辅以二氧化钛和氧化硅纳米粒子的木瓜粘液的物理力学和抗菌性能

文件类型:原始研究文章

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1 拉齐大学兽医学院食品卫生与质量控制系,伊朗克尔曼沙

2 伊朗大不里士大不里士大学兽医学院食品卫生与水生系

抽象

目标:木瓜种子黏液(QSM)是一种新的水胶体来源,该胶体是从湿的Cydonia longlonga种子的外果皮中提取的。传统上,它已用于治疗诸如咽部疾病,普通感冒,绞痛,溃疡和腹泻等疾病。本研究的目的是评估木瓜粘液补充二氧化钛(TiO2)和氧化硅(SiO2)纳米粒子的物理力学和抗菌性能。
方法:使用琼脂圆盘扩散法和肉汤微稀释法测定指定QSM对金黄色葡萄球菌,枯草芽孢杆菌,蜡状芽孢杆菌,单核细胞增生李斯特菌,鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的抗菌性能。使用分析仪器评估活性QSM的厚度,拉伸强度(TS),穿刺力(PF),穿刺变形(PD),溶胀指数(SI)和颜色。
结果:包含TiO2和SiO2纳米颗粒的薄膜对金黄色葡萄球菌,枯草芽孢杆菌,蜡状芽孢杆菌,单核细胞增生李斯特菌,鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌O157:H7的抗菌作用良好,范围分别为0.82-6.88 mm和-2.78-关于琼脂圆盘扩散法和肉汤微量稀释法,种群(DP)的对数差异为-0.28。给出的值,包括QSM膜的TS,PF和PD,分别在22.45-35.81 MPa,10.42-15.49 N和15.53-18.45 mm范围内。
结论:TiO2和SiO2纳米粒子的应用大大改善了所制备薄膜的抗菌和物理力学性能。

关键词


介绍

近几十年来,高发病率和高死亡率的食源性病原菌的暴发已经增加,并被社会经济发展国家所关注,成为公众关注和食品安全的重要问题[1]。疾病控制与预防中心(CDCP)指出,美国大约有48-50百万例食源性疾病病例,每年有127,839例住院治疗和3,037例与食源性疾病相关的死亡[2]。 金黄色葡萄球菌枯草芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌李斯特菌鼠伤寒沙门氏菌 和  大肠杆菌 O157:H7是最常见的食源性微生物[3]。由于食用新鲜食品,例如鱼和渔产品,肉和肉制品,原料奶和蔬菜色拉,发生了几起食源性疾病暴发[2]。由于这个原因,发现有效和优良的抗菌化合物以确保食品安全并延长其保质期一直处于永久状态。

在过去的十年中,由于活性食品包装材料具有提供食品安全和控制包括化学,微生物和感官特性在内的不希望的产品质量变化的潜力,因此进行了越来越多的研究来制造活性食品包装材料[4]。由于人们越来越关注塑料包装材料在我们的健康和生态系统中的应用,因此从天然可再生资源(包括碳水化合物,蛋白质和脂质)生产可生物降解/可食用的生物聚合物是食品工业领域的主要需求之一[5]。木瓜属于 蔷薇科 该家族被认为是冬季最常用的水果之一,其高营养化合物具有抗微生物和抗氧化特性[6]。伊朗民间医学中的木瓜种子用于治疗感冒,咽部疾病,并在制备固定发乳中用作乳化剂[7]。先前的研究表明木瓜粘液(QSM)可用作可食用的薄膜/包衣材料,以保护和延长新鲜食品的保质期[6-9]。可生物降解的薄膜/涂料可用于携带抗微生物和抗氧化剂化合物,从而为食品提供额外的压力因子’氧化,感官和微生物的恶化[10]。近年来,在食品应用中使用无机抗菌剂引起了人们对控制食源性和腐败性微生物的兴趣[11-13]。二氧化钛2)是元素钛的天然氧化物,也称为二氧化钛。该物质以三种矿物质天然存在,分别为锐钛矿,金红石和板钛矿[14]。由于这种矿物具有很高的折射特性,因此在工业上有许多应用。实际上,二氧化钛2, 被称为“titanium white”,是金属世界中最白的材料之一[15]。二氧化硅(SiO2)由于其与氧的强亲和力,也以二氧化硅或硅酸盐的形式自然存在。它是地壳中含量第二高的元素,但尚未被视为植物必不可少的元素[16]。在食品模型和食品模型中,纳米级抗菌化合物的潜在应用如粘土[11,17],氧化镁[13]和氧化锌[12]。 体外 状况已得到广泛评估。根据我们的知识,尚无关于在食品模型和食品模型中添加纳米金属的QSM的抗菌活性的公开研究。 体外 条件。因此,本研究的目的是评估物理力学和力学 TiO掺杂QSM的抗菌性能。2 and SiO2 nanoparticles.

材料和方法

用料

二氧化钛 2 and SiO2 纳米颗粒(直径和纯度为20-30 nm>97-99%)是从伊朗霍拉桑·拉扎维的马什哈德的伊朗纳米材料先锋公司购买的。甘油,脑心浸液(BHI)肉汤,脑心浸液(BHI)琼脂和缓冲蛋白ept水均购自德国Taufkirchen的默克公司。木瓜种子是从伊朗克曼沙(Kermanshah)的当地市场获得的。  金黄色葡萄球菌 (ATCC 6538), 枯草芽孢杆菌 (ATCC 6633), 蜡状芽孢杆菌 (ATCC 11774), 单核细胞增生李斯特菌 (ATCC 19118), 鼠伤寒沙门氏菌 (ATCC 14028) 和   大肠杆菌  O157:H7(ATCC 10536)购自伊朗德黑兰的伊朗科学技术研究组织(IROST)的文化收藏。

木瓜粘液的提取

木瓜种子由伊朗克尔曼沙什的拉齐大学的分类学家鉴定。因此,手工清洗木瓜种子,将其浸入乙醇中以除去所有外来杂质,然后在45°C的烤箱中干燥± 1 °C持续8小时。然后,将种子以1:35 w / v的比例浸入加倍的蒸馏水中,并根据先前公布的方法在热板磁力搅拌器(IKA,德国)上搅拌[7,9]。然后,将溶胀的种子用棒式桨式搅拌器在40℃下以12000 rpm的转速搅拌。± 1 °C 10分钟以刮擦种子表面的粘液层。然后用粗棉布过滤溶液,并在45℃的烤箱中干燥所得的粘液。± 1 °C保持12小时。将干燥的纯化QSM放在干燥的地方,直到进行进一步的实验。

活性膜的制备

根据Khazaei等人(2014年)报道的先前方法,使用流延方法进行了纳米复合膜的制备,并做了一些小的改动[6]。通过将5 g QSM粉末加入100 ml蒸馏水中并在室温下在磁力搅拌器/热板上(IKA,德国)搅拌直至完全溶解,来制备基于QSM的成膜溶液。将作为增塑剂的甘油以4 ml / g(关于QSM的量)添加到溶液中,并在室温下搅拌10分钟。二氧化钛 2 and SiO2 纳米粒子的浓度为0、0.5和 将1%的溶液单独或组合加入溶液中,并使用均质器(HG-15D,Wise Tis,韩国)在10000℃下连续混合×g 10分钟。通过将50 ml的混合物浇铸在12 cm的玻璃板上并在环境条件下干燥48 h来制备所有指定的薄膜。

细菌菌株的制备

冻干细菌菌株在BHI肉汤中于37激活± 1 °C持续24小时。使用分光计作为接种剂量,以适当的光密度将每种微生物的第二次传代培养物进行调节[10]。

指定膜的抗菌性能

指定膜的抗菌性能 金黄色葡萄球菌枯草芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌单核细胞增生李斯特菌鼠伤寒沙门氏菌 and  大肠杆菌  O157:H7使用琼脂圆盘扩散法和肉汤微稀释法测定[18]。

在琼脂圆盘扩散试验中,将15-20 ml熔化的BHI琼脂倒入无菌的塑料培养皿中(直径= 90 cm)。之后,将0.1ml每种细菌菌株悬浮液(8log CFU / ml)的量完全铺在琼脂板上。干燥表面板后,将含有浓度分别为0、0.5和1%(直径为12 mm)的0、0.5和1%浓度不同的薄膜放在接种板上,然后在37℃下孵育± 1 °C for 24 h.

在肉汤微量稀释测定中,在室温下干燥之前使用指定的膜作为成膜溶液形式。首先是180µl指定的成膜溶液和20种µ将含有8 log CFU / ml细菌悬浮液的BHI肉汤添加到带有U型底孔的96孔无菌微稀释板中。在实验中考虑具有和不具有细菌病原体的两个孔作为阳性和阴性对照,并如上所述进行孵育。用无菌板密封剂包装板。在室温下,将所有微板在平板振荡器上以200 rpm的速度完全搅拌1分钟。孵育后,从10开始µ使用十倍系列稀释液稀释每个孔中的1个,在BHI琼脂上培养并在37± 1 °C持续24小时。此后,对细菌菌落的数量进行计数,并根据方程式以种群差异(DP)表示结果:

日志DP =日志 = log N – log N0

N和N0 是分别在时间t和零处的细菌种群(CFU / ml)。

活性膜的物理力学性能

活性膜的厚度,拉伸强度(TS),穿刺力(PS),穿刺变形(PD)和溶胀指数(SI)是根据先前的方法进行评估的[18,19]。

胶片样品的颜色,以亮度(L), 发红 (a)和黄度(b使用Minolta Chroma Meter Model CR-400(日本Minolta)测定。因此,将胶片片(直径为30毫米)放置在标准白板上(L* = 94.24, a* = -0.52, 和  b* = 4.19)。总色差( ΔE )由以下公式[20]计算:

 

哪里   ΔL  (亮度差异)=  长*  - L Δa  (红绿色色度差)=  一种*  - a 和   Δb  (黄蓝色色差)=  b *  - b 长* 一种*  and  b *  是标准的颜色参数值, La and b 是样本的颜色参数值。

统计分析

所有实验均重复三次。使用Windows SPSS 25(SPSS,美国伊利诺伊州芝加哥)软件包进行分析。所有数据都经过单向方差分析,以确定样品的差异。考虑了显着性水平 P <所有实验数据均为0.05。

结果与讨论

结果 体外 含或不含TiO的指定QSM基薄膜的抗菌活性2 and SiO2 纳米颗粒示于表1中。在琼脂圆盘扩散测定中,对照膜没有针对所有微生物的任何清晰的抑制区。从琼脂表面板上除去指定的膜时,未观察到细菌生长。在Jouki等人(2014年)的研究中观察到了类似的发现[7]。因此,对照QSM没有显示出对 金黄色葡萄球菌蜡状芽孢杆菌单核细胞增生李斯特菌小肠结肠炎耶尔森菌,  和   大肠杆菌  琼脂圆盘扩散试验中的O157:H7。 Wang等人(2018)报道QSM包含具有高抗氧化和抗菌特性的多酚化合物[21]。我们的初步研究表明,根据DPPH自由基清除活性,QSM的抗氧化性能为25.34%(未显示实验方法)。控制膜中没有抑制区是由于当膜为固体形式时,膜无法通过琼脂培养基扩散[20]。在其他直接生物聚合物材料中,如壳聚糖[20,22]和明胶[18],也没有明显的抑制区。此外,含有TiO的薄膜2 and SiO2 纳米粒子表现出良好的抗微生物作用 金黄色葡萄球菌枯草芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌单核细胞增生李斯特菌鼠伤寒沙门氏菌 和   大肠杆菌  关于琼脂盘扩散和肉汤微量稀释测定,O157:H7的范围分别为0.82-6.88 mm和-2.78--0.28 log DP。 Besinis等人(2014年)报道了TiO2 and SiO2 纳米粒子具有良好的抗菌作用 变形链球菌 作为口腔病原体[23]。在Santhoshkumar等人(2014年)的研究中,二氧化钛纳米粒子显示出抗微生物活性 奇异变形杆菌 大肠杆菌 金黄色葡萄球菌 and 铜绿假单胞菌 在17-25毫米范围内[24]。我们的发现也与有关纳米金属对金属的影响的报道一致。 金黄色葡萄球菌 [25], 单核细胞增生李斯特菌 [26], 和  鼠伤寒沙门氏菌 [27].

SiO的抗菌活性纳米粒子可能与其在微生物表面的氧化攻击,细胞分化,粘附和扩散有关[23,24]。二氧化钛2 纳米颗粒通过氧化应激,膜流动性的氧化脂质氧化产生活性氧(ROS),并且破坏细胞完整性[23]。根据Fellahi等人(2013年)的结果,SiO2 纳米线具有很强的抗微生物活性  大肠杆菌  O157:H7 [28]。如表1所示, 金黄色葡萄球菌 是最易感染的细菌 其次是 枯草芽孢杆菌,  和  蜡状芽孢杆菌 通常,革兰氏阴性细菌由脂多糖复合而成,因此对金属纳米颗粒对革兰氏阳性细菌的抵抗力更大[3]。

有源QSM薄膜的力学性能(包括TS,PF和PD)显示在图1中。QSM薄膜的TS,PF和PD的显示值为22.45-35.81 MPa,10.42-15.49 N和15.53-分别为18.45毫米,并与其他作者的报道一致[6,7]。含有TiO组合的薄膜的机械性能2 and SiO2 浓度为0.5%和1%的纳米颗粒显着高于直膜 <0.05)。先前的研究回顾了可生物降解薄膜的机械表征可能与微观结构和分子间相互作用有关[17,29]。含有纳米颗粒的薄膜的较高机械性能可能与化合物与薄膜材料之间的极端相互作用(水合和疏水相互作用)有关,这增加了薄膜网络的完整性,并最终提高了薄膜的机械性能[30]。 Abdollahi等人(2012年)还报道,掺入纳米粘土可提高壳聚糖膜的机械性能[17],这与我们的发现总体上是一致的。 Vejdan et al。,(2016)发现TiO2 纳米颗粒影响鱼明胶/琼脂双层膜的物理机械性能(TS和断裂伸长率)[30]。根据我们的发现(表2),膜厚度没有受到显着影响,这可能是由于这些纳米粒子的直径较小。如表2所示,纯QSM薄膜的固有SI可能归因于与水相互作用的亲水基团,例如羧基。[31]我们的发现表明,活性膜的SI明显低于纯膜(P<0.05),这是由于化合物之间的分子间交联相互作用[32]。纯QSM膜的外观 L*a* and b* 颜色值分别为87.45,-1.34和15.67(表3)。根据我们的发现,  L* and b含TiO的薄膜2 and SiO2 纳米粒子高于对照组。通过添加天然化合物(例如植物提取物/精油[18,29]和金属纳米颗粒[17,27,30])也得到了相似的结果。

结论

二氧化钛 的应用 和SiO 2 纳米粒子极大地改善了所制备薄膜的抗微生物和物理机械性能。关于在食品模型中使用指定的胶片以提高新鲜食品的安全性和质量控制,应进行进一步的研究。

致谢

我们感谢拉齐大学和大不里士大学使用其设施和仪器。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

 

2. Jay JM,Loessner MJ,Golden DA。现代食品微生物学,第7版,. 纽约,纽约:施普林格科学商业媒体公司,2005年。