Électrofilage de nanofibres de carboxyméthylchitosane/oxyde de polyoxyéthylène pour la conservation des fruits

Contexte

Le développement des films et revêtements de protection des aliments est passé des traitements physiques ou mécaniques à la protection chimique. Les gens se concentrent sur les matériaux biologiques les plus comestibles tels que les protéines, les lipides et les polysaccharides au lieu des films protecteurs traditionnels comme le plastique, les papiers et la paraffine [1, 2]. Avec la prise de conscience croissante de la protection de l'environnement, les enrobages et films comestibles peuvent être largement utilisés dans les aliments, en particulier pour les fruits et les légumes qui ont besoin d'une fraîcheur maintenue très efficace. Un simple revêtement, même une fine couche de membrane avec certaines caractéristiques spécifiques, peut obtenir de meilleurs effets [3]. Le chitosan convient parfaitement aux aliments en raison de sa biodégradabilité, de sa biocompatibilité, de son activité antimicrobienne, de sa non-toxicité, de ses propriétés chimiques et physiques polyvalentes [4, 5] et de sa propriété antibactérienne unique, de sa résistance à la pourriture et de sa propriété filmogène, il a été largement utilisé en médecine, textile et alimentaire [6,7,8,9]. En particulier, le chitosane peut être dérivé des matières premières des carapaces de vers à soie, de crevettes et de crabes, qui sont largement et abondamment distribuées dans la nature [10].

L'électrofilage, qui fabrique en continu des membranes nanofibreuses souples [11, 12], peut offrir une protection douce aux fruits. Cela peut aider à résoudre les problèmes de stockage et de transport de certains fruits tels que la fraise, les tomates cerises et le kumquat. Avec une couche de nanofibres douces, la surface du fruit peut être protégée des invasions extérieures, comme l'introduction de bactéries et de rayures. Dans plusieurs études, une solution concentrée d'acide acétique a été utilisée comme solvant pour le filage électrolytique de nanofibres de chitosane, et des nanofibres électrofilées de carboxyméthylchitosane (CMCS) ont été préparées en utilisant de l'eau déminéralisée comme solvant [13,14,15]. De l'oxyde de polyoxyéthylène (PEO) soluble dans l'eau a également été ajouté à la solution CMCS comme adjuvant pour optimiser le processus d'électrofilage [16], qui est reconnu comme un polymère non toxique [17,18,19].

Récemment, une stratégie de conservation des fruits à base de chitosane a été décrite en peignant une solution de chitosane sur la surface du fruit pour former un film humide, mais il existait quelques méthodes pour évaluer les membranes fibreuses basées sur l'électrofilage [20,21,22]. Cependant, le film d'enrobage humide assure un contact entre la peau du fruit et l'humidité de l'air, offrant ainsi une opportunité pour la croissance des bactéries et la perte d'humidité. De plus, cette méthode d'enrobage nécessite un séchage tout au long du processus, ce qui endommage davantage le fruit. Dans ce travail, nous utilisons un nouveau type de dispositif d'électrofilage portatif pour la préparation de films de nanofibres CMCS/PEO non toxiques et comestibles (Fig. 1) [5, 23]. Le but de cette recherche est d'évaluer l'application potentielle des films de nanofibres de chitosane dans la conservation des fruits et d'améliorer la qualité des enrobages traditionnels et de prolonger la durée de conservation des fraises.

Schéma de la méthode de préparation de la membrane en nanofibres CMCS/PEO pour la conservation des fraises

Méthodes/Expérimental

Matériaux

Des fraises de table cultivées biologiquement ont été récoltées dans le district de Laoshan (Qingdao, Chine) et emmenées au laboratoire dès que possible ; les résidus ont été éliminés avant le revêtement. Les fraises sélectionnées sont celles qui ne présentent pas de rayures de danger mécanique et qui ont une taille, une forme et une maturité similaires. Le CMCS (Mw 80 000   ~ 250 000) avec 95 % de N-désacétylation a été acheté auprès d'Aoduofuni (Nanjing, Chine). PEO (Mw ~5 000 000 ) a été acheté auprès d'Aladdin.

Préparation de la solution de filage

Le tableau 1 montre les détails des différents ratios des solutions mélangées contenant du CMCS, du PEO et de l'eau déminéralisée. En bref, 3,0 g de CMCS ont été mélangés avec 0,16 g, 0,20 g et 0,25 g de PEO, respectivement. Ensuite, ils ont été mis dans 40,0 g d'eau déminéralisée dans une bouteille de 100 ml. Une agitation magnétique a été appliquée pendant environ 4 h à température ambiante jusqu'à ce que les solutions deviennent transparentes et homogènes.

Préparation de membranes en nanofibres

Les membranes en fibres composites ont été préparées comme suit :40 % d'humidité relative, distance de l'aiguille de la seringue au collecteur de 20 cm et tension de rotation appliquée de 20 kV. Dans ce travail, un dispositif d'électrofilage portatif conçu par Qingdao Junada Technology Co. Ltd. a été utilisé pour préparer des membranes en nanofibres CMCS/PEO. La figure 1 montre le schéma de principe de la technique de préparation et du processus d'électrofilage.

Caractérisation des membranes e-spun

Les morphologies et diamètres des nanofibres ont été caractérisés par une microscopie électronique à balayage (MEB; Phenom Pro). La structure intermoléculaire du polymère a été déterminée par un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). La respirabilité a été mesurée par un testeur de taux de transmission de gaz (FX 3300 ; Zurich).

Préparation du processus de conservation

Les fraises ont été divisées en quatre groupes au hasard. Chaque groupe avait six fraises dans une boîte de culture. Le premier groupe a été complètement exposé à l'atmosphère en tant que groupe témoin à blanc. Le deuxième groupe était enveloppé d'un film plastique de polyéthylène domestique ordinaire. Le troisième groupe a été peint avec la solution d'électrofilage (PEO :CMCS =1:20) pour former une couche protectrice avec une surface de glaçure extérieure. Dans ce groupe, l'échantillon a été soigneusement séché pour former un film protecteur. De plus, une membrane en nanofibres CMCS/PEO électrofilée a été utilisée pour couvrir le dernier groupe. Enfin, ces groupes ont été placés à température ambiante sans soleil, observés et enregistrés à la même heure chaque jour. La figure 2 est un diagramme schématique de la conservation des fraises.

Le schéma de principe de la conservation des fraises dans chaque groupe :a groupe témoin vierge dans une boîte de culture, b groupe en boite de culture recouverte d'un film plastique, c groupe avec des revêtements en solution CMCS/PEO sur les surfaces de fraises individuelles, et d groupe dans une boîte de culture recouverte d'un film nanofibre CMCS/PEO électrofilé

Résultats et discussion

Analyse morphologique

Bien que la solution CMCS pure ait une viscosité élevée pouvant atteindre jusqu'à 400-800 mPa ∙ s, il est encore difficile de former des fibres par des champs électrostatiques. L'obstacle provient de la structure moléculaire et de la solubilité de la chitine et du chitosane, en particulier pour le CMCS. Pour cette raison, le liant polyol facilitant la formation de fibres tel que le PEO a été ajouté à la solution CMCS. Sous la tension appliquée, un cône de Taylor clair a été observé pour les solutions CMCS/PEO dans la plage de concentration de 2,5 à 7,5 % en poids (Fig. 1). La figure 3 montre les images SEM et la distribution des diamètres de fibres des fibres composites CMCS/PEO avec différents rapports. Ces fibres composites ont une morphologie cylindrique avec des diamètres de fibre d'environ 130 à 400 nm.

Images SEM et distribution de diamètre de fibre de l'électrofilage obtenu à partir de solutions de a PEO :CMCS =1:24, b PEO :CMCS =1:18, et c PEO :CMCS =1:12

Lorsqu'une plus petite quantité de PEO était mélangée avec du CMCS, comme le montre la figure 3a (PEO :CMCS =1:24), les fibres étaient plus minces et inhomogènes avec un diamètre de 130 à 280 nm. Pour la solution avec PEO :CMCS =1:18, le diamètre moyen des fibres était d'environ 210 nm, et une certaine conglutination entre les fibres relativement grossières a été observée sur la figure 3b. Au fur et à mesure que le rapport du PEO augmentait (PEO:CMCS =1:12), des fibres assez homogènes avec un diamètre moyen de 290 nm ont été obtenues (Fig. 3c). La membrane en nanofibres avec un rapport de 1:12 de PEO/CMCS a été choisie comme film d'emballage, car la solution de 1:12 de PEO/CMCS a une viscosité plus appropriée pour l'électrofilage et il est plus facile de former un film nanofibreux complet à couvrir le fruit, et le film électrofilé a une intensité de respiration plus uniforme en raison des micropores de taille uniforme selon les images SEM.

Spectroscopie infrarouge

La figure 4 montre les spectres FTIR de la poudre CMCS électrofilée et des nanofibres composites CMCS/PEO. Les fréquences et les affectations pour le CMCS vierge sont indiquées comme suit :les pics à 1320 cm ⁻¹ , 1137 cm ⁻¹ , et 1050 cm ^− 1 provenaient respectivement de la vibration de flexion C–H, de la liaison glycosidique C–O–C et de la vibration d'étirement C–O du CMCS. Dans les spectres, de nouveaux pics à 1603 cm ⁻¹ caractéristique du sel d'acide carboxylique (–COO– étirement asymétrique et symétrique) est apparue, tandis qu'un pic d'épaule autour de 1650 cm ⁻¹ indicatif du groupe amino. Bien que certaines différences entre les deux chiffres aient été observées, les deux ont montré les pics caractéristiques de base pour CMCS à 3423 cm ⁻¹ (étirement O–H) et 2960–2970 cm ⁻¹ (étirement C–H). Nous pouvons voir que les spectres FTIR n'avaient pas changé par un ajout du PEO, ce qui indiquait qu'il n'y avait pas de changement évident de structure entre la poudre CMCS et CMCS/PEO.

Spectres FTIR du a poudre électrofilée CMCS et b membrane en nanofibre composite CMCS/PEO électrofilée

Test de perméabilité à l'air

De nombreuses études ont montré que la perméabilité est un facteur important pour la conservation des fruits. La membrane microporeuse permet de favoriser les échanges gazeux à l'intérieur et à l'extérieur de l'emballage, de réguler la concentration en O₂ et CO₂ , et faire en sorte que les fruits et légumes emballés aient un bon environnement de stockage, garantissant ainsi leur qualité ou étant moins affectés [24]. La certaine perméabilité du film plastique peut maintenir la concentration appropriée en CO₂ dans l'espace confiné. La formation d'une atmosphère de stockage peut inhiber la respiration des légumes et prolonger la durée de conservation. À condition que la respirabilité soit trop élevée, il est facile d'augmenter la teneur en oxygène de l'emballage, accélérant la respiration des fruits, vieillissant plus rapidement, brunissant et décolorant gravement [25]. De même, une mauvaise perméabilité à l'air ou une mauvaise étanchéité à l'air peut entraîner une production anaérobie d'alcool dans les fruits, ce qui aggrave finalement la pourriture des fruits. [26]. De toute évidence, la perméabilité des membranes en nanofibres diminue avec l'augmentation de l'épaisseur du film. Dans cette expérience, une membrane composite en nanofibres PEO/CMCS avec un rapport de 1:12 et un film plastique ont été sélectionnés pour le test de perméabilité. Le principe de base du test de l'appareil utilisé ici est le suivant (Fig. 5a). La différence de pression de gaz aux deux extrémités d'un tube circulaire est contrôlée, 200 Pa dans ce cas. Mesurez ensuite le débit d'air à la sortie d'air, de sorte que plus la résistance de l'air est grande, plus la vitesse de l'air est faible. Dans la même situation, le résultat de la mesure du film plastique était de 0 mm s ⁻¹ . D'après la littérature, nous savons que la perméabilité à l'air du nylon et d'autres tissus est comprise entre 100 et 300 mm s ⁻¹ en moyenne [27]. Dans la mesure de 200 Pa et 20 cm ² , la valeur mesurée de la nanofibre composite PEO/CMCS uniformément répartie dans les 40 à 50 mm s ⁻¹ (Fig. 5), indiquant que la membrane composite CMCS/PEO avait une perméabilité à l'air uniforme. Dans cet essai, l'épaisseur moyenne du film était de 0,108 mm. D'une manière générale, cette respirabilité est adaptée à une utilisation comme matériau d'emballage avec fonction de conservation.

La perméabilité à l'air de a schéma de principe du montage expérimental et b la membrane en nanofibres PEO/CMCS de perméabilité à l'air avec un rapport de 1:12. Les données se concentrent sur 45 mm s ⁻¹ . La ligne rouge est un guide pour les yeux

Test antibactérien

Actuellement, de nombreuses études se sont concentrées sur la propriété antibactérienne du chitosane, mais moins sur la propriété antibactérienne du CMCS. Le chitosan a un effet inhibiteur significatif sur de nombreuses bactéries et champignons, tels que Escherichia coli et Staphylococcus aureus , qui sont tous deux responsables de la détérioration des fruits [28]. Selon l'enquête, bien que la capacité antibactérienne du CMCS ne soit pas directement proportionnelle à sa concentration, le CMCS a montré la plus forte capacité antibactérienne à la concentration appropriée [29]. Il est particulièrement souligné que l'aminé du CMCS pourrait inhiber les bactéries après que le CMCS a été dissous dans la solution en combinant l'anion [30, 31]. Du point de vue de la bactériostase, les nanofibres CMCS électrofilées conviennent comme matériau d'emballage alimentaire antimicrobien, même si leur solubilité dans l'eau limite le domaine d'application. Comme le montre la figure 6, nous avons effectué des expériences antibactériennes sur du papier filtre et des membranes en fibre CMCS en utilisant Escherichia coli et Staphylococcus aureus , respectivement. Les résultats ont montré que la membrane en nanofibres CMCS/PEO avait un effet inhibiteur évident sur ces deux types de bactéries et formait un large anneau antibactérien après 18 h d'entraînement. Cependant, les deux groupes témoins n'ont eu aucun effet bactériostatique en (a) et (b). Il est à noter que les anneaux bactériostatiques n'étaient pas uniformes sur les Fig. 6c, d en raison de la solubilité dans l'eau et de la fluidité du CMCS.

L'inhibition des nanofibres CMCS/PEO sur Staphylococcus aureus et Escherichia coli . un Staphylococcus aureus avec papier filtre (contrôle), b Escherichia coli avec papier filtre (contrôle), c Staphylococcus aureus avec des nanofibres CMCS/PEO, et d Escherichia coli avec nanofibres CMCS/PEO

Pourcentage de perte de poids

Le rapport de perte de poids peut être calculé à partir de la formule suivante :

Perte de poids (%) \( =\frac{M_0-M}{M_0}\times 100\% \),

où M ₀ est le poids frais des fraises (les fraises sont conservées pendant 0 jour) et M est le poids des échantillons stockés pour différents jours.

Les poids des différents groupes de traitement ont été mesurés à différents temps de stockage. Comme le montre la figure 7, le groupe témoin à blanc a connu une accélération de la perte de poids, qui peut être attribuée à une augmentation de l'activité métabolique du fruit. Par rapport au groupe témoin à blanc, les fruits traités avec emballage par film plastique ont une perte de poids assez faible du fait de la compacité du film plastique. Apparemment, nous nous sommes concentrés sur le groupe du film de revêtement CMCS/PEO dont la perte de poids est plus sévère. Dans ce cas, malgré la formation de la couche CMCS/PEO, il en résulte un contact physique et direct entre l'humidité et la surface du fruit. Au contact des deux, l'humidité a détruit la couche de protection naturelle la plus externe des fruits, ce qui a entraîné une accélération du taux de perte d'eau à l'intérieur. Pour le groupe recouvert d'un film de nanofibres CMCS/PEO électrofilé, il a montré une assez bonne rétention d'eau par rapport au groupe témoin blanc et il n'y a pas eu beaucoup d'effets du film que les matières premières soient hydrosolubles.

Les taux de perte de poids des fraises dans différents groupes pendant le stockage à température ambiante

Test de conservation des fruits

En ce qui concerne la conservation au frais des fruits, les propriétés sensorielles sont clairement une caractéristique importante comme critère d'évaluation. Les propriétés sensorielles initiales (jour 0) (couleur, odeur et texture) de ces quatre échantillons sont présentées comme une consistance dans la même mesure (Fig. 8a). Comme on peut le voir sur la figure 8, tout au long du stockage, les couleurs ont été atténuées à divers degrés dans tous les traitements. L'aspect initial plein et brillant du groupe témoin blanc avait en grande partie disparu et 70 % des fruits avaient commencé à pourrir, car les fraises finement pelées et riches en jus étaient extrêmement vulnérables mécaniquement, notamment à la perte d'eau. L'exemple appliqué montre que le volume a manifestement été réduit dans une certaine mesure, avec une diminution de la qualité de 19,59 à 11,10 g pour une moyenne de contrôle (Fig. 8b). L'emballage en PE a eu certaines implications dans la gestion de la prévention et du contrôle de la déshydratation. Sur la figure 8c, les fraises s'étaient fanées pendant quelques-unes, la couleur s'est assombrie et le mildiou est apparu de la part de l'individu. Il est à noter que le groupe de revêtements de peinture CMCS/PEO est principalement en train de foncer et de brunir (Fig. 8d). Le brunissement est principalement dû à la dégradation oxydative de l'acide ascorbique. Comme mentionné ci-dessus, le groupe de ceux décorés avec des revêtements de peinture avait détruit la peau et les couches de couverture des fruits semblent en mauvais état, car la peau n'était pas lisse et un rétrécissement important, mais sans aucune pourriture. Les résultats ont montré que le film de nanofibres CMCS/PEO électrofilé était efficace pour prévenir les maladies et la pourriture et améliorer l'apparence des fruits dans le stockage de la Fig. 8e. Tout comme les autres groupes, les fraises de ce groupe avaient également un peu de retrait et une saveur aromatique. Les causes du mauvais goût, en général, peuvent être liées à la prolifération microbienne et à l'accumulation de sucre.

Les fraises initiales a et les effets de différents traitements sur l'aspect de fraises de même calibre après 6 jours de stockage à température ambiante :b contrôle vierge, c protégé par un film plastique, d protégé par des revêtements de peinture CMCS/PEO, et e protégé par un film nanofibre CMCS/PEO électrofilé

Conclusions

En résumé, nous avons développé une membrane en nanofibres CMCS/PEO non toxique et comestible qui a non seulement montré l'excellente propriété antimicrobienne, mais également une perméabilité à l'air admirable grâce au dispositif d'électrofilage portatif. La membrane en nanofibres CMCS/PEO a présenté une capacité antibactérienne à la fois contre Escherichia coli et Staphylococcus aureus . La perméabilité aux gaz mesurée était sur une échelle de 40 à 50 mm s ⁻¹ dans le 200 Pa. Ces résultats indiquent que la membrane en nanofibres CMCS/PEO peut convenir comme matériau d'emballage pour les fruits. Comparé aux revêtements conventionnels typiques, le film de nanofibres peut avoir une applicabilité potentielle. Cette technologie respectueuse de l'environnement peut fournir une approche alternative au fruit dans la culture, le transport et la vente.

Abréviations

CMCS :

Carboxyméthyl chitosane

FTIR :

Transformée de Fourier infrarouge

PEO :

Oxyde de polyoxyéthylène

SEM :

Microscopie électronique à balayage