开发抗菌纳米复合材料:乳清Protein-Gelatin-Nanoclay电影陈皮和三聚磷酸盐作为潜在的食品包装

文摘

抗菌和可生物降解的乳清分离蛋白(WPI)明胶纳米复合材料是准备使用天然橙皮提取物(开放)的百分比,14,21% (v / v的解决方案),Cloisite 30 b (w / w干乳清蛋白质5%)由铸造方法。准备电影的机械、物理和抗菌特性测量的函数打开的浓度。更高浓度的开放导致更高的抗菌活性,抗拉强度、水分含量和水溶性,但低和透明度。电影微观结构研究了场发射扫描电镜(FESEM)和ATR-FTIR。总的来说,这部电影含有21% (v / v)开放导致最好的抗菌、机械和物理性能。添加三聚磷酸盐(TPP)作为交联剂,这个样例导致显著增加透明度。Cloisite 30 b、开放和TPP因此可以用来改善WPI电影的特性,是一种很有前途的天然食品包装。

1。介绍

2013年、13360年疾病,1062人住院,16人死亡在美国疾病控制和预防中心报道,国家公共卫生研究所的美利坚合众国,由食物引起的疾病(1]。对食物的疾病的原因之一是细菌污染。因此,很多研究都集中在使用抗菌食品包装消除或抑制细菌的活性。另一方面,处置废物塑料包装材料也污染环境,主要由于大多数不能生物降解的塑料包装材料。因此抗菌和可食用的食品包装可以是有益的环境和保质期。

蛋白质是用于食用包装因其良好的成膜能力,让他们这些应用程序的理想基础材料(2]。乳清蛋白是乳制品行业的副产品的氧气,香气,和油栏属性;然而,使用纯乳清蛋白生产食品包装不是负担得起的3]。明胶是另一种蛋白质被用于食品包装和来自废物在动物屠宰。明胶薄膜是透明的,通常具有良好的气体屏障属性,布鲁姆价值表达的凝胶强度和高布鲁姆明胶使得强大的凝胶。一般来说,蛋白质的电影表现出较低的机械性能与合成电影但明胶显示更高的抗拉强度和延伸率相比其他蛋白质的电影(4]。不同的方法已经被用来改善乳清蛋白的电影如紫外线,但它只是提高了抗拉强度和黄色电影。看来混合乳清蛋白和明胶可以省略每个组件的缺陷。例如,有报道称,与壳聚糖混合批发价格指数(5)或魔芋葡甘露聚糖多糖(6)导致增加了灵活性与纯WPI的电影。同时,WPI-gelatin混合膜抗拉强度远高于纯WPI电影因为明胶凝胶比批发价格指数(7]。

蒙脱石(MMT),除了经济和可用,是最重要的一个纳米黏土颗粒用于纳米复合材料。由于纳米黏土的大宽高比,纳米复合材料由纳米黏土具有更高的生物降解性和理想的屏障特性和强度比纯聚合物和利用8,9]。代理等。表明Cloisite ,修改的MMT,结合柠檬酸、降低水分含量和水蒸气渗透率WPI电影(10]。Wakai等。得出结论,基于乳清蛋白中存在纳米黏土纳米复合材料会导致减少在水中溶解度和断裂伸长率增加抗拉强度(11]。2010年,Sothornvit和他的同事产生乳清蛋白复合材料通过添加不同比例的有机MMT, Cloisite 30 b。他们得出的结论是,通过增加纳米黏土浓度,屏障性能和抗拉强度也增加了12]。2009年,Sothornvit等在另一个研究,准备乳清蛋白复合膜由不同类型的纳米黏土,Cloisite ,20、30 b,显示最高的抗拉强度与WPI / Cloisite 30 b复合表现出抗菌活性对革兰氏阳性细菌,单核细胞增多性李斯特氏菌(13]。

的抗菌和抗氧化剂代理为可生物降解的电影是考虑。例如,芦荟,石榴皮,咖喱叶提取物、牛至、大蒜、迷迭香、Zataria野蔷薇,麻,和鼠尾草油都被用于开发抗菌特性基于乳清蛋白和明胶的电影,分别是(14,15]。Seydim等。WPI-based电影由牛至、大蒜和迷迭香油脂,研究他们的活动大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。观察,将osemary纳入WPI电影并没有表现出任何抗菌活性而牛至和大蒜油创造了电影中的抗菌活性增加浓度(16]。在类似的研究中,乳酸钠和з-polylysine添加到WPI电影和电影的抗菌活性进行了测试在新鲜牛肉削减部分。抑制植物总数的增长、假单胞菌和乳酸菌观察电影中含有乳酸钠和з-polylysine,分别为(4]。

近年来,一些研究人员使用纳米粒子作为活性剂生物塑料。例如,Shankar和他的同事添加氧化铜纳米颗粒(CuONPs)各种类型的碳水化合物的生物聚合物和样本表现出强烈的对大肠杆菌抗菌活性和单核细胞增多性李斯特氏菌17]。除此之外,研究人员开发出可食用纤维素纳米复合材料基于壳聚糖/淀粉玉米和纺锤(cnf)作为抗菌剂,因此食用电影的抗菌性和w / w cnf 80%和100%增加到2日志CFU / g 8天在牛肉模型(18]。在另一个研究中,结合montmorillonite-copper氧化物(MMT-CuO)是用于生产基于壳聚糖的抗菌薄膜。因此,影片显示超过99%的死亡率两个革兰氏阴性细菌(大肠杆菌(PTCC 1270)和铜绿假单胞菌(1430)PTCC)和两个革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌(PTCC1112)和b .仙人掌(PTCC - 1015)) (19]。通常聚合物和纳米粒子的物理和化学性质可能影响消除目标细菌(20.]。

纳米粒子还能积极影响活性剂的功能由于保存的完整性将生物活性代理以及控制释放率(21]。

尽管合成和天然抗菌药物用于活性包装,植物提取物的首选合成,由于没有化合物和溶剂可有潜在危险。因此,本研究的目的是准备一个新的基于WPI-gelatin抗菌和可生物降解的纳米复合材料薄膜,与潜在的应用程序作为食品包装,并确定物理、机械、和障碍以及抗菌性能的合成电影作为纳米黏土和橙皮提取物浓度的函数。

作为本研究的独特方面应该提到WPI的副产品乳制品行业和开放是由橘皮废弃物。不知何故,WPI-gelatin电影在这个研究可以作为一个完全自然和经济上负担得起的,潜在的食品包装。

2。材料和方法

2.1。材料

乳清分离蛋白(WPI, 86 wt %蛋白质)从自我Omninutrition购买(瑞典)。明胶在食品等级(开度:240 - 260)请提供Faravari Darooyi明胶清真(Ghazvin、伊朗)。甘油和丙酮购自Mojallali博士(德黑兰,伊朗)。橙色水果市场从德黑兰(伊朗)获得橙皮中提取做准备。有机改性MMT (Cloisite 30 b)密度为1980公斤/米³购买从南部粘土产品有限公司(冈萨雷斯,TX)。三聚磷酸盐(TPP)和vermicompost总经理购自沙劳打电话(西班牙巴塞罗那)和吉尔达能够允Kood(德黑兰,伊朗),分别。

2.2。橙皮提取物的制备

皮的橙色水果在环境空气干燥。皮被房子地面磨和0.4克橙皮粉末分散在20毫升的70% (v / v)丙酮溶液通过超声波均质器(UP400S, Hielscher,德国,400瓦,24 khz, 25°C)在室温下为20分钟。解决方案是然后离心机(4°C, 3000×g)。上阶段的两阶段方案是作为橙皮中提取分离得到[22]。

2.3。制备具有生物活性的电影

5% (w / v) WPI-gelatin解决方案是由分散的1 g WPI 20毫升蒸馏水和在90°C水浴加热30分钟,迅速在冰箱里冷却防止进一步变性(23,24]。展示最高拉伸强度以及第二高的拉伸应变在同行中,样品含有2% (w / v)的凝胶被选为最优样本在第一阶段的样品制备。不知为何,这个数量的明胶添加到上述解决方案时搅拌15分钟(25]。15分钟后搅拌,甘油作为增塑剂(总固体重量的40%)被纳入成膜溶液获得更灵活的电影(26]。这部电影将解决方案随后转移到真空干燥箱在室温下30分钟去除大部分的气泡被困在搅拌。相比之下,5% (w / w干WPI) Cloisite 30 b是分散与蒸馏水(10毫升),用电磁搅拌器搅拌一夜之间达到完全水化/肿胀[13]。这个解决方案是混合10毫升的5% (w / v) WPI-gelatin解决方案,用近30分钟,获得纳米复合材料薄膜。开放不同浓度添加到解决方案中包含5%的纳米复合材料薄膜纳米黏土(w / w干WPI)和搅拌得到均匀的解决方案(14]。在最后一步中,大约20毫升的每个样本都投到上平级塑料盘子和室温下举行了18 h。然后,他们铸造表面剥落并存储在塑料袋25±1°C的干燥器里进行进一步的测试。所有的治疗方法都是一式三份。表1显示所有电影准备样品的成分和象征。根据表1,WGN-21-TPP是类似于其他生物活性的电影但是在铸造一步,TPP (0.75 w / v %)被添加到电影溶液,搅拌在900 rpm,直到它完全溶解在溶液中。

2.4。结构特点

2.4.1。场发射扫描电镜(FESEM)

所有的标本都检查FESEM (Mira3, TE扫描,捷克共和国)。样本在液氮和骨折前涂上金FESEM成像15千伏的加速电压和不同的大小。该决议是2到200人μ米(放大的显微图是表面和100 x 10000 x的横截面的电影)。

2.4.2。FTIR-ATR分析

电影的表面的光谱测定使用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)和能谱仪(美国边境,珀金埃尔默,波士顿马),衰减全反射(下27)模式。吸光度的光谱记录模式从1800到4000厘米⁻¹在4厘米,使用16扫描⁻¹决议。

2.5。物理性质

2.5.1。膜厚度

电影的厚度测量用一个手持千分尺(奥尔顿M820-25,中国)精度为0.01毫米。随机选择10个点的厚度测量为每个测试标本和均值被报道。

2.5.2。水蒸气渗透率

电影的水蒸气渗透率(冻)重量分析地测量根据标准方法和修正为停滞不前的气隙内测试杯(28]。首先,测量细胞(1.33×10口区域⁻⁴米²)装满水创造100%相对湿度(RH),所以,水面之间的气隙和细胞的嘴是1.5厘米。细胞的口布满了电影和双面胶带密封。细胞被保存在烤箱(模型- 072 - tr,高等仪器巨大力量,台湾)50% RH使用由氯化钠25°C。细胞在一定的时间间隔和加权线性回归分析的减肥和执行时间。水汽传输速率(WVTR)计算从减肥的恒定速率除以电影区,因此,水蒸气渗透率(冻)是由以下方程计算26]: 两个面之间的蒸汽压差的电影是计算方程:ΔP = S (R₁- R₂);S是测试温度的饱和蒸汽压(2.1 kPa), R₁是RH的湿侧细胞(100%),和R₂是细胞的干一边RH (50%)。

2.5.3。吸湿性

电影样本减少维度(2厘米×2厘米)和干在105°C 1 h。然后,他们加权(m₁),放入烤箱平衡在25°C和50% RH 25°C与饱和氯化钠溶液。样本加权在特定的时间间隔,直到恒重(m₂)是实现。三为每个样本进行复制。水分吸收是由下列方程计算(26]:

2.5.4。水溶度

这部电影样本(20毫米×20毫米×0.1毫米)被放置在烤箱在104°C 24 h,然后是重的。干电影沉浸在50毫升蒸馏水,搅拌24 h。此后,剩下的提供解决方案的表面过滤文件和放置在烤箱在104°C 24 h,然后又重。这被认为是“”。水溶性百分比(%)是由使用下列方程(14]: 报告结果至少三个测量值的平均值。

2.5.5。水分含量

的电影3×1厘米的尺寸²被削减、加权和干在110°C的烤箱达到恒重。水分含量(MC)湿重的基础上确定如下(26]:

2.5.6。透明度

电影透明度决定通过测量透光率的电影在600 nm使用UV / vis分光光度计(型号3220、Optizen、韩国)26]。电影的透明计算由以下方程: 其中T_600年是透光率在600 nm和x是膜厚度(mm)。

2.6。机械性能

电影被切成2×10厘米²块和维持水分平衡在烤箱25°C和50% RH 24 h。抗拉强度(TS)和断裂伸长率(EB)评估英斯特朗机(型号5566,美国),根据ASTM标准方法D882-02 [29日]。初始控制分离和十字头速度设定为50毫米/分钟和60毫米,分别为(55公斤),和负载细胞。三个复制运行每个电影标本。

2.7。抗菌活性

2.7.1。活细胞计数分析

量化包含打开的每个WPI-gelatin纳米复合材料薄膜的抗菌活性,对革兰氏阴性细菌(大肠杆菌,在肉类和奶酪)和革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌)是评估使用文献[30.评估]最初设计纺织材料的抗菌活性,特此适应电影。WPI-gelatin纳米复合材料薄膜(有或没有的一种抗菌化合物)因此切成50.0±1.0毫米直径的磁盘使用圆刀和暴露在紫外线10分钟每一面。每部电影磁盘放置在消毒瓶125毫升,105毫升的培养液中包含的(克隆形成单位(CFU) /毫升)的每个微生物补充道,以覆盖整个磁盘。烧瓶孵化在37°C的细菌培养。后来,99毫升无菌蛋白胨水(1 g / l)被用作中和解决方案,无菌添加到每个瓶(0)3、6、12、24小时(采样时间)。瓶的内容然后无菌转移到一个400毫升的均质袋和混合三角胸衣400倒数均质器(旋涡混合器、试剂盒、德国)为1.0分钟在260 rpm。适当顺序10倍稀释的匀浆进行了无菌蛋白胨水镀(一式三份)和每盘一式两份(0.02毫升)琼脂板上的细菌。盘子被孵化如上所述[31日]。殖民地被执行的枚举,抑制微生物增长表示为减少单元数量或比例的抗菌效力(美联社)使用以下方程: 在殖民地的细菌控制细菌的培养板和B是殖民地文化包含样品板。

2.8。统计分析

数据分析和均值进行比较与应用SPSS21 (SPSS Inc .,芝加哥,IL)和邓肯测试水平分别为P < 0.05。Excel软件绘图数据的应用。

3所示。结果与讨论

3.1。结构表征

3.1.1。ATR-FTIR分析

在这项研究中,识别执行ATR-FTIR陈皮聚合物基质的相互作用。图1代表的光谱橙皮提取物,WGN5, WGN-21, WGN-21-TPP。广泛的峰值波长范围3200 - 3600厘米⁻¹属于酚类化合物是天然提取的抗菌剂和油。清楚地看到,这个峰值没有观察到WGN5但也有在3303年达到顶峰,3435.57厘米⁻¹WGN-21和开放,分别显示了酚类化合物WGN-21表面的存在。没有观察到的峰值与酚类化合物对WGN-21-TPP表面没有提取这个示例。据推测,这是因为TPP使更强的网络通过创建交联聚合物矩阵。所以很难开放从网络渗透到表面的电影。

3.1.2。对其

图2显示使用FESEM WPI-gelatin纳米复合材料薄膜的微观结构决定。WGN5显示一个紧凑,但粗糙和低孔隙度结构,合理的纳米粒子均匀分散在聚合物基质。(数据2(一个)和2 (b))。一些白色的污点是观察WGN-21表面(图2 (c))。由于乳清蛋白和明胶是亲水性和开放的疏水性,开放将迁移到表面的电影。这些白色的斑点可能与开放。WGN-21-TPP显示表面(图上没有白色的斑点2 (e))。这可能是因为建立以来,TPP更连续结构离子交联剂,被困在聚合物网络不允许它自由进出迁移到膜表面。ATR-FTIR证实了这一分析的结果。类似的分析提出了迁移的蜂蜡WPI的表面膜(3]。在图2 (d)观察,更粗糙,孔隙度与图2 (b)。因此,它可能会得出结论,开放与一些聚合物基质的疏水部分最初在迁移之前电影表面和破坏这些交互保留一些粗糙度截面的电影。图2 (f)显示更光滑和均匀结构WGN-21-TPP与WGN-21相比(图2 (d))。这可能是由于增加的混溶的聚合物基质和开放由于交联剂的存在。

3.2。物理特性

3.2.1之上。厚度

当考虑WPI-gelatin纳米复合材料薄膜的厚度的利率,他们明显不同,范围在0.07 - 0.1毫米。膜厚度增加了很好的分散在聚合物基质纳米黏土。

3.2.2。水溶度

水溶性百分比(减肥)WPI /明胶的电影总结在表2。整合开放导致的溶解度显著增加电影与WGN5相比35.9% (p < 0.05)。这是情况下,自然提取本质上是疏水(32)和开放能够与一些疏水性氨基酸的明胶和WPI,因此可能会阻碍聚合物链链相互作用。因此,聚合物链更容易水化,溶于水。类似的结果和分析报告(14]。比较WGN-21-TPP溶解度和WGN-21表明加入TPP导致减少水溶性。TPP可能成功地稳定的结构由于强烈的离子交联聚合物网络,网络很难通过水合作用,导致水溶解度的降低。

3.2.3。水分含量

表2显示中可用的水分百分比WPI-gelatin纳米复合材料薄膜。开放后,电影的湿度与WGN5样本相比显著下降(p < 0.05)。这可以解释为疏水性的自由进出,不允许水分子占据了影片的空间网络。同样的,(15)报道,含水率降低了公司鼠尾草和麻油明胶的电影。这是归因于hydrophilic-hydrophobic油的成分的比例给予不同的能力在水吸引和保留到电影网络。此外,WGN-21-TPP TPP的存在降低了含水率与WGN-21相比。这是可预见的,电影中的跨太平洋合作开发的交联网络不允许水分子进入聚合物基质的结构。

3.2.4。透明度

透明度值(电视)的薄膜样品收集与文献结果比较表2。生物活性膜样品较低比WGN5电影电视。因此可以得出结论,开放了WPI-gelatin纳米复合材料薄膜不透明。这可能是由于开放的黄色。TPP的存在显著增加相比WGN-21 WGN-21-TPP的透明度。这可能是由于溶混性的增强聚合物基质和开放之间的TPP所致。对其测定(图2 (e))这一说法的原因。本研究的样本都是面向更透明的聚乙烯和聚丙烯(OPP)合成电影t值为1.51和1.67,分别。此外,所有样品除了WGN-21也比LDPE更加透明和T值为3.05 (10]。它因此承诺一个合适的应用程序用作包需要一个透明的外观。

3.3。力学特性

所有薄膜样品的力学参数如表所示2。生物活性膜样品显示显著降低TS和EB比WGN5样本。根据类似的结果(2,33,34),提取或精油(即。,oregano or cloves oils) caused rearrangement in the polymer network (e.g., alginate and gelatin) and in some cases, these oils are replaced instead of protein molecules in the polymer matrix. Hence, molecular interactions dropped out and a more discontinuous structure was created in comparison with the control film samples, resulting in the reduction of both TS and EB of samples. Meanwhile, Lee et al. reported that, by incorporating marjoram oil into gelatin films, TS and EB were enhanced and reduced, respectively [2]。作者认为这种效应中酚类化合物的类型和数量存在不同的油,导致不同的油和聚合物之间的相互作用矩阵,生物活性影片中创建不同的机械行为。在这个研究中,更高的TS和EB观察更高浓度的开放,作为精油是疏水的32)可能由于开放之间的相互作用和疏水聚合物基质的域,提取分子渗透的聚合物网络,占据了洞,这样更多的连续结构。聚合物的疏水氨基酸的数量低于亲水的(35),聚合物矩阵可以被认为是更亲水而不是疏水。可能的原因聚合物之间的弱相互作用和疏水的提取是在开放的低浓度。

存在TPP WGN-21-TPP电影导致EB的减少和增加抗拉强度与WGN-21样本相比,虽然不是很多。

3.4。抗菌活性

抗菌活性WPI-gelatin电影含有橙皮提取物对革兰氏阴性细菌(大肠杆菌)存在于肉类和奶酪产品和一个革兰氏阳性细菌(例如,金黄色葡萄球菌表所示)3。观察到,电影和样品开放显示抵抗大肠杆菌及其阻力增加更高浓度的提取,这意味着WGN-21的抗菌效力为92.39%显示其良好的增强的保质期食品包装的应用程序的能力。的有效成分橙皮中提取柠檬烯(36,37]。对大肠杆菌的抵抗机制是干扰细菌的细胞质膜(38]。相比之下,没有观察到对抗菌阻力金黄色葡萄球菌。金黄色葡萄球菌是一个最常被分离出来的细菌和病原体在国内冰箱39]。这也许可以解释为什么它显示阻力橙皮中提取。然而,这是形成鲜明对比等进行了研究[32)报道,自然提取物对革兰氏阳性细菌更有效。其他文献报道认为柑橘提取物对革兰氏阳性细菌没有抗菌效果。在另一个文学,同等影响观察两种类型的细菌。这些相互矛盾的结果通过提取成分的多样性(39]。

4所示。结论

抗菌bionanocomposites开发基于WPI-gelatin使用纳米黏土Cloisite 30 b,开放,和TPP作为抗菌和交联剂,分别。结合电影组成的开放导致了伟大的抗菌抗革兰氏阴性大肠杆菌,特别是对于更高的开放内容,但不是为革兰氏阳性金黄色葡萄球菌。此外,即使增加开放导致透明度,减少,然而,增加电影的灵活性。TPP的存在很可能改善之间的混溶聚合物基质和开放导致更加透明,紧凑、流畅的结构。然而,作为一个限制它导致无意义的抗菌活性下降。在未来的研究工作,开放的更高浓度的影响电影的机械和抗菌性能,同时保持透明度的属性可以被研究。

,因此,生物可降解和抗菌WPI-gelatin-OPE纳米复合材料在食品包装的应用程序有一个巨大的潜力几乎长期存储。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这种援助的Tarbiat Modares大学里和伊朗纳米技术项目委员会是极大地承认。

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