DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1327426
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38239928
تاريخ النشر: 2024-01-04
المؤلف: Abir El-araby وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام النانو المركبة لتغليف الطعام
نظرة عامة
الكيتوزان، وهو بوليسكاريد كاتيوني مشتق من مصادر بحرية، يُعترف به لخصائصه الصديقة للبيئة، بما في ذلك القابلية للتجديد، التوافق الحيوي، القابلية للتحلل البيولوجي، وعدم السمية. تؤثر خصائصه الفيزيائية والكيميائية، مثل الوزن الجزيئي ودرجة إزالة الأسيتيل، بشكل كبير على أنشطته البيولوجية، بما في ذلك التأثيرات المضادة للبكتيريا والفطريات ومضادات الأكسدة. زاد الاهتمام مؤخرًا بمشتقات الكيتوزان والنانومركبات المعتمدة على الكيتوزان، مدفوعًا بالحاجة إلى تعزيز كفاءته وتوسيع تطبيقاته عبر مختلف الصناعات، بما في ذلك الرعاية الصحية والزراعة وإزالة التلوث البيئي. تقدم هذه المراجعة نظرة شاملة على طرق إنتاج الكيتوزان، وخصائصه، ومزايا مشتقاته، مع التأكيد على إمكانيات النانومركبات المعتمدة على الكيتوزان.
في الختام، يبرز الكيتوزان كبوليمر حيوي متعدد الاستخدامات يتمتع بأنشطة بيولوجية وخصائص فيزيائية وكيميائية هامة، مما يجعله مادة قيمة لتقدير المنتجات الثانوية البحرية. تسهل وجود مجموعات وظيفية نشطة تعديله، مما يوسع نطاق تطبيقاته. بينما تعتبر التعديلات الكيميائية والفيزيائية على الكيتوزان راسخة، لا تزال التعديلات الإنزيمية في مراحلها الناشئة، مما يشير إلى طرق واعدة للتنمية المستدامة. يعزز دمج تكنولوجيا النانو في أبحاث الكيتوزان من فعاليته عبر قطاعات متعددة. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين كيمياء الكيتوزان لإطلاق مشتقات جديدة وأشكال جزيئات نانوية، مما يضمن بقاء الكيتوزان لاعبًا رئيسيًا في مواجهة التحديات المعاصرة مع التركيز على الكفاءة والاستدامة البيئية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التطبيقات المتزايدة للبوليمرات الحيوية، مع التركيز بشكل خاص على الكيتين ومشتقه، الكيتوزان. الكيتين، وهو بوليسكاريد خطي مشتق من الهيكليات الخارجية للقشريات، هو ثاني أكثر البوليمرات الحيوية وفرة بعد السليلوز. تحد من استقراره الحراري الكيميائي العالي وعدم قابليته للذوبان تطبيقاته؛ ومع ذلك، فإن الكيتوزان، الذي يتم الحصول عليه من خلال إزالة الأسيتيل من الكيتين، يظهر قابلية ذوبان محسنة وأنشطة بيولوجية بسبب طبيعته الكاتيونية. تشمل الخصائص الرئيسية التي تؤثر على وظيفة الكيتوزان وزنه الجزيئي ودرجة إزالة الأسيتيل، والتي تؤثر على قابليته للذوبان وأنشطته البيولوجية مثل التأثيرات المضادة للبكتيريا ومضادات الأكسدة.
تؤكد الورقة على تعددية استخدامات الكيتوزان عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك تعبئة الطعام والزراعة والطب الحيوي، بسبب قدرته الممتازة على تشكيل الأفلام وخصائصه المضادة للميكروبات. لقد وسع دمج الكيتوزان مع تكنولوجيا النانو من إمكانيات تطبيقاته، خاصة في تطوير النانومركبات التي تعزز كفاءته. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة محدثة على إنتاج الكيتوزان، وطرق الاستخراج، وخصائصه الفيزيائية والكيميائية، مع مناقشة تعديلات الكيتوزان وتطبيقاته المتنوعة، بما في ذلك معالجة مياه الصرف الصحي واستدامة الزراعة. بشكل عام، تضع الخصائص الفريدة للكيتوزان كمواد قيمة في العديد من الصناعات، مما يبرز أهميته في تقدم علم المواد والتكنولوجيا.
طرق
تناقش هذه القسم مزايا وعيوب طريقتين رئيسيتين لاستخراج الكيتوزان: الكيميائية والبيولوجية. تنتج الطريقة الكيميائية كيتوزان بدرجة عالية من إزالة الأسيتيل ووزن جزيئي متوسط إلى منخفض، مما يعزز خصائصه البيولوجية. تتميز هذه الطريقة بوقت معالجة قصير، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية. ومع ذلك، تتضمن استخدام أحماض وقواعد قوية، مما يثير مخاوف بيئية، ويقلل من الاستدامة الاقتصادية، وقد يؤثر على جودة المنتج.
في المقابل، تواجه طرق الاستخراج البيولوجية، رغم أنها قد تكون أكثر صداقة للبيئة، تحديات كبيرة. التكلفة العالية للإنزيمات المطلوبة لإزالة البروتين وإزالة الأسيتيل هي قيد رئيسي. على الرغم من أن التخمر الميكروبي يمكن أن يقلل من تكاليف الإنزيمات، إلا أنه يتطلب سلالات ميكروبية محددة ويؤدي إلى أوقات معالجة أطول، غالبًا ما تمتد لعدة أيام. وبالتالي، على الرغم من التقدم في تطوير تقنيات استخراج فعالة وصديقة للبيئة، تظل الاستخراج الكيميائي الطريقة المفضلة بسبب عمليتها وقابليتها للتوسع في البيئات الصناعية.
مناقشة
تسلط المناقشة حول إنتاج الكيتوزان الضوء على اشتقاقه بشكل أساسي من الكيتين، وهو بوليسكاريد موجود في الهيكليات الخارجية للقشريات، وقشور الحشرات، وجدران خلايا الفطريات. تعتبر عملية الاستخراج حاسمة، حيث تتضمن إزالة المعادن، وإزالة البروتين، وإزالة الأسيتيل، مما يؤثر بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكيتوزان. تستخدم الطرق الكيميائية التقليدية الأحماض المعدنية لإزالة المعادن، لكن الدراسات الحديثة تدعو إلى استخدام الأحماض العضوية الصديقة للبيئة، مثل الأحماض الستريك والخل، لتحقيق نتائج مماثلة. تعتبر درجة إزالة الأسيتيل (DD) محورية، حيث يُعرف الكيتوزان بدرجة DD لا تقل عن 75%، مما يؤثر على قابليته للذوبان، ونشاطه البيولوجي، ووظيفته العامة.
علاوة على ذلك، تتأثر الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكيتوزان، بما في ذلك الوزن الجزيئي (Mw) والقابلية للذوبان، بطريقة الاستخراج ومصدره. عادةً ما يظهر الكيتوزان ذو الوزن الجزيئي المنخفض نشاطًا حيويًا أعلى، بينما يتم تعزيز القابلية للذوبان مع زيادة DD. تم توثيق خصائص الكيتوزان المضادة للميكروبات بشكل جيد، حيث تعتمد فعاليته ضد مختلف البكتيريا والفطريات على عوامل مثل Mw وDD والظروف البيئية. تسمح تعددية استخدامات الكيتوزان بالعديد من التعديلات الكيميائية، مما يؤدي إلى مشتقات ذات خصائص مصممة لتطبيقات في الطب الحيوي والزراعة وعلوم البيئة. توسع الأبحاث الجارية حول النانومركبات المعتمدة على الكيتوزان من إمكانياته، مما يظهر تحسينات في الخصائص الميكانيكية والحرارية المناسبة لتطبيقات متنوعة، بما في ذلك توصيل الأدوية وتنقية المياه.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1327426
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38239928
Publication Date: 2024-01-04
Author(s): Abir El-araby et al.
Primary Topic: Nanocomposite Films for Food Packaging
Overview
Chitosan, a cationic polysaccharide derived from marine sources, is recognized for its eco-friendly attributes, including renewability, biocompatibility, biodegradability, and non-toxicity. Its physicochemical properties, such as molecular weight and degree of deacetylation, significantly influence its biological activities, including antibacterial, antifungal, and antioxidant effects. Recent interest in chitosan derivatives and chitosan-based nanocomposites has surged, driven by the need to enhance its efficiency and broaden its applications across various industries, including healthcare, agriculture, and environmental remediation. This review provides a comprehensive overview of chitosan production methods, its properties, and the advantages of its derivatives, emphasizing the potential of chitosan-based nanocomposites.
In conclusion, chitosan stands out as a versatile biopolymer with significant biological activities and physicochemical properties, making it a valuable material for valorizing marine by-products. The presence of active functional groups facilitates its modification, expanding its application range. While chemical and physical modifications of chitosan are well-established, enzymatic modifications are still emerging, indicating promising avenues for sustainable development. The integration of nanotechnology into chitosan research enhances its effectiveness across multiple sectors. Future research should focus on refining chitosan chemistry to unlock new derivatives and nanoparticle forms, ensuring that chitosan remains a key player in addressing contemporary challenges with an emphasis on efficiency and environmental sustainability.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the expanding applications of biopolymers, particularly focusing on chitin and its derivative, chitosan. Chitin, a linear polysaccharide derived from crustacean exoskeletons, is the second most abundant biopolymer after cellulose. Its high thermochemical stability and insolubility limit its applications; however, chitosan, obtained through deacetylation of chitin, exhibits enhanced solubility and biological activities due to its cationic nature. Key properties influencing chitosan’s functionality include its molecular weight and degree of deacetylation, which affect its solubility and biological activities such as antibacterial and antioxidant effects.
The paper emphasizes chitosan’s versatility across various fields, including food packaging, agriculture, and biomedicine, due to its excellent film-forming ability and antimicrobial properties. The integration of chitosan with nanotechnology has further broadened its application potential, especially in developing nanocomposites that enhance its efficiency. The review aims to provide an updated overview of chitosan production, extraction methods, and its physicochemical properties, while also discussing its modifications and diverse applications, including wastewater treatment and agricultural sustainability. Overall, chitosan’s unique characteristics position it as a valuable material in numerous industries, underscoring its importance in advancing material science and technology.
Methods
The section discusses the advantages and disadvantages of two primary methods for chitosan extraction: chemical and biological. The chemical method yields chitosan with a high degree of deacetylation and medium to low molecular weight, enhancing its biological properties. This method is characterized by a short treatment time, making it suitable for industrial applications. However, it involves the use of strong acids and bases, which pose environmental concerns, reduce economic sustainability, and may compromise product quality.
In contrast, biological extraction methods, while potentially more eco-friendly, face significant challenges. The high cost of enzymes required for deproteinization and deacetylation is a major limitation. Although microbial fermentation can mitigate enzyme costs, it necessitates specific microbial strains and results in longer processing times, often spanning several days. Consequently, despite advancements in developing efficient and environmentally friendly extraction techniques, chemical extraction remains the preferred method due to its practicality and scalability in industrial settings.
Discussion
The discussion on chitosan production highlights its derivation primarily from chitin, a polysaccharide found in crustacean exoskeletons, insect cuticles, and fungal cell walls. The extraction process is critical, involving demineralization, deproteinization, and deacetylation, which significantly influence the physicochemical properties of chitosan. Traditional chemical methods utilize mineral acids for demineralization, but recent studies advocate for environmentally friendly organic acids, such as citric and acetic acids, to achieve similar results. The degree of deacetylation (DD) is pivotal, as chitosan is defined by a DD of at least 75%, impacting its solubility, biological activity, and overall functionality.
Furthermore, the physicochemical properties of chitosan, including molecular weight (Mw) and solubility, are influenced by its extraction method and source. Lower Mw chitosan typically exhibits higher bioactivity, while solubility is enhanced with increased DD. Chitosan’s antimicrobial properties are well-documented, with its efficacy against various bacteria and fungi being contingent on factors such as Mw, DD, and environmental conditions. The versatility of chitosan allows for numerous chemical modifications, leading to derivatives with tailored properties for applications in biomedicine, agriculture, and environmental science. Ongoing research into chitosan-based nanocomposites further expands its potential, demonstrating improved mechanical and thermal properties suitable for diverse applications, including drug delivery and water purification.