Sinteza i karakterizacija aktivnih vlakana i filmova na bazi poli(є-kaprolaktona) i zeina

Abstract

Osnovni cilj doktorske disertacije bio je razvoj aktivnih, biorazgradivih materijala sa potencijalom primene kao ambalažnih materijala za pakovanje prehrambenih proizvoda. U ovom pogledu, istraživanja su obuhvatila formulisanje, sintezu i karakterizaciju različitih struktura na bazi biorazgradivih polimera različitog porekla, odnosno polimera dobijenih iz neobnovljivih (poli(ε kaprolakton) i obnovljivih (zein) izvora. Ekstrakt žalfije inkorporiran je kao aktivni konstituent unutar polimernih matriksa u cilju postizanja funkcionalnosti materijala u prevenciji oksidacionih procesa i rasta bakterija. U ovom pogledu, poseban fokus bio je usmeren na analizu uticaja inkorporacije različitih sadržaja ekstrakta na fizička, hemijska i funkcionalna svojstva materijala, kao i na njihovu biorazgradivost.

U inicijalnoj fazi disertacije izvršena je priprema i karakterizacija ekstrakta žalfije (Salvia officinalis L.). Za ekstrakciju je primenjena tehnika maceracije, pri čemu su određeni optimalni uslovi ekstrakcije (ekstrakcioni medijum, dužina trajanja ekstrakcije i odnos biljnog materijala i rastvarača) za dobijanje ekstrakta sa što većim sadržajem ukupnih fenolnih jedinjenja. Analizom pripremljenog ekstrakta pokazano je da on predstavlja pogodan izvor fenolnih jedinjenja i fenolnih kiselina, od kojih je kvantitativno najdominantnija bila ruzmarinska kiselina. Pored toga, ekstrakt je ispoljio antioksidativnu i antibakterijsku aktivnost u pogledu sposobnosti inhibicije DPPH● slobodnog radikala, odnosno inhibitornog i baktericidnog delovanja na patogene bakterije Staphylococcus aureus i Escherichia coli.

U drugom delu disertacije predmet istraživanja je bio usmeren na sintezu i karakterizaciju aktivnih, biorazgradivih materijala na bazi poli(ε-kaprolaktona) sa inkorporiranim ekstraktom žalfije. Sinteza materijala izvršena je u dve faze. Prvo su tehnikom elektropredenja dobijeni netransparentni uzorci bele boje, čije su strukture bile sačinjene od gusto raspoređenih, isprepletanih vlakana. U sledećoj fazi strukture elektropredenih vlakana su prevedene u strukture kontinualnih, kompaktnih filmova primenom kratkotrajnog termičkog tretmana na hidrauličnoj presi. Ovako dobijeni filmovi bili su tanki i transparentni, sa malim afinitetom prema vodi. Karakterizacija filmova ukazala je da je ekstrakt žalfije efikasno inkorporiran u matriksu polimera bez jakih hemijskih interakcija između konstituenata ekstrakta i matriksa. Tako usled odsustva jakih hemijskih interakcija inkorporacija nije uticala na termičku stabilnost niti na mehaničke karakteristike filmova. Sa druge strane, inkorporacija je olakšala difuziju vodene pare i arome kroz filmove. U pogledu funkcionalnih karakteristika, filmovi sa inkorporiranim ekstraktom su ispoljili sposobnost otpuštanja fenolnih jedinjenja pri direktnom kontaktu sa medijumima koji simuliraju prehrambene proizvode, naročito sa medijumom koji simulira proizvode lipofilnog karaktera. Pored toga, inkorporacijom ekstrakta u matriks polimera postignute su antioksidativna i antibakterijska funkcionalnost, određene kao sposobnost filmova da pri direktnom kontaktu neutrališu DPPH● slobodni radikal, odnosno da inhibiraju rast patogenih bakterija S. aureus i E. coli. Posmatrano sa ekološkog aspekta, važna karakteristika razvijenih filmova je podložnost potpunoj razgradnji u kompostu od strane prisutnih zemljišnih mikroorganizama, a koja može biti i ubrzana dodatkom bakterijske kulture Pseudomonas aeruginosa u kompost.

Treći deo istraživanja obuhvatio je sintezu i karakterizaciju aktivnih, potencijalno jestivih i biorazgradivih materijala na bazi zeina sa inkorporiranim ekstraktom žalfije. Nedostaci uočeni kod uzoraka na bazi zeina prevaziđeni su pripremom blendi zeina i želatina. Tako su predmet daljeg istraživanja ovog dela disertacije bili biopolimerni materijali na bazi blende proteina dobijeni tehnikama elektropredenja i izlivanja iz rastvora. Elektropredenjem su dobijeni beli, netransparentni uzorci čije su strukture bile sačinjene od gusto raspoređenih, isprepletanih vlakana. Sa druge strane, izlivanjem iz rastvora dobijeni su transparentni uzorci sa strukturama kontinualnih i kompaktnih filmova. Razlike u strukturi materijala na bazi blende proteina, koje potiču od primenjene tehnike za njihovo dobijanje, dovele su i do razlika u fizičko-hemijskim i funkcionalnim karakteristikama materijala. Generalno, karakterizacija elektropredenih vlakana i izlivenih filmova je ukazala na efikasnu inkorporaciju ekstrakta žalfije unutar matriksa proteina bez razdvajanja faza, a potencijalne interakcije između konstituenata ekstrakta i matriksa su bile slabog intenziteta. Ispitivanjem funkcionalnih karakteristika vlakana i filmova na bazi proteina sa inkorporiranim ekstraktom pokazano je da imaju sposobnost otpuštanja fenolnih jedinjenja i ruzmarinske kiseline pri direktnom kontaktu sa medijumima koji simuliraju prehrambene proizvode. Pored toga, inkorporacija ekstrakta je doprinela antioksidativnoj i antibakterijskoj funkcionalnosti vlakana i filmova u pogledu sposobnosti da pri direktnom kontaktu neutrališu DPPH● slobodni radikal, odnosno da inhibiraju rast patogenih bakterija S. aureus i E. coli. Posmatrano sa ekološkog aspekta, važna karakteristika razvijenih vlakana i filmova je podložnost potpunoj razgradnji u kompostu od strane prisutnih zemljišnih mikroorganizama tokom kratkog vremenskog perioda. U ovom pogledu, dodatak ukupnog proteinskog ekstrakta Streptomyces spp. sojeva u kompost nije imao značajan uticaj na razgradnju vlakana i filmova.

The main aim of this doctoral dissertation was to develop active, biodegradable materials with a potential in food packaging applications. In this regard, the research comprised formulating, synthesis and characterization of various structures based on biodegradable polymers of different source of origin, i.e. synthetic (poly(ε-caprolactone)) and natural (zein) one. A sage extract was incorporated as an active constituent within the polymeric matrices in order to impart materials’ functionality in preventing oxidation processes and bacterial growth. Therefore, a comprehensive investigation was carried out to evaluate the effect of the sage extract incorporation at different loading contents on physical, chemical and functional properties of the materials, as well as the materials’ biodegradability.

Preparation and characterization of the sage extract (Salvia officinalis L.) were performed as the initial part of the research. The maceration technique was applied and the optimal extraction conditions (extraction medium, time of extraction and solid to solvent ratio) were determined with the aim to prepare the extract with a high content of total phenolic compounds. The analysis showed that the prepared extract is a good source of phenolic compounds and phenolic acids, with rosmarinic acid being quantitatively the most dominant one. In addition, the extract presented antioxidant and antibacterial activity in terms of DPPH● free radical scavenging ability, and inhibitory and bactericidal effects against the food-borne pathogens such as Staphylococcus aureus and Escherichia coli, respectively.

In the following part of the dissertation, the research was directed to synthesis and characterization of active, biodegradable poly(ε-caprolactone)-based materials loaded with the sage extract. The materials’ synthesis was performed in two stages. Firstly, non-transparent, white colored samples, structurally composed of densely and randomly oriented fibers, were produced employing the electrospinning technique. The obtained electrospun fibrous mats were packed into structures of continuous and compact films by means of the annealing treatment post-processing. The annealed films were thin and transparent with low water affinity. Characterization of the films indicated an efficient incorporation of the sage extract within the polymeric matrix with no chemical interactions between the extract compounds and the matrix. Due to the lack of the strong chemical interactions, the incorporation did not affect thermal stability neither mechanical properties of the films. On the other hand, water vapor and aroma diffusion through the films were facilitated by the extract incorporation. In terms of functional properties, the films loaded with the extract exhibited an ability to release phenolic compounds in direct contact with media simulating food products, primarily with the medium simulating lipophilic foods. In addition, the extract incorporation within the polymeric matrix contributed to the antioxidant and antibacterial functionality of the materials, determined as DPPH● free radicals scavenging and inhibition of the food-borne pathogens growth (S. aureus and E. coli) in direct contact with the films. In regard to an ecological aspect, a very important property of the developed films is their degradability in compost by soil microorganisms, which can be accelerated by addition of Pseudomonas aeruginosa bacterial culture to the compost.

The research within the third part of the dissertation was focused on synthesis and characterization of active, biodegradable, potentially edible, zein-based materials loaded with the sage extract. The properties of the zein-based samples were improved by blending zein with gelatine. In this way, biopolymer materials based on the proteins blend were developed employing the electrospinning and solvent casting techniques and further evaluated. The electrospun samples were white-colored and non-transparent, structurally composed of densely and randomly oriented fibers. On the other hand, the samples obtained by the solvent casting technique were transparent, in structural forms of continuous and compact films. These structural differences between the proteins blend-based materials depending on the employed technique triggered differences in physico-chemical and functional properties of the materials. Generally, analysis of the electrospun fibers and casted films indicated an efficient incorporation of the sage extract within the proteinic matrix with no phase separations, while potential chemical interactions between the extract compounds and the matrix were weak. Evaluation of functional properties demonstrated an ability of the proteins-based fibers and films loaded with the extract to release phenolic compounds and rosmarinic acid in direct contact with media simulating food products. Furthermore, the extract incorporation within the proteinic matrix contributed to the antioxidant and antibacterial functionality of the materials, determined as DPPH● free radicals scavenging and inhibition of the food-borne pathogens growth (S. aureus and E. coli) in direct contact with the fibers and the films. In regard to an ecological aspect, a very important property of the developed fibers and films is their rapid degradability in compost by soil microorganisms. Addition of total proteinic extract of Streptomyces spp. strains to the compost did not have impact on the degradation process.