Entwicklung von Chitin-Nanofaserbeschichtungen zur Verlängerung der Haltbarkeit und zur Hemmung des Bakterienwachstums auf frischen Gurken

Aug 08, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13195 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die weit verbreitete Verwendung erdölbasierter Polymere als Einwegverpackungen hat schädliche Auswirkungen auf die Umwelt. Hierin haben wir nachhaltige Beschichtungen aus Chitin-Nanofasern (ChNF) entwickelt, die die Haltbarkeit frischer Gurken verlängern und das Wachstum pathogener Bakterien auf ihren Oberflächen verzögern. ChNFs mit unterschiedlichem Acetylierungsgrad wurden erfolgreich durch Deacetylierung mit NaOH mit Behandlungszeiten von 0–480 Minuten hergestellt und durch mechanisches Mischen defibrilliert. Mit längeren Deacetylierungsreaktionszeiten wurden mehr Acetamidogruppen (–NHCOCH3) in Chitinmolekülen in Aminogruppen (–NH2) umgewandelt, die den ChNFs antibakterielle Eigenschaften verliehen. Die ChNF-Morphologien wurden durch die Reaktionszeit der Deacetylierung beeinflusst. Für 240 Minuten deacetylierte ChNFs hatten eine durchschnittliche Breite von 9,0 nm und Längen von bis zu mehreren μm, während bei einer Reaktionszeit von 480 Minuten stäbchenförmig strukturierte ChNFs mit einer mittleren Breite von 7,3 nm und einer durchschnittlichen Länge von 222,3 nm erhalten wurden. Darüber hinaus haben wir eine eigenständige ChNF-Beschichtung zur Verlängerung der Haltbarkeit von Gurken demonstriert. Im Vergleich zu den stäbchenförmig strukturierten ChNFs zeigten die 120 und 240 Minuten deacetylierten ChNFs eine fibrillenartige Struktur, die den Feuchtigkeitsverlust von Gurken und die Wachstumsrate von Bakterien auf ihren Außenflächen während der Lagerung erheblich verzögerte. Mit diesen 120 und 240 Minuten lang deacetylierten ChNFs beschichtete Gurken zeigten eine geringere Gewichtsverlustrate von ⁓ 3,9 % am Tag im Vergleich zu den unbeschichteten Gurken, die eine Gewichtsverlustrate von 4,6 % am Tag 1 aufwiesen. Diese schützende Wirkung dieser erneuerbaren ChNFs birgt ein vielversprechendes Potenzial zur Reduzierung von Lebensmittelabfällen und der Verwendung erdölbasierter Verpackungsmaterialien.

Lebensmittelverpackungen, die im Allgemeinen aus erdölbasierten Polymeren wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt werden, spielen eine wichtige Rolle beim Schutz von Lebensmitteln vor äußeren physikalischen, mikrobiologischen und chemischen Einflüssen Schaden1,2,3. Dadurch bleiben die Qualität und Frische der Lebensmittel erhalten und die Lebensmittelverschwendung wird reduziert4,5. Aufgrund dieser Vorteile, die angesichts der COVID-19-Pandemie noch wichtiger geworden sind, wird geschätzt, dass die weltweite Lebensmittelverpackungsindustrie bis 2027 einen Wert von 464 Milliarden US-Dollar haben wird6,7. Der hohe Verbrauch von Verpackungen auf fossiler Basis und deren zeitaufwändige Abbaukinetik haben negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Tierwelt in Form von Deponieabfällen, Treibhausgasemissionen und Mikroplastik4,8,9,10. Daher hat die Entwicklung umweltfreundlicher und biologisch abbaubarer Verpackungsmaterialien als praktische Alternative große Aufmerksamkeit erregt6,9,11,12,13. Biopolymere wie Polysaccharide, Lipide und Proteine ​​sind aufgrund ihrer biologischen Abbaubarkeit, Biokompatibilität und Ungiftigkeit vielversprechende Materialien im Verpackungssektor3,7,9.

Chitin (Poly(β-(1-4)-N-acetyl-d-glucosamin)) ist nach Cellulose das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde14,15,16 und ist aufgrund seiner chemischen Stabilität, Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit von erheblichem Interesse. Ungiftigkeit und mechanische Eigenschaften17,18. Chitin ist ein halbkristallines Polymer mit einer mikrofibrillären Architektur, eingebettet in eine Proteinmatrix, die in den Exoskeletten von Arthropoden, einschließlich Garnelen, Krabben und Hummern, vorkommt10,14,15,19. Jede Chitin-Mikrofibrille besteht aus Nanofasern mit einer Breite von 2–5 nm und einer Länge von bis zu mehreren μm20,21,22. Chitin-Nanofasern (ChNFs) weisen eine überlegene Leistung mit einem Elastizitätsmodul von ⁓ 40 GPa, einer Festigkeit von 1,6 GPa und einer Dichte von 1–1,3 kg m−3 auf. Darüber hinaus wurde berichtet, dass ChNF-Filme aufgrund der hochkristallinen Struktur von ChNFs viel bessere Barriereeigenschaften (O2 und CO2) haben als kommerzielle PP-, PE- und PET-Filme23,24,25. Aufgrund dieser herausragenden Eigenschaften im Zusammenhang mit biologischer Abbaubarkeit und Nachhaltigkeit werden ChNFs in großem Umfang in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Nanokompositen, Membranen, Arzneimitteln, Beschichtungen und funktionellen Lebensmitteln2,20,22,26.

Krabben- und Garnelenschalen werden in der Fischindustrie im Allgemeinen als Lebensmittelabfälle behandelt10,27. In Thailand gibt es große Mengen an Garnelenschalenabfällen, die möglicherweise als Rohstoff für die Herstellung von ChNFs28 verwendet werden. Um individualisierte ChNFs aufzulösen, ist die hohe mechanische Kraft, die von einer leistungsstarken Maschine erzeugt wird (z. B. Hochdruckhomogenisierung und Mahlen), erforderlich, um die starke Wasserstoffbindung zwischen Nanofasern zu zerstören22,29. Allerdings verbraucht diese mechanische Bearbeitung viel Energie und verursacht hohe Kosten29,30. Ifuku et al.19 fanden heraus, dass ChNFs zwar erfolgreich aus Krabbenschalen mit einer industriellen Mühle hergestellt wurden, die Breitenverteilung der ChNFs jedoch in einem weiten Bereich von 10–100 nm lag. Ebenso konnte eine erfolgreiche Individualisierung von ChNFs nicht allein mit Ultraschall erreicht werden31. Daher wurde eine chemische Modifikation der Chitinoberfläche durchgeführt, um individualisierte ChNFs27 zu erhalten. Primäre Hydroxylgruppen an der C6-Position in Chitinmolekülen wurden durch 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl-Radikal (TEMPO)-vermittelte Oxidation selektiv in Carboxylatgruppen umgewandelt. Es wurde festgestellt, dass der Chitincarboxylatgehalt die elektrische Abstoßung zwischen Nanofasern mit anionischen Ladungen dominiert, was zur Individualisierung von ChNFs durch mechanische Behandlung führt27. Individualisiertere ChNFs wurden aus Chitin mit höherem Carboxylatgehalt erhalten27. Allerdings schränkt der hohe chemische Aufwand von TEMPO die weitverbreitete Nutzung dieses chemischen Weges ein. Es wurde auch berichtet, dass die Deacetylierung durch NaOH zum Ersetzen von Acetamidogruppen durch Aminogruppen in Chitinmolekülen die Wasserstoffwechselwirkung zwischen Chitinmolekülketten schwächt und so die Individualisierung von ChNFs unterstützt30,32. Machida et al.32 berichteten, dass ChNFs mit geringerer Breite durch die höhere Umwandlung von Acetamidogruppen in Aminogruppen durch Deacetylierung durch NaOH erhalten werden konnten. Es wurde auch vermutet, dass diese Aminogruppen über die Wechselwirkung zwischen protonierten Aminogruppen und negativen Resten auf bakteriellen Zellmembranen für antimikrobielle Eigenschaften wichtig sind33,34. Daher wäre die Anpassung der Anzahl der Aminogruppen auf der ChNF-Oberfläche durch Deacetylierung mit NaOH eine effiziente Methode, um individualisierte Nanofasern mit antimikrobiellen Eigenschaften zu erhalten.

Obwohl ChNFs durch verschiedene chemische Behandlungen aus den Exoskeletten von Krebstieren und Zellwänden von Pilzen hergestellt wurden3,32,35,36, wurden die Auswirkungen der Deacetylierungsreaktionszeit auf die Eigenschaften von ChNFs und die Effizienz von ChNFs als Die Beschichtung von Verpackungsanwendungen mit Lebensmittelkontakt ist weiterhin unbekannt. Hier berichten wir über die Eigenschaften von ChNFs, die aus Garnelenschalenabfällen mit unterschiedlichen Deacetylierungsreaktionszeiten hergestellt wurden. Die Auswirkung der Deacetylierungsreaktionszeit auf die Eigenschaften von ChNFs, einschließlich chemischer Struktur, Acetylierungsgrad (DA), Kristallinität, thermischen Eigenschaften, Zeta (ζ)-Potenzial, Morphologie und antimikrobiellen Eigenschaften, wurde bewertet. Anschließend wurden die ChNF-Suspensionen als eigenständige Beschichtungen aufgetragen, um die Haltbarkeit frischer Gurken zu verlängern, und der Feuchtigkeitsverlust und die mikrobiellen Aktivitäten der mit ChNF beschichteten Gurken wurden erstmals untersucht. Aufgrund ihrer vielversprechenden Leistung weist die nachhaltige und biologisch abbaubare ChNF-Beschichtung ein großes Potenzial für Nachernte- und Lebensmittelverpackungsanwendungen auf, was einen wirksamen Ansatz zur Reduzierung von Lebensmittelabfällen und dem Verbrauch von Einweg-Kunststoffverpackungen darstellt.

Getrocknete Garnelenschalen (Litopenaeus vannamei) wurden von Marine Bio Resource Co., Ltd. (Thailand) gekauft. Konzentrierte HCl (6 N) und Ethanol (99,5 %) wurden von Fujifilm Wako Pure Chemical Industries (Japan) geliefert. NaOH-Pellets (97 %) wurden von Nacalai Tesque Inc. (Japan) bereitgestellt. Die in dieser Studie verwendeten frischen Gurken (Cucumis sativus) wurden in einem örtlichen Supermarkt in Bangkok, Thailand, gekauft. Für die Experimente wurden sorgfältig Gurken mit einheitlicher Form und Farbe sowie ohne Anzeichen einer Pilzinfektion oder -schädigung ausgewählt. Die Experimente mit Gurken wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen durchgeführt.

Um ChNFs aus Garnelen-Exoskeletten zu extrahieren, wurde eine Reihe chemischer Behandlungsschritte angewendet20,27,37,38. Garnelenschalen wurden zunächst mit einem Mixer zu Pulver zerkleinert. Das Garnelenschalenpulver (80 g) wurde in 1200 ml 2 M HCl demineralisiert, 4 Stunden lang bei Raumtemperatur kräftig gerührt und mit destilliertem Wasser gewaschen, bis es neutral war. Die behandelten Pulver wurden anschließend 48 Stunden lang bei Raumtemperatur unter ständigem Rühren in 1000 ml Ethanol eingeweicht, um Pigmente zu entfernen, und dann mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen. Abschließend wurden die resultierenden Chitinpulver mit 30 % NaOH bei 90 °C für spezifische Behandlungszeiten von 120, 240 und 480 Minuten deacetyliert, neutralisiert und 24 Stunden lang bei 60 °C weiter getrocknet. Anschließend wurden die deacetylierten Chitinpulver mit destilliertem Wasser verdünnt und einige Tropfen Essigsäure in die 0,75 Gew.-%ige Chitinsuspension gegeben, um einen pH-Wert von ⁓ 3 zu erreichen. Chitin wurde unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsmischens (Stormmix-Mischer 3500 W, Thailand) defibrilliert ) bei 42.000 U/min für 7,5 Minuten. Dieser mechanische Zerfall wurde viermal in 15-Minuten-Intervallen wiederholt, um eine Überhitzung zu vermeiden. Die ChNF-Suspensionen wurden vor der Verwendung bei ⁓ 4 °C aufbewahrt. Die für 0, 120, 240 und 480 Minuten deacetylierten ChNF-Proben wurden als C0, C120, C240 ​​bzw. C480 bezeichnet.

Die FTIR-Spektren der ChNF-Proben wurden mit einem Nicolet iS5 FTIR-Spektrometer (Thermo Fisher Scientific, USA) mit einem abgeschwächten Totalreflexionsmodus aufgezeichnet. Die ChNF-Materialien wurden im Wellenzahlbereich von 600–4000 cm−1 mit einer Auflösung von 4 cm−1 mit 32 wiederholten Scans analysiert.

Strukturanalysen der deacetylierten ChNF-Proben wurden mittels Festkörper-13C-NMR-Spektroskopie (Bruker Avance III HD/Ascend 400 WB, USA) durchgeführt. Die NMR-Spektren wurden bei Raumtemperatur mit einer 13C-Frequenz von 100,6 MHz und einer Akkumulation von 4096 Scans aufgezeichnet. Die DAs der ChNF-Materialien wurden aus dem Integral (I) der Methylgruppe (CH3) und C-Atome (C1–6) der Chitin-Rückgratstruktur unter Verwendung der folgenden Gleichung39,40 bestimmt:

Die XRD der deacetylierten ChNF-Proben wurde mit einem Röntgendiffraktometer (D8 DISCOVERY, Bruker AXS, Deutschland) durchgeführt. Die ChNF-Proben wurden im 2θ-Bereich von 5–50° mit Cu-Kα-Strahlung (Wellenlänge 1,54 Å) gescannt, die bei einer Beschleunigungsspannung von 40 kV, einem Strom von 40 mA, einem Schrittanstieg von 0,02° und einer Schrittgeschwindigkeit von 0,8 s erzeugt wurde . Die Kristallinitätsgrade der ChNF-Proben wurden als Funktion der Deacetylierungsbehandlungszeit aus der Intensität des Beugungspeaks bei 19,6° (I110), der dem kristallinen Bereich entspricht, und der amorphen Fläche berechnet, die aus der Basislinienintensität bei 16,0 erhalten wurde ° (IAM) unter Verwendung der folgenden Gleichung27,41:

Die thermischen Stabilitäten der ChNF-Proben wurden mit einem Pyris 1 TG-Analysegerät (PerkinElmer, USA) bestimmt. Eine ChNF-Probe mit einem Gewicht von ⁓ 10 mg wurde 20 Minuten lang bei 110 °C gehalten, um Feuchtigkeit zu entfernen, und dann mit einer Heizrate von 10 °C min−1 und einem N2-Durchfluss von 50 ml min− auf 800 °C erhitzt 1.

Die Oberflächenladungen (ζ-Potential) der ChNF-Suspensionen (0,1 Gew.-%) wurden mittels dynamischer Lichtstreuung (Zetasizer, Nano ZSP, Malvern Panalytical Ltd., UK) bei 25 °C bestimmt.

Die Morphologien der deacetylierten ChNFs wurden unter Verwendung von TEM (JEM-1400, JEOL, Japan) überwacht, das bei einer Beschleunigungsspannung von 80 kV betrieben wurde. Ein Tropfen einer 0,01 Gew.-%igen ChNF-Suspension wurde auf ein Kupfergitter aufgetragen und 3 Minuten lang mit 1 % Uranylacetat angefärbt. Die durchschnittlichen Breiten und Längen der deacetylierten ChNFs wurden durch Messung von 100 einzelnen Nanofasern mit der ImageJ-Software bestimmt.

Frische Gurken wurden zunächst mit Leitungswasser gewaschen, um Schmutz zu entfernen, und mit einem Papiertuch trocken getupft. Anschließend wurden fünf Gurken mit jeweils 0,75 Gew.-% ChNF-Suspension (C0, C120, C240 ​​und C480) durch 2-minütiges Eintauchen in die Suspension beschichtet. Die beschichteten Gurken wurden 5 Minuten lang bei Raumtemperatur luftgetrocknet. Der Beschichtungsvorgang wurde für jede Gurke noch viermal wiederholt, um eine gleichmäßige und vollständige Beschichtung zu erhalten. Als Kontrollprobe dienten Gurken, die nach dem gleichen Verfahren mit destilliertem Wasser überzogen wurden. Die beschichteten Gurken wurden dann 5 Tage lang bei einer Temperatur von 30 ± 3 °C gelagert, um den Einfluss der ChNF-Beschichtungen auf die Verlängerung ihrer Haltbarkeit zu beurteilen. Gewicht und Aussehen der Gurken wurden täglich überwacht.

Die antimikrobiellen In-vitro-Aktivitäten der ChNF-Proben gegen Escherichia coli (E. coli ATCC 25922) und Salmonella Typhimurium (S. Typhimurium ATCC 13311) wurden mithilfe der Spot-on-Rasen-Methode42 bestimmt (Abb. 1a). Das Experiment wurde unter aseptischen Bedingungen durchgeführt. Jedes Bakterium wurde separat in tryptischer Sojabrühe (TSB) inokuliert und 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Eine 50-µL-Probe jeder Kultur wurde dann mit 5 ml geschmolzenem TSB-Weichagar (TSB + 1 % Agar) gemischt und auf eine TSB-Agarplatte gegossen. Sobald die Agarplatte befestigt war, wurden 10 µL der ChNF-Suspension (0,75 Gew.-%) auf die Agaroberfläche (dh den Indikatorrasen) getüpfelt. Die Kontrolle wurde hergestellt, indem die ChNF-Suspension durch 1 % Essigsäure ersetzt wurde. Anschließend wurde die Platte unter sterilen Bedingungen getrocknet und 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert. Eine klare Zone um den Fleck deutete auf eine Bakterienhemmung hin.

Schematische Darstellung des bakteriellen Challenge-Tests. (a) Bestimmung der antimikrobiellen Aktivität mittels Spot-on-Rasen-Methode; (b) Gurkenzubereitung und Bakterienbekämpfung; (c) Gestaltung der Gurkenbehandlungen.

Im zweiten Experiment wurden die antibakteriellen Aktivitäten der ChNF-Suspensionen gegen E. coli und S. Typhimurium auf Gurkenaußenflächen während der Lagerung bestimmt (Abb. 1b). Alle Schritte wurden unter aseptischen Bedingungen durchgeführt. Frische Gurken wurden vertikal halbiert und auf sterilen Aluminiumschalen angeordnet. Die Außenflächen der Gurke wurden 15 Minuten lang in einer Biosicherheitswerkbank mit ultravioletter Strahlung (UV) sterilisiert. Eine 2 × 2 cm2 große Fläche der Außenfläche der sterilisierten Gurke wurde mit 10 µL E. coli- oder S. Typhimurium-Suspension (7 log KBE mL-1 in sterilisierter 0,85 % NaCl-Lösung) beimpft und 10 Minuten lang in einer Biosicherheitswerkbank luftgetrocknet Mindest. Anschließend wurde ein 10-µL-Aliquot der ChNF-Suspension (0,75 Gew.-%) auf den inokulierten Bereich aufgetragen und bei Raumtemperatur unter sterilen Bedingungen getrocknet (Abb. 1c). Zur Kontrolle wurde die ChNF-Suspension durch ein gleiches Volumen 1 %iger Essigsäure ersetzt. Anschließend wurden die Schalen mit einer PE-Plastiktüte abgedeckt und bei 4 °C gelagert. Die Lebensfähigkeit von E. coli und S. Typhimurium auf den Gurkenaußenflächen wurde nach 0, 1, 3 und 7 Tagen Lagerung mithilfe eines Abstrichtests überwacht. Kurz gesagt, ein steriles Wattestäbchen wurde über die Außenfläche der beimpften Gurke gerieben und in 10 ml sterile normale Kochsalzlösung (0,85 % NaCl) gegeben. Anschließend wurde eine serielle Verdünnung durchgeführt. E. coli und S. Typhimurium (ausgedrückt als log KBE cm−2) wurden auf Chromocult Coliform-Agar (Merck, Deutschland) bzw. Xylose-Lysin-Desoxycholat-Agar (BD, USA) gezählt. Die Experimente wurden dreifach durchgeführt.

Die statistische Analyse wurde mit dem R-Paket (R.4.1.1) durchgeführt. Die statistische Signifikanz wurde auf α = 0,05 festgelegt. Die Mittelwertunterschiede wurden anschließend mit dem Duncan-Mehrbereichstest untersucht. Für den bakteriellen Belastungstest an den Gurken folgten die Daten und die logarithmisch transformierten Daten keiner Normalverteilung. Daher wurden die Daten des bakteriellen Belastungstests mit einer nichtparametrischen Kruskal-Wallis-Methode analysiert, gefolgt von Dunns nichtparametrischem Allpaar-Vergleich.

Die erfolgreiche Deacetylierung von ChNFs mit NaOH bei verschiedenen Behandlungszeiten wurde mittels FTIR bewertet (Abb. 2a). Der Peak, der der intra- und intermolekularen OH-Streckung entspricht, trat bei 3450 cm−1 auf, und NH-Streckung und NH-Sekundäramidschwingungen wurden bei den Peaks bei 3257 bzw. 3100 cm−1 beobachtet8,10,43,44. Darüber hinaus wurden Dubletts gefunden, die Amid I (C=O-Streckung) zugeschrieben werden, bei 1655 und 1620 cm−1 und die Amid II-Bande (N-H-Biegung) bei 1555 cm−1 und die Amid III-Bande (C-N-Streckung) bei 1310 cm−1 wurden beobachtet19,43,44,45. Bemerkenswert ist, dass die Absorptionsbande im Zusammenhang mit der Existenz von Protein (⁓ 1420 cm−1) nicht in allen ChNF-Materialien beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass die hier verwendeten mehreren chemischen Behandlungsschritte Proteine ​​entfernen und Chitinpartikel reinigen könnten10,19,44. Deacetylierte ChNF-Proben (C120, C240 ​​und C480) zeigten eine weniger intensive Absorptionsbande bei 1655 cm−1 (bezogen auf die Amidstruktur) als die nicht deacetylierte ChNF-Probe (C0). Mit zunehmender Behandlungsdauer der Deacetylierung nahm die Intensität dieser Amidbande allmählich ab, was auf die Umwandlung von Acetamidogruppen in Chitinmolekülen in Aminogruppen zurückgeführt wurde. Bemerkenswerterweise wurde die Aminobande bei ⁓ 1588 cm−1 für die ChNFs nicht beobachtet, da die Amid-I- und II-Banden die Aminobanden stark dominieren10,46. Bei niedrigeren DA-Werten verschob sich die Aminobande jedoch aufgrund der geringeren Überlappung der Amidbanden zu einer höheren Wellenzahl46.

(a) Fourier-Transformations-Infrarot- (FTIR) und (b) 13C-Kernresonanzspektren (NMR) von Chitin-Nanofasern (ChNFs) mit unterschiedlichen Deacetylierungsbehandlungszeiten. (c) Röntgenbeugungsmuster (XRD), (d) Kristallinität und Kristallgrößen und (e) thermogravimetrische (TG) und (f) abgeleitete thermogravimetrische (DTG) Kurven von ChNFs als Funktion der Deacetylierungsbehandlungszeit.

Tabelle 1 zeigt die DAs der ChNFs als Funktion der Deacetylierungsbehandlungszeit. Die Hauptresonanzpeaks der Chitin-Nanopartikel lagen bei 173,4 (C=O), 103,9 (C1), 82,9 (C4), 75,5 (C5), 73,2 (C3), 60,7 (C6), 54,9 (C2) und 22,6 ppm (CH3) (Abb. 2b). Der DA von C0 betrug 95,3 %. Nach 120-minütiger Behandlung mit 30 % NaOH verringerte sich der DA von C120 deutlich auf 76,2 %, d. h. ⁓ 25 % der Acetamidogruppen wurden in Aminogruppen umgewandelt. Mit zunehmender Behandlungsdauer wurde eine allmähliche Umwandlung von Acetamidogruppen in Aminogruppen festgestellt. Für C240 ​​und C480 wurden Reduzierungen der DA auf 73,0 % bzw. 69,2 % beobachtet. Die größere Umwandlung während der anfänglichen Deacetylierungszeit wurde dem Deacetylierungsprozess zugeschrieben, der hauptsächlich mit der Chitinoberfläche interagierte, bevor er in das Innere der Chitinfibrillenbündel eindrang32.

Abbildung 2c zeigt die XRD-Profile und Kristallindizes der deacetylierten ChNFs. Alle ChNF-Proben hatten fünf typische Beugungspeaks bei 9,3°, 19,4°, 21,2°, 23,4° und 26,5°, die den Gitterebenen [020], [110], [120], [130] und [013] zugeordnet wurden , bzw.19,47. Diese charakteristischen Beugungspeaks stimmten mit denen der α-Chitin-Struktur überein20,27,29. Die Kristallinität von C0 betrug 94,1 %. Insbesondere hängt der Kristallinitätsindex von Chitin von den Rohstoffen und chemischen Behandlungsschritten ab, die bei seiner Reinigung verwendet werden48,49. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Deacetylierungsbehandlungszeit auf den Kristallinitätsgrad von Chitin bewertet. Die Deacetylierungszeit hatte keinen nennenswerten Einfluss auf die Kristallinität der ChNF-Materialien (Abb. 2d; Tabelle 1), was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die Deacetylierung nur auf der Chitinkristallitoberfläche auftrat, wenn eine niedrige NaOH-Konzentration verwendet wurde 20, 27.

Darüber hinaus sind in Abb. 2d die Kristallgrößen der [020]- und [110]-Ebenen der ChNF-Proben als Funktion der Deacetylierungszeit, berechnet aus den XRD-Profilen, dargestellt. C0 hatte Kristallgrößen in der [020]- und [110]-Ebene von 7,8 bzw. 5,5 nm. Beide Kristallgrößen in der [020]- und [110]-Ebene nahmen mit zunehmender Deacetylierungsbehandlungszeit ab. Die Kristallgrößen in den [020]- und [110]-Ebenen von C240 ​​betrugen 7,2 bzw. 5,3 nm, wohingegen die Kristallgrößen in den [020]- und [110]-Ebenen von C480 7,1 bzw. 5,3 nm betrugen. Dies deutete darauf hin, dass die Deacetylierungsreaktion mit längerer Verarbeitungszeit ChNFs mit kleineren Breiten im Bereich von 5–7 nm ergeben könnte.

Die thermischen Stabilitäten der deacetylierten ChNFs wurden im Hinblick auf die Behandlungszeit untersucht. Die TG- und derivativen thermogravimetrischen (DTG) Kurven der deacetylierten ChNFs als Funktion der Behandlungszeit sind in Abb. 2e und f dargestellt. Typischerweise tritt der anfängliche thermische Übergangszustand bei < 100 °C auf, da das durch Hydroxyl- und Aminogruppen an Chitin gebundene Wasser verdampft33,50. Dieses Übergangsstadium wurde jedoch in den TG-Kurven der ChNF-Proben nicht gefunden, da alle ChNF-Proben 20 Minuten lang bei 110 °C gehalten wurden, um adsorbiertes oder wasserstoffgebundenes Wasser mit den Chitinmolekülen vollständig zu entfernen50,51. Der Großteil des thermischen Chitinabbaus findet bei 200 bis 400 °C statt, was auf die Depolymerisation der Chitinkette zurückzuführen ist, die mit der thermischen Zersetzung von Pyranoseringen durch Spaltung der glykosidischen Bindungen zwischen N-Glucosamin- und N-Acetylglucosaminringen verbunden ist50,51. C0 zeigte einen einzelnen DTG-Peak mit einer maximalen Abbautemperatur (Tmax) von 363 °C, wohingegen die deacetylierten ChNFs den Hauptabbautemperaturbereich bei ⁓ 359 °C mit einem kleinen Gipfel bei ⁓ 320 °C zeigten. Das Auftreten des thermischen Abbaupeaks bei ⁓ 320 °C wurde dem Abbau von 2-Amino-2-desoxy-d-glucopyranose-Einheiten zugeschrieben52,53. Mit zunehmender Deacetylierungszeit wurde der Peak bei ⁓ 320 °C stärker ausgeprägt, die Intensität des zweiten Peaks bei ⁓ 359 °C nahm jedoch ab. Dies war auf den hohen Anteil an Aminogruppen in Chitinmolekülen zurückzuführen, die thermisch weniger stabil sind als Acetamidogruppen54.

Darüber hinaus nahm die thermische Stabilität der deacetylierten ChNF-Proben mit zunehmender Deacetylierungsbehandlungszeit aufgrund des hohen Gehalts an Aminogruppen in den Chitinmolekülen ab (Tabelle 1). Die thermische Abbautemperatur bei 1 % Gewichtsverlust (T1 %) von C0 betrug 237,0 °C. Nach einer 120-minütigen Deacetylierungsbehandlung wurde der T1 % von C120 erheblich auf 225,3 °C reduziert. Die verringerte thermische Abbautemperatur von C120 war auf die teilweise Umwandlung von Acetamidogruppen in Aminogruppen zurückzuführen. Ebenso zeigten C240 ​​und C480 T1%-Werte von 222,6 °C bzw. 220,2 °C. Darüber hinaus kam es mit der Einführung der Deacetylierung zu einer Verringerung des Tmax von ChNFs. Die Tmax-Werte von C0 und C120 betrugen 363,6 °C bzw. 359,5 °C. Mit zunehmender Deacetylierungszeit wurde jedoch keine signifikante Änderung der Tmax beobachtet. Darüber hinaus wurde bei den deacetylierten ChNFs ein höherer Gehalt an Kohlerückständen bei 800 °C (> 24,0 %) beobachtet als bei den nicht deacetylierten ChNFs (C0) (13,5 %). Dies geschah aufgrund der höheren Menge an Aminogruppen, die in den deacetylierten Chitinstrukturen verfügbar waren55. Daher würde ein Schwerpunkt unserer zukünftigen Arbeit auf der Anwendung von deacetylierten ChNFs als Verstärkungsmittel in Polymermatrizen für verbesserte mechanische und flammhemmende Eigenschaften liegen55,56.

Die Auswirkung der Behandlungszeit der Deacetylierung auf die Suspensionsstabilität von ChNFs wurde untersucht. Abbildung 3 zeigt die Stabilität der ChNF-Suspensionen bei unterschiedlichen Lagerzeiten. Die CO-Suspension (ohne Deacetylierung) zeigte nach 10 Minuten eine schnelle Ausfällung, während nach 4-stündiger Lagerung bei Raumtemperatur eine deutliche Sedimentation von C120 zu beobachten war. Nach 7 Tagen wurde eine deutliche Ausfällung von C240 ​​beobachtet, bei der C480-Suspension wurde jedoch selbst nach 180 Tagen keine Ausflockung beobachtet. Dies deutete auf eine größere Stabilität der ChNF-Suspension bei längerer Deacetylierungsbehandlungszeit hin. Die überlegene Stabilität von C480 wurde auf die hohe Umwandlung von Acetamidogruppen in Aminogruppen in der Chitinstruktur zurückgeführt. Aufgrund der Protonierungswirkung dieser Aminogruppen (NH3+) wurden stärker individualisierte Nanofasern fibrilliert und es kam zu einer verringerten Aggregation über elektrostatische Abstoßungskräfte10. Li et al.10 verglichen nicht deacetylierte und deacetylierte ChNFs, die aus derselben Chitinquelle extrahiert wurden, und stellten fest, dass die geometrischen Architekturen der nicht deacetylierten und deacetylierten ChNFs durch die Deacetylierungsbehandlung zwar nicht beeinträchtigt wurden, der höhere Gehalt an Aminogruppen im deacetylierten ChNF jedoch höher war Die Struktur könnte die Faseraggregation verringern, was zu einer höheren Stabilität der deacetylierten ChNF-Suspension führt. Darüber hinaus wurde nach der Deacetylierungsbehandlung eine Abnahme der Viskosität um eine Größenordnung beobachtet.

Fotos der deacetylierten ChNFs, dispergiert in destilliertem Wasser mit einigen Tropfen Essigsäure (pH ⁓ 3), als Funktion der Fällungszeit: unmittelbar nach dem Mischen (0 Min.) und nach unterschiedlich langer Lagerung bei Raumtemperatur im Vergleich zu destilliertem Wasser (links). ).

Die positiven Ladungen auf den ChNF-Oberflächen wurden im Hinblick auf die Reaktionszeit der Deacetylierung mittels ζ-Potenzialanalyse untersucht. Es wurde festgestellt, dass der durchschnittliche ζ-Potenzialwert von ChNFs mit zunehmender Deacetylierungsbehandlungszeit ansteigt. C0 hatte einen ζ-Potenzialwert von + 20,3 mV und nach 120-minütiger Deacetylierung stieg das ζ-Potential deutlich auf + 31,9 mV (C120). Für C240 ​​und C480 wurden die ζ-Potenzialwerte von + 42,0 bzw. + 44,0 mV gemessen. Der Anstieg des ζ-Potenzials unterstützte die höhere Umwandlung von Acetamidogruppen am Chitinrückgrat in Aminogruppen bei längerer Deacetylierungsbehandlungszeit21.

TEM-Bilder der ChNFs nach verschiedenen Deacetylierungsbehandlungszeiten (0–480 Minuten) sind in Abb. 4 verglichen. Die Defibrillation von Nanofasern aus Garnelen-Exoskeletten wurde für alle Chitinmaterialien mit oder ohne Deacetylierungsbehandlung durchgeführt. C0 mit Breiten von < 20 nm zerfiel und es wurden große Nanofaseraggregate im Bereich von 100–300 nm beobachtet. Das Vorhandensein dieser Faserbündel wurde durch starke Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Nanofasern verursacht, die mit einem hohen Kristallinitätsgrad verbunden sind27,30, was die schnelle Ablagerung von CO nach 10 Minuten verursachte (Abb. 3). Allerdings wurden die Acetamidogruppen nach der Deacetylierung in Aminogruppen umgewandelt, wodurch die intermolekulare Bindung zwischen Nanofasern verringert wurde27. Dies führte zur Individualisierung der ChNFs durch einfachen mechanischen Zerfall27,30. Für C120 erhöhte sich die Anzahl individualisierter ChNFs mit Breiten von < 20 nm; es waren jedoch noch große Faserbündel vorhanden. Eine erfolgreiche Fibrillierung individualisierter spaghettiähnlicher ChNFs erfolgte, nachdem die Chitinpartikel 240 Minuten lang deacetyliert worden waren; C240 hatte eine durchschnittliche Breite von 9,0 ± 1,8 nm und Längen von bis zu mehreren μm. Dies wurde auf die hohen elektrostatischen Abstoßungskräfte zurückgeführt, die aus der Protonierung von Aminogruppen auf der Chitinstruktur zwischen den Fasern resultieren, wie durch ζ-Potenzial- und NMR-Analysen bestätigt25,30. Bemerkenswert ist, dass während des Zerfalls durch Hochgeschwindigkeitsmischen der pH-Wert der Chitindispersion mithilfe von Essigsäure auf ⁓ 3 gesenkt wurde, was positive Ladungen an den Aminogruppen (NH3+) erzeugte25,30. Die Breiten der hier hergestellten ChNFs waren denen von ChNFs ähnlich, die durch industrielle Hochdruckhomogenisierung und Mahlen hergestellt wurden10,25. Allerdings veränderte sich die morphologische Architektur von C480 unerwartet von einer fibrillenartigen Struktur zu einer stäbchenartigen Struktur. Die durchschnittliche Breite und Länge von C480 betrugen 7,3 ± 1,8 nm bzw. 222,3 ± 94,4 nm. Die Verkürzung der Nanofasern könnte auf die Kombination der langen alkalischen Deacetylierungsbehandlung und der mechanischen Fibrillierung zurückzuführen sein. Ji et al.57 entdeckten, dass die Deacetylierung überwiegend mit der amorphen Region von Chitin interagierte, was zur Auflösung des deacetylierten amorphen Teils in einer sauren Lösung führte. Dies führte folglich zu einer verkürzten Länge der ChNFs58. Ein ähnliches Phänomen der Längenverkürzung wurde für ChNFs mit einem niedrigeren DA beobachtet. Da der DA von ChNFs von 89,2 auf 71,6 % abnahm, zeigte die durchschnittliche Länge von ChNFs einen signifikanten Rückgang von 895 ± 551 nm auf 428 ± 270 nm58.

Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Bilder der deacetylierten ChNFs.

Hierin wurde der Einsatz von ChNF-Suspensionen zur Verlängerung der Haltbarkeit frischer Gurken untersucht. Als Lebensmittelmodell wurden frische Gurken ausgewählt, um die Wirksamkeit der ChNF-Beschichtungen zu testen, da es sich um ein wirtschaftlich wichtiges Frischprodukt handelt, das weltweit konsumiert wird. Lokale Gurken wurden direkt mit den ChNF-Suspensionen mit einer Konzentration von 0,75 Gew.-% (C0, C120, C240 ​​und C480) beschichtet und täglich überwacht. Das optische Erscheinungsbild der beschichteten und unbeschichteten Gurken ist in Abb. 5a dargestellt, und der Gewichtsverlust der Gurken als Funktion der Lagerzeit ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Frische von Obst und Gemüse kann durch Farbveränderung und Gewichtsverlust bestimmt werden59 ,60. Gewichtsverlust ist ein entscheidender Faktor, der sich auf die Qualität und Haltbarkeit von Pflanzenprodukten auswirkt61,62. Wasser- oder Feuchtigkeitsverlust bei frischen Produkten könnte zu Stoffwechselveränderungen in Pflanzenzellen führen, was die Seneszenz beschleunigt und sich negativ auf den Nährstoffgehalt der Produkte auswirkt61. Nach einem Tag Lagerung blieben alle Gurkenproben grün und frisch und zeigten keine Anzeichen von Fäulnis. Beim Auftragen der ChNF-Beschichtungen zwischen Tag 0 und 1 wurde kein Unterschied im Gewichtsverlust der Gurken beobachtet. Die unbeschichtete Gurke (Kontrolle) zeigte jedoch einen signifikanten Gewichtsverlust zwischen Tag 0 und 1 (p < 0,05). Dieser Gewichtsverlust wurde hauptsächlich auf den Feuchtigkeitsverlust der Gurken zurückgeführt4,11. Mit zunehmender Lagerdauer nahm der Gewichtsverlust der Gurkenproben bei allen Behandlungen zu. Nach 3 Tagen Lagerung waren alle Gurken mit und ohne ChNF-Beschichtung noch grün, jedoch war bei allen Proben ein Bereich in der Nähe des Stiels verschrumpelt. Dies stimmte gut mit den Gewichtsverlustergebnissen überein. Diese Trockenheit war am 5. Tag stärker ausgeprägt und konnte leicht mit bloßem Auge beobachtet werden. Die mit C120 und C240 ​​beschichteten Gurken zeigten einen geringeren Gewichtsverlust als die anderen Proben (Kontrolle, C0 und C480), wohingegen die mit C0 und C480 beschichteten Gurken ähnliche Gewichtsverlustergebnisse zeigten wie die unbeschichteten Gurken (Kontrolle). Dies weist darauf hin, dass die Beschichtungen C120 und C240 ​​den Feuchtigkeitsverlust von Gurken verzögern könnten. Es wurde festgestellt, dass der Gewichtsverlust der Gurken in engem Zusammenhang mit ihrem Volumenverlust steht63. Darüber hinaus wurden größere Gewichtsverlustraten als Funktion der Lagerdauer bei den mit C0 (– 5,25 % Tag–1) und C480 (– 5,22 % Tag–1) beschichteten Gurken und den Kontrollproben (– 4,60 % Tag–1) beobachtet. im Vergleich zu den mit C120 (– 3,98 % Tag–1) und C240 ​​(– 3,92 % Tag–1) beschichteten Gurken (Abb. 5b). Mit zunehmender Lagerzeit wurde der Unterschied zwischen diesen beiden Sets deutlicher. Die geringere Feuchtigkeitsfreisetzungsrate der mit C120 und C240 ​​beschichteten Gurken könnte auf die stärkere Fibrillierung ihrer ChNFs (geringere Aggregation) im Vergleich zu C0 und die längeren Faserlängen im Vergleich zu C480 zurückzuführen sein. Fasern mit geringerer Breite können ein Netzwerk mit kleineren Porengrößen bilden59,64. Darüber hinaus würden benachbarte lange Nanofasern ein miteinander verbundenes Netzwerk mit größeren Mengen an Wasserstoffbrückenbindungen auf den Gurkenoberflächen bilden, wodurch Wassermoleküle zurückgehalten würden65; Die stäbchenförmig strukturierten ChNFs könnten jedoch aufgrund ihrer kürzeren Länge auf Schwierigkeiten bei der Bildung eines vergleichbaren Netzwerks stoßen, wie in Abb. 5c dargestellt.

(a) Visuelles Erscheinungsbild und (b) Gewichtsveränderung von mit ChNFs beschichteten Gurken, die mit verschiedenen Deacetylierungszeiten (Kontrolle, C0, C120, C240 ​​und C480) hergestellt und bei 30 ± 3 °C konditioniert wurden, als Funktion der Lagerzeit. (c) Schematische Darstellung von spaghettiartig strukturierten ChNFs (C120 und C240) und stäbchenförmig strukturierten ChNFs (C480), die auf Gurkenoberflächen bedeckt sind, und (d) klare Hemmzonen von ChNFs, die mit verschiedenen Deacetylierungszeiten hergestellt wurden (C0, C120, C240). und C480) gegen Escherichia coli (E. coli) und Salmonella Typhimurium (S. Typhimurium). Als Kontrolle wurde 1 % Essigsäure verwendet.

Darüber hinaus würden längere Nanofasern im Vergleich zu kurzen Nanofasern einen längeren Diffusionsweg auf Gurkenoberflächen bilden, der den Transport von Gasmolekülen verzögern würde66. Die Permeation von Gasmolekülen wie Wasser und O2 durch Poren innerhalb eines Nanofasernetzwerks würde auch durch die Netzwerkdichte gesteuert65. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die ChNFs (C120 und C240), die als Beschichtungen zur Verlängerung der Haltbarkeit frischer Gurken verwendet werden, möglicherweise auf anderes frisches Obst und Gemüse angewendet werden könnten, was eine Reduzierung der Einwegverpackungen ermöglicht, die unserer Umwelt schaden und beide Menschen gefährden und Tiere.

Eine qualitative Bewertung der antimikrobiellen Aktivität von ChNFs wurde gegen E. coli und S. Typhimurium durchgeführt, zwei gramnegative lebensmittelbedingte Krankheitserreger, die im Allgemeinen in Rohprodukten pflanzlichen und tierischen Ursprungs vorkommen67,68,69. Eine scharfe, klare Hemmzone gegen E. coli und S. Typhimurium wurde beobachtet, wenn 10 µL einer C120-, C240- oder C480-Lösung (0,75 Gew.-%) direkt auf den Bakterienrasen getropft wurden, während dies für C0 nicht beobachtet wurde (Abb. 5d). Die Ergebnisse legen nahe, dass die Deacetylierungszeit und die DA die antimikrobielle Aktivität von ChNFs gegen die getesteten Bakterien beeinflussten. Eine ähnliche Tendenz wurde von Tsigos et al.70, Hongpattarakere und Riyaphan71 sowie Benhabiles et al.72 beobachtet, die berichteten, dass die antimikrobielle Aktivität von Chitin und Chitosan durch den Deacetylierungsprozess teilweise verbessert wurde. Hierin reichte eine 120-minütige Deacetylierung aus, um inaktive ChNFs (C0, DA = 95,3 %) in antimikrobielle ChNFs (C120, DA = 76,2 %) umzuwandeln.

Basierend auf diesen antibakteriellen Aktivitäten, die in vitro mit der Spot-on-Rasen-Methode beobachtet wurden, wurden nur C120, C240 ​​und C480 gegen E. coli und S. Typhimurium auf den Außenflächen frischer Gurken getestet. Dieses Experiment zielte darauf ab, die antimikrobielle Wirkung von ChNFs unter bestimmungsgemäßen Verwendungsbedingungen auf der Oberfläche von Frischprodukten zu untersuchen. Die bakterielle Belastungsstudie zeigte die antimikrobielle Wirksamkeit der getesteten ChNFs sowohl gegen E. coli als auch gegen S. Typhimurium bei Gurken während der gekühlten Lagerung (Tabelle 3). Alle getesteten ChNFs hemmten wirksam das Wachstum von E. coli, indem sie die Lebensfähigkeit der Bakterien während der siebentägigen Lagerung auf den inokulierten Mengen aufrechterhielten; Allerdings stieg die Anzahl der E. coli in der Kontrollgruppe vom ersten Tag der Lagerung an deutlich an. Während dieser Lagerzeit wurden keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) zwischen den ChNF-Gruppen beobachtet. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Wirksamkeit von C120, C240 ​​und C480 gegen E. coli in diesem Lebensmittelmodell nicht unterschiedlich war. Bei S. Typhimurium verringerte die Anwendung von C120 und C240 ​​auf den Gurkenaußenflächen die Lebensfähigkeit der Bakterien innerhalb eines Tages deutlich (~ 90 %). Die Ergebnisse zeigten, dass S. Typhimurium bei Exposition gegenüber C120 und C240 ​​schnell abgetötet wurde. Am dritten Tag der Lagerung stiegen die S. Typhimurium-Zahlen in den C120- und C240-Gruppen jedoch auf ihr Ausgangsniveau und unterschieden sich nicht von denen der Kontrolle (p > 0,05). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die angewandte Konzentration von C120 und C240 ​​möglicherweise nicht ausreicht, um alle Bakterien auf den Gurkenoberflächen abzutöten; Somit konnten anschließend verbleibende lebensfähige Zellen wachsen. Im Gegensatz dazu änderte sich bei C480 die Lebensfähigkeit von S. Typhimurium auf den Gurkenoberflächen während der Lagerung nicht wesentlich, obwohl seine antimikrobielle Aktivität durch den Spot-on-Rasen-Assay sichtbar gemacht wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass C480 im Gegensatz zu C120 und C240 ​​die Bakterien möglicherweise nicht abtötet. Stattdessen könnte es eine bakteriostatische (bakterielle Hemmung) Wirkung gegen S. Typhimurium zeigen.

Der genaue antimikrobielle Mechanismus und die Faktoren, die die antimikrobielle Aktivität von Chitin beeinflussen, sind noch im Gange. Der am häufigsten vorgeschlagene Mechanismus ist die elektrostatische Anlagerung von positiv geladenem Chitin auf der negativ geladenen Bakterienzelloberfläche, was folglich den Zellstoffwechsel und die Zellmembranpermeabilität der Bakterien beeinträchtigt10,73,74. Xu et al.75 fanden heraus, dass die antibakteriellen Eigenschaften von ChNFs aufgrund der höheren Mengen an Aminogruppen stark vom DA abhängen. Diesbezüglich wurde zunächst erwartet, dass C480 die getesteten Bakterien stärker hemmen würde als C120 und C240. Tatsächlich erfordert die Diskrepanz weitere Untersuchungen. Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass es neben der Ladung allein noch andere Faktoren (z. B. Faserbreite und -länge) gibt, die die antimikrobielle Aktivität des ChNF beeinflussen. Dabei wiesen C120, C240 ​​und C480 leichte Unterschiede im DA (von 76 bis 69 %) und im ζ-Potential (von + 31,9 bis + 44,0 mV) auf. Es könnte spekuliert werden, dass kürzere ChNFs (eine stäbchenförmige Struktur) möglicherweise nicht ausreichen, um die Bakterienzelloberfläche zu stapeln oder zu bedecken, und daher eine schwächere antimikrobielle Wirkung zeigen (Abb. 5c). Dies stimmte mit der höheren Gewichtsverlustrate der mit C480 beschichteten Gurken überein als der mit C120 und C240 ​​beschichteten Gurken.

Insgesamt deuten die aktuellen Ergebnisse darauf hin, dass die ChNF-Suspensionen (C120 und C240) die Haltbarkeit frischer Gurken verlängern können, indem sie den Feuchtigkeitsverlust reduzieren und das Wachstum von S. Typhimurium verzögern, das Tausende von Fällen von Salmonella spp. Ausbrüche in Nordamerika76,77 und im Vereinigten Königreich78. Darüber hinaus wird Chitin, ein biologisch abbaubares, biokompatibles und ungiftiges Material, häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Biomaterialien, Lebensmittelkonservierung, Kosmetika und Pharmazeutika17,18,79. Es wurden jedoch Bedenken hinsichtlich möglicher Meeresfrüchteallergien geäußert, die durch Chitin ausgelöst werden könnten. Meeresfrüchteallergien, insbesondere Garnelenallergien, wurden mit Muskelproteinen in Schalentieren in Verbindung gebracht80. Es ist wichtig zu beachten, dass bei der Herstellung von Chitin Proteine ​​entfernt wurden. Eine Studie zur Sicherheit von Chitosan (einem Derivat von Chitin) bei Personen, die gegen Garnelen allergisch sind, ergab, dass mit Chitosan als Konservierungsmittel verarbeiteter Wein bei Patienten mit Garnelenallergie keine allergischen Reaktionen hervorrief80. Da Chitin und Chitosan ähnliche Strukturen aufweisen, liefert diese Forschung zusätzliche Einblicke in die Verwendung von ChNFs und unterstützt die Sicherheit ihres Verzehrs. In unserer zukünftigen Arbeit planen wir, die Rückstände von ChNFs auf frischen Produkten nach dem Waschen zu untersuchen, was uns helfen wird, die potenziellen Einschränkungen der ChNF-Beschichtungen zu verstehen.

ChNFs mit verschiedenen DAs (95 %, 76 %, 73 % und 69 %) wurden erfolgreich aus Garnelenschalenabfällen durch Deacetylierung mit NaOH und mechanische Defibrillation entwickelt. Längere Deacetylierungsreaktionszeiten führten zu einem stärkeren Ersatz von Acetamidogruppen durch Aminogruppen in Chitinmolekülen, was zu einer Verringerung von DA und thermischer Stabilität führte. Diese Aminogruppen verliehen den ChNFs eine vielversprechende antibakterielle Aktivität. Mit erhöhter Reaktionszeit wurden die Individualisierung von ChNFs und eine höhere Stabilität der ChNF-Suspension realisiert. Darüber hinaus wurde die spaghettiartige Struktur von ChNFs in eine stäbchenförmige Struktur umgewandelt, als die Reaktionszeit der Deacetylierung auf 480 Minuten verlängert wurde. Darüber hinaus haben wir diese ChNFs als Beschichtung aufgetragen, um die Haltbarkeit frischer Gurken zu verlängern. Die spaghettiartigen ChNF-Suspensionen (C120 und C240) verhinderten den Feuchtigkeitsverlust erheblich und verzögerten das Wachstum von S. Typhimurium auf den Gurkenaußenflächen im Vergleich zum individualisierten stäbchenförmigen C480. Daher sind nachhaltige ChNF-Suspensionen ein vielversprechender Ansatz zur Reduzierung von Lebensmittelabfällen und zum Ersatz erdölbasierter Polymere für Lebensmittelverpackungen.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dieses Projekt wird vom National Research Council of Thailand (NRCT) finanziert (Grant No. N41A640090). S. Tanpichai möchte der Thailand Toray Science Foundation seinen Dank für die finanzielle Unterstützung durch das Wissenschafts- und Technologieforschungsstipendium (28. TTSF, 2021) aussprechen. Er möchte auch Prof. Hiroyuki Yano seinen tiefsten Dank für seine wertvollen Anregungen und Inspirationen im Leben aussprechen. Besonderer Dank gilt Frau Natthaya Methaveephan, Mstr. Skoravit Tanpichai und Mstr. Montapicha Tanpichai für ihre tatkräftige Unterstützung bei der Anwendung der ChNF-Beschichtungen zur Verlängerung der Haltbarkeit frischer Gurken. Ihr Engagement und ihre Unterstützung wurden wirklich geschätzt.

Learning Institute, King Mongkut's University of Technology Thonburi, Bangkok, 10140, Thailand

Supachok Tanpichai

Forschungsgruppe für Zellulose und biobasierte Nanomaterialien, King Mongkut's University of Technology Thonburi, Bangkok, 10140, Thailand

Supachok Tanpichai

Nationales Zentrum für Gentechnik und Biotechnologie (BIOTEC), National Science and Technology Development Agency (NSTDA), Pathum Thani, 12120, Thailand

Laphaslada Pumpuang, Yanee Srimarut, Weerapong Woraprayote und Yuwares Malila

Internationales gemeinsames Forschungszentrum für Ernährungssicherheit (IJC-FOODSEC), Thailand Science Park, Pathum Thani, 12120, Thailand

Yuwares Malila

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ST: Konzeptualisierung; Datenkuratierung; formale Analyse; Finanzierung; Untersuchung; Methodik; Projektverwaltung; Ressourcen; Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. LP: Datenkuration; formale Analyse; Methodik. YS: Datenkuration; formale Analyse; Methodik; Schreiben – Originalentwurf. WW: Datenkuration; formale Analyse; Untersuchung; Methodik; Rollen/Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten. YM: Konzeptualisierung; Datenkuratierung; Untersuchung; Schreiben – Originalentwurf; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Supachok Tanpichai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tanpichai, S., Pumpuang, L., Srimarut, Y. et al. Entwicklung von Chitin-Nanofaserbeschichtungen zur Verlängerung der Haltbarkeit und zur Hemmung des Bakterienwachstums auf frischen Gurken. Sci Rep 13, 13195 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39739-6

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Eingegangen: 21. Juni 2023

Angenommen: 30. Juli 2023

Veröffentlicht: 14. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39739-6

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