بهره برداری از ویژگی های نانوسایزی میکروفیبریل سلولز (MFC) برای توسعه بسته بندی انتشار کنترل شده Exploiting the nano-sized features of microfibrillated cellulose (MFC) for the development of controlled-release packaging
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2013
توضیحات
رشته های مرتبط: زیست شناسی، علوم سلولی و مولکولی و میکروبیولوژی
میکروفیبریل سلولز (MFC) در این مطالعه با هدف آماده سازی فیلم هایی شامل یک مولکول فعال، یعنی لیسوزیم به کار گرفته شد که یک مولکول آنتی میکرب طبیعی است. هدف این تحقیق ارزیابی پتانسیل بهره برداری از بُعد نانوسایزی فیبریل سلولز برای کاهش سرعت انتشار مولکول آنتی میکروب بوده است تا بدین ترتیب از انتشار خیلی سریع آن در محیط اطراف جلوگیری شود. این انتشار سریع یکی از نقاط منفی بیشتر سیستم های انتشار است. برای این هدف کینتیک لیسوزیم در یک دوره ی ده روزه در دو محیط متفاوت (آب خالص و آب/اتانول ۱۰ wt.%) به دست آمده و داده های آزمایشی با راه حل قانون دوم فیک برای اندازه گیری ضریب پخش (D) مطابقت داده شد. نتایج نشان می دهد که MFC لیسوزیم را به دلیل الکترواستاتیک، هیدروژن، و تعاملات یون دوقطبی بیشتر انتشار لیسوزیم، تقریبا ۱۴%، از مقدار اولیه ی بارگذاری شده روی فیلم را نگه داشته است. همانطور که انتظار می رفت اتانول به عنوان یکی از حلال ها کمی از پخش لیسوزیم از شبکه ی پلیمر MFC کاسته است. اضافه کردن دو ماده ی گلیسرول و سدیم کلراید که پتانسیل تعدیل انتشار را دارند نیز ارزیابی شد. یافته های این تحقیق نشان می دهد که فیلم های MFC را می توان نماینده ی خوبی برای استفاده در سیستم های بسته بندی انتشار کنترل شده دانست. عبارات کلیدی: انتشار کنترل شده، انتشار، پخش، مدلسازی، نانوسایز، میکروفیبریل سلولز، لیسوزیم ۱- مقدمه سلولز یکی از مهم ترین پلی ساکاریدها و بیوپلیمر های فراوان بر روی کره ی زمین است. این ماده شامل یک هموپلیمر گلوکز خطی ß با واحدهای زیرمجموعه به نام گلوکز پیوند ß-۱، ۴ می شود. زنجیره های سلولز در رشته هایی از میکروفیبریل سلولز مرتب شده و در ماتریکسی از همیسلولز و لیگین مستغرق است. در ادبیات از چندین عبارت برای توصیف MFC استفاده شده است: میکروفیبریل، تجمع میکروفیبریل، میکروفیبریل سلولز، فیبریل های نانو، فیبرهای نانو، سلولز غیرفیبریلی، و تجمیع فیبریل. بر اساس نام گذاری های قراردادی که در آن نانو به ذرات بین ۰٫۰۰۱ تا ۰٫۱ میکرون (۱-۱۰۰nm) گفته می شود، MFC را می توان نانوفیبریلی با قطر کمتر از ۱۰۰ nm، طول چندین میکرومتر، و نسبت دید (طول/قطر، L/d) بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ دانست. MFC دارای نواحی کریستالی و غیربلوری است که در کنار نواحی سطحی خاص بزرگ و گروه های واکنشی OH ویژگی های فوق العاده ی مکانیکی مانند سفتی و مقاومت کششی را ایجاد می کند که برای اهداف مختلف مورد استفاده واقع شده اند. کارکردهای MFC شامل موارد زیر شده و اما به آن ها محدود نمی شود: تقویت مواد نانوکامپوزیت، تثبیت کننده های پاشندگی، محیط فیلتر، و مواد بازدارنده ی اکسیژن برای مواد غذایی و محصولات دارویی. البته تحقیقات کمی در مورد توسعه ی مواد فعال بر اساس MFC و طراحی شده برای کارکردهای میکروبی انجام شده است. با این حال دهه ی گذشته شاهد افزایش سریع تحقیقات در توسعه ی فیلم های فعال برای کارکردهای بسته بندی مواد غذایی مخصوصا روش های جایگزین برای کنترل غذایی از آلودگی میکروبی و نیز اکسیداسیون مضر در غذاها برای محدود کردن، مانع شدن و یا به تاخیر انداختن رشد میکروارگانیسم ها و میزان کاهش کیفیت بوده است. در میان دیگر ترکیبات بیواکتیو، لیسوزیم در سال های اخیر توجهات زیادی را به عنوان یک محافظ طبیعی برای کارکردهای بسته بندی آنتی میکروبی به خود جلب کرده است. لیسوزیم (شکل ۱) در بخشنامه ی اروپا ۹۵/۲/EC به عنوان یک پروتئین دانه ای بیضی شکل دسته بندی شده است که با پیوندهای دی سولفاید تثبیت شده و حجم مولکولی آن ۱۴ kDa بوده، نقطه ی pH ایزوالکتریک ۱۱٫۱ بار خالص +۹ در هر مولکول در pH 5.6 را داراست. لیسوزیم را می توان در بسیاری از ترشحات انسانی (اشک، بزاق، مخاط) و نیز سفیده ی تخم مرغ یافت. فعالیت آنتی میکروبی آن به آبکافت پیوند ß-۱، ۴ بین اسید مورامیک N-استیلی و گلوکوزامین N-استیلی موجود در پپتیدوگلیکان نسبت داده می شود. به همین دلیل است که لیسوزیم در مقابل باکتری گرم مثبت (که دیواره ی سلولی آن از ۹۰% پپتیدوگلیکان تشکیل شده است) نسبت به باکتری گرم منفی (که پپتیدوگلیکان آن تنها ۵-۱۰% است) موثرتر است. بسته بندی فعال حاوی لیسوزیم به صورت موفقیت آمیزی برای ورقه های نازک آماده ی گوشت گوساله، ماهی قزل آلای دود داده شده ی سرد، نان گوشت دار بیف، بولونای آماده ی ترکی، گرده ی خوک، و گوشت قیمه شده به عنوان چند نمونه استفاده شده است. البته شواهد ادبیات در زمینه ی سیستم های بسته بندی فعال لیسوزیم نشان می دهد که تاثیر آنتی میکروبی به زمان کوتاهی محدود بوده که دلیل آن عمدتا تحویل بسیار سریع از شبکه ی پلیمر است. برای مثال گمیلی و همکاران نشان دادند که ۱۰۰% انتشار لیسوزیم از فیلمهای ساخته شده از سلولز استات در تماس با آب اکسیژنه در دمای ۴ درجه ی سانتی گراد، بسته به مقدار سلولز استات به کاررفته در فیلم ها بین ۴۰ دقیقه تا ۷ ساعت رخ داده است. پارک و همکاران که بر فیلم های کامپوزیت چیتوسان لیسوزیم کار کرده اند، دریافتند که درصد لیسوزیم انتشار یافته از فیلم ها بعد از ۴۸ ساعت در بافر فسفات ۰٫۱۵M (pH 6.2) در دمای ۲۵ درجه ی سانتی گراد بین ۶۵% تا ۷۶% به عنوان تابع مقدار ابتدایی مولکول آنتی میکروبی در ماتریکس پلیمر متغیر بوده است. هیوال و همکاران نشان دادند که بدون توجه به روش ساخت به کار رفته یک انتشار ۱۰۰ درصدی لیسوزیم از میکروسفرهای ژلاتین با پیوندهای عرضی در بافر فسفات (pH 7.4) در دمای ۳۷ درجه ی سانتیگراد تقریبا بعد از ۶ روز انجام شد. قبلا نشان داده شد که دستیابی به انتشار کنترل شده ی مولکول های فعال در طول زمان کلید افزایش طول عمر غذاهای فاسدشدنی ست. ثابت شده است که بسته بندی انتشار کنترل شده (CRP)، وقتی طول عمر غذا مورد نظر باشد، امکان انتشار آهسته و تعدیل شده ی ترکیبات فعال از بسته بندی به غذا را فراهم می کند از اضافه کردن مستقیم ترکیبات فعال به غذا موثرتر است. در میان دیگر روش های ایجاد یک سیستم CRP موثر مانند اصلاح ساختار پلیمری بسته بندی یا کپسوله کردن ترکیبات فعال، تعاملات فیزیوشیمیایی بین ماتریکس پلیمر و مولکول های بارگذاری شده می تواند ویژگی های نهایی انتشار سیستم بسته بندی را مشخص کند. هدف این مطالعه ارزیابی پتانسیل فیبریل های سلولز به عنوان «کاهش دهنده ی انتشار» (که از انتشار خیلی سریع مولکول فعال به محیط اطراف جلوگیری می کند) برای تولید بیونانوکامپوزیت های جدید با ویژگی های آنتی میکروبی ست. این کار با استفاده از ۱) نیروهای الکترواستاتیک بین MFC (که یک بار منفی کلی را حمل می کند) و لیسوزیم آنزیم (که یک بار کلی مثبت برای pH های زیر نقطه ی ایزوالکتریک خود حمل می کند)، ۲) ساختاری در ابعاد نانو برای شبکه ی پلیمر سلولز که به علت اثر میانجی به نگهداری مولکول فعال در ماتریکس پلیمر کمک می کند (یعنی تعاملات بیشتر مولکول فعال پلیمر نسبت به شبکه هایی همچون کاغذ، مقوا، و پلاستیک) انجام می شود. این ویژگی بر اساس دسته بندی هان، تغییر از حالت پخش آزاد بدون محدودیت به حالت پخش آهسته و یا در صورت امکان سیستم نگهداری را موجب می شود که در آن مولکول فعال می تواند برای دوره ی زمانی بیشتری ثابت بماند. این حالات به صورت شمایی در شکل ۲ نشان داده شده اند. بر این اساس، کینتیک لیسوزیم از فیلم های MFC در این مطالعه طی ۱۰ روز با تخمین پارامتر قابل شمارش (ضریب پخش) به عنوان تابع دو شبیه ساز غذا (شبیه ساز A – آب و شبیه ساز C – آب/اتانول ۱۰ wt%) در دو دمای متفاوت (۶ درجه و ۲۳ درجه) مورد بررسی قرار گرفت. کینتیک انتشار ترکیب فعال نیز در حضور دو ماده ی تعدیل کننده ی انتشار یعنی گلیسرول و سدیم کلراید تخمین زده شد. تا آنجا که اطلاع داریم این اولین تحقیق در زمینه ی پتانسیل استفاده از MFC به عنوان ماده ی کاهش اتشار برای بهبود سیستم کنترل انتشار است.
میکروفیبریل سلولز (MFC) در این مطالعه با هدف آماده سازی فیلم هایی شامل یک مولکول فعال، یعنی لیسوزیم به کار گرفته شد که یک مولکول آنتی میکرب طبیعی است. هدف این تحقیق ارزیابی پتانسیل بهره برداری از بُعد نانوسایزی فیبریل سلولز برای کاهش سرعت انتشار مولکول آنتی میکروب بوده است تا بدین ترتیب از انتشار خیلی سریع آن در محیط اطراف جلوگیری شود. این انتشار سریع یکی از نقاط منفی بیشتر سیستم های انتشار است. برای این هدف کینتیک لیسوزیم در یک دوره ی ده روزه در دو محیط متفاوت (آب خالص و آب/اتانول ۱۰ wt.%) به دست آمده و داده های آزمایشی با راه حل قانون دوم فیک برای اندازه گیری ضریب پخش (D) مطابقت داده شد. نتایج نشان می دهد که MFC لیسوزیم را به دلیل الکترواستاتیک، هیدروژن، و تعاملات یون دوقطبی بیشتر انتشار لیسوزیم، تقریبا ۱۴%، از مقدار اولیه ی بارگذاری شده روی فیلم را نگه داشته است. همانطور که انتظار می رفت اتانول به عنوان یکی از حلال ها کمی از پخش لیسوزیم از شبکه ی پلیمر MFC کاسته است. اضافه کردن دو ماده ی گلیسرول و سدیم کلراید که پتانسیل تعدیل انتشار را دارند نیز ارزیابی شد. یافته های این تحقیق نشان می دهد که فیلم های MFC را می توان نماینده ی خوبی برای استفاده در سیستم های بسته بندی انتشار کنترل شده دانست. عبارات کلیدی: انتشار کنترل شده، انتشار، پخش، مدلسازی، نانوسایز، میکروفیبریل سلولز، لیسوزیم ۱- مقدمه سلولز یکی از مهم ترین پلی ساکاریدها و بیوپلیمر های فراوان بر روی کره ی زمین است. این ماده شامل یک هموپلیمر گلوکز خطی ß با واحدهای زیرمجموعه به نام گلوکز پیوند ß-۱، ۴ می شود. زنجیره های سلولز در رشته هایی از میکروفیبریل سلولز مرتب شده و در ماتریکسی از همیسلولز و لیگین مستغرق است. در ادبیات از چندین عبارت برای توصیف MFC استفاده شده است: میکروفیبریل، تجمع میکروفیبریل، میکروفیبریل سلولز، فیبریل های نانو، فیبرهای نانو، سلولز غیرفیبریلی، و تجمیع فیبریل. بر اساس نام گذاری های قراردادی که در آن نانو به ذرات بین ۰٫۰۰۱ تا ۰٫۱ میکرون (۱-۱۰۰nm) گفته می شود، MFC را می توان نانوفیبریلی با قطر کمتر از ۱۰۰ nm، طول چندین میکرومتر، و نسبت دید (طول/قطر، L/d) بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ دانست. MFC دارای نواحی کریستالی و غیربلوری است که در کنار نواحی سطحی خاص بزرگ و گروه های واکنشی OH ویژگی های فوق العاده ی مکانیکی مانند سفتی و مقاومت کششی را ایجاد می کند که برای اهداف مختلف مورد استفاده واقع شده اند. کارکردهای MFC شامل موارد زیر شده و اما به آن ها محدود نمی شود: تقویت مواد نانوکامپوزیت، تثبیت کننده های پاشندگی، محیط فیلتر، و مواد بازدارنده ی اکسیژن برای مواد غذایی و محصولات دارویی. البته تحقیقات کمی در مورد توسعه ی مواد فعال بر اساس MFC و طراحی شده برای کارکردهای میکروبی انجام شده است. با این حال دهه ی گذشته شاهد افزایش سریع تحقیقات در توسعه ی فیلم های فعال برای کارکردهای بسته بندی مواد غذایی مخصوصا روش های جایگزین برای کنترل غذایی از آلودگی میکروبی و نیز اکسیداسیون مضر در غذاها برای محدود کردن، مانع شدن و یا به تاخیر انداختن رشد میکروارگانیسم ها و میزان کاهش کیفیت بوده است. در میان دیگر ترکیبات بیواکتیو، لیسوزیم در سال های اخیر توجهات زیادی را به عنوان یک محافظ طبیعی برای کارکردهای بسته بندی آنتی میکروبی به خود جلب کرده است. لیسوزیم (شکل ۱) در بخشنامه ی اروپا ۹۵/۲/EC به عنوان یک پروتئین دانه ای بیضی شکل دسته بندی شده است که با پیوندهای دی سولفاید تثبیت شده و حجم مولکولی آن ۱۴ kDa بوده، نقطه ی pH ایزوالکتریک ۱۱٫۱ بار خالص +۹ در هر مولکول در pH 5.6 را داراست. لیسوزیم را می توان در بسیاری از ترشحات انسانی (اشک، بزاق، مخاط) و نیز سفیده ی تخم مرغ یافت. فعالیت آنتی میکروبی آن به آبکافت پیوند ß-۱، ۴ بین اسید مورامیک N-استیلی و گلوکوزامین N-استیلی موجود در پپتیدوگلیکان نسبت داده می شود. به همین دلیل است که لیسوزیم در مقابل باکتری گرم مثبت (که دیواره ی سلولی آن از ۹۰% پپتیدوگلیکان تشکیل شده است) نسبت به باکتری گرم منفی (که پپتیدوگلیکان آن تنها ۵-۱۰% است) موثرتر است. بسته بندی فعال حاوی لیسوزیم به صورت موفقیت آمیزی برای ورقه های نازک آماده ی گوشت گوساله، ماهی قزل آلای دود داده شده ی سرد، نان گوشت دار بیف، بولونای آماده ی ترکی، گرده ی خوک، و گوشت قیمه شده به عنوان چند نمونه استفاده شده است. البته شواهد ادبیات در زمینه ی سیستم های بسته بندی فعال لیسوزیم نشان می دهد که تاثیر آنتی میکروبی به زمان کوتاهی محدود بوده که دلیل آن عمدتا تحویل بسیار سریع از شبکه ی پلیمر است. برای مثال گمیلی و همکاران نشان دادند که ۱۰۰% انتشار لیسوزیم از فیلمهای ساخته شده از سلولز استات در تماس با آب اکسیژنه در دمای ۴ درجه ی سانتی گراد، بسته به مقدار سلولز استات به کاررفته در فیلم ها بین ۴۰ دقیقه تا ۷ ساعت رخ داده است. پارک و همکاران که بر فیلم های کامپوزیت چیتوسان لیسوزیم کار کرده اند، دریافتند که درصد لیسوزیم انتشار یافته از فیلم ها بعد از ۴۸ ساعت در بافر فسفات ۰٫۱۵M (pH 6.2) در دمای ۲۵ درجه ی سانتی گراد بین ۶۵% تا ۷۶% به عنوان تابع مقدار ابتدایی مولکول آنتی میکروبی در ماتریکس پلیمر متغیر بوده است. هیوال و همکاران نشان دادند که بدون توجه به روش ساخت به کار رفته یک انتشار ۱۰۰ درصدی لیسوزیم از میکروسفرهای ژلاتین با پیوندهای عرضی در بافر فسفات (pH 7.4) در دمای ۳۷ درجه ی سانتیگراد تقریبا بعد از ۶ روز انجام شد. قبلا نشان داده شد که دستیابی به انتشار کنترل شده ی مولکول های فعال در طول زمان کلید افزایش طول عمر غذاهای فاسدشدنی ست. ثابت شده است که بسته بندی انتشار کنترل شده (CRP)، وقتی طول عمر غذا مورد نظر باشد، امکان انتشار آهسته و تعدیل شده ی ترکیبات فعال از بسته بندی به غذا را فراهم می کند از اضافه کردن مستقیم ترکیبات فعال به غذا موثرتر است. در میان دیگر روش های ایجاد یک سیستم CRP موثر مانند اصلاح ساختار پلیمری بسته بندی یا کپسوله کردن ترکیبات فعال، تعاملات فیزیوشیمیایی بین ماتریکس پلیمر و مولکول های بارگذاری شده می تواند ویژگی های نهایی انتشار سیستم بسته بندی را مشخص کند. هدف این مطالعه ارزیابی پتانسیل فیبریل های سلولز به عنوان «کاهش دهنده ی انتشار» (که از انتشار خیلی سریع مولکول فعال به محیط اطراف جلوگیری می کند) برای تولید بیونانوکامپوزیت های جدید با ویژگی های آنتی میکروبی ست. این کار با استفاده از ۱) نیروهای الکترواستاتیک بین MFC (که یک بار منفی کلی را حمل می کند) و لیسوزیم آنزیم (که یک بار کلی مثبت برای pH های زیر نقطه ی ایزوالکتریک خود حمل می کند)، ۲) ساختاری در ابعاد نانو برای شبکه ی پلیمر سلولز که به علت اثر میانجی به نگهداری مولکول فعال در ماتریکس پلیمر کمک می کند (یعنی تعاملات بیشتر مولکول فعال پلیمر نسبت به شبکه هایی همچون کاغذ، مقوا، و پلاستیک) انجام می شود. این ویژگی بر اساس دسته بندی هان، تغییر از حالت پخش آزاد بدون محدودیت به حالت پخش آهسته و یا در صورت امکان سیستم نگهداری را موجب می شود که در آن مولکول فعال می تواند برای دوره ی زمانی بیشتری ثابت بماند. این حالات به صورت شمایی در شکل ۲ نشان داده شده اند. بر این اساس، کینتیک لیسوزیم از فیلم های MFC در این مطالعه طی ۱۰ روز با تخمین پارامتر قابل شمارش (ضریب پخش) به عنوان تابع دو شبیه ساز غذا (شبیه ساز A – آب و شبیه ساز C – آب/اتانول ۱۰ wt%) در دو دمای متفاوت (۶ درجه و ۲۳ درجه) مورد بررسی قرار گرفت. کینتیک انتشار ترکیب فعال نیز در حضور دو ماده ی تعدیل کننده ی انتشار یعنی گلیسرول و سدیم کلراید تخمین زده شد. تا آنجا که اطلاع داریم این اولین تحقیق در زمینه ی پتانسیل استفاده از MFC به عنوان ماده ی کاهش اتشار برای بهبود سیستم کنترل انتشار است.
Description
Microfibrillated cellulose (MFC) was used in this study to prepare films containing an active molecule, lysozyme, which is a natural antimicrobial agent. The main goal of this research was to assess the potential for exploiting the nano-sized dimension of cellulose fibrils to slow the release of the antimicrobial molecule, thus avoiding a too-quick release into the surrounding medium, which is a major disadvantage of most release systems. For this purpose,the release kinetics of lysozyme over a 10-day period in two different media (pure water and water/ethanol 10 wt.%) were obtained, and the experimental data was fitted with a solution of Fick’s second law to quantify the apparent diffusion coefficient (D). The results indicate that the MFC retained lysozyme, presumably due to electrostatic, hydrogen, and ion-dipole interactions, with the largest release of lysozyme—approximately 14%—occurring from the initial amount loaded on the films. As expected, ethanol as a co-solvent slightly decreased the diffusion of lysozyme from the MFC polymer network. The addition of two potential modulating release agents—glycerol and sodium chloride—was also evaluated. Findings from this work suggest that MFC-based films can be considered a suitable candidate for use in controlled-release packaging systems.
