Membranas nanofibrosas CMCS/PEO avanzadas por electrohilado para preservación mejorada de frescura frutal

Resumen

El electrohilado provee método efectivo para generar nanofibras de solución quitosano carboximetilado/óxido polietileno (CMCS/PEO). El objetivo de este trabajo es explorar aplicación potencial de membrana nanofibrosa CMCS/PEO electrohilada en conservación frescura frutas. Se probaron microestructura, actividad antibacteriana, hidrofilia y permeabilidad aire de membrana nanofibrosa. Para comparación, se estudiaron efectos conservación frescura film plástico comercial y membranas nanofibrosas CMCS/PEO en tasa pudrición y pérdida peso fresas. Resultados indican membrana CMCS/PEO electrohilada evita eficazmente pérdida agua fresas y tiene efecto notable prolongar vida útil gracias a su transpirabilidad y actividad antibacteriana. Además, compuesto CMCS/PEO membrana nanofibrosa es no tóxica y comestible, usable en industria alimentaria.

Antecedentes

Desarrollo films y recubrimientos protectores alimentos pasó de tratamientos físicos/mecánicos a protección química. Enfoque en materiales biológicos con comestibilidad como proteínas, lípidos y polisacáridos en vez films protectores tradicionales plástico, papel y parafina. Con creciente conciencia protección ambiental, recubrimientos y films comestibles pueden usarse extensamente en alimentos especialmente frutas y verduras que necesitan frescura altamente efectiva. Recubrimiento simple incluso capa delgada membrana con características específicas puede lograr mejores efectos. Quitosano es excelente opción natural en alimentos por biodegradabilidad, biocompatibilidad, actividad antimicrobiana, no toxicidad, y propiedades químicas y físicas versátiles, y con su propiedad antibacteriana única, resistencia pudrición y formación films, se usa ampliamente medicina, textil y alimentos. Particularmente, quitosano puede derivarse materias primas gusano seda, camarón y caparazones cangrejo, ampliamente abundantes en naturaleza.

Electrohilado, que fabrica continuamente membranas nanofibrosas suaves, puede ofrecer protección suave a frutas. Esto puede ayudar resolver problemas almacenamiento y transporte algunas frutas como fresa, tomates cherry y kumquat. Con capa nanofibras suaves, superficie fruta protegida de invasión exterior, como introducción bacterias y arañazos. En varios estudios, solución ácido acético concentrado usó como solvente electrohilado nanofibras quitosano, y nanofibras quitosano carboximetilado (CMCS) electrohiladas se prepararon usando agua desionizada como solvente. Óxido polietileno soluble agua (PEO) también añadido solución CMCS como adyuvante optimizar proceso electrohilado, reconocido como polímero no tóxico.

Recientemente, estrategia conservación frescura fruta basada quitosano reportada pintando solución quitosano sobre superficie fruta formar film húmedo, pero existían pocos métodos evaluar membranas fibrosas basadas electrohilado. Sin embargo, film recubrimiento húmedo proporciona contacto entre piel fruta y humedad aire, dando oportunidad crecimiento bacterias y pérdida humedad. Además, este método recubrimiento requiere secado todo proceso, causando daño potencial fruta. En este trabajo, utilizamos nuevo dispositivo electrohilado portátil para preparación film nanofibra CMCS/PEO no tóxico y comestible (Fig. 1). Propósito investigación evaluar aplicación potencial films nanofibras quitosano en conservación frescura fruta y mejorar calidad recubrimientos tradicionales extendiendo vida útil fresas.

Métodos/Experimental

Materiales

Fresas mesa cultivadas orgánicamente cosechadas Distrito Laoshan (Qingdao, China) y llevadas laboratorio pronto; residuos removidos antes recubrimiento. Fresas seleccionadas sin arañazos mecánicos y tamaño, forma y madurez similares. CMCS (Mw 80 000 ~ 250 000) 95 % N-desacetilación comprado Aoduofuni (Nanjing, China). PEO (Mw ~ 5 000 000) comprado Aladdin.

Preparación Solución Hilado

Tabla 1 muestra detalles diferentes ratios soluciones mezcladas conteniendo CMCS, PEO y agua desionizada. Brevemente, 3,0 g CMCS mezclado con 0,16 g, 0,20 g y 0,25 g PEO respectivamente. Luego puestos 40,0 g agua desionizada en frasco 100 ml. Agitación magnética aplicada ~4 h temperatura ambiente hasta soluciones transparentes y homogéneas.

Preparación Membranas Nanofibrosas

Membranas fibras compuestas preparadas: 40 % humedad relativa, distancia aguja-colector jeringa 20 cm, voltaje hilado aplicado 20 kV. En este trabajo, dispositivo electrohilado portátil diseñado por Qingdao Junada Technology Co. Ltd. usado preparar membranas nanofibras CMCS/PEO. Figura 1 muestra diagrama esquemático técnica preparación y proceso electrohilado.

Caracterización Membranas e-hiladas

Morfologías y diámetros nanofibras caracterizados microscopía electrónica barrido (SEM; Phenom Pro). Estructura intermolecular polímero determinada espectrómetro transformada Fourier infrarrojo (FTIR; Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). Transpirabilidad medida probador tasa transmisión gas (FX 3300; Zurich).

Preparación Proceso Conservación

Fresas divididas cuatro grupos aleatoriamente. Cada grupo seis fresas en plato cultivo. Primer grupo expuesto completamente atmósfera como control blanco. Segundo grupo envuelto film plástico polietileno doméstico ordinario. Tercer grupo pintado solución electrohilado (PEO: CMCS = 1:20) formar capa protectora superficie vitrificada exterior. En este grupo, muestra secada cuidadosamente formar film protector. Además, membrana nanofibrosa CMCS/PEO electrohilada cubrió último grupo. Finalmente, grupos colocados temperatura ambiente sin luz solar, observados y registrados mismo tiempo cada día. Figura 2 diagrama esquemático conservación fresas.

Resultados y Discusión

Análisis Morfológico

Aunque solución CMCS pura tiene alta viscosidad 400–800 mPa·s, aún difícil formar fibras campos electrostáticos. Obstáculo origina estructura molecular y solubilidad quitina y quitosano, especialmente CMCS. Por esto, aglutinante poliol formador fibras como PEO añadido solución CMCS. Bajo voltaje aplicado, cono Taylor claro observado soluciones CMCS/PEO rango concentración 2,5–7,5 % p/p (Fig. 1). Figura 3 muestra imágenes SEM y distribución diámetro fibras compuestas CMCS/PEO diferentes ratios. Estas fibras compuestas morfología cilíndrica diámetros ~130–400 nm.

Cuando menor cantidad PEO mezclada CMCS, Fig. 3a (PEO: CMCS = 1:24), fibras más delgadas e inhomogéneas diámetro 130–280 nm. Solución PEO: CMCS = 1:18, diámetro medio ~210 nm, y observada conglomeración entre fibras relativamente gruesas Fig. 3b. Aumentando ratio PEO (PEO: CMCS = 1:12), fibras bastante homogéneas diámetro medio 290 nm obtenidas (Fig. 3c). Membrana nanofibrosa ratio 1:12 PEO/CMCS seleccionada como film envasado, porque solución 1:12 PEO/CMCS tiene viscosidad más adecuada electrohilado y más fácil formar film nanofibroso completo cubrir fruta, y film electrohilado tiene intensidad respiración más uniforme por microporos tamaño uniforme según imágenes SEM.

Espectroscopía Infrarroja

Figura 4 muestra espectros FTIR polvo CMCS electrohilado y nanofibras compuestas CMCS/PEO. Frecuencias y asignaciones CMCS prístino: picos 1320 cm⁻¹, 1137 cm⁻¹, 1050 cm⁻¹ vibración flexión C-H, enlace glucosídico C-O-C, vibración estiramiento C-O CMCS respectivamente. En espectros, nuevos picos 1603 cm⁻¹ característicos sal ácido carboxílico (–COO– estiramiento asimétrico y simétrico) aparecieron, mientras pico hombro ~1650 cm⁻¹ indicativo grupo amino. Aunque algunas diferencias observadas, ambos mostraron picos característicos básicos CMCS 3423 cm⁻¹ (estiramiento O-H) y 2960–2970 cm⁻¹ (estiramiento C-H). Vemos espectros FTIR sin cambio adición PEO, indicando sin cambio obvio estructura entre polvo CMCS y CMCS/PEO.

Prueba Permeabilidad Aire

Muchos estudios hallaron permeabilidad factor importante conservar frutas. Membrana microporosa promueve intercambio gas interior/exterior paquete, regula concentración O₂ y CO₂, y hace frutas/verduras envasadas tengan buen ambiente almacenamiento, asegurando calidad o menos afectadas. Cierta permeabilidad film plástico mantiene concentración CO₂ apropiada espacio confinado. Formación atmósfera almacenamiento inhibe respiración verduras y extiende vida útil. Si transpirabilidad demasiado alta, fácil hacer contenido oxígeno paquete demasiado alto, acelerando respiración frutas, envejecimiento más rápido, pardeado y desteñido severos. Similarmente, mala permeabilidad aire o mala hermeticidad lleva producción anaeróbica alcohol fruta, exacerbando pudrición. Obviamente, permeabilidad membranas nanofibrosas disminuye con mayor espesor film. En experimento, membrana nanofibrosa compuesto PEO/CMCS ratio 1:12 y film plástico seleccionados prueba permeabilidad. Principio básico dispositivo usado: diferencia presión gas ambos extremos tubo circular controlada, 200 Pa en este caso. Luego medir caudal aire salida, mayor resistencia aire menor velocidad aire. Misma situación, resultado medido film plástico 0 mm s⁻¹. Según literatura, permeabilidad aire nailon y otras telas entre 100 y 300 mm s⁻¹ promedio. Medición 200 Pa y 20 cm², valor medido PEO/CMCS membrana nanofibrosa compuesto uniformemente distribuido 40–50 mm s⁻¹ (Fig. 5), indicando membrana compuesto CMCS/PEO tenía permeabilidad aire uniforme. En prueba, espesor medio film 0,108 mm. Generalmente, esta transpirabilidad adecuada para material envasado con función conservación.

Prueba Antibacteriana

Presentemente, muchos estudios enfocados propiedad antibacteriana quitosano, pero menos propiedad antibacteriana CMCS. Quitosano tiene efecto inhibitorio significativo muchas bacterias y hongos, como Escherichia coli y Staphylococcus aureus, culpables pudrición fruta. Según investigación, aunque capacidad antibacteriana CMCS no proporción directa concentración, CMCS mostró mayor capacidad antibacteriana concentración adecuada. Señala particularmente amino CMCS inhibe bacterias tras disolverse solución combinando anión. Desde viewpoint bacteriostasis, nanofibras CMCS electrohiladas adecuadas material envasado alimentario antimicrobiano, incluso si solubilidad agua limitó rango aplicación. Como muestra Fig. 6, realizamos experimentos antibacterianos papel filtro y membranas fibras CMCS usando Escherichia coli y Staphylococcus aureus respectivamente. Resultados mostraron membrana nanofibrosa CMCS/PEO tenía efecto inhibitorio obvio estas dos bacterias y formó anillo antibacteriano amplio tras 18 h entrenamiento. Sin embargo, dos grupos control no tuvieron efecto bacteriostático en (a) y (b). Notar anillos bacteriostáticos no uniformes Fig. 6c, d por solubilidad agua y fluidez CMCS.

Porcentaje Pérdida Peso

Ratio pérdida peso calculado fórmula:

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

donde M₀ peso fresco fresas (almacenadas 0 días), M peso muestras almacenadas diferentes días.

Pesos diferentes grupos tratamiento medidos diferentes tiempos almacenamiento. Como muestra Fig. 7, grupo control blanco experimentó aceleración pérdida peso, atribuible aumento actividad metabólica fruta. Comparado control blanco, fruta tratada envuelta film plástico tiene pérdida peso bastante baja por compacidad film plástico. Aparentemente, nos enfocamos grupo film recubrimiento CMCS/PEO que pérdida peso más severa. En este caso, pese a formar capa CMCS/PEO, lleva contacto físico directo entre humedad y superficie fruta. Con contacto ambos, humedad destruye capa protección natural más externa frutas, resultando aceleración tasa pérdida agua interior. Grupo cubierto film nanofibroso CMCS/PEO electrohilado mostró retención agua bastante buena comparado control blanco y no tuvo muchos efectos film que materias primas son hidrosolubles.

Prueba Conservación Frescura Fruta

Respecto conservación frescura fruta, propiedades sensoriales claramente característica significativa criterio evaluación. Propiedades sensoriales iniciales (día 0) (color, olor y textura) cuatro muestras presentadas consistencia mismo grado (Fig. 8a). Como visto Fig. 8, durante almacenamiento, colores atenuados varios grados todos tratamientos. Apariencia inicial llena y brillante grupo control blanco prácticamente desapareció, 70 % fruta begun pudrirse, por fresas peladas finas y ricas jugo, extremadamente vulnerables mecánicamente, especialmente pérdida agua. Ejemplo aplicado muestra volumen encogido obviamente algún grado, calidad disminuyó 19,59 a 11,10 g promedio control (Fig. 8b). Envoltorio PE tuvo implicaciones manejo prevención control deshidratación. Fig. 8c, fresas marchitaron algunas, color oscureció, moho apareció parte individual. Notar grupo recubrimiento pintura CMCS/PEO principalmente oscurecimiento y pardeamiento (Fig. 8d). Pardeamiento principalmente por degradación oxidativa ácido ascórbico. Como mencionado, grupo recubrimientos pintura destruyó piel y capas cobertura frutas aspecto malo como piel no lisa y encogimiento severo, pero sin pudrición. Resultados mostraron film nanofibroso CMCS/PEO electrohilado efectivo previniendo enfermedades y pudrición y mejorando apariencia fruta almacenamiento Fig. 8e. Al igual otros grupos, fresas este grupo también ligero encogimiento y sabor aromático. Causas sabor anómalo, en general, pueden relacionarse proliferación microbiana y acumulación azúcar.

Conclusiones

En resumen, desarrollamos membrana nanofibrosa CMCS/PEO no tóxica y comestible que no solo mostró excelente propiedad antimicrobiana sino también admirable permeabilidad aire por dispositivo electrohilado portátil. Membrana nanofibrosa CMCS/PEO exhibió capacidad antibacteriana tanto Escherichia coli como Staphylococcus aureus. Permeabilidad gas medida escala 40–50 mm s⁻¹ en 200 Pa. Estos resultados indican membrana nanofibrosa CMCS/PEO puede ser adecuada como materiales envasado fruta. Comparado recubrimientos convencionales típicos, film nanofibroso puede tener aplicabilidad potencial. Esta tecnología ecológica puede proveer enfoque alternativo fruta en cultivo, transporte y venta.

Abreviaturas

CMCS:

Quitosano carboximetilado

FTIR:

Transformada Fourier infrarrojo

PEO:

Óxido polietileno

SEM:

Microscopía electrónica barrido