCS/PEO-Nanofasermembranen in der Fruchtfrischehaltung zu erforschen. Mikrostruktur, antibakterielle Aktivität, Hydrophilie und Luftdurchlässigkeit der Nanofasermembran wurden getestet. Zum Vergleich wurden die Frischehaltungseffekte von kommerzieller Frischhaltefolie und CMCS/PEO-Nanofasermembranen auf Erdbeeren hinsichtlich Fäulnisrate und Gewichtsverlustrate untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die elektrogesponnene CMCS/PEO-Membran Wasserverlust bei Erdbeeren effektiv verhindert und aufgrund ihrer Atmungsaktivität und antibakteriellen Aktivität einen bemerkenswerten Effekt auf die Verlängerung der Haltbarkeit hat. Zusätzlich ist die komposite CMCS/PEO-Nanofasermembran ungiftig und essbar, was ihren Einsatz in der Lebensmittelindustrie ermöglicht.

Hintergrund

Die Entwicklung von Lebensmittelschutzfolien und -beschichtungen verlagerte sich von physikalischen oder mechanischen Behandlungen hin zu chemischem Schutz. Der Fokus liegt auf biologischen Materialien, die meist Essbarkeit besitzen, wie Proteine, Lipide und Polysaccharide, statt traditioneller Schutzfolien wie Kunststoff, Papier und Paraffin [1, 2]. Mit wachsendem Umweltbewusstsein können essbare Beschichtungen und Folien extensiv in Lebensmitteln eingesetzt werden, besonders für Obst und Gemüse, das hochwirksame Frischeerhaltung benötigt. Schon eine dünne Membranschicht mit spezifischen Eigenschaften kann bessere Effekte erzielen [3]. Chitosan ist aufgrund seiner Biologische Abbaubarkeit, Biokompatibilität, antimikrobiellen Aktivität, Ungiftigkeit, vielseitigen chemischen und physikalischen Eigenschaften ein hervorragender natürlicher Kandidat für Lebensmittel [4, 5], und mit seiner einzigartigen antibakteriellen Eigenschaft, Fäulnisbeständigkeit und Filmbildungsfähigkeit wird es breit in Medizin, Textil und Lebensmitteln verwendet [6,7,8,9]. Insbesondere kann Chitosan aus Rohmaterialien von Seidenraupen, Garnelen- und Krabbenpanzern gewonnen werden, die in der Natur weit und reichlich verbreitet sind [10].

Elektrospinnen, das kontinuierlich weiche nanofaserige Membranen fertigt [11, 12], kann sanften Schutz für Früchte bieten. Dies kann helfen, Lagerungs- und Transportprobleme einiger Früchte wie Erdbeere, Cocktailtomaten und Kumquat zu lösen. Mit einer Schicht weicher Nanofasern kann die Fruchtoberfläche vor äußerer Invasion geschützt werden, wie Bakterieneintritt und Kratzer. In mehreren Studien wurde konzentrierte Essigsäurelösung als Lösungsmittel für Elektrospinnen von Chitosan-Nanofasern verwendet, und Carboxymethylchitosan (CMCS) elektrogesponnene Nanofasern wurden mit deionisiertem Wasser als Lösungsmittel hergestellt [13,14,15]. Wassserlösliches Polyoxyethylenoxid (PEO) wurde ebenfalls der CMCS-Lösung als Hilfsmittel zur Optimierung des Elektrospinnprozesses zugesetzt [16], was als ungiftiges Polymer anerkannt ist [17,18,19].

Kürzlich wurde eine Strategie zur Fruchtfrischehaltung basierend auf Chitosan berichtet, bei der Chitosan-Lösung auf die Fruchtoberfläche aufgetragen wird, um einen nassen Film zu bilden, aber es gab wenige Methoden zur Bewertung faseriger Membranen basierend auf Elektrospinnen [20,21,22]. Der nasse Beschichtungsfilm bietet jedoch Kontakt zwischen Fruchthaut und Feuchtigkeit in der Luft, was Bakterienwachstum und Feuchtigkeitsverlust begünstigt. Zusätzlich erfordert diese Beschichtungsmethode Trocknung während des gesamten Prozesses, was weitere potenzielle Schäden an der Frucht verursacht. In dieser Arbeit nutzen wir ein neuartiges handgeführtes Elektrospinn-Gerät zur Herstellung ungiftiger und essbarer CMCS/PEO-Nanofaserfolien (Abb. 1) [5, 23]. Ziel dieser Forschung ist es, das potenzielle Anwendungspotenzial von Chitosan-Nanofaserfolien in der Fruchtfrischehaltung zu bewerten und die Qualität traditioneller Beschichtungen zu verbessern sowie die Haltbarkeit von Erdbeeren zu verlängern.

Methoden / Experimentell

Materialien

Ökologisch angebaute Tafelerdbeeren wurden im Laoshan-Distrikt (Qingdao, China) geerntet und so schnell wie möglich ins Labor gebracht; Rückstände wurden vor der Beschichtung entfernt. Ausgewählt wurden Erdbeeren ohne mechanische Schäden, Kratzer 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.

Herstellung der Spinnlösung

Tabelle 1 zeigt Details verschiedener Verhältnisse der Mischlösungen mit CMCS, PEO und deionisiertem Wasser. Kurz: 3,0 g CMCS wurden mit 0,16 g, 0,20 g und 0,25 g PEO jeweils gemischt. Dann wurden sie in 40,0 g deionisiertes Wasser in einer 100 ml Flasche gegeben. Magnetisches Rühren wurde für ca. 4 h bei Raumtemperatur angewendet, bis die Lösungen transparent und homogen wurden.

Herstellung der Nanofasermembranen

Die kompositen Fasermembranen wurden wie folgt hergestellt: 40 % relative Luftfeuchtigkeit, Spritzen-Nadel-zu-Sammler-Distanz von 20 cm, angewendete Spannspannung von 20 kV. In dieser Arbeit wurde ein handgeführtes Elektrospinn-Gerät von Qingdao Junada Technology Co. Ltd. zur Herstellung von CMCS/PEO-Nanofasermembranen verwendet. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm der Herstellungstechnik und des Elektrospinnprozesses.

Charakterisierung der e-gesponnenen Membranen

Morphologien und Durchmesser der Nanofasern wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM; Phenom Pro) charakterisiert. Die Polymer-Intermolekularstruktur wurde durch ein Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-Spektrometer (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham) bestimmt. Die Atmungsaktivität wurde mit einem Gastransmissionsrate-Tester (FX 3300; Zürich) gemessen.

Herstellung des Konservierungsprozesses

Die Erdbeeren wurden zufällig in vier Gruppen aufgeteilt. Jede Gruppe hatte sechs Erdbeeren in einer Petrischale. Die erste Gruppe war vollständig der Atmosphäre ausgesetzt als Blankokontrollgruppe. Die zweite Gruppe wurde mit herkömmlicher Haushalts-Polyethylen-Folie umwickelt. Die dritte Gruppe wurde mit der Elektrospinnlösung (PEO:CMCS = 1:20) bestrichen, um eine Schutzschicht mit glasartiger Außenoberfläche zu bilden. In dieser Gruppe wurde die Probe sorgfältig getrocknet, um einen Schutzfilm zu bilden. Zusätzlich wurde elektrogesponnene CMCS/PEO-Nanofasermembran zur Abdeckung der letzten Gruppe verwendet. Schließlich wurden diese Gruppen bei Raumtemperatur ohne Sonnenlicht platziert, täglich zur gleichen Zeit beobachtet und aufgezeichnet. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm der Erdbeerkonservierung.

Ergebnisse und Diskussion

Morphologische Analyse

Obwohl reine CMCS-Lösung hohe Viskosität aufweist, die 400–800 mPa·s erreichen kann, ist es dennoch schwierig, Fasern durch elektrostatische Felder zu formen. Das Hindernis rührt von der Molekularstruktur und Löslichkeit von Chitin und Chitosan, besonders CMCS. Aus diesem Grund wurde das faserbildende Polyol-Bindemittel PEO der CMCS-Lösung zugesetzt. Unter angewendeter Spannung wurde ein klarer Taylor-Kegel für CMCS/PEO-Lösungen im Konzentrationsbereich von 2,5–7,5 Gew-% beobachtet (Abb. 1). Abbildung 3 zeigt REM-Bilder und Faserdurchmesserverteilung der kompositen CMCS/PEO-Fasern mit verschiedenen Verhältnissen. Diese Kompositfasern haben eine zylindrische Morphologie mit Faserdurchmessern von etwa 130–400 nm.

Bei geringerer PEO-Menge gemischt mit CMCS, wie in Abb. 3a (PEO:CMCS = 1:24) dargestellt, waren die Fasern dünner und inhomogen mit Durchmessern von 130–280 nm. Für Lösung mit PEO:CMCS = 1:18 betrug der durchschnittliche Faserdurchmesser ca. 210 nm, und einige Verklebungen zwischen den relativ groben Fasern wurden in Abb. 3b beobachtet. Mit zunehmendem PEO-Verhältnis (PEO:CMCS = 1:12) wurden ziemlich homogene Fasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 290 nm erhalten (Abb. 3c). Die Nanofasermembran mit dem Verhältnis 1:12 von PEO/CMCS wurde als Verpackungsfilm ausgewählt, da die Lösung mit 1:12 PEO/CMCS eine geeignetere Viskosität für Elektrospinnen hat und leichter einen vollständigen nanofasrigen Film zur Fruchtabdeckung bildet, und der elektrogesponnene Film eine gleichmäßigere Atmungsintensität aufgrund gleichmäßiger Mikroporengröße gemäß REM-Bildern aufweist.

Infrarotspektroskopie

Abbildung 4 zeigt die FTIR-Spektren von elektrogesponnenem CMCS-Pulver und CMCS/PEO-Kompositnanofasern. Die Frequenzen und Zuordnungen für reines CMCS sind wie folgt angegeben: Peaks bei 1320 cm⁻¹, 1137 cm⁻¹ und 1050 cm⁻¹ stammen von C–H-Biegeschwingung, glycosidischer Bindung C–O–C und C–O-Streckschwingung von CMCS. In den Spektren erschienen neue Peaks bei 1603 cm⁻¹, charakteristisch für Carbonsäuresalz (–COO– asymmetrische und symmetrische Streckung), während ein Schulterpeak um 1650 cm⁻¹ auf die Aminogruppe hinweist. Obwohl einige Unterschiede in den beiden Abbildungen beobachtet wurden, zeigten beide die grundlegenden charakteristischen Peaks für CMCS bei 3423 cm⁻¹ (O–H-Streckung) und 2960–2970 cm⁻¹ (C–H-Streckung). Man sieht, dass die FTIR-Spektren durch Zugabe von PEO keine Veränderung zeigten, was darauf hindeutete, dass es keine offensichtliche Strukturänderung zwischen CMCS-Pulver und CMCS/PEO gab.

Luftdurchlässigkeitstest

Viele Studien haben festgestellt, dass Durchlässigkeit ein wichtiger Faktor für die Früchtekonservierung ist. Die mikroporöse Membran kann den Gasaustausch zwischen Innen- und Außenseite der Verpackung fördern, die Konzentration von O₂ und CO₂ regulieren und den verpackten Früchten und Gemüse eine gute Lagerumgebung bieten, wodurch deren Qualität gesichert oder weniger beeinträchtigt wird [24]. Die gewisse Durchlässigkeit der Frischhaltefolie kann die angemessene CO₂-Konzentration im begrenzten Raum aufrechterhalten. Die Bildung der Lageratmosphäre kann die Atmung von Gemüse hemmen und die Haltbarkeit verlängern. Sofern Atmungsaktivität zu hoch ist, führt dies leicht zu zu hohem Sauerstoffgehalt in der Verpackung, was die Atmung der Früchte beschleunigt, schnelleres Altern, Bräunung und starkes Verblassen verursacht [25]. Ebenso können schlechte Luftdurchlässigkeit oder schlechte Luftdichtheit zu anaerober Alkoholproduktion bei Früchten führen, was letztlich die Fruchtfäulnis verschlimmert [26]. Offensichtlich nimmt die Durchlässigkeit von Nanofasermembranen mit zunehmender Filmdicke ab. In diesem Experiment wurden PEO/CMCS-Komposit-Nanofasermembranen mit dem Verhältnis 1:12 und Kunststofffolie für den Durchlässigkeitstest ausgewählt. Das Grundprinzip des verwendeten Geräts ist wie folgt (Abb. 5a). Der Gasdruckunterschied an beiden Enden eines Kreisrohrs wird kontrolliert, in diesem Fall 200 Pa. Dann wird der Luftdurchsatz am Luftauslass gemessen, sodass je größer der Luftwiderstand, desto niedriger die Luftgeschwindigkeit. In der gleichen Situation betrug das Messergebnis der Kunststofffolie 0 mm s⁻¹. Laut Literatur liegt die Luftdurchlässigkeit von Nylon und anderen Stoffen im Durchschnitt zwischen 100 und 300 mm s⁻¹ [27]. Bei der Messung von 200 Pa und 20 cm² lag der gemessene Wert der PEO/CMCS-Komposit-Nanofaser gleichmäßig verteilt im Bereich 40–50 mm s⁻¹ (Abb. 5), was darauf hindeutet, dass die CMCS/PEO-Kompositmembran gleichmäßige Luftdurchlässigkeit aufwies. In diesem Test betrug die durchschnittliche Filmdicke 0,108 mm. Allgemein gesprochen ist diese Atmungsaktivität für die Verwendung als Verpackungsmaterial mit Konservierungsfunktion geeignet.

Antibakterieller Test

Derzeit konzentrieren sich viele Studien auf die antibakterielle Eigenschaft von Chitosan, weniger auf die von CMCS. Chitosan hat eine signifikante hemmende Wirkung auf viele Bakterien und Pilze, wie Escherichia coli und Staphylococcus aureus, die beide Verursacher von Fruchtverderb sind [28]. Untersuchungen zufolge ist die antibakterielle Fähigkeit von CMCS nicht direkt proportional zu seiner Konzentration, CMCS zeigte jedoch die stärkste antibakterielle Fähigkeit bei angemessener Konzentration [29]. Besonders hervorgehoben wird, dass Aminogruppen von CMCS Bakterien hemmen können, nachdem CMCS in Lösung gelöst wurde, durch Kombination mit Anionen [30, 31]. Aus bakteriostatischer Sicht sind elektrogesponnene CMCS-Nanofasern als antimikrobielle Lebensmittelverpackungsmaterialien geeignet, auch wenn ihre Wasserlöslichkeit den Anwendungsbereich einschränkt. Wie in Abb. 6 gezeigt, führten wir antibakterielle Experimente auf Filterpapier und CMCS-Fasermembranen mit Escherichia coli und Staphylococcus aureus durch. Die Ergebnisse zeigten, dass CMCS/PEO-Nanofasermembranen eine offensichtliche hemmende Wirkung auf diese beiden Bakterienarten hatten und nach 18 h Inkubation einen breiten Hemmring bildeten. Die beiden Kontrollgruppen zeigten jedoch keine bakteriostatische Wirkung in (a) und (b). Es sei angemerkt, dass die Hemmringe in Abb. 6c, d nicht uniform waren aufgrund der Wasserlöslichkeit und Fließfähigkeit von CMCS.

Gewichtsverlustprozentsatz

Das Gewichtsverlustverhältnis konnte aus folgender Formel berechnet werden:

Gewichtsverlust (%) = (M₀−M)/M₀ × 100 %,

wobei M₀ das Frischgewicht der Erdbeeren ist (Erdbeeren gelagert für 0 Tage), und M das Gewicht der Proben nach unterschiedlichen Lagertagen.

Gewichte der verschiedenen Behandlungsgruppen wurden zu verschiedenen Lagerzeiten gemessen. Wie in Abb. 7 gezeigt, erlebte die Blankokontrollgruppe eine Beschleunigung des Gewichtsverlusts, was auf eine Zunahme der metabolischen Aktivität der Frucht zurückzuführen ist. Im Vergleich zur Blankokontrollgruppe zeigte die mit Kunststofffolie umwickelte Frucht aufgrund der Kompaktheit der Folie recht geringen Gewichtsverlust. Offenbar konzentrierten wir uns auf die Gruppe mit CMCS/PEO-Beschichtungsfilm, bei der der Gewichtsverlust stärker ausgeprägt war. In diesem Fall führt trotz Bildung der CMCS/PEO-Schicht der physikalische und direkte Kontakt zwischen Feuchtigkeit und Fruchtoberfläche dazu, dass Feuchtigkeit die äußerste natürliche Schutzschicht der Früchte zerstört, was wiederum die interne Wasserverlustrate beschleunigt. Für die mit elektrogesponnener CMCS/PEO-Nanofaserfolie abgedeckte Gruppe zeigte sich eine recht gute Wasserrückhaltung im Vergleich zur Blankokontrollgruppe, und der Film hatte nicht viele Effekte, da die Rohmaterialien wasserlöslich sind.

Fruchtfrischehaltungs-Test

Hinsichtlich Fruchtfrischehaltung sind sensorische Eigenschaften offensichtlich ein signifikantes Merkmal als Bewertungskriterium. Die initialen (Tag 0) sensorischen Eigenschaften (Farbe, Geruch und Textur) dieser vier Proben werden als konsistent im gleichen Ausmaß dargestellt (Abb. 8a). Wie aus Abb. 8 ersichtlich, verdunkelten sich die Farben während der Lagerung in allen Behandlungen in verschiedenen Graden. Das initiale volle und glänzende Aussehen der Blankokontrollgruppe war weitgehend verschwunden, und 70 % der Früchte hatten begonnen zu faulen, da Erdbeeren dünnschalig und saftreich sind und extrem mechanisch anfällig, besonders für Wasserverlust. Das angewendete Beispiel zeigt, dass das Volumen offensichtlich etwas geschrumpft war, mit Qualitätsabnahme von 19,59 auf 11,10 g im Durchschnitt der Kontrolle (Abb. 8b). PE-Folie hatte einige Implikationen im Management von Dehydrierungsprävention und -kontrolle. In Abb. 8c waren Erdbeeren leicht verwelkt, die Farbe verdunkelte sich, und Schimmel erschien an einzelnen Stellen. Es sei angemerkt, dass die Gruppe mit CMCS/PEO-Auftragsbeschichtung hauptsächlich Verdunkelung und Bräunung aufwies (Abb. 8d). Bräunung ist hauptsächlich auf oxidativen Abbau von Ascorbinsäure zurückzuführen. Wie oben erwähnt, hatte die Gruppe mit Auftragsbeschichtungen die Haut und die Überzugsschichten der Früchte in schlechtem Zustand zerstört, wie die Haut nicht glatt war und starke Schrumpfung aufwies, aber ohne Fäulnis. Die Ergebnisse zeigten, dass der elektrogesponnene CMCS/PEO-Nanofaserfilm wirksam Krankheiten und Fäulnis verhinderte und das Erscheinungsbild der Früchte während der Lagerung verbesserte (Abb. 8e). Wie bei anderen Gruppen hatten auch die Erdbeeren in dieser Gruppe leichte Schrumpfung und ein aromatisches Aroma. Die Ursachen für Fehlaromen können allgemein mit mikrobieller Proliferation und Zuckeranreicherung zusammenhängen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend entwickelten wir eine ungiftige und essbare CMCS/PEO-Nanofasermembran, die nicht nur ausgezeichnete antimikrobielle Eigenschaft zeigte, sondern auch bewundernswerte Luftdurchlässigkeit durch das handgeführte Elektrospinn-Gerät aufwies. Die CMCS/PEO-Nanofasermembran zeigte antibakterielle Fähigkeit gegen sowohl Escherichia coli als auch Staphylococcus aureus. Die gemessene Gasdurchlässigkeit lag im Maßstab von 40–50 mm s⁻¹ bei 200 Pa. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die CMCS/PEO-Nanofasermembran als Verpackungsmaterial für Früchte geeignet sein könnte. Im Vergleich zu typischen konventionellen Beschichtungen könnte der Nanofaserfilm potenzielle Anwendbarkeit haben. Diese umweltfreundliche Technologie könnte einen alternativen Ansatz für Früchte im Anbau, Transport und Verkauf bieten.

Abkürzungen

CMCS:

Carboxymethylchitosan

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarot

PEO:

Polyoxyethylenoxid

REM:

Rasterelektronenmikroskopie