Sợi tơ tằm như lớp phủ ăn được để bảo quản thực phẩm dễ hỏng

DATE: March 12, 2020

AUTHOR: editor

Việc tái tạo các biopolyme cấu trúc thành các mixen hoặc hạt nano lơ lửng trong nước đã cho phép thiết kế các loại lụa mới với các tính chất độc đáo và hấp dẫn có thể phục vụ tại giao diện giữa thế giới sinh học và phi sinh học. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tận dụng các đặc tính tinh túy của sợi tơ tằm (nghĩa là đa hình, tính phù hợp và tính kỵ nước) để thiết kế một huyền phù protein dựa trên nước có thể tự lắp ráp trên bề mặt thực phẩm khi tráng. Kiểm soát hậu xử lý dựa trên nước của đa hình protein cho phép điều chế sự khuếch tán của khí qua màng mỏng sợi tơ (ví dụ O 2 và CO 2khuếch tán, tính thấm hơi nước), đó là một thông số quan trọng để quản lý độ tươi của thực phẩm. Đặc biệt, hàm lượng tấm beta tăng lên tương ứng với việc giảm khuếch tán oxy thông qua màng mỏng sợi tơ. Bằng cách sử dụng lớp phủ nhúng của dâu tây và chuối làm bằng chứng về nguyên tắc, chúng tôi đã chỉ ra rằng sự hình thành màng sợi tơ mỏng micrometre xung quanh trái cây giúp quản lý sinh lý sau thu hoạch của trái cây. Do đó, lớp phủ sợi tơ giúp tăng thời hạn sử dụng của trái cây trong điều kiện phòng bằng cách giảm tốc độ hô hấp tế bào và bay hơi nước. Chế biến dựa trên nước và bản chất ăn được của sợi tơ tằm làm cho phương pháp này trở thành một lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn để bảo quản thực phẩm bằng một nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên.

Giới thiệu về lụa tơ tằm

Chất thải thực phẩm có tác động đến chất lượng và an toàn thực phẩm, làm mất giá trị kinh tế và tài nguyên, và, cản trở sự phát triển kinh tế. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (FAO) của Liên Hợp Quốc đã ước tính rằng một phần ba thực phẩm được sản xuất cho tiêu dùng của con người trên toàn thế giới bị mất hoặc lãng phí hàng năm dọc theo chuỗi kéo dài từ các trang trại đến xử lý sau thu hoạch, chế biến, phân phối và tiêu thụ của người dùng cuối 1. Đối với các mặt hàng rau quả, FAO đã ước tính mất 50% hoa màu trong toàn bộ chuỗi cung ứng thực phẩm, chủ yếu tập trung ở giai đoạn sau thu hoạch, phân phối và tiêu thụ của người dùng cuối và chủ yếu là do cây trồng bị hư hỏng sớm. Nhiều loại trái cây và rau quả dễ hỏng thực tế có hoạt động trao đổi chất cao và chịu khả năng ô nhiễm vi khuẩn cao, dẫn đến thời gian bảo quản ngắn, sâu răng, thay đổi màu sắc và mất hương vị 2 . Cho đến nay, một số phương pháp điều trị đã được thăm dò để kéo dài tuổi thọ sau thu hoạch trái cây và rau quả (ví dụ như bảo quản lạnh, tiếp xúc với thuốc diệt nấm hóa học tổng hợp, sửa đổi bao bì không khí, phương pháp điều trị thẩm thấu, phương pháp điều trị hypobaric và nhiệt) 3. Trong kịch bản này, sự hình thành của một lớp phủ ăn được thể hiện một lộ trình thay thế để kéo dài độ tươi của cây trồng bằng cách kết hợp thời gian lưu trữ kéo dài với việc dễ dàng xử lý 4 , 5 . Nói chung, lớp phủ thực phẩm phải là ma trận mạnh về mặt cơ học với các nhóm kỵ nước để có độ thấm thấp đối với hơi oxy và hơi nước (tức là kiểm soát tốc độ hô hấp của quả và giữ độ cứng). Khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, hoạt động kháng khuẩn và kháng nấm, khả năng hình thành màng và an toàn (nghĩa là ăn được và không gây dị ứng) cũng là những đặc tính hấp dẫn cho vật liệu phủ ăn được 6 . Cho đến nay, polysacarit, protein, nhựa, lipit và sự kết hợp của chúng là những lựa chọn thường được sử dụng cho các công thức phủ 7 ,8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 . Polysacarit và protein được biết là tạo thành màng có tính chất cơ học tốt, nhưng độ thấm kém, trong khi lipit và nhựa tạo thành màng giòn có độ thấm được cải thiện. Trong số tất cả các loại thực phẩm dễ hỏng, dâu tây được coi là một trong những loại thực phẩm khó bảo quản tươi nhất trong chuỗi cung ứng thực phẩm và do đó đã được sử dụng như một mô hình để kiểm tra hiệu quả của các chiến lược bảo quản thực phẩm và đặc biệt là các lớp phủ ăn được 7 , 14 , 15 .

Tơ sợi tơ là một vật liệu sinh học được nghiên cứu rộng rãi về tiềm năng của nó trong các ứng dụng dệt, y sinh, quang tử và điện tử 16 , 17 . Tơ sợi tơ là một protein cấu trúc, giống như collagen, nhưng có một tính năng độc đáo: nó được sản xuất từ ​​sự đùn của một huyền phù axit amin bởi một sinh vật phức tạp sống (trong khi collagen được sản xuất trong không gian ngoại bào bằng cách tự lắp ráp tế bào sản xuất đơn phân). Các đặc tính sợi tơ có nguồn gốc từ cấu trúc của nó, bao gồm các khối kỵ nước được đặt xen kẽ bởi các miếng đệm ưa nước, axit 18 . Ở trạng thái tự nhiên, sợi tơ được tổ chức trong các tinh thể tấm beta xen kẽ bởi các vùng vô định hình, cung cấp sức mạnh và khả năng phục hồi cho protein 18. Sự đa dạng của các dạng trong đó sợi tơ tái sinh có thể được xử lý ở nồng độ protein cao và trọng lượng phân tử làm cho nó hấp dẫn đối với một số ứng dụng công nghệ cao, như báo cáo gần đây 17 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 . Ngoài ra, tính chất axit-amin của sợi tơ tằm mang đến sự đa dạng của các hóa chất chuỗi bên cho phép kết hợp các đại phân tử hữu ích trong các ứng dụng phân phối thuốc hoặc trong việc cung cấp các hướng dẫn tế bào 27. Các tính chất tự nhiên của sợi tơ tằm đã được khai thác trong các vật liệu tơ tái sinh. Sự kết hợp của các cấu trúc tấm beta với các liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử mang lại tính linh hoạt cao trong sợi tự nhiên cũng đảm bảo tính phù hợp cao trong định dạng màng tái sinh. Trên thực tế, màng sợi tơ tằm đã được sử dụng làm chất nền có thể tương thích sinh học và phân hủy sinh học cho các điện cực cấy ghép được áp dụng trên não và làm chất kết dính, cảm biến ăn được để theo dõi quá trình chín của trái cây và lão hóa phô mai 21 , 22 . Ngoài ra, tính chất khuếch tán khí (tức là oxy, carbon dioxide, hơi nước) của các vật liệu tơ có trong kén, cho phép Bombyx moriđể tồn tại qua giai đoạn nhộng trong vòng đời của nó, có thể được điều chỉnh trong protein tái sinh bằng cách điều chỉnh đa hình sợi tơ 28 , 29 , 30 . Điều này, ví dụ, đã đảm bảo sự trao đổi khí chính xác trong các vật liệu sợi lụa tơ tằm được thiết kế để ghép giác mạc 28 , 29 , 30 . Cụ thể, có thể thu được sợi tơ tằm với hàm lượng mô-đun ở mức độ mô-đun bằng cách điều chỉnh thời gian (phạm vi phút đến giờ) và nhiệt độ (4 nhiệt95 ° C) mà protein tiếp xúc với hơi nước hoặc dung môi phân cực có thể ăn được (nghĩa là etanol) 26 .

Đáng chú ý, sợi tơ tằm cũng đã được chứng minh là sở hữu các tính năng khác biệt với hình thức tái sinh của nó. Ví dụ, sợi tơ tái sinh ổn định các phân tử và hợp chất bền nhiệt (ví dụ enzyme và kháng sinh) 31 . Silk thực sự được coi là một công nghệ nền tảng trong chế tạo vật liệu sinh học vì sự mạnh mẽ và chất lượng của nó mang lại những tài sản cần thiết để cung cấp một danh mục các tính năng riêng biệt ( ví dụ như nanopatterning, chức năng hóa sinh) cho cấu trúc cuối cùng. Việc xử lý chất xơ tái sinh nói chung liên quan đến sự mất nước một phần hoặc toàn bộ huyền phù sợi (hàm lượng protein 1 11515%) để tạo màng, bọt biển, gel, hình cầu (cỡ micron đến nano) và bọt với nhiều kỹ thuật ( ví dụđúc dung môi, đông khô, lọc muối, sonication) 32 . Cơ sở lý luận ngoài các quy trình chế tạo này là sản xuất một vật liệu mạnh mẽ kết hợp độ bền cơ học với các đặc tính sinh hóa đặc biệt .

Kết quả và thảo luận
Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo việc sử dụng huyền phù sợi tơ làm vật liệu phủ có thể ăn được để bảo quản trái cây dễ hỏng. Tơ sợi tơ thường được coi là không hương vị và không mùi, đó là những đặc tính hấp dẫn cho các ứng dụng bao bì và bao bì thực phẩm 33 , 34 . Một huyền phù sợi tơ đã được sử dụng để phủ dâu tây mới hái qua lớp phủ nhúng ( Hình 1a ) 32. Trọng lượng phân tử của sợi tơ tằm được điều chỉnh trong phạm vi 17019090 kDa bằng cách điều chỉnh thời gian đun sôi (tức là 30 phút) trong quá trình chiết tách xơ và nồng độ protein trong huyền phù nhúng được điều chỉnh thành 1% trọng lượng để đạt được huyền phù cuối cùng với tính chất lưu biến (tức là độ nhớt và sức căng bề mặt) tương tự như các đặc tính trước đây được sử dụng cho lớp phủ dựa trên biopolymer 7 , 35 . Phương pháp quang phổ khối plasma kết hợp tự cảm (ICP-MS) đã được sử dụng để nghiên cứu sự hiện diện của các nguyên tố kim loại trong huyền phù lụa, để đánh giá độc tính có thể có được từ quá trình tái sinh sợi tơ. Đối với tất cả các yếu tố được xem xét, các giá trị phát hiện thấp hơn đáng kể so với mức độ độc tính trong nước uống ( Bảng S1), theo hướng dẫn của Tổ chức Y tế Thế giới 36 . Việc phủ dâu tây bằng sợi tơ tằm đã đạt được với quy trình hai pha. Trong giai đoạn đầu tiên, một quy trình phủ nhúng nhiều bước (số bước phủ = D 1, 2 và 4) đã được sử dụng để phơi dâu tây vào huyền phù sợi tơ. Thứ hai, trái cây bọc sợi tơ tằm được xử lý bằng hơi nước trong chân không (cụ thể là xử lý sau ủ nước) để khám phá tác động của việc tăng hàm lượng tấm beta trong vật liệu sợi tơ tằm trong việc quản lý sinh lý sau thu hoạch của trái cây 26 . Kết quả cho thấy lớp phủ sợi tơ tằm kéo dài độ tươi của trái cây dễ hỏng bằng cách làm chậm quá trình hô hấp của trái cây, kéo dài độ cứng của trái cây và ngăn ngừa mất nước.

Hình 1: Lớp phủ của trái cây dễ hư hỏng với sợi tơ ăn được.
Hình 1
( a ) Tác động của lớp phủ sợi tơ tằm đã được nghiên cứu trên những quả dâu tây mới hái. ( i ) Tơ sợi tơ được chiết xuất từ sợi kén Bombyx Mori bằng cách hòa tan trong dung dịch LiBr 9,3 M và ( ii ) lọc máu trong nước khử ion. Nồng độ protein trong nước sau đó được điều chỉnh thành 1% trọng lượng. ( iii ) Sau đó, việc phủ dâu tây đã đạt được bằng quy trình nhúng nhúng trong huyền phù sợi tơ (1wt%). Quá trình phủ nhúng được lặp lại tới 4 lần. iv ) Hàm lượng tấm beta trong lớp phủ sợi tơ ăn được được điều chế bằng cách xử lý sau ủ nước. Thời gian tiếp xúc với hơi nước càng lâu (lên đến 12 giờ), hàm lượng protein trong tấm beta càng cao, như đã báo cáo trongBảng 1 . v ) Dâu tây được bọc bằng sợi tơ tằm sau đó được để ở điều kiện phòng (T = D 22 ° C, RH = D 38%) để nghiên cứu tác động của lớp phủ lên chất lượng của quả. Thuốc nhuộm pha lê tím được sử dụng để nhuộm lớp phủ sợi tơ. ( b ) Hình ảnh đại diện của dâu tây nhuộm màu i ) vừa mới hái, ii ) lớp phủ sợi tơ có thể ăn được (4 quy trình phủ nhúng, tấm beta 23%, nghĩa là không áp dụng ủ nước), iii ) được phủ bằng sợi tơ tằm (4 quy trình phủ nhúng ), 58% bản beta, nghĩa làTiếp xúc với nước ủ sau xử lý. Thuốc nhuộm màu tím pha lê hầu như không nhìn thấy trên bề mặt của dâu tây tráng (chấm đen) do độ dày vài micron của lớp phủ. ( c ) Hình ảnh lập thể của bề mặt và mặt cắt ngang (phần trong) của dâu tây tươi nhuộm màu pha lê ( i ) như đã chọn, ( ii ) được phủ bằng sợi tơ tằm với hàm lượng tấm beta 23% và ( iii ) được phủ bằng sợi tơ tằm (4 quy trình phủ nhúng) với hàm lượng 58% tấm beta. Thanh tỷ lệ: 2 mm.

Hình ảnh kích thước đầy đủ
Sợi tơ tằm như một lớp phủ để quản lý sinh lý sau thu hoạch của dâu tây
Độ dày của lớp phủ sợi tơ, trong phạm vi 27, 353535m, không bị ảnh hưởng đáng kể về mặt thống kê (p> D 0,05) bởi số bước phủ nhúng ( Bảng 1 ). Ngược lại, quá trình ủ nước sau quá trình làm ảnh hưởng mạnh đến các tính chất của lớp phủ sợi tơ bằng cách tăng hàm lượng tương đối của các cấu trúc tấm beta từ 23 ± D 2% (đối với lớp phủ không được xử lý) lên 58 ± D 5% (đối với lớp phủ tiếp xúc với hơi nước trong 12 giờ). Ảnh hưởng của thời gian ủ nước đến hàm lượng tấm beta tương đối của lớp phủ sợi tơ được báo cáo trong Bảng 1 . Không có thay đổi về hình thái hiển vi của vật liệu sợi tơ tiếp xúc với ủ nước có thể nhìn thấy bằng phân tích kính hiển vi điện tử quét ( Hình S1). Thuốc nhuộm pha lê tím được sử dụng để nhuộm lớp phủ sợi tơ. Hình ảnh vĩ mô đại diện của dâu tây nhuộm màu không tráng và phủ bằng vật liệu sợi tơ có thể ăn được với hàm lượng tấm beta tăng dần được trình bày trong hình 1b i , ii và iii , tương ứng. Màu tím pha lê hầu như không nhìn thấy trên bề mặt của dâu tây tráng (chấm đen) do độ dày vài micron của lớp phủ. Ngoài ra, kính hiển vi soi nổi bề mặt và mặt cắt ngang của dâu tây nhuộm màu tím pha lê được phủ bằng vật liệu sợi tơ tằm cho thấy không có sự thay đổi nào về hình dạng của quả khi so sánh với đối chứng không tráng phủ ( Hình 1c). Hiệu quả của lớp phủ sợi tơ ăn được trong việc quản lý sinh lý sau thu hoạch của dâu tây được đánh giá là một chức năng của số bước phủ và hàm lượng tấm beta sợi tơ. Các phân tích bên ngoài và bên trong về sự lão hóa của dâu tây đại diện như là một chức năng của các bước phủ nhúng và nội dung tấm lụa beta được trình bày trong Hình 2a và Hình S2. Việc bảo quản mô dâu tây kéo dài tương ứng với việc tăng các bước phủ và quá trình ủ nước lâu hơn (tức là tăng cường hàm lượng tấm beta). Điều này có thể nhìn thấy bằng cách giảm phụ thuộc thời gian trong bóng râm từ màu đỏ ban đầu và biến dạng từ hình thái ban đầu. Ngoài ra, việc tăng các bước phủ và hàm lượng tấm beta cao hơn có thể làm giảm sự phát triển của vi sinh vật, như được đề xuất bằng cách giảm sâu răng do nấm và nấm mốc. Điều này cũng được xác nhận bởi cuộc điều tra về sự phân rã phụ thuộc thời gian của thịt dâu tây. Hàm lượng tấm beta cao hơn trong lớp phủ sợi tơ tương ứng với việc bảo quản tăng cường mô bên trong của dâu tây, trong các thời điểm được xem xét.

CATEGORY: The knowledge Reef


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Comment:

Full Name: *

Email Address: *

Website: