DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-025-04016-z
تاريخ النشر: 2025-09-02
المؤلف: M. J. Gidado وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث إمكانيات المذيبات اليوتيكتية العميقة (DESs) كبدائل مبتكرة وصديقة للبيئة للحفاظ على الفواكه بعد الحصاد. تتكون DESs من مكونات قابلة للتحلل البيولوجي، وتظهر خصائص مفيدة مثل الانفجار المنخفض، وسعة الذوبان العالية، والقطبية القابلة للتعديل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في الطلاءات الصالحة للأكل، والنانوأملاسيون، واستخراج المواد الحافظة الطبيعية. تؤكد المراجعة على القدرات المضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة لـ DESs، خاصة عند دمجها مع البوليمرات الحيوية والمضادات الحيوية الطبيعية، لتعزيز مدة صلاحية الفواكه وخصائص الجودة مثل القوام، واللون، والقيمة الغذائية.
تسلط الخاتمة الضوء على أن DESs تمثل نهجًا تحويليًا للحفاظ على الفواكه، حيث تقدم تنوعًا وظيفيًا وقابلية حيوية. يمكنها فعليًا تثبيط نمو الميكروبات وتأخير النضج، حيث تحقق بعض المذيبات اليوتيكتية العميقة الطبيعية (NADES) أكثر من 85% من تثبيط الفطريات وتمتد مدة الصلاحية من 5 إلى 12 يومًا مقارنةً بالتحكم. على الرغم من وعدها، يجب معالجة التحديات مثل اللزوجة، وإمكانية إعادة التدوير، والقبول التنظيمي لتحقيق قابلية التوسع التجاري. يدعو المؤلفون إلى البحث بين التخصصات والتعاون مع الصناعة لتحسين تركيبات DES وطرق المعالجة، مما يضع DESs كحل مستدام لتقليل هدر الطعام وتلبية الطلب على استراتيجيات الحفظ ذات العلامات النظيفة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي العالمي الكبير لفقدان الفواكه بعد الحصاد، خاصة في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية، حيث تساهم درجات الحرارة العالية والرطوبة في التلف. يتم فقدان ما يقرب من نصف الفواكه المحصودة بسبب عوامل مثل التدهور الفسيولوجي والعدوى الميكروبية، مما يهدد الأمن الغذائي والاستقرار الاقتصادي. تعتبر طرق الحفظ التقليدية، بما في ذلك التخزين البارد والعلاجات الكيميائية، فعالة، لكنها غالبًا ما تطرح عيوبًا مثل بقايا المواد الكيميائية والمخاوف البيئية. وقد أدى ذلك إلى زيادة الطلب على بدائل أكثر أمانًا وقابلة للتحلل البيولوجي تتماشى مع معايير الاستدامة وسلامة الغذاء.
استجابةً لذلك، دفعت مبادئ الكيمياء الخضراء إلى استكشاف المذيبات اليوتيكتية العميقة (DESs) والسوائل الأيونية (ILs) كتقنيات مبتكرة بعد الحصاد. تتسم DESs بانخفاض تقلبها، واستقرارها الحراري العالي، وخصائصها المضادة للميكروبات، وتتكون من مانح روابط الهيدروجين (HBD) وقابل روابط الهيدروجين (HBA). تقدم المذيبات اليوتيكتية العميقة الطبيعية (NADES)، المكونة من مكونات صالحة للأكل، سمية أقل وقابلية حيوية أعلى، مما يجعلها مناسبة لحفظ الفواكه. تشير الدراسات الأولية إلى أن NADES يمكن أن تمدد مدة صلاحية الفواكه المختلفة بشكل فعال من خلال تقليل التلف وتأخير التدهور. ومع ذلك، لا يزال هناك فجوة كبيرة في البحث فيما يتعلق بالتطبيق العملي لـ DESs في تكنولوجيا ما بعد الحصاد، مما يستلزم مزيدًا من التحقيق في تركيبتها وفعاليتها. تهدف هذه المراجعة إلى تقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ DESs، وأدوارها في الحفظ، وتحديد الفجوات المعرفية والاتجاهات المستقبلية لتطبيقها في ممارسات ما بعد الحصاد المستدامة.
طرق
في هذا القسم، يناقش البحث دمج المذيبات اليوتيكتية العميقة (DESs) في الطلاءات الصالحة للأكل ومواد التعبئة القابلة للتحلل البيولوجي، مع تسليط الضوء على مزاياها كإضافات وظيفية. تعالج DESs قيود طرق الحفظ التقليدية بعد الحصاد من خلال تعزيز الذوبان، والاستقرار، والإفراج المنضبط عن المركبات النشطة بيولوجيًا، والتي تعتبر حاسمة للحفاظ على جودة وسلامة الفواكه أثناء التخزين. عند دمجها في مصفوفات البوليمر الحيوي مثل الكيتوزان والألجينات، تحسن DESs الخصائص الميكانيكية وأداء الأفلام، مما يمدد مدة الصلاحية ويقلل من التلف. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق بالاستقرار الهيكلي لهذه المواد المركبة، حيث يمكن أن تعطل DESs تفاعلات البوليمر وتغير الخصائص الفيزيائية للطلاءات.
يعتبر الملف الحسي لـ DESs أيضًا اعتبارًا حاسمًا، حيث قد تضيف بعض الأنواع نكهات أو روائح غير مرغوب فيها، مما قد يؤثر على قبول المستهلك. تُقترح استراتيجيات مثل التغطية والتخفي عن النكهة للتخفيف من هذه التأثيرات. علاوة على ذلك، تتيح القدرات متعددة الوظائف لـ DESs أن تعمل كمواد مذابة، وعوامل مضادة للميكروبات، ومضادات أكسدة، مما يعزز فعالية المركبات النشطة في الطلاءات. على الرغم من التطبيقات الواعدة لـ DESs، فإن المخاوف بشأن تأثيرها البيئي وهجرتها إلى مصفوفات الطعام تستلزم مزيدًا من البحث. تعتبر التقييمات السمية البيئية المفصلة، وتقييمات دورة الحياة، واختبارات الهجرة القياسية ضرورية لضمان السلامة والامتثال للوائح مواد الاتصال الغذائي، خاصةً مع الحاجة إلى إرشادات جديدة محددة لمركبات DES-البوليمر.
مناقشة
ظهرت المذيبات اليوتيكتية العميقة (DESs) كفئة واعدة من المذيبات الخضراء، تتميز باستدامتها، وفعاليتها من حيث التكلفة، وقابليتها للتحلل البيولوجي. تم تقديم DESs في عام 2003، وتتكون من خلط مانحي روابط الهيدروجين (HBDs) وقابل روابط الهيدروجين (HBAs)، مما ينتج عنه خليط يوتيكتيني ذو نقطة انصهار أقل من مكونات الفردية. تجعل سهولة تحضيرها، وقدرتها على إذابة مجموعة واسعة من المركبات، وخصائصها الفيزيائية والكيميائية القابلة للتعديل، مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الاستخراج، والتحفيز، ومعالجة الطعام. تصنف DESs إلى خمسة أنواع بناءً على مكوناتها، حيث تعتبر الأنواع III و V ذات صلة خاصة بتطبيقات الطعام نظرًا لقابليتها الحيوية وانخفاض سمومها.
تعزز الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ DESs، مثل اللزوجة العالية، والقطبية المتوسطة، ودرجة الحموضة القابلة للتعديل، تنوعها في أنظمة الغذاء. يمكنها إذابة المركبات القطبية وغير القطبية وتظهر خصائص متعددة الوظائف، بما في ذلك الأنشطة المضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة. تعتبر DESs المخلقة من مكونات صالحة للأكل مفيدة بشكل خاص لمعالجة الطعام والحفاظ عليه، حيث تتماشى مع مبادئ الكيمياء الخضراء. ومع ذلك، لا يمكن افتراض سلامة DESs بشكل عالمي؛ يجب تقييم كل تركيبة من حيث السمية المحتملة وتأثيرها البيئي، خاصةً بالنظر إلى التفاعلات غير المتوقعة بين المكونات في الخلائط اليوتيكتينية. تظل الأطر التنظيمية لـ DESs في تطبيقات الطعام غير متطورة، مما يستلزم تقييمات سلامة شاملة وتأسيس بروتوكولات اختبار موحدة لتسهيل دمجها بشكل آمن في تقنيات الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11947-025-04016-z
Publication Date: 2025-09-02
Author(s): M. J. Gidado et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
This section of the research paper discusses the potential of deep eutectic solvents (DESs) as innovative, eco-friendly alternatives for postharvest fruit preservation. DESs, composed of biodegradable components, exhibit advantageous properties such as low explosiveness, high solubilizing capacity, and tunable polarity, making them suitable for applications in edible coatings, nanoemulsions, and the extraction of natural preservatives. The review emphasizes the antimicrobial and antioxidant capabilities of DESs, particularly when combined with biopolymers and natural antimicrobials, to enhance fruit shelf life and quality attributes like texture, color, and nutritional value.
The conclusion highlights that DESs represent a transformative approach to fruit preservation, offering functional versatility and biocompatibility. They can effectively inhibit microbial growth and delay ripening, with some hydrophobic natural deep eutectic solvents (NADES) achieving over 85% fungal inhibition and extending shelf life by 5-12 days compared to controls. Despite their promise, challenges such as viscosity, recyclability, and regulatory acceptance must be addressed for commercial scalability. The authors advocate for interdisciplinary research and industry collaboration to optimize DES formulations and processing methods, positioning DESs as a sustainable solution to reduce food waste and meet the demand for clean-label preservation strategies.
Introduction
The introduction highlights the significant global challenge of postharvest fruit losses, particularly in tropical and subtropical regions, where high temperatures and humidity contribute to spoilage. Nearly half of harvested fruits are lost due to factors such as physiological degradation and microbial infections, which threaten food security and economic stability. Traditional preservation methods, including cold storage and chemical treatments, while effective, often pose drawbacks such as chemical residues and environmental concerns. This has led to a demand for safer, biodegradable alternatives that align with sustainability and food safety standards.
In response, the principles of green chemistry have prompted the exploration of deep eutectic solvents (DESs) and ionic liquids (ILs) as innovative postharvest technologies. DESs, characterized by their low volatility, high thermal stability, and antimicrobial properties, are formed from a hydrogen bond donor (HBD) and a hydrogen bond acceptor (HBA). Natural deep eutectic solvents (NADES), composed of food-grade components, offer lower toxicity and higher biocompatibility, making them suitable for fruit preservation. Initial studies indicate that NADES can effectively extend the shelf life of various fruits by reducing spoilage and delaying deterioration. However, there remains a significant gap in research regarding the practical application of DESs in postharvest technology, necessitating further investigation into their formulation and effectiveness. This review aims to evaluate the physicochemical properties of DESs, their roles in preservation, and identify knowledge gaps and future directions for their application in sustainable postharvest practices.
Methods
In this section, the research discusses the integration of Deep Eutectic Solvents (DESs) into edible coatings and biodegradable packaging materials, highlighting their advantages as functional additives. DESs address the limitations of traditional postharvest preservation methods by enhancing the solubility, stability, and controlled release of bioactive compounds, which are crucial for maintaining the quality and safety of fruits during storage. When incorporated into biopolymer matrices like chitosan and alginate, DESs improve the mechanical properties and performance of films, thereby extending shelf life and reducing spoilage. However, challenges remain regarding the structural stability of these composite materials, as DESs can disrupt polymer interactions and alter the physical properties of the coatings.
The sensory profile of DESs is also a critical consideration, as some may impart undesirable tastes or odors, potentially affecting consumer acceptance. Strategies such as encapsulation and flavor masking are suggested to mitigate these effects. Furthermore, the multifunctional capabilities of DESs allow them to act as solubilisers, antimicrobial agents, and antioxidants, enhancing the efficacy of active compounds in coatings. Despite the promising applications of DESs, concerns regarding their environmental impact and migration into food matrices necessitate further research. Detailed ecotoxicological evaluations, life cycle assessments, and standardized migration tests are essential to ensure safety and compliance with food contact material regulations, particularly as new guidelines specific to DES-polymer composites are needed.
Discussion
Deep Eutectic Solvents (DESs) have emerged as a promising class of green solvents, characterized by their sustainability, cost-effectiveness, and biodegradability. Introduced in 2003, DESs are formed by mixing hydrogen bond donors (HBDs) and acceptors (HBAs), resulting in a eutectic mixture with a melting point lower than that of the individual components. Their ease of preparation, ability to dissolve a wide range of compounds, and tunable physicochemical properties make them suitable for various applications, including extraction, catalysis, and food processing. DESs are classified into five types based on their constituents, with types III and V being particularly relevant for food applications due to their biocompatibility and low toxicity.
The physicochemical properties of DESs, such as high viscosity, intermediate polarity, and tunable pH, enhance their versatility in food systems. They can solubilize both polar and non-polar compounds and exhibit multifunctional properties, including antimicrobial and antioxidant activities. DESs synthesized from food-grade components are particularly advantageous for food processing and preservation, as they align with green chemistry principles. However, the safety of DESs cannot be universally assumed; each formulation must be evaluated for potential toxicity and environmental impact, especially considering the unpredictable interactions between components in eutectic mixtures. Regulatory frameworks for DESs in food applications remain underdeveloped, necessitating comprehensive safety assessments and the establishment of standardized testing protocols to facilitate their safe incorporation into food technologies.