Удовлетворенность клиентов и необходимость снижения загрязнения окружающей среды привели к поиску биоразлагаемых и активных упаковочных материалов из-за растущего спроса на высококачественные продукты питания. Благодаря добавлению функциональных агентов для продления срока годности при сохранении качества продуктов питания активная упаковка продуктов питания имеет большие перспективы. В этом исследовании был использован простой подход для разработки композита оксида железа (PFX) на основе пектина и ксантановой камеди для покрытия пищевых продуктов. FT-IR и Рамановская спектроскопия подтвердили формирование композита, а анализ SEM описал морфологию поверхности подготовленных материалов. Между тем, подготовленный композит показал хорошие результаты в различных исследованиях, таких как диапазон скорости пропускания водяного пара от 2,6 до 10,05 г/м 2 ч в течение 8 дней, замечательная антибактериальная активность против четырех штаммов бактерий, связанных с пищевыми продуктами, коэффициент набухания 266% в течение 12 ч и скорость гемолиза 1,92% при 100 мкг/мл в тесте на гемосовместимость. Испытания на растяжение также показали максимальную силу 44 Н и напряжение 22 МПа. Прежде всего, испытания срока годности с образцами яблок и гуавы показали, что этот композит PFX имеет многообещающий потенциал для использования в упаковке пищевых продуктов.
1. Введение
Растущая глобальная угроза углеродного следа не только повышает глобальную температуру, но и наносит серьезный ущерб нашей экосистеме. Из-за этого люди во многих странах умирают из-за нехватки продовольствия и недоедания. В нынешней ситуации нехватки продовольствия нам необходимо обеспечить как минимум качественное питание. Чтобы обеспечить качество продуктов питания, в последние десятилетия люди использовали системы упаковки пищевых продуктов. От промышленного производства до потребителей системы упаковки пищевых продуктов исторически считались простыми контейнерами, которые сохраняют пищевую ценность и органолептические качества. Однако, несмотря на их прочные механические свойства, доступность, долговечность и барьерные свойства для газа/жидкости, широкое использование синтетических пленок на основе нефти загрязнило окружающую среду из-за их чрезвычайно медленной деградации, вызывая «белое загрязнение».(1)
По мере того как растет обеспокоенность потребителей состоянием окружающей среды, они ищут более безопасную, полезную и экологичную упаковку, обладающую улучшенными характеристиками, такими как более длительный срок хранения.(2) Способность съедобных покрытий переносить активные ингредиенты и их благоприятные экологические качества сделали их популярными заменителями традиционной упаковки. Среди основных упаковочных систем, использующих съедобные материалы, упоминается съедобное покрытие или пленка. Было показано, что многочисленные пищевые продукты выигрывают от съедобных пленок и покрытий с точки зрения их механических качеств, вкусовых ощущений, микробиологической защиты, барьеров для газа и влаги, а также срока годности.(3−5) Кроме того, существует постоянная потребность в свежих продуктах, сохраняющих естественные качества продуктов питания, чтобы удовлетворить спрос на мировом рынке, который становится все более и более разборчивым. Поэтому новые упаковочные материалы и характеристики крайне необходимы в пищевой упаковке, чтобы удовлетворить предпочтения потребителей и экологические проблемы.
В настоящее время полимеры используются в качестве материалов для упаковки пищевых продуктов по всему миру благодаря их превосходному соотношению производительность/стоимость и адаптивности. Однако большинство полимеров для упаковки пищевых продуктов поступают из невозобновляемых источников и не являются биоразлагаемыми или компостируемыми, что представляет угрозу для окружающей среды во всем мире и оказывает негативное воздействие на окружающую среду.(2,5) ВОЗ утверждает, что пластиковые отходы растут с поразительной скоростью и вызывают загрязнение, которое оказывает негативное влияние на экосистемы и здоровье человека. Поэтому миру необходимо создать недорогие, легкодоступные и экологически чистые заменители упаковочных материалов для пищевых продуктов. Биополимеры часто называют четвертым поколением упаковочных материалов, а также углеродно-отрицательными материалами, которые стали наиболее перспективным вариантом из-за их биоразлагаемости, технологичности и совместимости с пищевыми продуктами.(1) Липиды, белки и полисахариды являются основными источниками биополимеров. Из-за их естественного изобилия и относительной доступности по сравнению с другими биополимерами полисахариды становятся все более и более известными среди них для их потенциального использования в покрытиях и полимерных матрицах. Поскольку полисахариды возобновляемы и биоразлагаемы, они являются прекрасными кандидатами для экологически чистой упаковки. Из-за их адаптивности их можно безопасно употреблять вместе с пищей, которую они защищают, что делает их идеальными для использования в съедобных пленках.(1,5) Полисахаридные пленки известны своим безмасляным внешним видом, безвкусностью и прозрачностью. Поэтому их предпочитают использовать в пищевой упаковке.(6) Пектин (Pec), природный полисахарид, привлек интерес как перспективный материал в этой области из-за его способности образовывать пленки и его преимуществ для окружающей среды. Разработка и использование полисахаридов, вероятно, будут иметь решающее значение для снижения воздействия загрязнения окружающей среды, а потребительский спрос на устойчивую упаковку для пищевых продуктов продолжает расти.(7) Такие качества Pec, как нетоксичность, биоразлагаемость и биосовместимость, делают их лучшим выбором в качестве активных упаковочных пленок для сохранения и обеспечения безопасности пищевых продуктов. Кроме того, Pec демонстрирует многообещающие возможности в качестве нутрицевтического ингредиента и адаптивности к созданию наноэмульсий для доставки лекарств, что позволяет контролировать и целенаправленно высвобождение терапевтических агентов.
В целом пленки на основе ПЭК, используемые в упаковке пищевых продуктов, способны значительно продлить срок годности продуктов питания, обеспечить контроль за перемещением воды, подавить рост микроорганизмов и замедлить окисление липидов, что является важнейшими качествами для сохранения качества продуктов питания.(59−61) Структура пека содержит уроновую кислоту, что придает ему присущие антибактериальные качества, которые улучшают его способность сохранять пищу. Сделав полезные структурные изменения, эти антибактериальные свойства можно усилить, добавив еще одну линию защиты от порчи. Многочисленные гидроксильные (−OH) и карбоксильные (−COOH) группы в PEC позволяют легко функционализировать его или модифицировать другими биоактивными веществами, что позволяет создавать индивидуальные упаковочные решения с улучшенными качествами.(8−10) Поэтому Pec часто смешивают с другими натуральными полимерами и биоактивными веществами для производства композитных материалов для пищевых покрытий с целью улучшения функциональных и механических качеств упаковки. Эти преимущества Pec делают их идеальными для разработки эффективных и экологически чистых решений для упаковки пищевых продуктов.(11)
Как и Pec, камеди и углеводы из устойчивых источников также получают признание в секторе продуктов питания за их роль в съедобном покрытии. В частности, ксантановая камедь (XG), встречающийся в природе экзополисахарид, стала важной пищевой добавкой и хорошо известна тем, что обеспечивает текстуру, вязкость, высвобождение вкуса, внешний вид и свойства регулирования воды. Поэтому ее можно использовать различными способами, особенно для улучшения сенсорной привлекательности пищи.(62−64) Кроме того, XG является мощным эмульгатором, который улучшает реологические характеристики пищевых продуктов, такие как псевдопластичные свойства, которые улучшают текучесть и растекаемость за счет снижения вязкости по мере увеличения скорости сдвига. Кроме того, при определенных обстоятельствах XG демонстрирует ньютоновские характеристики, которые повышают стабильность и консистенцию рецептур, придавая текстуру съедобному покрытию.
Эффективность съедобных покрытий на основе XG помогает сохранить качество и свежесть скоропортящихся пищевых продуктов, создавая барьер, контролирующий потерю влаги и подавляющий рост микроорганизмов.(62) Применение XG в съедобных покрытиях предлагает практичный способ сохранения продуктов питания, что делает их идеальными натуральными, экологически чистыми материалами для упаковки пищевых продуктов.(12−15) При тщательной оценке пленки для упаковки пищевых продуктов на основе Pec и XG обладают сильными антимикробными свойствами. Они также могут быть более эффективными, если их комбинировать с другими функциональными ингредиентами, такими как фенольные соединения, свободные жирные кислоты (FFA), наноматериалы, эфирные масла (EO) и другие биоактивные вещества.(7) При добавлении наночастиц к пленкам на основе PEC улучшаются механические, термические и антибактериальные свойства. Это улучшение достигается за счет того, что в мембране микробной клетки образуется множество ямок, которые позволяют внутриклеточным компонентам просачиваться наружу и в конечном итоге нарушают целостность микробной клетки. Кроме того, наночастицы производят активные формы кислорода (ROS), которые денатурируют липиды и белки и повышают эффективность антимикробной активности.
Учитывая эти преимущества, мы предлагаем добавлять наночастицы оксидов металлов в матрицу натурального полимера для улучшения общих антимикробных, барьерных, механических и антиоксидантных свойств упаковочного материала.(66,67) Хотя в упаковочных приложениях использовались наночастицы металлов и оксидов металлов, включая оксид цинка, диоксид титана и серебро, мы решили подготовить наш композит с использованием наночастиц оксида железа (Fe 2 O 3 ). Гематит (α-Fe 2 O 3 ) является стабильным и недорогим полупроводником n-типа, а также хорошо известен своими мощными антибактериальными свойствами, нетоксичностью и активностью, имитирующей ферменты.(16,17) Согласно исследованиям, наночастицы гематита могут вызывать микробную токсичность несколькими способами, например, изменяя потенциал клеточных мембран, производя активные формы кислорода (ROS), которые окисляют липиды и повреждают ДНК, и высвобождая ионы металлов, которые мешают координации белков и нарушают клеточный гомеостаз. Интересно, что по сравнению с обычными наночастицами магнетита, наночастицы гематита обладают более сильным антибактериальным эффектом.Даже при наличии у Fe 2 O 3 NPs антибактериальных свойств, такие проблемы, как агрегация, поверхностное окисление и дефицит функциональных групп, все еще существуют. Добавляя органические и неорганические поверхностно-активные вещества, такие как биополимеры, можно улучшить дисперсию наночастиц оксида железа в биологических системах, чтобы преодолеть эти ограничения. Таким образом, для получения композитного материала с улучшенными качествами мы смешали Fe 2 O 3 NPs с двумя различными полисахаридами: Pec и XG.
Мы синтезировали биокомпозит с Pec, XG и Fe 2 O 3 NP (PFX) с учетом всех этих факторов. До сих пор эта комбинация материала PFX еще не была представлена. Насколько нам известно, это первая работа, которая выполнила двойную функциональность пищевого покрытия и консервации с помощью низкотоксичного устойчивого биоматериала (PFX). Были оценены поведение набухания композита PFX, скорость пропускания водяного пара, гемосовместимость и антимикробная активность. Наконец, образцы яблок и гуав использовались для проверки предлагаемого использования композита в пищевой упаковке с течением времени. Это доказывает, что материал PFX является лучшим вариантом для применения в качестве пищевого покрытия для продления срока годности. Графическое резюме ниже показывает общее представление всей работы.
2. Материалы и методы
Далее: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/
Авторские права © 2025 Американское химическое общество
1155 Шестнадцатая улица, северо-запад. Вашингтон, округ Колумбия 20036