[論文レビュー] Developing ZnO Nanoparticle embedded Antimicrobial Starch Biofilm for Food Packaging

Prakash Kumar, Sanjeev Gautam|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2019

Nanocomposite Films for Food Packaging参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、sol-gel法およびグリーン（ニーム抽出物）法を用いて合成したZnOナノ粒子を埋め込んだ抗菌性スターチバイオフィルムを開発し、食品包装の安全性と生分解性を向上させた。グリーン法で合成したZnOを含むF2フィルムは、E. coliに対して14 mmの抑制ゾーンを示し、化学的合成品に比べて7日間のグレープの新鮮度保持において優れた抗菌活性を示した。

ABSTRACT

Starch based bio-films act as biodegradable packaging material for coating and wrapping food products, which is alternate to the synthetic polymer. Nanoparticles (NPs) are also alternative to antibiotics to target pathogens. Through interaction of nanoparticles with food packaging material the overall quality of the packaged food also get enhanced. In this research work, ZnO NP embedded corn starch films were developed. First, ZnO NP were synthesized by two approaches (a) Sol-gel approach and (b) Green synthesis approach; and then ZnO NP embedded corn-starch bio-films were developed. In sol-gel technique ZnO NP were synthesized at different pH ranging from 8 to 11, with an average crystallite size of 28 to 53 nm. In green synthesis technique ZnO NP were synthesized by using Azadirachta indica (Neem) at different concentration of 2\% and 3\% with an average crystallite size of 36 nm and 32 nm, respectively. Characterization of synthesized ZnO NPs were done with XRD, UV-DRS, UV-VIS, FTIR and FE-SEM. The functional properties of the ZnO embedded starch film were enhanced with addition of 5\% citric acid solution(w/w) as cross-linker and 0.90 g glycerol(w/w) as plasticizer. Film-F1 embedded with chemically synthesized ZnO NP, Film-F2 embedded with biochemcially synthesized ZnO NP and Film-F3 without being embedded by any NPs. Characterization of synthesized films were done with SEM and XRD. Film solution of F2 showed higher antimicrobial effectiveness than F1; against E.coli and S.aureus bacterial strains with an inhibition zone of 14 mm and 6 mm. 7days biodegradability analysis of the films were also done. Along with this, their current application and future perspectives in the food sector are also explored

研究の動機と目的

• 合成ポリマー包装の持続可能な代替品として、生分解性で抗菌性を有するスターチベースのバイオフィルムの開発を目的とする。
• 化学的合成法（sol-gel法）と生物学的合成法（アザジラクタ・インディカを用いる）によるZnOナノ粒子の有効性を比較する。
• 食品包装用途におけるZnO埋め込みスターチフィルムの機能的・機械的・抗菌的特性を評価する。
• 実際の食品モデル（例：グレープ）を用いて、生分解性および賞味期限延長の可能性を評価する。

提案手法

• ZnOナノ粒子はpH 8–11でsol-gel法により合成され、結晶子サイズは28〜53 nmの範囲であった。
• アザジラクタ・インディカ（ニーム）抽出物を用いた方法でも、2%および3%の濃度でZnOナノ粒子が合成され、それぞれ結晶子サイズは36.34 nmおよび32.68 nmであった。
• 機能的特性を向上させるために、トウモロコシスターチフィルムに5%のクエン酸（架橋剤）と0.90 gのグリセリン（可塑化剤）を添加した。
• 3種類のフィルムを製造した：F1（pH 10で化学的合成されたZnO）、F2（pH 10でニームで合成されたZnO）、F3（NPなしのコントロール）。
• XRD、UV-DRS、FTIR、FE-SEM、EDXを用いた分析により、ZnOの生成とフィルム構造の確認を行った。
• 機能的特性（WVP、溶解性、引張強さ、不透明度、膨潤、水分含量）および抗菌活性（抑制ゾーン）を評価した。
• 生分解性は7日間の期間でテストされ、グレープを包むフィルムを用いた定性的な新鮮度評価も実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sol-gel法とグリーン法の合成法が、スターチフィルム内のZnOナノ粒子のサイズ、形態および結晶化度に与える影響は何か？
• RQ2 ZnOナノ粒子の添加が、スターチベースのバイオフィルムの機械的およびバリア特性に与える影響は何か？
• RQ3 ZnO埋め込みフィルムは、E. coliおよびS. aureusに対してどの程度の抗菌効果を示すか？
• RQ4 ZnO埋め込みフィルムは、グレープのような腐敗しやすい食品の賞味期限をどの程度延長できるか？
• RQ5 7日間の期間において、ZnO埋め込みスターチフィルムの生分解性はコントロールフィルムと比較してどの程度か？

主な発見

• 3%ニーム抽出物を用いてグリーン法で合成したZnOナノ粒子は、結晶子サイズ32.68 nm、Zn:O原子比1.22:1を示し、高純度であることが示された。
• ニームで合成したZnOナノ粒子を含むF2フィルムは、最も高い抗菌活性を示し、E. coliに対して14 mmの抑制ゾーン、S. aureusに対して6 mmの抑制ゾーンを示した。
• 引張強さはF1（12.50 ± 0.18 MPa）が最も高く、次いでF2（11.34 ± 0.27 MPa）、F3（10.22 ± 0.11 MPa）が最低であった。化学的合成ナノ粒子を含むフィルムが機械的強度が向上した。
• 水蒸気透過率（WVP）はF1（2.42 × 10⁻¹² g⁻¹s⁻¹Pa⁻¹）からF2（2.85 × 10⁻¹²）へ、F3（3.16 × 10⁻¹²）へと上昇し、ナノ粒子を含まないフィルムで湿気透過率が高くなった。
• 7日間の期間で生分解率が上昇し、F1が最も高い生分解速度を示し、次いでF2、F3の順であった。ZnOナノ粒子含有量の増加に伴い生分解性が向上した。
• 定性的な新鮮度テストでは、F2フィルムで包まれたグレープが最も新鮮さを保ち、9段階のヘドニスケールで最も高い総合評価を得ており、F1および非包装コントロールを上回った。