Eletrofiação de nanofibras de carboximetilquitosana / óxido de polioxietileno para a conservação de frutas frescas

Resumo

A eletrofiação fornece um método eficaz para gerar nanofibras a partir da solução de carboximetilquitosano / óxido de polioxietileno (CMCS / PEO). O objetivo deste trabalho é explorar o potencial de aplicação da membrana de nanofibra CMCS / PEO eletrofiada na conservação de frutas frescas. A microestrutura, atividade antibacteriana, hidrofilia e permeabilidade ao ar da membrana de nanofibra foram testados. Para comparação, foram estudados os efeitos de conservação de fresco de filme plástico comercial e membranas de nanofibra CMCS / PEO na taxa de apodrecimento e perda de peso dos morangos. Os resultados indicam que a membrana CMCS / PEO submetida a eletrofiação pode evitar efetivamente a perda de água em morangos e tem um efeito notável para prolongar a vida útil dos morangos devido à sua respirabilidade e atividade antibacteriana. Além disso, o compósito CMCS / PEO, membrana de nanofibras, não é venenoso e comestível, podendo ser utilizado na indústria alimentícia.

Histórico

O desenvolvimento de filmes e revestimentos de proteção de alimentos passou de tratamentos físicos ou mecânicos para proteção química. As pessoas se concentram em materiais biológicos que mais possuem comestibilidade, como proteínas, lipídios e polissacarídeos, em vez de filmes protetores tradicionais como plástico, papéis e parafina [1, 2]. Com a crescente conscientização sobre a proteção ambiental, as películas e revestimentos comestíveis podem ser amplamente utilizados em alimentos, especialmente para frutas e vegetais que precisam de um frescor mantido de forma altamente eficaz. O revestimento simples, mesmo uma fina camada de membrana com algumas características específicas, pode alcançar melhores efeitos [3]. A quitosana é um excelente ajuste natural em alimentos devido à sua biodegradabilidade, biocompatibilidade, atividade antimicrobiana, não toxicidade, química versátil e propriedades físicas [4, 5], e com sua propriedade antibacteriana única, resistência ao apodrecimento e propriedade de formação de filme, tem sido amplamente utilizado na medicina, têxtil e alimentação [6,7,8,9]. Particularmente, a quitosana pode ser derivada das matérias-primas do bicho-da-seda, camarão e cascas de caranguejo, que são amplamente e abundantemente distribuídos na natureza [10].

A eletrofiação, que fabrica continuamente membranas nanofibras macias [11, 12], pode oferecer proteção suave às frutas. Isso pode ajudar a resolver os problemas de armazenamento e transporte de algumas frutas, como morango, tomate cereja e kumquat. Com uma camada de nanofibras macias, a superfície da fruta pode ser protegida da invasão externa, como a introdução de bactérias e arranhões. Em vários estudos, solução concentrada de ácido acético foi usada como solvente para eletrofiação de nanofibras de quitosana, e nanofibras de carboximetilquitosana (CMCS) foram preparadas usando água deionizada como solvente [13,14,15]. Óxido de polioxietileno solúvel em água (PEO) também adicionado à solução de CMCS como um adjuvante para otimizar o processo de eletrofiação [16], que é reconhecido como um polímero não tóxico [17,18,19].

Recentemente, uma estratégia sobre manutenção de frutas com base em quitosana foi relatada pintando solução de quitosana na superfície da fruta para formar um filme úmido, mas existiam alguns métodos para avaliar membranas fibrosas com base em eletrofiação [20,21,22]. No entanto, o filme de revestimento úmido fornece contato entre a casca da fruta e a umidade do ar, proporcionando assim uma oportunidade para o crescimento de bactérias e perda de umidade. Além disso, este método de revestimento requer secagem ao longo de todo o processo, o que ainda causa danos potenciais à fruta. Neste trabalho, utilizamos um novo tipo de dispositivo de eletrofiação manual para a preparação de filmes de nanofibras CMCS / PEO não tóxicos e comestíveis (Fig. 1) [5, 23]. O objetivo desta pesquisa é avaliar o potencial de aplicação de filmes de nanofibras de quitosana na conservação de frutas frescas e melhorar a qualidade dos revestimentos tradicionais e estender a vida útil dos morangos.

Diagrama do método de preparação da membrana de nanofibra CMCS / PEO para conservação fresca de morangos

Métodos / Experimental

Materiais

Morangos de mesa cultivados organicamente foram colhidos no distrito de Laoshan (Qingdao, China) e levados para o laboratório o mais rápido possível; os resíduos foram removidos antes do revestimento. Os morangos selecionados são aqueles sem riscos mecânicos e com tamanho, formato e maturidade semelhantes. CMCS (Mw 80.000 ~ 250.000) com 95% de N-desacetilação foi adquirido a Aoduofuni (Nanjing, China). PEO (Mw ~ 5.000.000) foi adquirido da Aladdin.

Preparação da solução de fiação

A Tabela 1 mostra os detalhes de diferentes proporções das soluções misturadas contendo CMCS, PEO e água desionizada. Resumidamente, 3,0 g de CMCS foram misturados com 0,16 g, 0,20 ge 0,25 g de PEO, respectivamente. Em seguida, foram colocados em 40,0 g de água desionizada em um frasco de 100 ml. Foi aplicada uma agitação magnética durante cerca de 4 h à temperatura ambiente até as soluções se tornarem transparentes e homogêneas.

Preparação de Membranas de Nanofibra

As membranas de fibras compostas foram preparadas da seguinte forma:umidade relativa de 40%, distância agulha-coletor da seringa de 20 cm e tensão de rotação aplicada de 20 kV. Neste trabalho, um dispositivo de eletrofiação manual projetado por Qingdao Junada Technology Co. Ltd. foi usado para preparar membranas de nanofibra CMCS / PEO. A Figura 1 mostra o diagrama esquemático da técnica de preparação e o processo de eletrofiação.

Caracterização de membranas e-spun

As morfologias e diâmetros das nanofibras foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV; Phenom Pro). A estrutura intermolecular do polímero foi determinada por um espectrômetro de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). A respirabilidade foi medida por um testador de taxa de transmissão de gás (FX 3300; Zurique).

Preparação do processo de preservação

Os morangos foram divididos em quatro grupos aleatoriamente. Cada grupo tinha seis morangos no prato de cultura. O primeiro grupo foi completamente exposto à atmosfera como um grupo de controle vazio. O segundo grupo foi embalado com filme plástico de polietileno doméstico comum. O terceiro grupo foi pintado com a solução de eletrofiação (PEO:CMCS =1:20) para formar uma camada protetora com a superfície de esmalte externa. Nesse grupo, a amostra foi cuidadosamente seca para formar uma película protetora. Além disso, a membrana de nanofibra CMCS / PEO eletrofiada foi usada para cobrir o último grupo. Por fim, esses grupos foram colocados em temperatura ambiente sem luz solar, observados e registrados no mesmo horário todos os dias. A Figura 2 é um diagrama esquemático da preservação do morango.

O diagrama esquemático da preservação do morango em cada grupo: a grupo de controle em branco no prato de cultura, b grupo em prato de cultura coberto com filme plástico, c grupo com revestimentos de solução CMCS / PEO em superfícies de morangos individuais, e d grupo em prato de cultura coberto com filme de nanofibra CMCS / PEO eletrofiado

Resultados e discussão

Análise Morfológica

Embora a solução CMCS pura tenha alta viscosidade, que pode atingir até 400–800 mPa ∙ s, ainda é difícil formar fibras por campos eletrostáticos. O obstáculo origina-se da estrutura molecular e solubilidade da quitina e quitosana, especialmente para CMCS. Por esta razão, o aglutinante de poliol facilitador de formação de fibra, como PEO, foi adicionado à solução de CMCS. Sob a tensão aplicada, o cone de Taylor transparente foi observado para as soluções de CMCS / PEO na faixa de concentração de 2,5–7,5% em peso (Fig. 1). A Figura 3 mostra as imagens SEM e a distribuição do diâmetro da fibra das fibras compostas CMCS / PEO com diferentes proporções. Essas fibras compostas têm uma morfologia cilíndrica com diâmetros de fibra de cerca de 130–400 nm.

Imagens SEM e distribuição do diâmetro da fibra da eletrofiação obtida a partir de soluções de a PEO:CMCS =1:24, b PEO:CMCS =1:18 e c PEO:CMCS =1:12

Quando uma quantidade menor de PEO foi misturada com CMCS, conforme apresentado na Fig. 3a (PEO:CMCS =1:24), as fibras eram mais finas e não homogêneas com diâmetro de 130–280 nm. Para solução com PEO:CMCS =1:18, o diâmetro médio da fibra foi de cerca de 210 nm, e alguma conglutinação entre as fibras relativamente grossas foi observada na Fig. 3b. À medida que a proporção do PEO aumentou (PEO:CMCS =1:12), fibras bastante homogêneas com um diâmetro médio de 290 nm foram obtidas (Fig. 3c). A membrana de nanofibras com relação de 1:12 de PEO / CMCS foi selecionada como filme de empacotamento, pois a solução de 1:12 de PEO / CMCS possui uma viscosidade mais adequada para eletrofiação e é mais fácil formar um filme nanofibroso completo para cobrir a fruta e o filme eletrofiado tem uma intensidade respiratória mais uniforme devido aos microporos de tamanho uniforme de acordo com as imagens do MEV.

Espectroscopia de infravermelho

A Figura 4 mostra os espectros de FTIR de pó de CMCS submetido a eletrofiação e nanofibras de compósito CMCS / PEO. As frequências e atribuições para o CMCS primitivo são indicadas como segue:os picos em 1320 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ e 1050 cm ^{- 1} eram de vibração de flexão C – H, ligação glicosídica C – O – C e vibração de alongamento C – O de CMCS, respectivamente. No espectro, novos picos em 1603 cm ⁻¹ característica do sal de ácido carboxílico (–COO– extensão assimétrica e simétrica) apareceu, enquanto um pico de ombro em torno de 1650 cm ⁻¹ indicativo do grupo amino. Embora alguma diferença nas duas figuras tenha sido observada, ambos mostraram os picos característicos básicos para CMCS em 3423 cm ⁻¹ (Trecho O – H) e 2960–2970 cm ⁻¹ (Trecho C – H). Podemos ver que os espectros de FTIR não sofreram alteração com a adição de PEO, o que indicou que não houve mudança óbvia de estrutura entre pó de CMCS e CMCS / PEO.

Espectros FTIR de a pó de CMCS eletrofiado e b Membrana de nanofibra composta eletrospun CMCS / PEO

Teste de permeabilidade ao ar

Muitos estudos descobriram que a permeabilidade é um fator importante para a preservação de frutas. A membrana microporosa pode promover a troca de gás dentro e fora da embalagem, regular a concentração de O ₂ e CO ₂ , e fazer com que as frutas e hortaliças embaladas tenham um bom ambiente de armazenamento, garantindo assim sua qualidade ou sendo menos prejudicadas [24]. A certa permeabilidade do envoltório de plástico pode manter a concentração apropriada de CO ₂ no espaço confinado. A formação da atmosfera de armazenamento pode inibir a respiração dos vegetais e estender a vida útil. Desde que a respirabilidade seja muito alta, é fácil tornar o conteúdo de oxigênio da embalagem muito alto, acelerando a respiração das frutas, envelhecendo mais rápido, escurecendo e desbotando [25]. Da mesma forma, a baixa permeabilidade ao ar ou a baixa vedação ao ar podem levar à produção anaeróbica de álcool das frutas, o que acaba agravando a podridão das frutas. [26]. Obviamente, a permeabilidade das membranas de nanofibras diminui com o aumento da espessura do filme. Neste experimento, membrana de nanofibra composta PEO / CMCS com a proporção de 1:12 e filme plástico foram selecionados para o teste de permeabilidade. O princípio básico do teste do dispositivo usado aqui é o seguinte (Fig. 5a). A diferença na pressão do gás em ambas as extremidades de um tubo circular é controlada, 200 Pa neste caso. Em seguida, meça a taxa de fluxo de ar na saída de ar, de modo que quanto maior a resistência do ar, menor a velocidade do ar. Na mesma situação, o resultado da medição do envoltório de plástico foi 0 mm s ⁻¹ . De acordo com a literatura, sabemos que a permeabilidade ao ar do náilon e outros tecidos está entre 100 e 300 mm s ⁻¹ em média [27]. Na medida de 200 Pa e 20 cm ² , o valor medido de nanofibra composta PEO / CMCS uniformemente distribuído em 40–50 mm s ⁻¹ (Fig. 5), indicando que a membrana composta CMCS / PEO tinha permeabilidade ao ar uniforme. Neste teste, a espessura média do filme foi de 0,108 mm. De um modo geral, essa respirabilidade é adequada para uso como material de embalagem com função de preservação.

A permeabilidade do ar de a diagrama esquemático da configuração experimental e b a membrana de nanofibra de PEO / CMCS de permeabilidade ao ar com a proporção de 1:12. Os dados se concentram em 45 mm s ⁻¹ . A linha vermelha é um guia para os olhos

Teste antibacteriano

Atualmente, muitos estudos têm se concentrado na propriedade antibacteriana da quitosana, mas menos na propriedade antibacteriana do CMCS. A quitosana tem um efeito inibitório significativo sobre muitas bactérias e fungos, como Escherichia coli e Staphylococcus aureus , sendo que ambos são os culpados da deterioração da fruta [28]. De acordo com a investigação, embora a capacidade antibacteriana do CMCS não esteja em proporção direta com sua concentração, o CMCS mostrou a capacidade antibacteriana mais forte na concentração apropriada [29]. É particularmente apontado que amino de CMCS poderia inibir a bactéria depois que o CMCS foi dissolvido na solução pela combinação do ânion [30, 31]. Do ponto de vista da bacteriostase, nanofibras CMCS submetidas a eletrofiação são adequadas como material de embalagem de alimentos antimicrobianos, mesmo que sua solubilidade em água limite a faixa de aplicação. Conforme mostrado na Fig. 6, realizamos experimentos antibacterianos em papel de filtro e membranas de fibra CMCS usando Escherichia coli e Staphylococcus aureus , respectivamente. Os resultados mostraram que a membrana de nanofibra CMCS / PEO teve um efeito inibitório óbvio sobre esses dois tipos de bactérias e formou um amplo anel antibacteriano após 18 horas de treinamento. No entanto, os dois grupos de controle não tiveram nenhum efeito bacteriostático em (a) e (b). Observa-se que os anéis bacteriostáticos não eram uniformes na Fig. 6c, d devido à solubilidade em água e fluidez do CMCS.

A inibição de nanofibras de CMCS / PEO em Staphylococcus aureus e Escherichia coli . a Staphylococcus aureus com papel de filtro (controle), b Escherichia coli com papel de filtro (controle), c Staphylococcus aureus com nanofibras CMCS / PEO e d Escherichia coli com nanofibras CMCS / PEO

Porcentagem de perda de peso

A relação de perda de peso pode ser calculada a partir da seguinte fórmula:

Perda de peso (%) \ (=\ frac {M_0-M} {M_0} \ vezes 100 \% \),

onde M ₀ é o peso fresco dos morangos (os morangos são armazenados por 0 dia) e M é o peso das amostras armazenadas em dias diferentes.

Pesos de diferentes grupos de tratamento foram medidos em diferentes tempos de armazenamento. Conforme mostrado na Fig. 7, o grupo de controle em branco experimentou uma aceleração da perda de peso, que pode ser atribuída a um aumento na atividade metabólica da fruta. Em comparação com o grupo controle em branco, a fruta tratada com embalagem em filme plástico tem perda de peso bastante baixa devido à compactação do filme plástico. Aparentemente, focamos no grupo do filme de revestimento CMCS / PEO que a perda de peso é mais severa. Neste caso, apesar da formação da camada CMCS / PEO, ocorre o contato físico e direto entre a umidade e a superfície da fruta. Com o contato de ambos, a umidade destruiu a camada de proteção natural mais externa dos frutos, o que por sua vez resultou na aceleração da taxa de perda de água no interior. Para o grupo coberto pelo filme de nanofibra CMCS / PEO eletrofiado, mostrou uma retenção de água bastante boa em comparação com o grupo de controle em branco e não teve muitos efeitos do filme que as matérias-primas são hidrossolúveis.

As razões de perda de peso de morangos em diferentes grupos durante o armazenamento à temperatura ambiente

Teste de frutas frescas

No que diz respeito à conservação de frutas frescas, as propriedades sensoriais são claramente uma característica significativa como um critério de avaliação. As propriedades sensoriais iniciais (dia 0) (cor, odor e textura) dessas quatro amostras são apresentadas como consistência na mesma extensão (Fig. 8a). Como pode ser visto na Fig. 8, ao longo do armazenamento, as cores foram escurecidas em vários graus em todos os tratamentos. O aspecto inicial cheio e brilhante do grupo controle em branco havia desaparecido em grande parte, e 70% das frutas haviam começado a apodrecer, por conta dos morangos de casca fina e ricos em suco, sendo extremamente vulneráveis mecanicamente, principalmente por perda de água. O exemplo aplicado mostra que o volume foi obviamente reduzido até certo ponto, com diminuição da qualidade de 19,59 para 11,10 g para uma média de controle (Fig. 8b). O invólucro de PE teve algumas implicações na gestão da prevenção e controle da desidratação. Na Fig. 8c, os morangos murcharam por alguns instantes, com a cor escurecendo e o indivíduo apresentando mofo. É de notar que o grupo de revestimentos de tinta CMCS / PEO é principalmente escurecimento e escurecimento (Fig. 8d). O escurecimento é principalmente devido à degradação oxidativa do ácido ascórbico. Conforme mencionado acima, o grupo daqueles decorados com tintas havia destruído a casca e as camadas de cobertura dos frutos aparentam estar em péssimo estado, pois a casca não estava lisa e com forte encolhimento, mas sem qualquer apodrecimento. Os resultados mostraram que o filme de nanofibra CMCS / PEO eletrofiado foi eficaz na prevenção de doenças e apodrecimento e na melhoria da aparência dos frutos no armazenamento da Fig. 8e. Assim como os outros grupos, os morangos deste grupo também apresentaram um pequeno encolhimento e um sabor aromático. As causas do sabor estranho, em geral, podem estar relacionadas à proliferação microbiana e ao acúmulo de açúcar.

Os morangos iniciais a e os efeitos de diferentes tratamentos no aparecimento de morangos do mesmo tamanho após 6 dias de armazenamento à temperatura ambiente: b controle em branco, c protegido com filme plástico, d protegido por revestimentos de tinta CMCS / PEO, e e protegido com filme de nanofibra CMCS / PEO eletrofiado

Conclusões

Em resumo, desenvolvemos uma membrana de nanofibra CMCS / PEO não venenosa e comestível que não apenas mostrou a excelente propriedade antimicrobiana, mas também teve uma admirável permeabilidade ao ar pelo dispositivo portátil de eletrofiação. A membrana de nanofibra CMCS / PEO exibiu capacidade antibacteriana tanto para Escherichia coli e Staphylococcus aureus . A permeabilidade do gás medida estava em uma escala de 40-50 mm s ⁻¹ no Pa 200. Esses resultados indicam que a membrana de nanofibra CMCS / PEO pode ser adequada como material de embalagem para frutas. Comparado com os revestimentos convencionais típicos, o filme de nanofibra pode ter aplicabilidade potencial. Esta tecnologia amiga do ambiente pode fornecer uma abordagem alternativa para a fruta no cultivo, transporte e venda.

Abreviações

CMCS:: Carboximetilquitosana
FTIR:: Transformada de Fourier Infra-vermelho
PEO:: Óxido de polioxietileno
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura

A entrega de nanopartículas magnéticas de Fe3O4 modificada de CpG inibe o crescimento do tumor e as metástases pulmonares espontâneas para aumentar a imunoterapia Movimento e inclinação da parede do domínio induzido pela corrente em pistas de corrida magnetizadas perpendicularmente

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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