Electrohilado de nanofibras de carboximetilquitosano / óxido de polioxietileno para mantener la fruta fresca

Imágenes SEM y distribución del diámetro de las fibras del electrohilado obtenidas a partir de soluciones de a PEO:CMCS =1:24, b PEO:CMCS =1:18 y c PEO:CMCS =1:12

Cuando se mezcló una cantidad menor de PEO con CMCS, como se presenta en la Fig. 3a (PEO:CMCS =1:24), las fibras eran más delgadas y no homogéneas con un diámetro de 130-280 nm. Para la solución con PEO:CMCS =1:18, el diámetro medio de las fibras fue de aproximadamente 210 nm, y en la figura 3b se observó cierta conglutinación entre las fibras relativamente gruesas. A medida que aumentaba la proporción de PEO (PEO:CMCS =1:12), se obtuvieron fibras bastante homogéneas con un diámetro medio de 290 nm (Fig. 3c). La membrana de nanofibras con relación 1:12 de PEO / CMCS fue seleccionada como película de empaque, debido a que la solución de 1:12 de PEO / CMCS tiene una viscosidad más adecuada para el electrohilado y es más fácil formar una película nanofibrosa completa para cubrir. la fruta, y la película electrohilada tiene una intensidad de respiración más uniforme debido a los microporos de tamaño uniforme de acuerdo con las imágenes SEM.

Espectroscopia infrarroja

La Figura 4 muestra los espectros FTIR de polvo de CMCS electrohilado y nanofibras compuestas de CMCS / PEO. Las frecuencias y asignaciones para el CMCS prístino se indican de la siguiente manera:los picos a 1320 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ y 1050 cm ^{- 1} fueron de la vibración de flexión C – H, el enlace glucosídico C – O – C y la vibración de estiramiento C – O de CMCS, respectivamente. En los espectros, nuevos picos a 1603 cm ⁻¹ apareció la característica de la sal de ácido carboxílico (–COO– estiramiento asimétrico y simétrico), mientras que un pico de hombro alrededor de 1650 cm ⁻¹ indicativo del grupo amino. Aunque se observaron algunas diferencias en las dos figuras, ambas mostraron los picos característicos básicos para CMCS a 3423 cm ⁻¹ (Estiramiento O – H) y 2960–2970 cm ⁻¹ (Estiramiento C – H). Podemos ver que los espectros de FTIR no tuvieron cambios por una adición de PEO, lo que indicó que no hubo un cambio obvio de estructura entre el polvo de CMCS y CMCS / PEO.

Espectros FTIR de a polvo CMCS electrohilado y b membrana de nanofibra compuesta electrohilada CMCS / PEO

Prueba de permeabilidad al aire

Muchos estudios han encontrado que la permeabilidad es un factor importante para conservar las frutas. La membrana microporosa puede promover el intercambio de gas dentro y fuera del paquete, regular la concentración de O ₂ y CO ₂ , y hacer que las frutas y hortalizas envasadas tengan un buen entorno de almacenamiento, asegurando así su calidad o menos afectadas [24]. La cierta permeabilidad de la envoltura de plástico puede mantener la concentración adecuada de CO ₂ en el espacio confinado. La formación de una atmósfera de almacenamiento puede inhibir la respiración de las verduras y prolongar la vida útil. Siempre que la transpirabilidad sea demasiado alta, es fácil hacer que el contenido de oxígeno del paquete sea demasiado alto, lo que acelera la respiración de las frutas, el envejecimiento más rápido, el pardeamiento y la decoloración grave [25]. De manera similar, la escasa permeabilidad al aire o la escasa estanqueidad al aire pueden conducir a la producción anaeróbica de alcohol en la fruta, lo que en última instancia agrava la pudrición de la fruta. [26]. Obviamente, la permeabilidad de las membranas de nanofibras disminuye al aumentar el espesor de la película. En este experimento, la membrana compuesta de nanofibras de PEO / CMCS con una proporción de 1:12 y una película de plástico se seleccionaron para la prueba de permeabilidad. El principio de prueba básico del dispositivo utilizado aquí es el siguiente (Fig. 5a). Se controla la diferencia en la presión del gas en ambos extremos de un tubo circular, 200 Pa en este caso. Luego mida el caudal de aire en la salida de aire, de modo que cuanto mayor sea la resistencia del aire, menor será la velocidad del aire. En la misma situación, el resultado de la medición de la envoltura de plástico fue 0 mm s ⁻¹ . Según la literatura, sabemos que la permeabilidad al aire del nailon y otros tejidos está entre 100 y 300 mm s ⁻¹ en promedio [27]. En la medida de 200 Pa y 20 cm ² , el valor medido de la nanofibra compuesta PEO / CMCS distribuida uniformemente en los 40-50 mm s ⁻¹ (Fig. 5), lo que indica que la membrana compuesta de CMCS / PEO tenía una permeabilidad al aire uniforme. En esta prueba, el espesor medio de la película fue de 0,108 mm. En general, esta transpirabilidad es adecuada para su uso como material de embalaje con función de conservación.

La permeabilidad al aire de a diagrama esquemático de la configuración experimental y b la permeabilidad al aire de la membrana de nanofibras PEO / CMCS con una relación de 1:12. Los datos se centran en 45 mm s ⁻¹ . La línea roja es una guía para los ojos

Prueba antibacteriana

Actualmente, muchos estudios se han centrado en la propiedad antibacteriana del quitosano, pero menos en la propiedad antibacteriana de CMCS. El quitosano tiene un efecto inhibitorio significativo sobre muchas bacterias y hongos, como Escherichia coli y Staphylococcus aureus , ambos culpables del deterioro de la fruta [28]. Según la investigación, aunque la capacidad antibacteriana de CMCS no está en proporción directa con su concentración, CMCS mostró la capacidad más fuerte de antibacteriano a la concentración adecuada [29]. Se señala particularmente que el amino de CMCS podría inhibir las bacterias después de que el CMCS se disolviera en la solución mediante la combinación del anión [30, 31]. Desde el punto de vista de la bacteriostasis, las nanofibras CMCS electrohiladas son adecuadas como material de envasado de alimentos antimicrobiano, incluso si su solubilidad en agua limita el rango de aplicación. Como se muestra en la Fig. 6, realizamos experimentos antibacterianos en papel de filtro y membranas de fibra CMCS utilizando Escherichia coli y Staphylococcus aureus , respectivamente. Los resultados mostraron que la membrana de nanofibras CMCS / PEO tenía un efecto inhibidor obvio sobre estos dos tipos de bacterias y formaba un amplio anillo antibacteriano después de 18 h de entrenamiento. Sin embargo, los dos grupos de control no tuvieron ningún efecto bacteriostático en (a) y (b). Se observa que los anillos bacteriostáticos no eran uniformes en la Fig. 6c, d debido a la solubilidad en agua y la fluidez de CMCS.

La inhibición de nanofibras CMCS / PEO en Staphylococcus aureus y Escherichia coli . un Staphylococcus aureus con papel de filtro (control), b Escherichia coli con papel de filtro (control), c Staphylococcus aureus con nanofibras CMCS / PEO, y d Escherichia coli con nanofibras CMCS / PEO

Porcentaje de pérdida de peso

La relación de pérdida de peso se puede calcular con la siguiente fórmula:

Pérdida de peso (%) \ (=\ frac {M_0-M} {M_0} \ times 100 \% \),

donde M ₀ es el peso fresco de las fresas (las fresas se almacenan durante 0 días) y M es el peso de las muestras almacenadas para diferentes días.

Se midieron los pesos de diferentes grupos de tratamiento en diferentes tiempos de almacenamiento. Como se muestra en la Fig. 7, el grupo de control en blanco experimentó una aceleración de la pérdida de peso, que puede atribuirse a un aumento en la actividad metabólica de la fruta. En comparación con el grupo de control en blanco, la fruta tratada con envoltura con película plástica tiene una pérdida de peso bastante baja debido a la compacidad de la película plástica. Al parecer, nos centramos en el grupo de la película de recubrimiento CMCS / PEO que la pérdida de peso es más severa. En este caso, a pesar de la formación de la capa de CMCS / PEO, conduce a un contacto físico y directo entre la humedad y la superficie de la fruta. Con el contacto de ambos, la humedad destruyó la capa de protección natural más externa de las frutas, lo que a su vez resultó en la aceleración de la tasa de pérdida de agua en el interior. Para el grupo cubierto por película de nanofibras electrohiladas CMCS / PEO, mostró una retención de agua bastante buena en comparación con el grupo de control en blanco y no tuvo muchos efectos de la película que las materias primas sean hidrosolubles.

Las proporciones de pérdida de peso de las fresas en diferentes grupos durante el almacenamiento a temperatura ambiente

Prueba de conservación de frutas frescas

En cuanto a la conservación de la fruta en fresco, las propiedades sensoriales son claramente una característica significativa como criterio de evaluación. Las propiedades sensoriales iniciales (día 0) (color, olor y textura) de estas cuatro muestras se presentan como consistencia en el mismo grado (Fig. 8a). Como puede verse en la Fig. 8, durante el almacenamiento, los colores se atenuaron en varios grados en todos los tratamientos. La apariencia inicial completa y brillante del grupo de control en blanco había desaparecido en gran medida, y el 70% de la fruta había comenzado a pudrirse, debido a las fresas que están finamente peladas y ricas en jugo, que son extremadamente vulnerables mecánicamente, especialmente a la pérdida de agua. El ejemplo aplicado muestra que el volumen obviamente se había reducido en cierta medida, con una disminución de la calidad de 19,59 a 11,10 g para un control promedio (Fig. 8b). La envoltura de PE tuvo algunas implicaciones en el manejo de la prevención y el control de la deshidratación. En la Fig. 8c, las fresas se habían marchitado por unos pocos, el color se oscureció y apareció moho por parte del individuo. Se observa que el grupo de recubrimientos de pintura CMCS / PEO es principalmente oscurecimiento y pardeamiento (Fig. 8d). El dorado se debe principalmente a la degradación oxidativa del ácido ascórbico. Como se mencionó anteriormente, el grupo de los decorados con recubrimientos de pintura tenía la piel destrozada y las capas de cobertura de los frutos se ven en mal estado como la piel no estaba lisa y se encogió severamente, pero sin pudrición alguna. Los resultados mostraron que la película de nanofibras electrohilada CMCS / PEO fue eficaz para prevenir enfermedades y pudrición y mejorar la apariencia de la fruta almacenada en la Fig. 8e. Al igual que otros grupos, las fresas de este grupo también se encogen un poco y tienen un sabor aromático. Las causas del mal sabor, en general, pueden estar relacionadas con la proliferación microbiana y la acumulación de azúcar.

Las fresas iniciales a y los efectos de diferentes tratamientos sobre la apariencia de fresas del mismo tamaño después de 6 días de almacenamiento a temperatura ambiente: b control en blanco, c protegido con película de plástico, d protegido por recubrimientos de pintura CMCS / PEO, y e protegido con película de nanofibras electrohilada CMCS / PEO

Conclusiones

En resumen, desarrollamos una membrana de nanofibras CMCS / PEO comestible y no venenosa que no solo mostraba la excelente propiedad antimicrobiana sino que también tenía una permeabilidad al aire admirable gracias al dispositivo de electrohilado manual. La membrana de nanofibras CMCS / PEO mostró capacidad antibacteriana tanto para Escherichia coli y Staphylococcus aureus . La permeabilidad al gas medida estaba en una escala de 40 a 50 mm s ⁻¹ en los 200 Pa. Estos resultados indican que la membrana de nanofibras CMCS / PEO puede ser adecuada como material de empaque para frutas. En comparación con los recubrimientos convencionales típicos, la película de nanofibras puede tener una aplicabilidad potencial. Esta tecnología respetuosa con el medio ambiente puede proporcionar un enfoque alternativo a la fruta en el cultivo, transporte y venta.

Abreviaturas

CMCS:

Carboximetilquitosano

FTIR:

Infrarrojos por transformada de Fourier

PEO:

Óxido de polioxietileno

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

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