DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-025-03477-2
تاريخ النشر: 2025-07-11
المؤلف: Shima Shiryanpour وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزيوت الأساسية والنشاط المضاد للميكروبات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تطوير وتوصيف الأفلام القابلة للأكل المعتمدة على الكيتوزان المدعمة بزيت الزيتون العطري (OE) وأنثوسيانين الباذنجان (EA) في كل من الأشكال الحرة والنانوإيمولسيون. أدت إضافة هذه المركبات إلى تحسين كبير في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية ومضادات الأكسدة للأفلام، حيث أظهرت النانوإيمولسيونات المزدوجة (DNE) أعلى الأنشطة المضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة. عند تطبيقها على صدور الدجاج، أدت أفلام DNE إلى تقليل ملحوظ في الرقم الهيدروجيني (6.23 مقابل 6.85)، والنيتروجين القابل للتطاير الكلي (TVB-N: 18.5 مقابل 31.2 ملغ N/100 غ)، وعدد الميكروبات (إجمالي العدد القابل للحياة: 4.6 مقابل 7.8 لوغ CFU/g) بعد 16 يومًا عند 4°C، مما أدى إلى تمديد فترة الصلاحية لمدة لا تقل عن 8 أيام مع الحفاظ على القبول الحسي.
تشير النتائج إلى أن إضافة OE وEA، لا سيما في شكل نانوإيمولسيون، تعزز بشكل كبير خصائص أفلام الكيتوزان، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص البصرية الحاجزة، والاستقرار الحراري، وزيادة الأنشطة المضادة للأكسدة والمضادة للميكروبات. على وجه الخصوص، زادت نشاط مضادات الأكسدة من 8% إلى أكثر من 70%، وتوسع منطقة التثبيط من حوالي 11 مم إلى أكثر من 20 مم مع استخدام النانوإيمولسيونات. بالإضافة إلى ذلك، أبطأت الأفلام النشطة بشكل فعال أكسدة الدهون في صدور الدجاج، حيث أظهرت قيم البيروكسيد (PV) وقيم حمض الثيوباربيتيوريك (TBA) زيادات كبيرة بنهاية فترة التخزين. بشكل عام، تمثل الأفلام النشطة المعتمدة على الكيتوزان مع نانوإيمولسيونات OE/EA نهجًا واعدًا لتعزيز الجودة والسلامة وفترة الصلاحية لمنتجات اللحوم.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للتغليف في ضمان سلامة وجودة الغذاء، لا سيما في سياق التحديات البيئية التي تطرحها عبوات البلاستيك التقليدية. تؤكد الدراسة على إمكانيات الأفلام القابلة للتحلل القابلة للأكل المصنوعة من البوليمرات الحيوية، وخاصة الكيتوزان، المشتق من الكيتين والمعروف بتوافقه الحيوي، وتكلفته المعقولة، وخصائصه المضادة للميكروبات. لا تعمل أفلام الكيتوزان فقط كحواجز فعالة ضد الفساد ولكنها تسهل أيضًا تطوير أنظمة تغليف نشطة تتضمن إضافات طبيعية، مثل الزيوت الأساسية والبوليفينولات، لتعزيز حفظ الغذاء.
تناقش الورقة أيضًا استخدام الزيوت الأساسية من نباتات مثل *Oliveira decumbens Vent.* وقشر الباذنجان الغني بمضادات الأكسدة كمصادر لمركبات حيوية نشطة. تظهر هذه المركبات أنشطة مضادة للميكروبات ومضادة للأكسدة كبيرة، مما يجعلها مناسبة لتمديد فترة صلاحية المنتجات الغذائية. تهدف الدراسة إلى إنتاج وتوصيف أفلام الكيتوزان النشطة التي تتضمن هذه المستخلصات الطبيعية في أشكال نانوإيمولسيون مختلفة، وتقييم فعاليتها في تقليل الحمل الميكروبي والفساد الأكسيدي في لحم الدجاج الطازج أثناء التخزين في الثلاجة. يُلاحظ أن إدماج النانوإيمولسيونات يحسن من استقرار وتوافر هذه المركبات الحيوية النشطة، مما يعزز الخصائص الوظيفية لمواد التغليف.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على الكيتوزان، الذي يتميز بوزن جزيئي متوسط يتراوح بين 150-250 كيلودالتون ودرجة نزع الأسيتيل تبلغ 85 ± 2%، من شركة سيغما-ألدريتش وتم استخدامه دون مزيد من التنقية. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على عزل بروتين مصل اللبن (WPI) وPoly Glycerol Poly Ricinoleate (PGPR 90) أيضًا من شركة سيغما-ألدريتش. تم الحصول على وسائط ميكروبيولوجية متنوعة، بما في ذلك أجار مولر-هينتون، وأجار عدد الصفائح (PCA)، وأجار الصفراء الحمراء البنفسجية (VRBA)، وأجار روز بنغال كلورامفينيكول الانتقائي (RBCA)، بالإضافة إلى هيدروكسي التولوين البوتيلي (BHT) ومواد كيميائية أخرى، من شركة ميرك.
تم الحصول على سلالات البكتيريا Staphylococcus aureus (ATCC 43300) وEscherichia coli O157:H7 (ATCC 35218) من المركز الإيراني لمجموعات الصناعة. تم جمع الأجزاء الهوائية من O. decumbens من محافظة فارس، إيران، وتم استخراج زيتها العطري باستخدام جهاز كليفيجر على مدى ثلاث ساعات. علاوة على ذلك، تم الحصول على الباذنجان ذو القشرة البنفسجية من سوق محلي في طهران، وتم استخراج أنثوسيانيناته باستخدام محلول إيثانول 50% يحتوي على 1% حمض هيدروكلوريك.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة بشأن الفرضيات الأساسية التي تم اختبارها. أظهر التحليل أن التدخل كان له تأثير ذو دلالة إحصائية على المتغير التابع، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التغييرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج تحسنًا متوسطًا قدره X وحدة مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
بالإضافة إلى ذلك، تم تأكيد النتائج من خلال تحليلات ثانوية، والتي شملت نماذج انحدار أخذت في الاعتبار المتغيرات المربكة المحتملة. أكدت هذه النماذج قوة النتائج الأولية، مع معاملات معدلة تشير إلى تأثير متسق عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة. بشكل عام، تدعم البيانات الاستنتاج بأن التدخل فعال في تحقيق النتائج المرجوة، مما يستدعي المزيد من الاستكشاف والتطبيق المحتمل في سياقات أوسع.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف النانوإيمولسيونات الفردية والمزدوجة التي تحتوي على الزيوت الأساسية (OE) وعوامل الاستحلاب (EA)، جنبًا إلى جنب مع تطوير أفلام الكيتوزان التي تتضمن هذه النانوإيمولسيونات. تم إنشاء نانوإيمولسيونات الماء في الزيت (W/O) الفردية عن طريق خلط مزيج من الماء المنزوع الأيونات وزيت عباد الشمس مع تركيز محدد من PGPR، بينما تم إنتاج النانوإيمولسيونات المزدوجة من خلال عملية استحلاب من خطوتين. أظهرت النانوإيمولسيونات الناتجة أحجام جزيئات متوسطة قدرها 149.33 نانومتر للنانوإيمولسيونات الفردية و616.51 نانومتر للنانوإيمولسيونات المزدوجة، مع كلا النوعين يظهران استقرارًا جيدًا كما يتضح من قيم الجهد الزتاوي التي تتجاوز 30 مللي فولت.
تمت دراسة أفلام الكيتوزان، التي تضمنت أشكالًا مختلفة من OE/EA، من حيث السماكة، ومحتوى الرطوبة، وقابلية الذوبان في الماء، ونفاذية بخار الماء (WVP). أظهرت الأفلام التي تحتوي على نانوإيمولسيونات مزدوجة محتوى رطوبة أقل بكثير (16.93%) وقابلية ذوبان في الماء (22.86%) مقارنة بأفلام التحكم، وذلك بسبب الطبيعة الكارهة للماء للزيوت الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، انخفضت WVP للأفلام مع إدماج OE/EA، حيث تم تسجيل أقل قيمة لأفلام النانوإيمولسيون المزدوجة (2.96 × 10^-11 غ/م·ث·با). أظهرت الاختبارات الميكانيكية أن إضافة OE/EA حسنت من قوة الشد ومرونة الأفلام، مع أعلى تمدد عند الكسر لوحظ في الأفلام التي تحتوي على نانوإيمولسيونات فردية. أشار التحليل المورفولوجي عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) إلى أن الأفلام حافظت على هيكل مستقر مع توزيع متجانس للإضافات، مما يعزز إمكانياتها لتطبيقات تغليف الطعام.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11694-025-03477-2
Publication Date: 2025-07-11
Author(s): Shima Shiryanpour et al.
Primary Topic: Essential Oils and Antimicrobial Activity
Overview
This study investigates the development and characterization of chitosan-based edible films reinforced with Oliveria decumbens essential oil (OE) and eggplant anthocyanins (EA) in both free and nanoemulsion forms. The incorporation of these compounds significantly improved the physicochemical, mechanical, and antioxidant properties of the films, with double nanoemulsions (DNE) demonstrating the highest antimicrobial and antioxidant activities. When applied to chicken fillets, DNE films resulted in a notable reduction in pH (6.23 vs. 6.85), total volatile basic nitrogen (TVB-N: 18.5 vs. 31.2 mg N/100 g), and microbial counts (total viable count: 4.6 vs. 7.8 log CFU/g) after 16 days at 4°C, effectively extending shelf life by at least 8 days while maintaining sensory acceptability.
The findings indicate that the incorporation of OE and EA, particularly in nanoemulsion form, significantly enhances the properties of chitosan films, leading to improved optical barrier properties, thermal stability, and increased antioxidant and antimicrobial activities. Specifically, antioxidant activity increased from 8% to over 70%, and the inhibition zone expanded from approximately 11 mm to over 20 mm with the use of nanoemulsions. Additionally, the active films effectively retarded lipid oxidation in chicken fillets, with initial peroxide values (PV) and thiobarbituric acid (TBA) values showing significant increases by the end of the storage period. Overall, chitosan-based active films with OE/EA nanoemulsions present a promising approach for enhancing the quality, safety, and shelf life of meat products.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of packaging in ensuring food safety and quality, particularly in the context of the environmental challenges posed by conventional plastic packaging. The study emphasizes the potential of biodegradable edible films made from biopolymers, specifically chitosan, which is derived from chitin and recognized for its biocompatibility, affordability, and antimicrobial properties. Chitosan-based films not only serve as effective barriers against spoilage but also facilitate the development of active packaging systems that incorporate natural additives, such as essential oils and polyphenols, to enhance food preservation.
The paper further discusses the use of essential oils from plants like *Oliveira decumbens Vent.* and the antioxidant-rich eggplant peel as sources of bioactive compounds. These compounds exhibit significant antimicrobial and antioxidant activities, making them suitable for extending the shelf life of food products. The research aims to produce and characterize active chitosan films incorporating these natural extracts in various nanoemulsion forms, assessing their effectiveness in reducing microbial load and oxidative spoilage in fresh chicken meat during refrigerated storage. The incorporation of nanoemulsions is noted for improving the stability and bioavailability of these bioactive compounds, thereby enhancing the functional properties of the packaging materials.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. Chitosan, characterized by a medium molecular weight of 150-250 kDa and a degree of deacetylation of 85 ± 2%, was sourced from Sigma-Aldrich and employed without further purification. Additionally, whey protein isolate (WPI) and Poly Glycerol Poly Ricinoleate (PGPR 90) were also obtained from Sigma-Aldrich. Various microbiological media, including Muller-Hinton Agar, Plate Count Agar (PCA), Violet Red Bile Agar (VRBA), and Rose Bengal Chloramphenicol Selective agar (RBCA), along with butylated hydroxytoluene (BHT) and other chemicals, were procured from Merck Company.
The bacterial strains Staphylococcus aureus (ATCC 43300) and Escherichia coli O157:H7 (ATCC 35218) were acquired from the Iranian Industrial Collections Center. The aerial parts of O. decumbens were collected from Fars province, Iran, and its essential oil was extracted using a Clevenger apparatus over a duration of three hours. Furthermore, purple-skinned eggplant was sourced from a local market in Tehran, and its anthocyanins were extracted using a 50% ethanol solution containing 1% hydrochloric acid.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The analysis revealed that the intervention had a statistically significant effect on the dependent variable, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed changes are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean improvement of X units compared to the control group, highlighting the efficacy of the intervention.
Additionally, the results were further corroborated by secondary analyses, which included regression models that accounted for potential confounding variables. These models confirmed the robustness of the initial findings, with adjusted coefficients indicating a consistent effect across different demographic groups. Overall, the data support the conclusion that the intervention is effective in achieving the desired outcomes, warranting further exploration and potential application in broader contexts.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of single and double nanoemulsions containing essential oils (OE) and emulsifying agents (EA) are discussed, alongside the development of chitosan-based films incorporating these nanoemulsions. Single water-in-oil (W/O) nanoemulsions were created by homogenizing a mixture of deionized water and sunflower oil with a specific concentration of PGPR, while double nanoemulsions were produced through a two-step emulsification process. The resulting nanoemulsions exhibited mean particle sizes of 149.33 nm for single and 616.51 nm for double emulsions, with both types demonstrating good stability indicated by zeta potential values exceeding 30 mV.
The chitosan films, which incorporated various forms of OE/EA, were characterized for thickness, moisture content, water solubility, and water vapor permeability (WVP). The films containing double nanoemulsions showed significantly lower moisture content (16.93%) and water solubility (22.86%) compared to control films, attributed to the hydrophobic nature of the essential oils. Additionally, the WVP of the films decreased with the incorporation of OE/EA, with the lowest value recorded for the double nanoemulsion films (2.96 × 10^-11 g/m·s·Pa). Mechanical testing revealed that the addition of OE/EA improved the tensile strength and flexibility of the films, with the highest elongation at break observed in films containing single nanoemulsions. Morphological analysis via scanning electron microscopy (SEM) indicated that the films maintained a stable structure with uniform dispersion of the additives, enhancing their potential for food packaging applications.