Geavanceerde CMCS/PEO Nanovezelmembranen via Elektrospinnen voor Verbeterde Fruitvershouding

Methoden/Experimenteel

Materialen

Organisch geteelde tafelaardbeien werden geoogst in Laoshan District (Qingdao, China) en zo snel mogelijk naar het laboratorium gebracht; residualen werden verwijderd voordat coating. De geselecteerde aardbeien zijn die zonder mechanische gevaarlijke krassen en met vergelijkbare grootte, vorm en rijpheid. CMCS (Mw 80.000 ~ 250.000) met 95% N-deacetylatie werd gekocht van Aoduofuni (Nanjing, China). PEO (Mw ~ 5.000.000) werd gekocht van Aladdin.

Bereiding van Spinooplossing

Tabel 1 toont de details van de verschillende verhoudingen van de gemengde oplossingen met CMCS, PEO en gedeioniseerd water. Kortom, 3,0 g CMCS werd gemengd met 0,16 g, 0,20 g en 0,25 g PEO respectievelijk. Daarna werden ze in 40,0 g gedeioniseerd water in een fles van 100 ml gebracht. Een magnetische roerer werd toegepast gedurende ongeveer 4 u bij kamertemperatuur totdat de oplossingen transparant en homogeen werden.

Bereiding van Nanovezelmembranen

De composietvezelmembranen werden als volgt bereid: 40% relatieve vochtigheid, spuitnaald-naar-verzamelaar afstand van 20 cm, en toegepaste spinnspanning van 20 kV. In dit werk werd een handgehouden elektrospintoestel ontworpen door Qingdao Junada Technology Co. Ltd. gebruikt om CMCS/PEO nanovezelmembranen te bereiden. Figuur 1 toont het schematische diagram van de bereidingstechniek en het proces van elektrospinnen.

Karakterisering van e-gesponnen Membranen

De morfologieën en diameters van nanovezels werden gekarakteriseerd door een scanning elektronenmicroscopie (SEM; Phenom Pro). De polymere intermoleculaire structuur werd bepaald door een Fourier-transformatie infrarood (FTIR) spectrometer (Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). De ademendheid werd gemeten door een gastransmissiesnelheidstester (FX 3300; Zürich).

Bereiding van Bewaringsproces

De aardbeien werden willekeurig in vier groepen verdeeld. Elke groep had zes aardbeien in kweekschotel. De eerste groep was volledig blootgesteld aan de atmosfeer als een lege controlegroep. De tweede groep was verpakt met gewone huishoudelijke polyetheen plasticfilm. De derde groep werd geschilderd met de elektrospinnoplossing (PEO: CMCS = 1:20) om een beschermende laag met glazuurachtig buitenoppervlak te vormen. In deze groep werd het monster zorgvuldig gedroogd om een beschermende film te vormen. Daarnaast werd elektrogesponnen CMCS/PEO nanovezelmembraan gebruikt om de laatste groep te bedekken. Uiteindelijk werden deze groepen bij kamertemperatuur zonder zonlicht geplaatst, waargenomen en op dezelfde tijd elke dag geregistreerd. Figuur 2 is een schematisch diagram van aardbeibewaring.

Het schematische diagram van aardbeibewaring in elke groep: a lege controlegroep in kweekschotel, b groep in kweekschotel bedekt met plasticfilm, c groep met CMCS/PEO oplossing coatings aan oppervlakken van individuele aardbeien, en d groep in kweekschotel bedekt met elektrogesponnen CMCS/PEO nanovezelfilm

Resultaten en Discussie

Morfologische Analyse

Hoewel zuivere CMCS-oplossing een hoge viscositeit heeft die kan oplopen tot 400–800 mPa·s, is het nog steeds moeilijk om vezels te vormen door electrostatische velden. Het obstakel ontstaat uit de moleculaire structuur en oplosbaarheid van chitine en chitosaan, met name voor CMCS. Om deze reden werd de vezelvorming vergemakkelijkende polyolbinder zoals PEO toegevoegd aan CMCS-oplossing. Onder de toegepaste spanning werd een duidelijke Taylor-kegel waargenomen voor de CMCS/PEO-oplossingen in het concentratiebereik van 2,5–7,5 wt% (Fig. 1). Figuur 3 toont de SEM-beelden en vezeldiameterverdeling van de composiet CMCS/PEO vezels met verschillende verhoudingen. Deze composietvezels hebben een cilindrische morfologie met vezeldiameters van ongeveer 130–400 nm.

SEM-beelden en vezeldiameterverdeling van de elektrospinning verkregen uit oplossingen van a PEO: CMCS = 1:24, b PEO: CMCS = 1:18, en c PEO: CMCS = 1:12

Wanneer een kleinere hoeveelheid PEO werd gemengd met CMCS, zoals gepresenteerd in Fig. 3a (PEO: CMCS = 1:24), waren de vezels dunner en inhomogeen met diameter van 130–280 nm. Voor oplossing met PEO: CMCS = 1:18 was de gemiddelde vezeldiameter ongeveer 210 nm, en enige vergelling tussen de relatief grove vezels werd waargenomen in Fig. 3b. Toen de verhouding van PEO toename (PEO: CMCS = 1:12), werden redelijk homogene vezels met een gemiddelde diameter van 290 nm verkregen (Fig. 3c). Het nanovezelmembraan met verhouding 1:12 van PEO/CMCS werd geselecteerd als verpakkingsfilm, omdat de oplossing van 1:12 van PEO/CMCS een meer geschikte viscositeit heeft voor elektrospinnen en het makkelijker is om een complete nanovezelende film te vormen om het fruit te bedekken, en het elektrogesponnen film heeft een meer gelijkmatige ademendheid door de uniforme microporen volgens de SEM-beelden.

Infraroodspectroscopie

Figuur 4 toont de FTIR-spectra van elektrogesponnen CMCS-poeder en CMCS/PEO composiet nanovezels. De frequenties en toewijzingen voor het zuivere CMCS worden als volgt aangegeven: de pieken bij 1320 cm⁻¹, 1137 cm⁻¹ en 1050 cm⁻¹ waren van C–H buigtrilling, glycosidische binding C–O–C en C–O rektrilling van CMCS respectievelijk. In de spectra verschenen nieuwe pieken bij 1603 cm⁻¹ kenmerkend voor carbocylaatzout (–COO– asymmetrische en symmetrische rek), terwijl een schouderpiek rond 1650 cm⁻¹ indicatief was voor de aminogroep. Hoewel enige verschil in de twee figuren werd waargenomen, toonden beide de basiskarakteristieke pieken voor CMCS bij 3423 cm⁻¹ (O–H rek) en 2960–2970 cm⁻¹ (C–H rek). We kunnen zien dat de FTIR-spectra geen verandering vertoonden door de toevoeging van PEO, wat aangeeft dat er geen duidelijke structuurverandering was tussen CMCS-poeder en CMCS/PEO.

FTIR-spectra van de a elektrogesponnen CMCS-poeder en b elektrogesponnen CMCS/PEO composiet nanovezelmembraan

Luchtdoorlatendheidstest

Veel studies hebben gevonden dat doorlatendheid een belangrijke factor is voor het bewaren van fruit. Het microporeuze membraan kan de gasuitwisseling binnen en buiten de verpakking bevorderen, de concentratie van O₂ en CO₂ regelen en de verpakte vruchten en groenten een goede opslagomgeving geven, waardoor de kwaliteit gewaarborgd wordt of minder beïnvloed wordt [24]. De bepaalde doorlatendheid van de plasticfolie kan de juiste CO₂-concentratie in de beperkte ruimte behouden. De vorming van opslagatmosfeer kan de ademhaling van groenten remmen en de houdbaarheid verlengen. Mits ademendheid te hoog is, is het gemakkelijk om de zuurstofgehalte in de verpakking te hoog te maken, wat de ademhaling van fruit versnelt, sneller veroudering, bruining en vervaging [25]. Op dezelfde manier kan slechte luchtdoorlatendheid of slechte luchtdichtheid leiden tot anaerobe productie van alcohol in fruit, wat uiteindelijk de vruchtrot verergeren [26]. Duidelijk is dat de doorlatendheid van nanovezelmembranen afneemt met toenemende filmdikte. In dit experiment werden PEO/CMCS composiet nanovezelmembraan met de verhouding 1:12 en plasticfilm geselecteerd voor de doorlatendheidstest. Het basis testprincipe van het hier gebruikte apparaat is als volgt (Fig. 5a). Verschil in gasdruk aan beide uiteinden van een cirkelvormige buis wordt gecontroleerd, 200 Pa in dit geval. Daarna meet de luchtstroomsnelheid aan de luchtafvoer, zodat hoe groter de luchtweerstand, hoe lager de luchtssnelheid. In dezelfde situatie was het meetresultaat van plasticfolie 0 mm s⁻¹. Volgens de literatuur weten we dat de luchtdoorlatendheid van nylon en andere stoffen gemiddeld tussen 100 en 300 mm s⁻¹ ligt [27]. In de meting van 200 Pa en 20 cm² was de gemeten waarde van PEO/CMCS composiet nanovezel gelijkmatig verdeeld in de 40–50 mm s⁻¹ (Fig. 5), wat aangeeft dat het CMCS/PEO composietmembraan uniforme luchtdoorlatendheid had. In deze test was de gemiddelde filmdikte 0,108 mm. In het algemeen is deze ademendheid geschikt voor gebruik als verpakkingsmateriaal met bewaarfunctie.

De luchtdoorlatendheid van a schematisch diagram van experimentele opzet en b de luchtdoorlatendheid PEO/CMCS nanovezelmembraan met de verhouding 1:12. De data focust op 45 mm s⁻¹. De rode lijn is een leidraad voor de ogen

Antibacteriële Test

Op dit moment zijn veel studies gericht op de antibacteriële eigenschap van chitosaan, maar minder op de antibacteriële eigenschap van CMCS. Chitosaan heeft een significante remmende invloed op veel bacteriën en schimmels, zoals Escherichia coli en Staphylococcus aureus, die beide de schuldigen zijn van vruchtbederf [28]. Volgens onderzoek is de antibacteriële capaciteit van CMCS niet recht evenredig met de concentratie, CMCS toonde de sterkste antibacteriële capaciteit bij de juiste concentratie [29]. Het wordt met name aangegeven dat aminogroep van CMCS de bacteriën kon remmen nadat de CMCS in de oplossing was opgelost door combinatie met het anion [30, 31]. Vanuit het oogpunt van bacteriostase zijn elektrogesponnen CMCS-nanovezels geschikt als antimicrobiele voedselverpakkingsmateriaal, zelfs als hun wateroplosbaarheid het toepassingsbereik beperkte. Zoals getoond in Fig. 6, voerden we antibacteriële experimenten uit op filterpapier en CMCS-vezelmembranen met Escherichia coli en Staphylococcus aureus respectievelijk. De resultaten toonden aan dat CMCS/PEO nanovezelmembraan een duidelijke remmende invloed had op deze twee soorten bacteriën en een brede antibacteriële ring vormde na 18 u training. De twee controlegroepen hadden echter geen bacteriostatisch effect in (a) en (b). Het is opgemerkt dat de bacteriostatische ringen niet uniform waren in Fig. 6c, d door de wateroplosbaarheid en vloeibaarheid van CMCS.

De remming van CMCS/PEO nanovezels op Staphylococcus aureus en Escherichia coli. a Staphylococcus aureus met filterpapier (controle), b Escherichia coli met filterpapier (controle), c Staphylococcus aureus met CMCS/PEO nanovezels, en d Escherichia coli met CMCS/PEO nanovezels

Gewichtsverliespercentage

Het gewichtsverliespercentage kon worden berekend uit de volgende formule:

Gewichtsverlies (%) = (M₀−M)/M₀ × 100%,

waarbij M₀ het verse gewicht van de aardbeien is (aardbeien opgeslagen voor 0 dagen), en M het gewicht is van monsters opgeslagen voor verschillende dagen.

Gewichten van verschillende behandelingsgroepen werden gemeten bij verschillende opslagtijden. Zoals getoond in Fig. 7, ervoerde de lege controlegroep een versnelling van gewichtsverlies, wat toegeschreven kan worden aan een toename in de vrucht metabolische activiteit. Vergeleken met de lege controlegroep, had het fruit behandeld met verpakking door plasticfilm vrij laag gewichtsverlies vanwege de compactheid van de plasticfilm. Blijkbaar richtten we ons op de groep van de CMCS/PEO coatingfilm dat het gewichtsverlies erger is. In dit geval, ondanks de vorming van de CMCS/PEO laag, leidt het tot fysiek en direct contact tussen vocht en vruchtoppervlak. Met contact van beiden, vernietigde vocht de uiterste natuurlijke beschermingslaag van vruchten, wat op zijn beurt resulteerde in een versnelling van de binnenste waterverliesratio. Voor de groep bedekt door elektrogesponnen CMCS/PEO nanovezelfilm, toonde het een redelijk goede waterretentie vergeleken met de lege controlegroep en had het niet veel effecten van de film dat de grondstoffen hydro-oplosbaar zijn.

De gewichtsverliesverhoudingen van aardbeien in verschillende groepen tijdens opslag bij kamertemperatuur

Fruit Vershoudingstest

Met betrekking tot fruitvershouding zijn zintuiglijke eigenschappen duidelijk een significante kenmerk als evaluatiecriterium. De initiële (dag 0) zintuiglijke eigenschappen (kleur, geur en textuur) van deze vier monsters worden gepresenteerd als consistent in dezelfde mate (Fig. 8a). Zoals te zien is uit Fig. 8, gedurende de opslag, verkleurden kleuren in verschillende graden in alle behandelingen. De initiële volle en glanzende uiterlijke van de lege controlegroep was grotendeels verdwenen, en 70% van het fruit was begonnen te rotten, vanwege aardbeien die dungehuid en rijk aan sap zijn, extreem mechanisch kwetsbaar, met name voor waterverlies. Het toegepaste voorbeeld toont aan dat volume duidelijk was gekrumpen in enige mate, met kwaliteitsafname van 19,59 tot 11,10 g voor een gemiddelde van controle (Fig. 8b). PE-verpakking had enkele implicaties in het beheer van preventie en controle van dehydratatie. In Fig. 8c waren aardbeien iets verwelkt, met de kleur gedonkerd, en schimmel verschenen op het deel van de individuele. Het is opgemerkt dat de groep van CMCS/PEO verfcoatings voornamelijk donkerder en bruiner is (Fig. 8d). Bruining is voornamelijk te wijten aan de oxidatieve afbraak van ascorbinezuur. Zoals hierboven vermeld, had de groep van diegenen gedecoreerd met verfcoatings de huid en de bedekkende lagen van de vruchten vernietigd in slechte staat zoals de huid niet glad was en ernste krimp, maar zonder enige rot. De resultaten toonden aan dat de elektrogesponnen CMCS/PEO nanovezelfilm effectief was in het voorkomen van ziekten en rot en het verbeteren van het uiterlijk van fruit in de opslag in Fig. 8e. Net als de andere groepen hadden de aardbeien in deze groep ook een kleine krimp en een aromatische smaak. De oorzaken van afkeerige smaak, in het algemeen, kunnen gerelateerd zijn aan microbiele proliferatie en suikeraccumuler.

De initiële aardbeien a en de effecten van verschillende behandelingen op het uiterlijk van aardbeien van dezelfde grootte na 6 dagen opslag bij kamertemperatuur: b lege controle, c beschermd met plasticfilm, d beschermd door CMCS/PEO verfcoatings, en e beschermd met elektrogesponnen CMCS/PEO nanovezelfilm

Conclusies

Samenvattend, we hebben een niet-giftige en eetbare CMCS/PEO nanovezelmembraan ontwikkeld die niet alleen de uitstekende antimicrobiële eigenschap toonde maar ook bewonderenswaardige luchtdoorlatendheid had door het handgehouden elektrospintoestel. Het CMCS/PEO nanovezelmembraan toonde antibacteriële capaciteit tegen zowel Escherichia coli als Staphylococcus aureus. De gemeten gasdoorlatendheid was op een schaal van 40–50 mm s⁻¹ bij 200 Pa. Deze resultaten wijzen erop dat het CMCS/PEO nanovezelmembraan geschikt kan zijn als verpakkingsmateriaal voor fruit. Vergeleken met typische conventionele coatings kan de nanovezelfilm potentiële toepasbaarheid hebben. Deze milieuvriendelijke technologie kan een alternatieve benadering bieden voor fruit in teelt, transport en verkoop.

Afkortingen

CMCS:

Carboxymethylchitosaan

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood

PEO:

Polyoxyetheenoxide

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie