[논문 리뷰] Developing ZnO Nanoparticle embedded Antimicrobial Starch Biofilm for Food Packaging

Prakash Kumar, Sanjeev Gautam|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 11.

Nanocomposite Films for Food Packaging참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고체-겔 및 녹색(아자디라카타 인디카 추출물) 방법을 통해 합성한 ZnO 나노입자를 내장한 항균성 전분 기반 생분해성 필름을 개발하여 식품 포장의 안전성과 생분해성을 향상시켰다. 녹색으로 합성한 ZnO는 F2 필름에서 E. coli에 대해 14 mm의 억제 영역을 보이며 화학적으로 합성된 대비 더 뛰어난 항균 활성을 보였고, 7일간 포도의 신선도 유지 능력에서도 뛰어났다.

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

연구 동기 및 목표

• 합성 고분자 포장재의 지속 가능한 대체재가 되는 생분해성, 항균성 전분 기반 생분해성 필름을 개발하기 위해.
• 화학적 합성된 ZnO 나노입자(고체-겔 방법)와 생물학적으로 합성된 ZnO 나노입자(아자디라카타 인디카 사용)의 효능을 비교하기 위해.
• 식품 포장 응용을 위한 ZnO를 내장한 전분 기반 생분해성 필름의 기능성, 기계적 성질 및 항균 성질을 평가하기 위해.
• 실제 식품 모델(예: 포도 등)을 활용하여 생분해성 및 보존 기간 연장 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• ZnO 나노입자는 pH 8–11에서 고체-겔 방법을 통해 합성되었으며, 결정립 크기는 28~53 nm 범위였다.
• 또한 아자디라카타 인디카(네임) 추출물을 사용하여 2% 및 3% 농도에서 ZnO 나노입자를 합성하였으며, 각각 결정립 크기는 36.34 nm 및 32.68 nm였다.
• 기능성 성질을 향상시키기 위해 5% 시트르산(교차결합제)과 0.90 g 글리세롤(플라스티시티제)을 포함한 옥수수 전분 필름을 제작하였다.
• 세 가지 종류의 필름을 제조하였으며, F1(화학적 합성 ZnO, pH 10), F2(네임으로 합성한 ZnO, pH 10), F3(제어군, 나노입자 없음)였다.
• 특성 분석에는 X선 회절(XRD), 자외선-가시광선-적외선 분광법(UV-DRS), 피리티오렌 분광법(FTIR), 고해상도 주사전자현미경(FE-SEM), 에너지 분산 X선 분석(EDX)을 사용하여 ZnO 형성 및 필름 구조를 확인하였다.
• 기능성 성질(수증기 투과도, 용해도, 인장강도, 불투명도, 팽창도, 수분 함량) 및 항균 활성(억제 영역)을 평가하였다.
• 생분해성은 7일 동안 테스트하였으며, 포도를 감싸는 필름을 대상으로 신선도에 대한 정성적 평가를 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체-겔 방법과 녹색 합성 방법의 차이가 전분 필름 내 ZnO 나노입자의 크기, 형태 및 결정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 ZnO 나노입자의 내장이 전분 기반 생분해성 필름의 기계적 및 차단 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 ZnO를 내장한 필름이 E. coli 및 S. aureus에 대해 항균 효능에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 ZnO를 내장한 필름이 흔히 써지는 식품(예: 포도)의 보존 기간 연장에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 7일 동안 ZnO를 내장한 전분 기반 필름의 생분해성은 제어군과 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• 3% 네임 추출물을 사용해 녹색으로 합성한 ZnO 나노입자는 결정립 크기가 32.68 nm였으며, Zn:O 원자 비율이 1.22:1로 나타나 높은 순도를 보였다.
• 네임으로 합성한 ZnO 나노입자를 내장한 F2 필름이 가장 높은 항균 활성을 보였으며, E. coli에 대해 14 mm의 억제 영역, S. aureus에 대해 6 mm의 억제 영역을 기록하였다.
• 인장강도는 F1(12.50 ± 0.18 MPa)에서 가장 높았고, 이는 F2(11.34 ± 0.27 MPa), F3(10.22 ± 0.11 MPa)의 순서로 낮아졌으며, 화학적 합성 나노입자가 기계적 강도 향상에 기여함을 시사하였다.
• 수증기 투과도(WVP)는 F1(2.42 × 10⁻¹² g⁻¹s⁻¹Pa⁻¹)에서 F2(2.85 × 10⁻¹²)로, F3(3.16 × 10⁻¹²)로 증가하여 나노입자가 없는 필름에서 수분 투과성이 더 높음을 나타냈다.
• 생분해율은 7일 간 증가하였으며, F1가 가장 높은 생분해율을 보였고, 이는 F2, F3의 순서였으며, ZnO 나노입자 함량이 많을수록 생분해성 향상이 이루어졌음을 시사하였다.
• 정성적 신선도 평가에서 F2 필름으로 감싸진 포도는 가장 높은 신선도를 유지하였고, 9점 허드릭 척도에서 전체적으로 가장 높은 평가를 받았으며, F1 및 비포장 대조군보다 뛰어난 성능을 보였다.