果物の鮮度を保つためのカルボキシメチルキトサン/ポリオキシエチレンオキシドナノファイバーのエレクトロスピニング

背景

食品保護フィルムおよびコーティングの開発は、物理的または機械的処理から化学的保護に変わりました。人々は、プラスチック、紙、パラフィンなどの従来の保護フィルムではなく、タンパク質、脂質、多糖類などの食用性を最も備えている生物学的材料に焦点を当てています[1,2]。環境保護への意識が高まるにつれ、食用コーティングやフィルムは、特に効果的に鮮度を維持する必要のある果物や野菜の食品に広く使用できるようになりました。いくつかの特定の機能を備えた膜の薄層でさえ単純なコーティングは、より良い効果を達成する可能性があります[3]。キトサンは、その生分解性、生体適合性、抗菌活性、非毒性、多用途の化学的および物理的特性[4、5]、およびその独特の抗菌特性、腐敗耐性、およびフィルム形成特性により、食品に優れた自然適合性を示します。化学、繊維、食品に広く使用されています[6,7,8,9]。特に、キトサンはカイコ、エビ、カニの殻の原料から得られ、自然界に広く豊富に分布しています[10]。

柔らかいナノファイバー膜を連続的に製造するエレクトロスピニング[11、12]は、果物を穏やかに保護することができます。これは、イチゴ、チェリートマト、キンカンなどの一部の果物の保管と輸送の問題を解決するのに役立つ場合があります。柔らかいナノファイバーの層で、果物の表面は、バクテリアや引っかき傷の導入のように、外部からの侵入から保護することができます。いくつかの研究では、濃厚酢酸溶液をキトサンナノファイバーのエレクトロスピニングの溶媒として使用し、カルボキシメチルキトサン（CMCS）エレクトロスピニングナノファイバーを溶媒として脱イオン水を使用して調製しました[13、14、15]。水溶性ポリオキシエチレンオキシド（PEO）も、エレクトロスピニングプロセスを最適化するためのアジュバントとしてCMCS溶液に添加されました[16]。これは無毒のポリマーとして認識されています[17、18、19]。

最近、キトサン溶液を果実表面に塗布してウェットフィルムを形成することにより、キトサンに基づく果実の鮮度維持に関する戦略が報告されましたが、エレクトロスピニングに基づいて繊維膜を評価する方法がいくつかありました[20、21、22]。しかし、ウェットコーティングフィルムは、果物の皮と空気中の水分との接触を提供し、したがってバクテリアの成長と水分の損失の機会を提供します。さらに、このコーティング方法では、プロセス全体を通して乾燥が必要であり、果実にさらに損傷を与える可能性があります。この作業では、新しいタイプのハンドヘルドエレクトロスピニングデバイスを使用して、無毒で食用のCMCS / PEOナノファイバーフィルムを作成します（図1）[5、23]。この研究の目的は、果物の鮮度維持におけるキトサンナノファイバーフィルムの潜在的な用途を評価し、従来のコーティングの品質を改善し、イチゴの貯蔵寿命を延ばすことです。

イチゴの新鮮な状態を保つためのCMCS / PEOナノファイバー膜の調製方法の図

メソッド/実験

資料

有機栽培のテーブルイチゴは、ロウ山区（中国、青島）で収穫され、できるだけ早く実験室に運ばれました。コーティング前に残留物を除去した。選択されたイチゴは、機械的な危険性のある傷がなく、サイズ、形状、成熟度が類似しているものです。 95％のN-脱アセチル化を伴うCMCS（Mw 80,000〜250,000）はAoduofuni（南京、中国）から購入しました。 PEO（Mw〜5,000,000）はアラジンから購入しました。

スピニングソリューションの準備

表1は、CMCS、PEO、および脱イオン水を含む混合溶液のさまざまな比率の詳細を示しています。簡単に説明すると、3.0gのCMCSをそれぞれ0.16g、0.20 g、0.25gのPEOと混合しました。次に、100mlのボトルに入った40.0gの脱イオン水に入れました。溶液が透明で均質になるまで、室温で約4時間マグネチックスターラーをかけました。

ナノファイバーメンブレンの準備

複合繊維膜は、相対湿度40％、注射器の針からコレクターまでの距離20 cm、印加回転電圧20kVのように準備されました。この作業では、青島ジュナダテクノロジー株式会社によって設計されたハンドヘルドエレクトロスピニングデバイスを使用して、CMCS / PEOナノファイバー膜を調製しました。図1に、準備技術とエレクトロスピニングのプロセスの概略図を示します。

e-spunメンブレンの特性評価

ナノファイバーの形態と直径は、走査型電子顕微鏡（SEM; Phenom Pro）によって特徴づけられました。ポリマーの分子間構造は、フーリエ変換赤外（FTIR）分光計（Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific、Waltham）によって決定されました。通気性は、ガス透過率テスター（FX 3300;チューリッヒ）によって測定されました。

保存プロセスの準備

イチゴはランダムに4つのグループに分けられました。すべてのグループは、培養皿に6つのイチゴを持っていました。最初のグループは、ブランクの対照グループとして完全に大気に暴露されました。 2番目のグループは通常の家庭用ポリエチレンプラスチックフィルムで包まれていました。 3番目のグループはエレクトロスピニング溶液（PEO：CMCS =1:20）で塗装され、外側に釉薬の表面を持つ保護層を形成しました。このグループでは、サンプルを注意深く乾燥させて保護膜を形成しました。さらに、エレクトロスピニングされたCMCS / PEOナノファイバーメンブレンを使用して最後のグループをカバーしました。最後に、これらのグループは日光のない室温に置かれ、毎日同時に観察され、記録されました。図2は、イチゴの保存の概略図です。

すべてのグループにおけるイチゴの保存の概略図： a 培養皿のブランクコントロールグループ、 b プラスチックフィルムで覆われた培養皿のグループ、 c 個々のイチゴの表面にCMCS / PEO溶液コーティングを施してグループ化し、 d エレクトロスピニングされたCMCS / PEOナノファイバーフィルムで覆われた培養皿のグループ

結果と考察

形態素解析

純粋なCMCS溶液は粘度が高く、最大400〜800 mPa∙sに達する可能性がありますが、静電界によって繊維を形成することは依然として困難です。障害は、特にCMCSの場合、キチンとキトサンの分子構造と溶解度に起因します。このため、PEOなどの繊維形成促進ポリオールバインダーをCMCS溶液に添加しました。印加電圧の下で、2.5〜7.5 wt％の濃度範囲のCMCS / PEO溶液で透明なテイラーコーンが観察されました（図1）。図3は、さまざまな比率の複合CMCS / PEO繊維のSEM画像と繊維径分布を示しています。これらの複合繊維は、繊維径が約130〜400nmの円柱状の形態をしています。

a の溶液から得られたエレクトロスピニングのSEM画像と繊維径分布 PEO：CMCS =1：24、 b PEO：CMCS =1:18、および c PEO：CMCS =1:12

図3aに示すように、少量のPEOをCMCSと混合すると（PEO：CMCS =1:24）、繊維は細くなり、直径130〜280nmで不均一になりました。 PEO：CMCS =1:18のソリューションの場合、平均繊維径は約210 nmであり、図3bでは比較的粗い繊維間の凝集が観察されました。 PEOの比率が増加すると（PEO：CMCS =1:12）、平均直径290 nmのかなり均質な繊維が得られました（図3c）。 PEO / CMCSの1:12の溶液はエレクトロスピニングに適した粘度を持ち、カバーする完全なナノファイバーフィルムを形成するのが容易であるため、PEO / CMCSの比率が1:12のナノファイバー膜がパッケージングフィルムとして選択されました。 SEM画像によると、微細孔のサイズが均一であるため、エレクトロスピニングされたフィルムの呼吸強度はより均一になります。

赤外線分光法

図4は、エレクトロスピニングされたCMCS粉末とCMCS / PEO複合ナノファイバーのFTIRスペクトルを示しています。手付かずのCMCSの頻度と割り当ては、次のように示されます。1320cm ^-1 のピーク 、1137 cm ^-1 、および1050 cm ^{− 1} それぞれ、CMCSのC–H曲げ振動、グリコシド結合C–O–C、およびC–O伸縮振動によるものです。スペクトルでは、1603 cm ^-1 に新しいピークがあります。 カルボン酸塩の特徴（–COO–非対称および対称ストレッチ）が現れ、1650 cm ^-1 付近にショルダーピークがあります。 アミノ基を示します。 2つの図には多少の違いが見られましたが、どちらも3423 cm ^-1 にCMCSの基本的な特徴的なピークを示しました。 （O–Hストレッチ）および2960–2970 cm ^-1 （C–Hストレッチ）。 PEOの添加によってFTIRスペクトルに変化がなかったことがわかります。これは、CMCS粉末とCMCS / PEOの間に構造の明らかな変化がなかったことを示しています。

a のFTIRスペクトル エレクトロスピニングされたCMCSパウダーと b エレクトロスピニングされたCMCS / PEO複合ナノファイバーメンブレン

通気性テスト

多くの研究は、透過性が果物を保存するための重要な要因であることを発見しました。ミクロポーラス膜は、パッケージ内外のガス交換を促進し、O ₂ の濃度を調整します。 およびCO ₂ 、およびパッケージ化された果物と野菜を良好な保管環境にして、品質を確保するか、影響を少なくします[24]。ラップの特定の透過性により、適切な濃度のCO ₂ を維持できます。 限られたスペースで。貯蔵雰囲気の形成は、野菜の呼吸を阻害し、貯蔵寿命を延ばすことができます。通気性が高すぎると、パッケージの酸素含有量が高くなりすぎて、果物の呼吸が加速し、老化が速くなり、褐色になり、色あせが深刻になります[25]。同様に、通気性や気密性が低いと、果物の嫌気性アルコールが生成され、最終的に果物の腐敗が悪化する可能性があります。 [26]。明らかに、ナノファイバー膜の透過性は、フィルムの厚さが増すにつれて低下します。この実験では、透過性試験のために、1：12の比率のPEO / CMCS複合ナノファイバー膜とプラスチックフィルムを選択しました。ここで使用するデバイスの基本的なテスト原理は次のとおりです（図5a）。円管の両端のガス圧の差を制御します。この場合は200Paです。次に、空気出口での空気流量を測定します。これにより、空気抵抗が大きくなるほど、空気速度が遅くなります。同じ状況で、ラップの測定結果は0 mm s ^-1 でした。 。文献によると、ナイロンやその他の生地の通気性は100〜300 mm s ^-1 であることがわかっています。 平均して[27]。 200Paおよび20cm ² の測定で 、40〜50 mm s ^-1 に均等に分布したPEO / CMCS複合ナノファイバーの測定値 （図5）、CMCS / PEO複合膜が均一な通気性を持っていることを示しています。このテストでは、平均膜厚は0.108mmでした。一般的に、この通気性は保存機能のある包装材料として使用するのに適しています。

a の通気性 実験装置と b の概略図 1:12の比率の通気性PEO / CMCSナノファイバー膜。データは45mm s ^-1 に焦点を当てています 。赤い線は目のガイドです

抗菌テスト

現在、多くの研究がキトサンの抗菌特性に焦点を合わせていますが、CMCSの抗菌特性には焦点を当てていません。キトサンは、 Escherichia coli などの多くのバクテリアや真菌に対して大きな抑制効果があります。 および黄色ブドウ球菌 、どちらも果物の腐敗の原因です[28]。調査によると、CMCSの抗菌力はその濃度に正比例していませんが、CMCSは適切な濃度で最も強い抗菌力を示しました[29]。 CMCSのアミノは、CMCSが溶液に溶解した後、陰イオンを組み合わせることによって細菌を阻害する可能性があることが特に指摘されています[30、31]。静菌性の観点から、エレクトロスピニングされたCMCSナノファイバーは、水溶性によって適用範囲が制限されている場合でも、抗菌性食品包装材料として適しています。図6に示すように、 Escherichia coli を使用して、ろ紙とCMCS繊維膜の抗菌実験を行いました。 および黄色ブドウ球菌 、 それぞれ。その結果、CMCS / PEOナノファイバー膜は、これら2種類の細菌に対して明らかな抑制効果を示し、18時間のトレーニング後に幅広い抗菌リングを形成したことが示されました。ただし、2つの対照群は（a）と（b）で静菌効果がありませんでした。図6c、dでは、CMCSの水溶性と流動性のために、静菌リングが均一ではなかったことに注意してください。

黄色ブドウ球菌および大腸菌に対するCMCS / PEOナノファイバーの阻害 。 a 黄色ブドウ球菌 ろ紙付き（コントロール）、 b 大腸菌 ろ紙付き（コントロール）、 c 黄色ブドウ球菌 CMCS / PEOナノファイバー、および d 大腸菌 CMCS / PEOナノファイバーを使用

減量の割合

減量率は、次の式から計算できます。

減量（％）\（=\ frac {M_0-M} {M_0} \ times 100 \％\）、

ここで M ₀ はイチゴの新鮮な重量（イチゴは0日間保管されます）、および M は、さまざまな日に保存されたサンプルの重量です。

異なる処理グループの重量は、異なる保管時間で測定されました。図7に示すように、ブランクの対照群では体重減少が加速しました。これは、果物の代謝活動の増加に起因する可能性があります。ブランク対照群と比較して、プラスチックフィルムで包んで処理された果実は、プラスチックフィルムがコンパクトであるため、重量損失が非常に少ない。どうやら、減量がより深刻なCMCS / PEOコーティングフィルムのグループに焦点を当てたようです。この場合、CMCS / PEO層が形成されているにもかかわらず、水分と果実の表面が物理的かつ直接接触します。両者が接触すると、水分が果実の最も外側の自然保護層を破壊し、その結果、内部の水分損失率が加速しました。エレクトロスピニングされたCMCS / PEOナノファイバーフィルムで覆われたグループでは、ブランクのコントロールグループと比較してかなり良好な保水性を示し、原材料が水溶性であるというフィルムの影響はあまりありませんでした。

周囲温度での保管中のさまざまなグループのイチゴの減量率

フルーツフレッシュキーピングテスト

果物の鮮度保持に関しては、感覚特性が評価基準として明らかに重要な特性です。これら4つのサンプルの初期（0日目）の感覚特性（色、匂い、質感）は、同じ程度の一貫性として示されています（図8a）。図8からわかるように、保管中、すべての処理で色がさまざまな程度に暗くなりました。ブランク対照群の最初の完全で光沢のある外観はほとんど消え、果実の70％が腐り始めました。これは、イチゴが薄く剥がれ、果汁が豊富で、特に水分の損失に対して非常に機械的に脆弱であるためです。適用された例は、ボリュームが明らかにある程度縮小され、コントロールの平均で品質が19.59から11.10 gに低下したことを示しています（図8b）。 PEラッパーは、脱水症の予防と管理の管理にいくつかの影響を及ぼしました。図8cでは、イチゴが数秒間しおれ、色が暗くなり、個体の一部にカビが発生しました。 CMCS / PEOペイントコーティングのグループは、主に暗くなり、褐色になることに注意してください（図8d）。褐変は主にアスコルビン酸の酸化分解によるものです。前述のように、塗装で装飾されたグループは皮膚を破壊し、果実の被覆層は、皮膚が滑らかでひどく収縮していなかったが、腐敗がなかったなど、状態が悪いように見えました。その結果、エレクトロスピニングされたCMCS / PEOナノファイバーフィルムは、病気や腐敗を防ぎ、図8eの貯蔵庫にある果物の外観を改善するのに効果的であることが示されました。他のグループと同じように、このグループのイチゴも少し縮み、芳香のある味がしました。オフフレーバーの原因は、一般的に、微生物の増殖と糖の蓄積に関連している可能性があります。

最初のイチゴ a 周囲温度で6日間保管した後の、同じサイズのイチゴの外観に対するさまざまな処理の影響： b ブランクコントロール、 c プラスチックフィルムで保護、 d CMCS / PEOペイントコーティングで保護されており、 e エレクトロスピニングされたCMCS / PEOナノファイバーフィルムで保護

結論

要約すると、我々は、優れた抗菌特性を示すだけでなく、ハンドヘルドエレクトロスピニングデバイスによって見事な通気性を備えた、無毒で食用のCMCS / PEOナノファイバー膜を開発しました。 CMCS / PEOナノファイバー膜は、両方の Escherichia coli に対して抗菌能力を示しました。 および黄色ブドウ球菌 。測定されたガス透過性は、40〜50 mm s ^-1 のスケールでした。 これらの結果は、CMCS / PEOナノファイバー膜が果物の梱包材として適している可能性があることを示しています。典型的な従来のコーティングと比較して、ナノファイバーフィルムは潜在的な適用性を有する可能性があります。この環境にやさしい技術は、成長、輸送、販売における果物への代替アプローチを提供する可能性があります。

略語

CMCS：

カルボキシメチルキトサン

FTIR：

フーリエ変換赤外

PEO：

ポリオキシエチレンオキシド

SEM：

走査型電子顕微鏡