Membranas de Nanofibras CMCS/PEO Avançadas via Eletrofiação para Preservação Aprimorada de Frescor de Frutas

Resumo

Eletrofiação fornece método eficaz para gerar nanofibras de solução de quitosana carboximetilada/óxido de polioxietileno (CMCS/PEO). Objetivo deste trabalho é explorar aplicação potencial de membrana de nanofibras CMCS/PEO eletrofiada em conservação de frescor de frutas. Microestrutura, atividade antibacteriana, hidrofilicidade e permeabilidade ao ar da membrana de nanofibras foram testados. Para comparação, efeitos de conservação de filme plástico comercial e membranas de nanofibras CMCS/PEO em taxa de apodrecimento e taxa de perda de peso de morangos foram estudados. Resultados indicam que membrana CMCS/PEO eletrofiada evita efetivamente perda de água em morangos e tem efeito notável para prolongar vida de prateleira devido à sua respirabilidade e atividade antibacteriana. Além disso, compósito CMCS/PEO, membrana de nanofibras é não tóxico e comestível, podendo ser usado na indústria alimentícia.

Contexto

Desenvolvimento de filmes e revestimentos protetores de alimentos mudou de tratamentos físicos ou mecânicos para proteção química. Foco em materiais biológicos que possuem comestibilidade como proteínas, lipídios e polissacarídeos em vez de filmes protetores tradicionais como plástico, papel e parafina. Com crescente consciência de proteção ambiental, revestimentos e filmes comestíveis podem ser amplamente usados em alimentos especialmente frutas e vegetais que precisam de manutenção de frescor altamente eficaz. Revestimento simples mesmo uma fina camada de membrana com características específicas pode alcançar melhores efeitos. Quitosana é excelente encaixe natural em alimentos devido à sua biodegradabilidade, biocompatibilidade, atividade antimicrobiana, não toxicidade, propriedades químicas e físicas versáteis, e com sua propriedade antibacteriana única, resistência a apodrecimento e propriedade formadora de filme, tem sido amplamente usada em medicina, têxtil e alimentos. Particularmente, quitosana pode ser derivada de matérias-primas de bicho-da-seda, camarão e cascas de caranguejo, ampla e abundantemente distribuídas na natureza.

Eletrofiação, que fabrica continuamente membranas nanofibrosas macias, pode oferecer proteção gentil a frutas. Isto pode ajudar resolver problemas de armazenamento e transporte de algumas frutas como morango, tomate cereja e kumquat. Com camada de nanofibras macias, superfície da fruta pode ser protegida de invasão externa, como 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 eletrofiadas de quitosana carboximetilada (CMCS) preparadas usando água deionizada como solvente. Polioxietileno óxido (PEO) solúvel em água também adicionado à solução CMCS como adjuvante para otimizar processo de eletrofiação, reconhecido como polímero não tóxico.

Recentemente, estratégia sobre conservação de frutas baseada em quitosana foi relatada pintando solução de quitosana na superfície da fruta para formar filme úmido, mas existiam poucos métodos para avaliar membranas fibrosas baseadas em eletrofiação. Contudo, filme de revestimento úmido fornece contato entre pele da fruta e umidade no ar, proporcionando oportunidade para crescimento de bactérias e perda de umidade. Além disso, este método de revestimento requer secagem durante todo processo, que causa potencial dano à fruta. Neste trabalho, utilizamos novo tipo de dispositivo de eletrofiação portátil para preparação de filme de nanofibras CMCS/PEO não tóxico e comestível (Fig. 1). Objetivo desta pesquisa é avaliar aplicação potencial de filmes de nanofibras de quitosana em conservação de frutas e melhorar qualidade de revestimentos tradicionais e estender vida de prateleira de morangos.

Métodos/Experimental

Materiais

Morangos de mesa cultivados organicamente colhidos no Distrito de Laoshan (Qingdao, China) e levados ao laboratório o mais rápido possível; resíduos removidos antes do revestimento. Morangos selecionados são aqueles sem arranhões mecânicos e com tamanho, forma e maturidade similares. CMCS (PM 80.000 ~ 250.000) com 95% N-desacetilação comprado da Aoduofuni (Nanjing, China). PEO (PM ~ 5.000.000) comprado da Aladdin.

Preparação da Solução de Fiação

Tabela 1 mostra detalhes de diferentes razões de soluções mistas contendo CMCS, PEO e água deionizada. Brevemente, 3,0 g de CMCS misturado com 0,16 g, 0,20 g e 0,25 g PEO, respectivamente. Então, colocados em 40,0 g água deionizada em frasco de 100 ml. Agitação magnética aplicada por cerca de 4 h à temperatura ambiente até soluções tornarem-se transparentes e homogêneas.

Preparação de Membranas de Nanofibras

Membranas de fibras compostas preparadas da seguinte forma: 40% umidade relativa, distância agulha-coletor de 20 cm, e tensão de fiação aplicada de 20 kV. Neste trabalho, dispositivo de eletrofiação portátil projetado pela Qingdao Junada Technology Co. Ltd. usado para preparar membranas de nanofibras CMCS/PEO. Figura 1 mostra diagrama esquemático da técnica de preparação e processo de eletrofiação.

Caracterização de Membranas Eletrofiadas

Morfologias e diâmetros de nanofibras caracterizados por microscopia eletrônica de varredura (MEV; Phenom Pro). Estrutura intermolecular do polímero determinada por espectrômetro de transformada de Fourier infravermelho (FTIR; Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). Respirabilidade medida por testador de taxa de transmissão de gás (FX 3300; Zurich).

Preparação do Processo de Conservação

Morangos divididos em quatro grupos aleatoriamente. Cada grupo teve seis morangos em prato de cultura. Primeiro grupo completamente exposto à atmosfera como controle em branco. Segundo grupo embrulhado com filme plástico doméstico comum de polietileno. Terceiro grupo pintado com solução de eletrofiação (PEO:CMCS = 1:20) para formar camada protetora com superfície vitrificada. Neste grupo, amostra cuidadosamente seca para formar filme protetor. Além disso, membrana de nanofibras CMCS/PEO eletrofiada usada para cobrir último grupo. Finalmente, estes grupos colocados à temperatura ambiente sem luz solar, observados e registrados no mesmo horário cada dia. Figura 2 é diagrama esquemático de conservação de morango.

Resultados e Discussão

Análise Morfológica

Embora solução pura de CMCS tenha alta viscosidade que pode alcançar 400–800 mPa·s, ainda é difícil formar fibras por campos eletrostáticos. Obstáculo origina-se da estrutura molecular e solubilidade de quitina e quitosana, especialmente para CMCS. Por esta razão, ligante poliol formador de fibra como PEO adicionado à solução CMCS. Sob tensão aplicada, cone de Taylor claro observado para soluções CMCS/PEO na faixa de concentração 2,5–7,5% em peso (Fig. 1). Figura 3 mostra imagens de MEV e distribuição de diâmetro de fibra de fibras compostas CMCS/PEO com diferentes razões. Estas fibras compostas têm morfologia cilíndrica com diâmetros de fibra cerca de 130–400 nm.

Quando menor quantidade de PEO misturada com CMCS, como apresentado na Fig. 3a (PEO:CMCS = 1:24), fibras mais finas e inhomogêneas com diâmetro 130–280 nm. Para solução com PEO:CMCS = 1:18, diâmetro médio de fibra cerca de 210 nm, e alguma conglutinação entre fibras relativamente grossas observada na Fig. 3b. À medida que razão de PEO aumentou (PEO:CMCS = 1:12), fibras razoavelmente homogêneas com diâmetro médio de 290 nm obtidas (Fig. 3c). Membrana de nanofibras com razão 1:12 de PEO/CMCS selecionada como filme de embalagem, porque solução de 1:12 PEO/CMCS tem viscosidade mais adequada para eletrofiação e é mais fácil formar filme nanofibroso completo para cobrir fruta, e filme eletrofiado tem intensidade de respiração mais uniforme devido a microporos de tamanho uniforme de acordo com imagens de MEV.

Espectroscopia Infravermelha

Figura 4 mostra espectros FTIR de pó CMCS eletrofiado e nanofibras compostas CMCS/PEO. Frequências e atribuições para CMCS pristino indicadas como segue: picos a 1320 cm⁻¹, 1137 cm⁻¹ e 1050 cm⁻¹ de vibração de flexão C-H, ligação glicosídica C-O-C e vibração de alongamento C-O de CMCS, respectivamente. Nos espectros, novos picos a 1603 cm⁻¹ característicos de sal de ácido carboxílico (–COO– alongamento assimétrico e simétrico) apareceram, enquanto pico de ombro em torno de 1650 cm⁻¹ indicativo de grupo amino. Embora alguma diferença nas duas figuras observada, ambas mostraram picos característicos básicos para CMCS a 3423 cm⁻¹ (alongamento O-H) e 2960–2970 cm⁻¹ (alongamento C-H). Vemos que espectros FTIR não tiveram mudança por adição de PEO, indicando que não houve mudança óbvia de estrutura entre pó CMCS e CMCS/PEO.

Teste de Permeabilidade ao Ar

Muitos estudos encontraram que permeabilidade é fator importante para conservar frutas. Membrana microporosa pode promover troca de gás dentro e fora da embalagem, regular concentração de O₂ e CO₂, e fazer frutas e vegetais embalados terem bom ambiente de armazenamento, assim assegurando sua qualidade ou sendo menos afetados. Certa permeabilidade do filme plástico pode manter concentração apropriada de CO₂ no espaço confinado. Formação de atmosfera de armazenamento pode inibir respiração de vegetais e estender vida de prateleira. Desde que respirabilidade seja muito alta, fácil fazer conteúdo de oxigênio da embalagem muito alto, acelerando respiração de frutas, envelhecimento mais rápido, escurecimento e desbotamento sérios. Similarmente, permeabilidade ao ar ruim ou vedação ruim pode levar a produção anaeróbica de álcool pela fruta, que finalmente exacerba apodrecimento. Obviamente, permeabilidade de membranas de nanofibras diminui com aumento de espessura do filme. Neste experimento, membrana de nanofibras composta PEO/CMCS com razão 1:12 e filme plástico selecionados para teste de permeabilidade. Princípio básico do dispositivo usado aqui: diferença de pressão de gás em ambas extremidades de tubo circular controlada, 200 Pa neste caso. Então mede taxa de fluxo de ar na saída de ar, de modo que maior resistência do ar, menor velocidade do ar. Na mesma situação, resultado de medição de filme plástico foi 0 mm s⁻¹. Segundo literatura, permeabilidade ao ar de nylon e outros tecidos está entre 100 e 300 mm s⁻¹ em média. Na medição de 200 Pa e 20 cm², valor medido de membrana de nanofibras PEO/CMCS compostas distribuído uniformemente em 40–50 mm s⁻¹ (Fig. 5), indicando que membrana composta CMCS/PEO tinha permeabilidade ao ar uniforme. Neste teste, espessura média do filme foi 0,108 mm. Geralmente falando, esta respirabilidade adequada para usar como material de embalagem com função de conservação.

Teste Antibacteriano

Presentemente, muitos estudos focaram em propriedade antibacteriana de quitosana, mas menos na de CMCS. Quitosana tem efeito inibitório significativo em muitas bactérias e fungos, como Escherichia coli e Staphylococcus aureus, ambos culpados de deterioração de frutas. Segundo investigação, embora capacidade antibacteriana de CMCS não seja diretamente proporcional à sua concentração, CMCS mostrou capacidade antibacteriana mais forte na concentração apropriada. É particularmente apontado que amino de CMCS poderia inibir bactérias após CMCS dissolvido na solução combinando com ânion. Do ponto de vista de bacteriostase, nanofibras eletrofiadas de CMCS são adequadas como material de embalagem alimentar antimicrobiano, mesmo se sua solubilidade em água limitou faixa de aplicação. Como mostrado na Fig. 6, realizamos experimentos antibacterianos em papel filtro e membranas de fibra CMCS usando Escherichia coli e Staphylococcus aureus, respectivamente. Resultados mostraram que membrana de nanofibras CMCS/PEO teve efeito inibitório óbvio nestes dois tipos de bactérias e formou anel antibacteriano amplo após 18 h de incubação. Contudo, dois grupos controle não tiveram qualquer efeito bacteriostático em (a) e (b). Notado que anéis bacteriostáticos não foram uniformes na Fig. 6c, d devido à solubilidade em água e fluidez de CMCS.

Porcentagem de Perda de Peso

Razão de perda de peso calculada pela fórmula: Perda de peso (%) = (M₀−M)/M₀ × 100%, onde M₀ é peso fresco dos morangos (armazenados por 0 dia), e M é peso de amostras armazenadas por diferentes dias.

Pesos de diferentes grupos de tratamento medidos em diferentes tempos de armazenamento. Como mostrado na Fig. 7, grupo controle em branco experimentou aceleração de perda de peso, atribuída a aumento da atividade metabólica da fruta. Comparado com grupo controle em branco, fruta tratada com embrulho por filme plástico tem perda de peso bastante baixa devido à compactação do filme plástico. Aparentemente, focamos no grupo de filme de revestimento CMCS/PEO que perda de peso é mais severa. Neste caso, apesar da formação da camada CMCS/PEO, leva a contato físico e direto entre umidade e superfície da fruta. Com contato de ambos, umidade destruiu camada de proteção natural mais externa das frutas, que por sua vez resultou em aceleração na taxa de perda de água interna. Para grupo coberto por filme de nanofibras CMCS/PEO eletrofiado, mostrou retenção de água razoavelmente boa comparado com grupo controle em branco e não teve muitos efeitos do filme que matérias-primas são hidrossolúveis.

Teste de Conservação de Frescor de Frutas

Com relação a conservação de frutas, propriedades sensoriais são claramente característica significativa como critério de avaliação. Propriedades sensoriais iniciais (dia 0) (cor, odor e textura) destas quatro amostras apresentadas como consistência no mesmo grau (Fig. 8a). Como visto na Fig. 8, ao longo do armazenamento, cores escureceram em vários graus em todos tratamentos. Aparência inicial cheia e brilhante do grupo controle em branco largely disappeared, e 70% da fruta começou a apodrecer, devido a morangos que são finamente descascados e ricos em suco, sendo extremamente vulneráveis mecanicamente, especialmente para perda de água. Exemplo aplicado mostra que volume encolheu obviamente até certo ponto, com diminuição de qualidade de 19,59 para 11,10 g em média para controle (Fig. 8b). Embalagem PE teve algumas implicações na gestão de prevenção e controle de desidratação. Na Fig. 8c, morangos murcharam alguns, com cor escurecida, e mofo apareceu em parte de indivíduos. Notado que grupo de revestimentos de pintura CMCS/PEO é principalmente escurecimento e marrom (Fig. 8d). Marrom principalmente devido a degradação oxidativa de ácido ascórbico. Como mencionado acima, grupo decorado com revestimentos de pintura teve pele destruída e camadas de cobertura das frutas em má condição como pele não lisa e encolhimento severo, mas sem apodrecimento. Resultados mostraram que filme de nanofibras CMCS/PEO eletrofiado foi eficaz em prevenir doenças e apodrecimento e melhorar aparência de fruta no armazenamento na Fig. 8e. Assim como outros grupos, morangos neste grupo também tiveram pequeno encolhimento e sabor aromático. Causas de sabor estranho, em geral, podem ser relacionadas a proliferação microbiana e acúmulo de açúcar.

Conclusões

Em resumo, desenvolvemos membrana de nanofibras CMCS/PEO não tóxica e comestível que não só mostrou excelente propriedade antimicrobiana mas também teve admirável permeabilidade ao ar pelo dispositivo de eletrofiação portátil. Membrana de nanofibras CMCS/PEO exibiu capacidade antibacteriana tanto para Escherichia coli quanto Staphylococcus aureus. Permeabilidade a gás medida em escala de 40–50 mm s⁻¹ em 200 Pa. Estes resultados indicam que membrana de nanofibras CMCS/PEO pode ser adequada como materiais de embalagem para frutas. Comparada com revestimentos convencionais típicos, filme de nanofibras pode ter aplicabilidade potencial. Esta tecnologia ambientalmente amigável pode fornecer abordagem alternativa para frutas em cultivo, transporte e venda.

Abreviações

CMCS:

Quitosana carboximetilada

FTIR:

Transformada de Fourier infravermelho

PEO:

Óxido de polioxietileno

MEV:

Microscopia eletrônica de varredura