Membran Nanofiber CMCS/PEO Lanjutan melalui Electrospinning untuk Pelestarian Segar Buah yang Ditingkatkan
Abstrak
Electrospinning menyediakan metode efektif untuk menghasilkan nanofiber dari larutan kitosan karboximetil/polioksietilena oksida (CMCS/PEO). Tujuan karya ini adalah untuk menjelajahi potensi aplikasi membran nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning dalam pelestarian segar buah. Mikrostruktur, aktivitas antibakteri, hidrofili, dan permeabilitas udara dari membran nanofiber telah diuji. Untuk perbandingan, efek pelestarian segar kleng plastik komersial dan membran nanofiber CMCS/PEO pada tingkat busukan dan penurunan berat stroberi telah dipelajari. Hasil menunjukkan bahwa membran CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning dapat secara efektif menghindari kehilangan air pada stroberi dan memiliki efek yang luar biasa untuk memperpanjang masa simpan stroberi karena kemampuan bernafas dan aktivitas antibakterinya. Selain itu, membran nanofiber komposit CMCS/PEO ini tidak beracun dan dapat dimakan, yang dapat digunakan dalam industri pangan.
Latar Belakang
Pengembangan film dan pelapisan pelindung makanan telah beralih dari perawatan fisik atau mekanis menjadi perlindungan kimiawi. Orang fokus pada bahan biologis yang sebagian besar dapat dimakan seperti protein, lipid, dan polisakarida alih-alih film pelindung tradisional seperti plastik, kertas, dan parafin [1, 2]. Dengan kesadaran yang meningkat tentang perlindungan lingkungan, pelapisan dan film yang dapat dimakan dapat digunakan secara luas dalam makanan, terutama untuk buah dan sayuran yang memerlukan pelestarian segar yang sangat efektif. Pelapisan sederhana bahkan lapisan tipis membran dengan beberapa fitur spesifik dapat mencapai hasil yang lebih baik [3]. Kitosan adalah pilihan alami yang sangat baik untuk makanan karena biodegradabilitas, biokompatibilitas, aktivitas antimikroba, non-toksisitas, dan properti kimia dan fisik yang serbaguna [4, 5], dan dengan properti antibakteri uniknya, daya tahan busuk, dan properti pembentukan film, telah banyak digunakan dalam obat, tekstil, dan makanan [6,7,8,9]. Khususnya, kitosan dapat berasal dari bahan baku culkul ulat sutra, udang, dan kepiting yang melimpah dan banyak tersebar di alam [10].
Electrospinning, yang secara kontinu memproduksi membran nanofibrous lembut [11, 12], dapat memberikan perlindungan yang lembut bagi buah. Ini dapat membantu menyelesaikan masalah penyimpanan dan transportasi beberapa buah seperti stroberi, tomat ceri, dan kumkat. Dengan lapisan nanofiber lembut, permukaan buah dapat dilindungi dari invasi luar, seperti introduksi bakteri dan goresan. Dalam beberapa studi, larutan asam asetat konsentrat digunakan sebagai pelarut untuk electrospinning nanofiber kitosan, dan nanofiber kitosan karboximetil (CMCS) disiapkan menggunakan air deionisasi sebagai pelarut [13,14,15]. Polioksietilena oksida (PEO) yang larut dalam air juga ditambahkan ke larutan CMCS sebagai adjuvan untuk mengoptimalkan proses electrospinning [16], yang dikenal sebagai polimer non-toksis [17,18,19].
Masa lalu, strategi pelestarian segar buah berdasarkan kitosan dilaporkan dengan melukiskan larutan kitosan pada permukaan buah untuk membentuk film basah, tetapi ada beberapa metode untuk menilai membran fibrous berdasarkan electrospinning [20,21,22]. Namun, film pelapisan basah memberikan kontak antara kulit buah dan kelembaban di udara, sehingga memberikan kesempatan bagi pertumbuhan bakteri dan kehilangan air. Selain itu, metode pelapisan ini memerlukan pengeringan selama seluruh proses, yang lebih lanjut menyebabkan potensi kerusakan pada buah. Dalam karya ini, kami menggunakan perangkat electrospinning tangan baru untuk persiapan film nanofiber CMCS/PEO yang tidak beracun dan dapat dimakan (Gambar 1) [5, 23]. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengevaluasi potensi aplikasi film nanofiber kitosan dalam pelestarian segar buah dan untuk meningkatkan kualitas pelapisan tradisional serta memperpanjang masa simpan stroberi.
Diagram metode untuk mempersiapkan membran nanofiber CMCS/PEO untuk pelestarian segar stroberi
Metode/Eksperimen
Bahan
Stroberi meja yang diorganik dipanen di Distrik Laoshan (Qingdao, China) dan dibawa ke laboratorium secepatnya; sisa-sisa dibersihkan sebelum pelapisan. Stroberi yang dipilih adalah yang tidak memiliki goresan berbahaya mekanis dan dengan ukuran, bentuk, dan kematangan yang serupa. CMCS (Mw 80.000 ~ 250.000) dengan 95% de-N-asetilasi dibeli dari Aoduofuni (Nanjing, China). PEO (Mw ~ 5.000.000) dibeli dari Aladdin.
Persiapan Larutan Spinning
Tabel 1 menunjukkan detail berbagai rasio larutan campuran yang berisi CMCS, PEO, dan air deionisasi. Secara singkat, 3,0 g CMCS dicampur dengan 0,16 g, 0,20 g, dan 0,25 g PEO, masing-masing. Kemudian, mereka dimasukkan ke dalam 40,0 g air deionisasi dalam botol 100 ml. Pengadukan magnetik diterapkan selama sekitar 4 jam pada suhu ruangan hingga larutan menjadi transparan dan homogen.
Persiapan Membran Nanofiber
Membran serat komposit disiapkan sebagai berikut: 40% kelembaban relatif, jarak jarum suntik-ke-pengumpul 20 cm, dan tegangan spinning yang diterapkan 20 kV. Dalam karya ini, perangkat electrospinning tangan yang dirancang oleh Qingdao Junada Technology Co. Ltd. digunakan untuk mempersiapkan membran nanofiber CMCS/PEO. Gambar 1 menunjukkan diagram skematis teknik persiapan dan proses electrospinning.
Karakterisasi Membran e-spun
Morfologi dan diameter nanofiber dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindai (SEM; Phenom Pro). Struktur antar molekul polimer ditentukan dengan spektrometro inframerah transformasi Fourier (FTIR; Nicolet iN10; Thermo Fisher Scientific, Waltham). Kemampuan bernafas diukur dengan penguji laju transmisi gas (FX 3300; Zurich).
Persiapan Proses Pelestarian
Stroberi dibagi ke dalam empat kelompok secara acak. Setiap kelompok memiliki enam stroberi dalam kultur dish. Kelompok pertama sepenuhnya terkena atmosfer sebagai kelompok kontrol kosong. Kelompok kedua dibungkus dengan film plastik rumah tangga biasa. Kelompok ketiga dilukis dengan larutan electrospinning (PEO: CMCS = 1:20) untuk membentuk lapisan pelindung dengan permukaan glazer di luar. Dalam kelompok ini, sampel dengan hati-hati dikeringkan untuk membentuk film pelindung. Selain itu, membran nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning digunakan untuk menutup kelompok terakhir. Akhirnya, kelompok-kelompok ini ditempatkan pada suhu ruangan tanpa sinar matahari, diamati, dan dicatat pada waktu yang sama setiap hari. Gambar 2 adalah diagram skematis pelestarian stroberi.
Diagram skematis pelestarian stroberi dalam setiap kelompok: a kelompok kontrol kosong dalam kultur dish, b kelompok dalam kultur dish yang ditutup dengan film plastik, c kelompok dengan lapisan pelarut CMCS/PEO pada permukaan stroberi individu, dan d kelompok dalam kultur dish yang ditutup dengan film nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning
Hasil dan Pembahasan
Analisis Morfologi
Meskipun larutan CMCS murni memiliki viskositas yang tinggi yang dapat mencapai 400–800 mPa ∙ s, masih sulit untuk membentuk serat dengan medan elektrostatik. Hambatan berasal dari struktur molekuler dan kelebihan larutan chitin dan kitosan, terutama untuk CMCS. Karena alasan ini, pengikat poliol yang memfasilitasi pembentukan serat seperti PEO ditambahkan ke larutan CMCS. Di bawah tegangan yang diterapkan, konus Taylor yang jelas diamati untuk larutan CMCS/PEO dalam rentang konsentrasi 2,5–7,5 wt% (Gambar 1). Gambar 3 menunjukkan gambar SEM dan distribusi diameter serat dari serat komposit CMCS/PEO dengan berbagai rasio. Serat komposit ini memiliki morfologi silinder dengan diameter serat sekitar 130–400 nm.
Gambar SEM dan distribusi diameter serat dari electrospinning yang dihasilkan dari larutan a PEO: CMCS = 1:24, b PEO: CMCS = 1:18, dan c PEO: CMCS = 1:12
Ketika jumlah PEO yang lebih sedikit dicampur dengan CMCS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a (PEO: CMCS = 1:24), seratnya lebih tipis dan tidak homogen dengan diameter 130–280 nm. Untuk larutan dengan PEO: CMCS = 1:18, diameter serata serat sekitar 210 nm, dan beberapa penggloneng antara serat yang relatif kasar diamati pada Gambar 3b. Seiring dengan meningkatnya rasio PEO (PEO: CMCS = 1:12), serat yang cukup homogen dengan diameter rata-rata 290 nm diperoleh (Gambar 3c). Membran nanofiber dengan rasio 1:12 PEO/CMCS dipilih sebagai film kemasan, karena larutan dengan rasio 1:12 PEO/CMCS memiliki viskositas yang lebih sesuai untuk electrospinning dan lebih mudah untuk membentuk film nanofibrous yang lengkap untuk menutup buah, dan film yang dihasilkan electrospinning memiliki intensitas bernafas yang lebih merata karena mikropori yang berukuran seragam sesuai dengan gambar SEM.
Spektroskopi Inframerah
Gambar 4 menunjukkan spektral FTIR bubuk CMCS yang dihasilkan electrospinning dan nanofiber komposit CMCS/PEO. Frekuensi dan penetapan untuk CMCS murni ditunjukkan sebagai berikut: puncak pada 1320 cm−1, 1137 cm−1, dan 1050 cm− 1 berasal dari getangan C–H, ikatan glikosidik C–O–C, dan getangan peregangan C–O dari CMCS, masing-masing. Dalam spektral, puncak baru pada 1603 cm−1 yang karakteristik garam asam karbosilat (–COO– getangan asimetris dan simetris) muncul, sementara puncak bahu di sekitar 1650 cm−1 yang menunjukkan grup amino. Meskipun beberapa perbedaan dalam dua gambar diamati, keduanya menunjukkan puncak karakteristik dasar untuk CMCS pada 3423 cm−1 (getangan O–H) dan 2960–2970 cm−1 (getangan C–H). Kami dapat melihat bahwa spektral FTIR tidak berubah dengan penambahan PEO, yang menunjukkan bahwa tidak ada perubahan struktur yang jelas antara bubuk CMCS dan CMCS/PEO.
Spektral FTIR dari a bubuk CMCS yang dihasilkan electrospinning dan b membran nanofiber komposit CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning
Uji Permeabilitas Udara
Banyak studi telah menemukan bahwa permeabilitas adalah faktor penting untuk pelestarian buah. Membran mikropori dapat mempromosikan pertukaran gas di dalam dan di luar kemasan, mengatur konsentrasi O2 dan CO2, dan membuat buah dan sayuran yang dikemas memiliki lingkungan penyimpanan yang baik, sehingga memastikan kualitasnya atau tidak terlalu terpengaruh [24]. Permeabilitas tertentu dari kleng plastik dapat mempertahankan konsentrasi CO2 yang sesuai dalam ruang tertutup. Pembentukan atmosfer penyimpanan dapat menghambat respirasi sayuran dan memperpanjang masa simpan. Dengan syarat kemampuan bernafas terlalu tinggi, mudah untuk membuat kandungan oksigen paket terlalu tinggi, mempercepat respirasi buah, penuaan lebih cepat, cokelat, dan pudaran yang serius [25]. Sebaliknya, permeabilitas udara yang buruk atau ketepatan udara yang buruk dapat menyebabkan buah menghasilkan alkohol anaerobik, yang pada akhirnya memperparah busukan buah. [26]. Jelas, permeabilitas membran nanofiber menurun seiring dengan peningkatan ketebalan film. Dalam eksperimen ini, membran nanofiber komposit PEO/CMCS dengan rasio 1:12 dan film plastik dipilih untuk uji permeabilitas. Prinsip pengujian dasar dari perangkat yang digunakan adalah sebagai berikut (Gambar 5a). Perbedaan tekanan gas di kedua ujung tabung lingkaran dikontrol, 200 Pa dalam hal ini. Kemudian ukur laju aliran udara di keluar udara, sehingga semakin besar hambatan udara, semakin rendah kecepatan udara. Dalam situasi yang sama, hasil pengukuran kleng plastik adalah 0 mm s−1. Menurut literatur, kami tahu bahwa permeabilitas udara nylon dan kain lainnya rata-rata antara 100 dan 300 mm s−1 [27]. Dalam pengukuran pada 200 Pa dan 20 cm2, nilai yang diukur dari membran nanofiber komposit PEO/CMCS terdistribusi merata pada 40–50 mm s−1 (Gambar 5), menunjukkan bahwa membran komposit CMCS/PEO memiliki permeabilitas udara yang seragam. Dalam tes ini, ketebalan rata-rata film adalah 0,108 mm. Secara umum, kemampuan bernafas ini cocok untuk digunakan sebagai bahan kemasan dengan fungsi pelestarian.
Permeabilitas udara dari a diagram skematis tata letak eksperimen dan b permeabilitas udara membran nanofiber PEO/CMCS dengan rasio 1:12. Data berfokus pada 45 mm s−1. Garis merah adalah panduan untuk mata
Uji Antibakteri
Saat ini, banyak studi yang berfokus pada properti antibakteri kitosan, tetapi kurang pada properti antibakteri CMCS. Kitosan memiliki efek hambatan yang signifikan terhadap banyak bakteri dan jamur, seperti Escherichia coli dan Staphylococcus aureus, keduanya adalah penyebab busukan buah [28]. Menurut investigasi, meskipun kemampuan antibakteri CMCS tidak berbanding lurus dengan konsentrasinya, CMCS menunjukkan kemampuan antibakteri terkuat pada konsentrasi yang sesuai [29]. Secara khusus ditekankan bahwa amino CMCS dapat menghambat bakteri setelah CMCS larut dalam larutan dengan menggabungkan anion [30, 31]. Dari sudut pandang bakteriostasis, nanofiber CMCS yang dihasilkan electrospinning cocok sebagai bahan kemasan pangan antimikroba, meskipun kelebihan larutan airnya membatasi jangkauan aplikasinya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, kami melakukan eksperimen antibakteri pada kertas saring dan membran serat CMCS menggunakan Escherichia coli dan Staphylococcus aureus, masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa membran nanofiber CMCS/PEO memiliki efek hambatan yang jelas terhadap kedua jenis bakteri ini dan membentuk lingkaran antibakteri lebar setelah 18 jam pelatihan. Namun, dua kelompok kontrol tidak memiliki efek bakteriostatic apa pun di (a) dan (b). Perlu dicatat bahwa lingkaran bakteriostatic tidak seragam pada Gambar 6c, d karena kelebihan larutan air dan keluwesan CMCS.
Hambatan nanofiber CMCS/PEO terhadap Staphylococcus aureus dan Escherichia coli. aStaphylococcus aureus dengan kertas saring (kontrol), bEscherichia coli dengan kertas saring (kontrol), cStaphylococcus aureus dengan nanofiber CMCS/PEO, dan dEscherichia coli dengan nanofiber CMCS/PEO
Persentase Penurunan Berat
Rasio penurunan berat dapat dihitung dari rumus berikut:
Penurunan berat (%) \( =\frac{M_0-M}{M_0}\times 100\% \),
di mana M0 adalah berat segar stroberi (stroberi disimpan selama 0 hari), dan M adalah berat sampel yang disimpan selama berbagai hari.
Berat berbagai kelompok perlakuan diukur pada berbagai waktu penyimpanan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, kelompok kontrol kosong mengalami percepatan penurunan berat, yang dapat dikaitkan dengan peningkatan aktivitas metabolik buah. Dibandingkan dengan kelompok kontrol kosong, buah yang dirawat dengan pembungkus film plastik memiliki penurunan berat yang sangat rendah karena kepadatan film plastik. Jelas, kami berfokus pada kelompok film pelapisan CMCS/PEO di mana penurunan berat lebih parah. Dalam kasus ini, meskipun terbentuknya lapisan CMCS/PEO, ini menyebabkan kontak fisik dan langsung antara kelembaban dan permukaan buah. Dengan kontak keduanya, kelembaban merusak lapisan pelindung alami terluar buah, yang pada gilirannya menghasilkan percepatan laju kehilangan air di dalam. Untuk kelompok yang ditutup dengan film nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning, ini menunjukkan retensi air yang cukup baik dibandingkan dengan kelompok kontrol kosong dan tidak memiliki banyak efek film bahwa bahan baku berlebihan air.
Rasio penurunan berat stroberi dalam berbagai kelompok selama penyimpanan pada suhu ruangan
Uji Pelestarian Segar Buah
Terkait pelestarian segar buah, properti sensorik jelas merupakan karakteristik yang signifikan sebagai kriteria evaluasi. Properti sensorik awal (hari 0) (warna, aroma dan tekstur) dari keempat sampel ini disajikan sebagai konsistensi yang sama (Gambar 8a). Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 8, selama penyimpanan, warna pudar dalam berbagai derajat dalam semua perlakuan. Penampilan segar dan mengkilat awal dari kelompok kontrol kosong telah hampir hilang, dan 70% buah telah mulai busuk, karena stroberi yang dikupas tipis dan kaya akan jus, sangat rentan terhadap kerusakan mekanis, terutama untuk kehilangan air. Contoh yang diterapkan menunjukkan bahwa volume telah menyusut secara signifikan hingga beberapa derajat, dengan penurunan kualitas dari 19,59 menjadi 11,10 g untuk rata-rata kontrol (Gambar 8b). Pembungkus PE memiliki beberapa implikasi dalam manajemen pencegahan dan kontrol dehidrasi. Pada Gambar 8c, stroberi layu sedikit, dengan warna menjadi gelap, dan jamur muncul pada bagian individu. Perlu dicatat bahwa kelompok lapisan pelukan CMCS/PEO terutama pudar dan cokelat (Gambar 8d). Pudaran cokelat terutama disebabkan oleh degradasi oksidatif asam askorbat. Seperti yang disebutkan di atas, kelompok yang dihiasi dengan lapisan pelukan telah merusak kulit dan lapisan pelindung buah tampil dalam kondisi buruk seperti kulit tidak halus dan penyusutan yang parah, tetapi tanpa busuk. Hasilnya menunjukkan bahwa film nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning efektif dalam mencegah penyakit dan busuk serta meningkatkan penampilan buah selama penyimpanan pada Gambar 8e. Sama seperti kelompok lain, stroberi dalam kelompok ini juga mengalami sedikit penyusutan dan rasa aromatik. Sebab rasa aneh, secara umum, dapat terkait dengan proliferasi mikroba dan akumulasi gula.
Stroberi awal a dan efek berbagai perlakuan pada penampilan stroberi dengan ukuran yang sama setelah 6 hari penyimpanan pada suhu ruangan: b kontrol kosong, c dilindungi dengan film plastik, d dilindungi oleh pelukan pelapan CMCS/PEO, dan e dilindungi dengan film nanofiber CMCS/PEO yang dihasilkan electrospinning
Kesimpulan
Secara ringkas, kami telah mengembangkan membran nanofiber CMCS/PEO yang tidak beracun dan dapat dimakan yang tidak hanya menunjukkan properti antimikroba yang luar biasa tetapi juga memiliki kemampuan bernafas yang memuaskan melalui perangkat electrospinning tangan. Membran nanofiber CMCS/PEO menunjukkan kemampuan antibakteri terhadap Escherichia coli dan Staphylococcus aureus. Permeabilitas gas yang diukur pada skala 40–50 mm s−1 pada 200 Pa. Hasil ini menunjukkan bahwa membran nanofiber CMCS/PEO mungkin cocok sebagai bahan kemasan untuk buah. Dibandingkan dengan pelapisan konvensional biasa, film nanofiber mungkin memiliki potensi aplikasi. Teknologi ramah lingkungan ini mungkin memberikan pendekatan alternatif untuk buah dalam pertumbuhan, transportasi, dan penjualan.
