عنوان

تهیه و بررسی خواص نانوذرات کیتوزان حاوی عصاره پوست انار و روغن اسانسی علف لیمو و کاربرد آنها در تهیه فیلم های فعال بیونانوکامپوزیتی و بررسی خواص عملکردی آنها

پ۲۷۸۷۰

per

تهیه و بررسی خواص نانوذرات کیتوزان حاوی عصاره پوست انار و روغن اسانسی علف لیمو و کاربرد آنها در تهیه فیلم های فعال بیونانوکامپوزیتی و بررسی خواص عملکردی آنها

مارال سلطان زاده

کشاورزی

۱۴۰۱

۱۱۷ص.

سی دی

دکتری

صنایع غذایی، گرایش فناوری مواد غذایی

۱۴۰۱/۰۹/۳۰

چکیده: نانوكپسولاسيون عصاره پوست انار و اسانس روغني علف ليمو به عنوان روشي نوين براي محافظت اين تركيبات زيست فعال و رهايش تدريجي آنها در داخل بسته بندي مواد غذايي مي باشد. در اين پژوهش نانوذرات كيتوزان بارگذاری شده در نسبت هاي مخنلف كيتوزان به ماده فعال ( 1 به 25/0 تا 1 به 25/1) تهيه و خواص فيزيكي، مورفولوژيكي، آنتي اكسيداني و ضدميكروبي نانوذرات مطالعه گرديد. عصاره پوست انار و روغن اسانسي علف ليمو به عنوان عوامل فعال آنتي اكسيدان و آنتي ميكروبي بطور جداگانه و با موفقيت به روش يونيزاسيون ژلي در داخل نانوذرات كيتوزان كپسوله گرديدند. غلظت بارگذاري اين عوامل فعال اثر مستقيمي بر راندمان و كارايي كپسولاسيون و خواص فيزيكي نانوذرات كيتوزان داشت. در مورد نانوذرات كيتوزان حاوي عصاره پوست انار و روغن اسانسي علف ليمو غلظت¬هاي بهينه بارگذاري در نسبت كيتوزان به عصاره 1 به 5/0 و كيتوزان به روغن اسانسي 1 به 75/0 حاصل گرديد. در نتيجه نانوذرات حاصله از اين نسبت هاي بارگذاري كارايي انكپسولاسيون مطلوب، مورفولوژي يكنواخت كروي با توزيع اندازه ذرات در محدوده عددي باريك (با قطر متوسط ذرات 150 تا 200 نانومتر)، و پتانسيل زتاي مثبت بالا كه نشان دهنده ثبات فيزيكي نانوذرات بود، ارائه دادند. با افزايش نسبت بارگذاري ماده فعال داخل نانوذرات اين خواص رو به تضعيف رفته، ميانگين قطر نانوذرات افزايش، ثبات فيزيكي و كارايي كپسولاسيون آنها كاهش يافت و ذرات بصورت توده هاي تجمع يافته ظاهر شدند. آزمون طيف سنجي مادون قرمز به عنوان شاخص ارتباط برهم كنش هاي شيميايي مابين اجزاء تشكيل دهنده نشان داد كه برهمكنش نانوذرات با ماده درون پوشاني شده صرفا فيزيكي بوده و برهم كنش شيميايي بين آنها ملاحظه نگرديد. آزمون¬هاي حرارتي و پراش اشعه ايكس در مورد نانوذرات كيتوزان بارگذاري شده با روغن اسانسي علف ليمو نشان دادند كه درون پوشاني روغن اسانسي داخل نانوذرات با موفقيت صورت گرفته است. عصاره پوست انار در حالت آزاد خواص آنتي اكسيداني و محتوي فنلي كل بالايي ارايه داد اما معلوم گرديد كه درون پوشاني عصاره داخل نانوذرات منجر به كاهش خواص آنتي اكسيداني عصاره گرديد كه اين امر مربوط به محصور شدن عصاره در داخل نانوذرات در زمان آزمون و عدم تراوش آن به بيرون نانوذرات بود. بر خلاف خواص آنتي اكسيداني مطلوب حاصله ازعصاره پوست انار، خواص ضدميكروبي قوي از اين ماده حاص نشد و عصاره آزاد تنها بر روي باكتري S. aureus خاصيت ضدميكروبي ضعيفي نشان داد. نانوذرات كيتوزان بارگذاری شده با روغن اسانسي نرخ رهايش تدريجي وابسته به زمان نشان دادند. آناليز GC-MS روغن اسانسي علف ليمو حضور مقادير زياد ماده موثره گرانيال (آلفا سيترال) و نرال (بتا سيترال) در روغن اسانسي را تاييد نمود. برخلاف خاصيت آنتي ميكروبي ضعيف عصاره پوست انار، روغن اسانسي علف ليمو در فرم آزاد و كپسوله شده داخل نانوذرات كيتوزان خواص ضد ميكروبي قوي عليه باكتري هاي گرم مثبت و گرم منفي، مخمر و بخصوص كپك ها نشان داند. در حالت كلي با درنظر گرفتن خواص فيزيكي شيمايي، مورفولوژيكي، ريزساختاري، حرارتي و ضدميكروبي نانوذرات كيتوزان حاوي روغن اسانسي علف ليمو مي توان نتيجه گرفت كه اين نانوذرات مي توانند به عنوان نانوفيلرهاي فعال قابليت استفاده در بسته بندي و پوشش هاي غذايي مواد غذايي داشته باشند. فيلم هاي نانوبيوكامپوزيتي بر پايه ژلاتين-موسيلاژ دانه شاهي حاوي نانوذرات كيتوزان بارگذاری شده با عصاره پوست انار تهيه و خواص مختلف آنها مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان دادند كه خاصيت آبگريزي سطحي، خواص مكانيكي و ممانعتي در برابر رطوبت و نفوذ اشعه فرابنفش، و خواص آنتي اكسيداني فيلم ها با افزودن نانوذرات كيتوزان بارگذاری شده با عصاره پوست انار، بويژه در درصدهاي بالاتر نانوذرات اضافه شده، بهبود يافت. اما فيلم های حاصله خواص آنتي ميكروبي قوي نشان ندادند كه بعلت خواص ضعيف آنتي ميكروبي عصاره پوست انار بود. آزمون هاي ميكروسكوپ الكتروني روبشي توزيع يكنواخت نانوذرات در ماتريكس فيلم ها را نشان داد. همچنين زبري فيلم ها اندازه گيري شده با ميكروسكوپ نيروي اتمي، با افزودن موسيلاژ دانه شاهي و نيز درصدهاي بالاي نانوذرات كيتوزان افزايش يافت. آزمون FTIR نشان داد كه نانوذرات كيتوزان با مكانيسم هاي فيزيكي در داخل ماتريكس صمغ-ژلاتين فيلم هاي نانوبيوكامپوزيتي محصور شده اند. در حالت كلي با درنظر گرفتن تمامی نتايج آزمون هاي فيلم ها مي توان نتيجه گرفت كه فيلم هاي حاوي 4 درصد نانوذرات كيتوزان بيشترين تاثير مثبت بر خواص مختلف فيلم را ارايه داد و به عنوان تيمار اپتيمم انتخاب گرديد.

Abstract:Nanoencapsulation of pomegranate peel extract (PPE) and lemongrass essential oil (LGEO) is a novel method to preserve these bioactive compounds and provide gradual their gradual release within food package. In this study chitosan nanoparticles (CSNPs) loaded with different ratios of chitosan to active substance (PPE or LGEO) (1:025 – 1:1.25) were prepared and their physical, morphological, antioxidant and antimicrobial properties were studied. PPE and LGEO as antioxidant and antimicrobial agents were successfully encapsulated within CSNPs using ionic gelation technique. Loading concentration of these substances affected the encapsulation efficiency and nano‐capsules physical properties. Optimum loading ratios of chitosan: active agent of 1:0.5 and 1:0.75 were obtained for CSNPs incorporating PPE and LGEO, respectively. The obtained CSNPs at optimum level of loading ratios possessed desirable encapsulation efficiency, spherical nanoparticles with narrow particle size distribution (with an average diameter of 150‐200 nm), higher positive zeta potential indicating physical stability of nanoparticles. Increasing loading concentration of core material led to deterioration of encapsulation efficiency, increase of particle size and aggregation of nanoparticles. The FTIR analysis of PPE‐CSNPs demonstrated no spectral changes indicating no possible chemical interaction between the PPE and CSNPs, which confirms that the PPE was physically entrapped within NPs. Moreover, FTIR spectra of pure PPE showed specific absorption bands (at 3293‐3450 cm‐1) attributed to the incidence of phenolic compounds such as tannic acid, ellagic acid and gallic acid. Total phenolic content (TPC) and antioxidant analysis of selected CSNPs revealed that the encapsulated NPs had significantly lower TPC and antioxidant activity than those of pure PPE, indicating that CSNPs successfully preserved PPE from rapid release during the measurements. Antibacterial tests indicated that pure PPE and PPE‐loaded CSNPs effectively retarded the growth of Gram‐positive S. aureus with a minimum inhibitory concentration (MIC) of 0.27 and 1.1 mg/mL, respectively. The successful physical entrapment of EO within NPs was shown by FTIR spectroscopy. X‐ray diffractogram of loaded (L)‐CSNPs exhibited high intensity peak at 2θ of 23° compared to nonloaded (NL)‐CSNPs implying the successful encapsulating of EO within chitosan nanocarriers. Differential scanning calorimetry also proved the physical entrapment of EO into polymeric matrix of chitosan. Thermogravimetric analysis showed that encapsulated EO within NPs was decomposed at higher temperature than free EO, indicating the success of encapsulation technique in stabilizing the bioactive compound in food formulations. In‐vitro release study showed a time‐ and pH‐dependent release of EO into release media demonstrating a three‐stage release behavior with a rapid initial release of EO, followed by a steady state migration of EO from its surrounding envelope at the later stages. Antimicrobial assay showed strong antimicrobial properties of free form of LGEO against the bacteria (both gram positive and gram negative) and fungi species tested. Moreover, L‐CSNPs (at CS: EO ratio of 1:0.75) exhibited significantly stronger antibacterial and anti‐fungal activities than nonloaded CSNPs. The moisture barrier properties of active films were improved by 65% as function of incorporating CSNPs. Water contact angle (WCA) exhibited hydrophobic surfaces with WCA of 108‐119°. Reinforced films with 6% CSNPs showed enhanced mechanical properties, as tensile strength and elongation at break were significantly increased and decreased, respectively by 50%. These films also exhibited lower transparency with 85% transmittance compared to the control (T600 = 94%). Scanning electron microscopy revealed homogenous distribution of nanoparticles within film matrix. Atomic force microscopy showed a considerable increase in roughness of nanocomposite films, where average surface (Ra) and root mean squared (Rq) roughness indices increased from 0.4 and 0.5 nm in the neat gelatin film to 11.8 and 16.0 nm in gelatin/gum films with 6% CSNPs. X‐ray diffraction analysis indicated that semi‐crystalline structure of composite films was not changed as function of adding CSNPs. The thermal stability of nanocomposite films was enhanced when higher contents of CSNPs were added, attributing to the interaction of CSNPs with film matrix. Nanocomposite films showed no appreciable antimicrobial properties, whereas they revealed strong DPPH radical‐scavenging activities.

Preparation and characterization of chitosan nanoparticles incorporating pomegranate peel extract and lemongrass essential oil and their application for preparation of active nanocomposite films and investigating their functional properties

‏سلطان زاده،

‏مارال

تهیه کننده

‏پیغمبردوست،

قنبرزاده،

محمدی،

مانوئل لورنزو،

‏سیدهادی

‏ بابک

‏ مریم

‏ خوزه

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

تبریز