[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究开发了通过溶胶-凝胶法和绿色（印楝提取物）方法合成的ZnO纳米颗粒掺杂的淀粉基生物膜，提升了食品包装的安全性和可生物降解性。使用印楝提取物合成的ZnO在F2膜中表现出更优的抗菌活性（对大肠杆菌的抑菌圈为14 mm），并在7天内比化学合成的对照组更有效地保持葡萄的新鲜度。

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

研究动机与目标

• 开发可生物降解、具有抗菌性能的淀粉基生物膜，作为合成聚合物包装的可持续替代品。
• 比较通过化学方法（溶胶-凝胶法）和生物方法（使用印度楝树，Azadirachta indica）合成的ZnO纳米颗粒在淀粉膜中的效能差异。
• 评估ZnO掺杂淀粉膜在食品包装应用中的功能、机械和抗菌性能。
• 通过真实食品模型（如葡萄）评估其可生物降解性及延长保质期的潜力。

提出的方法

• ZnO纳米颗粒通过pH 8–11的溶胶-凝胶法合成，晶粒尺寸范围为28至53 nm。
• 同时使用2%和3%浓度的印度楝树（Azadirachta indica）提取物合成ZnO纳米颗粒，所得晶粒尺寸分别为36.34 nm和32.68 nm。
• 以5%柠檬酸（交联剂）和0.90 g甘油（增塑剂）制备玉米淀粉膜，以增强其功能性能。
• 制备了三种膜类型：F1（在pH 10下使用化学合成的ZnO）、F2（在pH 10下使用印楝提取物合成的ZnO）和F3（对照组，无纳米颗粒）。
• 通过X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能谱分析（EDX）对ZnO的形成和膜结构进行表征。
• 评估了功能性能（水蒸气透过率、溶解度、拉伸强度、浊度、溶胀度、水分含量）和抗菌活性（抑菌圈）。
• 在7天内测试了生物降解性，并对包裹葡萄的膜进行了新鲜度的定性评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 合成方法（溶胶-凝胶法与绿色法）如何影响淀粉膜中ZnO纳米颗粒的尺寸、形貌和结晶度？
• RQ2 ZnO纳米颗粒的引入对淀粉基生物膜的机械性能和阻隔性能有何影响？
• RQ3 ZnO掺杂膜在对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌方面的抗菌效果如何比较？
• RQ4 ZnO掺杂膜在多大程度上延长了如葡萄等易腐食品的保质期？
• RQ5 在7天内，ZnO掺杂淀粉膜的生物降解性与对照膜相比如何？

主要发现

• 使用3%印楝提取物绿色合成的ZnO纳米颗粒晶粒尺寸为32.68 nm，Zn:O原子比为1.22:1，表明纯度较高。
• F2膜（掺杂印楝提取物合成的ZnO纳米颗粒）表现出最高的抗菌活性，对大肠杆菌的抑菌圈为14 mm，对金黄色葡萄球菌为6 mm。
• 拉伸强度最高的是F1（12.50 ± 0.18 MPa），其次是F2（11.34 ± 0.27 MPa），最低的是F3（10.22 ± 0.11 MPa），表明化学合成纳米颗粒可提升机械强度。
• 水蒸气透过率（WVP）从F1（2.42 × 10⁻¹² g⁻¹s⁻¹Pa⁻¹）增加到F2（2.85 × 10⁻¹²）再到F3（3.16 × 10⁻¹²），表明不含纳米颗粒的膜具有更高的水分渗透性。
• 在7天内，生物降解率逐渐上升，F1的降解速率最高，其次为F2和F3，表明ZnO纳米颗粒含量越高，生物降解性越强。
• 在定性新鲜度测试中，用F2膜包裹的葡萄保持了最高的新鲜度，并在9分制感官评分中获得最高综合评分，优于F1和未包裹的对照组。