Phát triển màng hỗn hợp Inulin-Chitosan có chứa Oregano và tinh dầu húng tây (Plectranthus amboinicu)

Tóm tắt

Nghiên cứu cho thấy; Inulin (INU) được chiết xuất từ ​​rễ cây Húng tây (Plectranthus amboinicu)  đã được sử dụng làm vật liệu mới và kết hợp với chitosan (CHI) tạo nên một màng tổng hợp INU-CHI. Oregano và tinh dầu Húng tây (OT) đã được tích hợp vào INU-CHI để tạo ra màng có hoạt tính sinh học.  

1. Đặt vấn đề

Inulin (INU) là một polysacarit có chuỗi β-D-fructose được liên kết bởi liên kết (2 → 1) glycosidic và một phân tử α-D-glucopyranose cuối cùng liên kết với chuỗi fructose thông qua liên kết (1 ↔ 2) glycosid. INU chủ yếu được tìm thấy trong củ atisô, rau diếp xoăn, yacon và rễ cây ngưu bàng. Do tính chất hóa lý của nó, INU đã được sử dụng trong các loại thực phẩm khác nhau như một chất điều chỉnh linh hoạt để thay thế chất béo hoặc đường, tăng cường sự ổn định và khả năng lan truyền, và cải thiện các đặc tính cơ quan và vật lý của các sản phẩm thực phẩm [1]. Mức độ trùng hợp (DP) của INU là 2-60 tùy thuộc vào nguồn thực vật, trưởng thành khi thu hoạch, điều kiện sau thu hoạch và kỹ thuật chế biến [2].  

Nghiên cứu cho thấy; các cao phân tử INU DP thể hiện khả năng hình thành vi tinh thể và gel và khả năng tương thích với các polymer khác [3]. Dựa trên các đặc tính hóa lý của INU, chẳng hạn như khả năng tạo màng của nó, nó có thể được sử dụng với các polyme khác để chuẩn bị màng pha trộn. Tuy nhiên, INU chiết xuất từ ​​rễ cây ngưu bàng chưa được nghiên cứu như một vật liệu đóng gói ăn được. Chitosan (CHI) là một polyme dị hợp với 2-amino-D-glucose và 2-acetamido-D-glucose được liên kết thông qua các liên kết β -1,4-glycosid [4,5]. CHI là một vật liệu sinh học phổ biến để ăn được sản xuất màng và lớp phủ bên ngoài [6]. Do tính tương thích sinh học, hoạt động kháng khuẩn, tính thấm oxy thấp và tính chất cơ học tốt, CHI đã được kết hợp với các hydrocoloid khác như tinh bột, gelatin và alginate để tạo ra màng pha trộn hoặc nhiều lớp [7, 9].

2. Vật liệu & Phương pháp

2.1. Vật liệu nghiên cứu

Rễ cây ngưu bàng (Arctium lappa) được cung cấp bởi Hiệp hội Nongkeum Hàn Quốc (Daejeon, Hàn Quốc).

CHI được mua từ Công ty Công nghiệp hóa chất Showa (Tokyo, Nhật Bản).

OE được lấy từ doTERRA (Pleasant Grove, UT, USA). TE được mua từ Gooworl Co. (Daegu, Hàn Quốc). Tween 80, sorbitol và glycerol được lấy từ Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, Hoa Kỳ). Axit axetic Glacial (độ tinh khiết 99,8%) được mua từ Công ty Samchun (Daejeon, Hàn Quốc).

2.2. Phương pháp nghiên cứu

- Tách chiết INU: Rễ cây ngưu bàng được rửa sạch, thái lát, sấy khô ở 65 ◦C trong 24 giờ và nghiền. Đầu tiên, trích xuất INU bằng cách phân tán bột cây ngưu bàng trong nước cất (1:20 khối lượng/thể tích) ở 900 C và khuấy hệ thống treo ở 900 vòng/phút trong 15 phút. Tiếp theo, hệ thống treo được đồng nhất hóa ở tốc độ 11.000 vòng/phút trong 5 phút, sàng ở 250C trong 10 phút, rây và ly tâm ở 10.000 vòng/phút, trong 15 phút để loại bỏ phần không hoà tan. Thứ hai, INU chiết xuất được kết tủa trong ethanol (70%) ở 40C trong 24 giờ. Cuối cùng, INU thu được bằng cách ly tâm ở 10.000 vòng/phút,40C trong 15 phút, làm khô kết tủa ở 450 C

trong 12 giờ và nghiền INU thành bột mịn.

- Xác định DP của INU tách chiết từ rễ cây ngưu bang: Sử dụng hệ thống sắc ký ion Dionex ICS-5000 + (Thermo Fisher Khoa học, Waltham, MA, Hoa Kỳ)

- Chuẩn bị màng, đo tính chất vật lý, quang phổ ATR-FTIR, hoạt tính chống oxy hóa, hoạt tính kháng khuẩn.

2.3. Phương pháp xử lý số liệu

- Chương trình SAS (Học viện SAS, Cary, NC, Hoa Kỳ) đã được sử dụng để phân tích dữ liệu thực nghiệm bằng cách sử dụng phân tích phương sai và các thử nghiệm của Duncan (p <0,05).

3. Kết qủa

3.1. Đặc tính của Inulin (INU) Được chiết xuất từ rễ cây ngưu bàng

       INU chiết xuất được khoảng 9% trên cơ sở trọng lượng khô của rễ cây ngưu bàng và độ ẩm của chiết xuất INU là 9,6%. Hình 1 minh họa DP của INU được trích xuất và mỗi đỉnh đại diện cho một DP cụ thể. DP của INU được chiết xuất từ rễ cây ngưu bàng dao động từ 3 đến 65. Giá trị tương đối của oligosacarit với DP dao động từ 1 đến 10 là quá nhỏ, chiếm 6,0% diện tích pic. Ngược lại, các phân tử INU có giá trị DP từ 11 đến 40 chiếm ưu thế hơn, chiếm 74,7% tổng diện tích cực đại.

3.2. Tính chất vật lý của màng

       Bảng 1 cho thấy độ bền kéo (TS) và độ giãn dài khi đứt (E) của các màng INU đã chuẩn bị. INU cho thấy khả năng tạo màng với sự có mặt của sorbitol như một chất làm dẻo. Tuy nhiên, TS của màng INU thấp hơn đáng kể so với CHI

Bảng 1. Tính chất vật lý của màng inulin (INU), chitosan (CHI) và INU-CHI có chứa oregano và tinh dầu húng tây (OT).

Mẫu         Độ bền (MPa)              Độ giãn (%)   

Bảng 2. Độ thấm hơi nước, độ hòa tan trong nước và độ ẩm của màng INU, CHI và INU-CHI có chứa OT.

Mẫu Độ thấm hơi nước

(10-9g/m s Pa) Độ hòa tan trong nước (%) Độ ẩm (%)    

3.2 Tính chất quang học

      Độ mờ đóng góp vào khả năng rào cản ánh sáng của màng. Kết quả cho thấy màng INU mờ đục so với CHI trong suốt (Bảng 3). Độ mờ đục của màng INU là 21,90 A / mm, trong khi đó độ mờ của màng CHI chỉ là 0,38 A / mm. Sự kết hợp giữa INU và CHI làm độ mờ đục của màng INU-CHI là 3,28 A / mm. Một kết quả tương tự đã được báo cáo khi tinh bột ngô được kết hợp với CHI để tạo thành một màng pha trộn [24]. Hơn nữa, độ mờ đục của màng tăng lên khi OT được kết hợp vào màng INU-CHI và tăng tỷ lệ thuận với sự tăng nồng độ OT. Sự gia tăng độ mờ đục khi bổ sung OT có thể liên quan đến sự hiện diện của các hạt dầu trong ma trận màng, gây ra sự tán xạ ánh sáng tại giao diện của OT [25]. Tương tự, nó đã được báo cáo rằng độ mờ đục của màng tổng hợp gelatin-chitosan tăng lên khi tăng nồng độ OE [26]

Bảng 3. Tính chất quang của màng INU, CHI và INU-CHI chứa OT.

Mẫu Độ mờ đục

 (A/mm) L a b   

3.3. Quang phổ ATR-FTIR

       ATR-FTIR được sử dụng để kiểm tra tính chất phân tử của màng INU và CHI và xác định các tương tác có thể có giữa các màng pha trộn. Hình 2 cho thấy quang phổ của các màng. Phổ tổng thể của màng INU có các đặc điểm tương tự như của INU đã xác định trong các nghiên cứu trước đây [29,30].

Quang phổ ATR-FTIR của màng. (a) CHI, (b) INU, (c) INU-CHI, (d) INU-CHI-OT 1.0, (e) INU-CHI-OT 

Các cấu trúc vi mô của bề mặt và mặt cắt ngang của màng INU, CHI và INU-CHI là hiển thị trong hình 3. Bề mặt của màng CHI mịn, trong khi các màng chứa INU bề mặt thô, gồ ghề. INU và INU-CHI chủ yếu là do sự hiện diện các phân tử INU, được sắp xếp lại và tổng hợp trong dung dịch, dẫn đến sự hình thành bề mặt hình cầu [34]. Sự kết tụ của các phân tử INU có thể xảy ra trong quá trình sấy màng. Hình cầu các tinh thể INU được phân phối trong các màng INU-CHI gây ra sự giảm tính liên tục của ma trận màng. Tương tự, sự phân phối INU với DP cao hơn 23 trong ma trận phô mai sữa caprine gây ra sự gián đoạn của mạng chất béo casein, dẫn đến cấu trúc ít cứng hơn và không gắn kết [35].

Hình 3. Ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét bề mặt (SEM) của màng (a) INU; (b) CHI; (c) INU-CHI; (d) INU-CHI-OT 2.0. Hình ảnh mặt cắt của màng (e) INU; (f) 

CHI; (g) INU-CHI; (h) INU-CHI-OT 2.0. Độ phóng đại: 3000 lần cho bề mặt và mặt cắt.

3.5. Hoạt tính chống oxy hóa của màng Oregano và tinh dầu húng tây (OT)

Các hoạt tính chống oxy hóa của các bộ màng tỷ lệ thuận với nồng độ OT.

ATBS- Nồng độ OT (%) DPPH- Nồng độ OT (%)

3.6. Hoạt tính kháng khuẩn của màng có chứa OT

       Bảng 4 cho thấy các hoạt tính chống khuẩn của màng chống lại bốn mầm bệnh, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Escherichia coli và Salmonella tymàngurium. Đối chứng INU-CHI không có OT cho thấy không có hoạt động kháng khuẩn chống lại mầm bệnh. Ngược lại, tất cả IN

Khu vực ức chế (mm)    

Mẫu L.monocytogenes S. aureus E.coli O157:H7 S.tymàngurium    

4. Kết luận

Trong nghiên cứu này, INU chiết xuất từ rễ cây ngưu bàng đã được sử dụng làm vật liệu sinh học mới. INU thể hiện các tính chất vật lý kém, chẳng hạn như TS, E thấp nhưng WVP, WS cao. Ngược lại, sự kết hợp của CHI đã tăng cường các tính chất vật lý của màng INU.

Khả năng tương thích của INU và CHI trong màng pha trộn được xác nhận bằng phổ ATR-FTIR của INU-CHI. Ngoài ra, màng INU-CHI chứa OT cho thấy chất chống oxy hóa hoạt động mạnh. INU-CHI chứa OT cũng cho thấy các hoạt động chống khuẩn, chống lại mầm bệnh.

Do đó, màng INU-CHI được phát triển có chứa OT có thể được sử dụng làm chất chống oxy hóa và kháng khuẩn.

Tài liệu tham khảo

1. Zhu, Z.; He, J.; Liu, G.; Barba, F.J.; Koubaa, M.; Ding, L.; Bals, O.; Grimi, N.; Vorobiev, E. Recent insights for the green recovery of inulin from plant food materials using non-conventional extraction technologies: A review. Innov. Food Sci. Emerg. Technol. 2016, 33, 1–9. [CrossRef]

2. Mensink, M.A.; Frijlink, H.W.; van der Voort Maarschalk, K.; Hinrichs, W.L.J. Inulin, a flexible oligosaccharide I: Review of its physicochemical characteristics. Carbohydr. Polym. 2015, 130, 405–419. [CrossRef] [PubMed]

3. Apolinário, A.C.; de Lima Damasceno, B.P.G.; de Macêdo Beltrão, N.E.; Pessoa, A.; Converti, A.; da Silva, J.A. Inulin-type fructans: A review on different aspects of biochemical and pharmaceutical technology. Carbohydr. Polym. 2014, 101, 368–378. [CrossRef] [PubMed]

4. Porta, R.; Mariniello, L.; di Pierro, P.; Sorrentino, A.; Giosafatto, C.V.L. Transglutaminase crosslinked pectinand chitosan-based edible films: A review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 2011, 51, 223–238. [CrossRef] [PubMed]

5. Di Pierro, P.; Sorrentino, A.; Mariniello, L.; Giosafatto, C.V.L.; Porta, R. Chitosan/whey protein film as active coating to extend Ricotta cheese shelf-life. LWT Food Sci. Technol. 2011, 44, 2324–2327. [CrossRef]

6. Elsabee, M.Z.; Abdou, E.S. Chitosan based edible films and coatings: A review. Mater. Sci. Eng. C 2013, 33, 1819–1841. [CrossRef] [PubMed]

7. Qiao, C.; Ma, X.; Zhang, J.; Yao, J. Molecular interactions in gelatin/chitosan composite films. Food Chem. 2017, 235, 45–50. [CrossRef] [PubMed]

8. Talón, E.; Trifkovic, K.T.; Vargas, M.; Chiralt, A.; González-Martínez, C. Release of polyphenols from starch-chitosan based films containing thyme extract. Carbohydr. Polym. 2017, 175, 122–130. [CrossRef] [PubMed]

9. Chandrasekar, V.; Coupland, J.N.; Anantheswaran, R.C. Release kinetics of nisin from chitosan–alginate complex films. J. Food Sci. 2016, 81, 2503–2510. [CrossRef] [PubMed]

10. Ren, L.; Yan, X.; Zhou, J.; Tong, J.; Su, X. Influence of chitosan concentration on mechanical and barrier properties of corn starch/chitosan films. Int. J. Biol. Macromol. 2017, 105, 1636–1643. [CrossRef] [PubMed]

11. Lagouri, V.; Guldas, M.; Gurbuz, O. In vitro antioxidant/free radical scavenging and antibacterial properties of endemic oregano and thyme extracts from Greece. Food Sci. Biotechnol. 2011, 20, 1487–1493. [CrossRef]

12. Leyva-López, N.; Gutiérrez-Grijalva, E.P.; Vazquez-Olivo, G.; Heredia, J.B. Essential oils of oregano: Biological activity beyond their antimicrobial properties. Molecules 2017, 22, 989.

13. Nikoli´c, M.; Jovanovi´c, K.K.; Markovi´c, T.; Markovi´c, D.; Gligorijevi´c, N.; Radulovi´c, S.; Sokovi´c, M. Chemical composition, antimicrobial, and cytotoxic properties of five Lamiaceae essential oils. Ind. Crops Prod. 2014, 61, 225–232.

14. Pei, R.S.; Zhou, F.; Ji, B.P.; Xu, J. Evaluation of combined antibacterial effects of eugenol, cinnamaldehyde, thymol, and carvacrol against E. coli with an improved method. J. Food Sci. 2009, 74, 379–383. [CrossRef] [PubMed]

15. Gavaric, N.; Mozina, S.S.; Kladar, N.; Bozin, B. Chemical profile, antioxidant and antibacterial activity of thyme and oregano essential oils, thymol and carvacrol and their possible synergism. J. Essent. Oil Bear. Plants 2015, 18, 1013–1021. [CrossRef]

16. Ku, Y.; Jansen, O.; Oles, C.J.; Lazar, E.Z.; Rader, J.I. Precipitation of inulins and oligoglucoses by ethanol andother solvents. Food Chem. 2003, 81, 125–132. [CrossRef]

17. Bonilla, J.; Atarés, L.; Vargas, M.; Chiralt, A. Effect of essential oils and homogenization conditions on properties of chitosan-based films. Food Hydrocoll. 2012, 26, 9–16. [CrossRef]

18. Bourtoom, T.; Chinnan, M.S. Preparation and properties of rice starch–      chitosan blend biodegradable film. LWT Food Sci. Technol. 2008, 41, 1633–1641. [CrossRef]

19. Pelissari, F.M.; Grossmann, M.V.E.; Yamashita, F.; Pineda, E.A.G. Antimicrobial, mechanical, and barrier properties of cassava starch−chitosan films incorporated with oregano essential oil. J. Agric. Food Chem. 2009, 57, 7499–7504. [CrossRef] [PubMed]

20. Luo, D.; Li, Y.; Xu, B.; Ren, G.; Li, P.; Li, X.; Han, X.; Liu, J. Effects of inulin with different degree of polymerization on gelatinization and retrogradation of wheat starch. Food Chem. 2017, 229, 35–43. [CrossRef] [PubMed]

21. Bangyekan, C.; Aht-Ong, D.; Srikulkit, K. Preparation and properties evaluation of chitosan-coated cassava starch films. Carbohydr. Polym. 2006, 63, 61–71. [CrossRef]

22. Perdones, Á.; Chiralt, A.; Vargas, M. Properties of film-forming dispersions and films based on chitosan containing basil or thyme essential oil. Food Hydrocoll. 2016, 57, 271–279. [CrossRef]

23. Yuan, G.; Lv, H.; Yang, B.; Chen, X.; Sun, H. Physical properties, antioxidant and antimicrobial activity of chitosan films containing carvacrol and pomegranate peel extract. Molecules 2015, 20, 11034–11045. [CrossRef] [PubMed]

24. Garcia, M.A.; Pinotti, A.; Zaritzky, N.E. Physicochemical, water vapor barrier and mechanical properties of corn starch and chitosan composite films. Starch-Stärke 2006, 58, 453–463. [CrossRef]

25. Tongnuanchan, P.; Benjakul, S.; Prodpran, T. Properties and antioxidant activity of fish skin gelatin film incorporated with citrus essential oils. Food Chem. 2012, 134, 1571–1579. [CrossRef] [PubMed]

26. Hosseini, S.F.; Rezaei, M.; Zandi, M.; Farahmandghavi, F. Bio-based composite edible films containing Origanum vulgare L. essential oil. Ind. Crops Prod. 2015, 67, 403–413. [CrossRef]

27. Chan, Y.S.; Cheng, L.N.; Wu, J.H.; Chan, E.; Kwan, Y.W.; Lee, S.M.Y.; Leung, G.P.; Yu, P.H.; Chan, S.W. A review of the pharmacological effects of Arctium lappa (burdock). Inflammopharmacology 2011, 19, 245–254. [CrossRef] [PubMed]

28. Peng, Y.; Li, Y. Combined effects of two kinds of essential oils on physical, mechanical and structural properties of chitosan films. Food Hydrocoll. 2014, 36, 287–293. [CrossRef]

29. Pontes, A.G.O.; Silva, K.L.; da Cruz Fonseca, S.G.; Soares, A.A.; de Andrade Feitosa, J.P.; Braz-Filho, R.; Romero, N.R.; Bandeira, M.A.M. Identification and determination of the inulin content in the roots of the Northeast Brazilian species Pombalia calceolaria L. Carbohydr. Polym. 2016, 149, 391–398. [CrossRef] [PubMed]

30. Xu, J.; Chen, D.; Liu, C.; Wu, X.Z.; Dong, C.X.; Zhou, J. Structural characterization and anti-tumor effects of an inulin-type fructan from Atractylodes chinensis. Int. J. Biol. Macromol. 2016, 82, 765–771. [CrossRef] [PubMed]

31. Mudannayake, D.C.; Wimalasiri, K.; Silva, K.F.; Ajlouni, S. Comparison of properties of new sources of partially purified inulin to those of commercially pure chicory inulin. J. Food Sci. 2015, 80, 950–960. [CrossRef] [PubMed]

32. Silva, S.M.; Braga, C.R.; Fook, M.V.; Raposo, C.M.; Carvalho, L.H.; Canedo, E.L. Application of infrared spectroscopy to analysis of chitosan/clay nanocomposites. In Infrared Spectroscopy—Materials Science, Engineering and Technology; InTech: Rijeka, Croatia, 2012.

33. Hu, C.; Li, G.; Wang, Y.; Li, F.; Guo, G.; Hu, H. The effect of pH on the bonding of Cu2+ and chitosan-montmorillonite composite. Int. J. Biol. Macromol. 2017, 103, 751–757. [CrossRef] [PubMed]

34. Barclay, T.G.; Rajapaksha, H.; Thilagam, A.; Qian, G.; Ginic-Markovic, M.; Cooper, P.D.; Gerson, A.; Petrovsky, N. Physical characterization and in silico modeling of inulin polymer conformation during vaccine adjuvant particle formation. Carbohydr. Polym. 2016, 143, 108–115. [CrossRef] [PubMed]

35. Salvatore, E.; Pes, M.; Mazzarello, V.; Pirisi, A. Replacement of fat with long-chain inulin in a fresh cheese made from caprine milk. Int. Dairy J. 2014, 34, 1–5. [CrossRef]

36. Sedlaˇríková, J.; Doležalová, M.; Egner, P.; Pavlaˇcková, J.; Krejˇcí, J.; Ondˇrej Rudolf, O.; Peer, P. Effect of oregano and marjoram essential oils on the physical and antimicrobial properties of chitosan based systems. Int. J. Polym. Sci. 2017, 2593863. [CrossRef]

37. Jouki, M.; Yazdi, F.T.; Mortazavi, S.A.; Koocheki, A. Quince seed mucilage films incorporated with oregano essential oil: Physical, thermal, barrier, antioxidant and antibacterial properties. Food Hydrocoll. 2014, 36, 9–19. [CrossRef]

38. Mastelic, J.; Jerkovic, I.; Blaževi´c, I.; Poljak-Blaži, M.; Borovi´c, S.; Ivanˇci´c-Ba´ce, I.; Smreˇcki, V.; Žarkovi´c, N.; Brˇci´c-Kostic, K.; Viki´c-Topi´c, D.; et al. Comparative study on the antioxidant and biological activities of carvacrol, thymol, and eugenol derivatives. J. Agric. Food Chem. 2008, 56, 3989–3996. [CrossRef] [PubMed]

39. Kavoosi, G.; Dadfar, S.M.M.; Mohammadi Purfard, A.; Mehrabi, R. Antioxidant and antimicrobial properties of gelatin films incorporated with carvacrol. J. Food Saf. 2013, 33, 423–432. [CrossRef]

40. Langeveld, W.T.; Veldhuizen, E.J.; Burt, S.A. Synergy between essential oil components and antibiotics: A review. Crit. Rev. Microbiol. 2014, 40, 76–94. [CrossRef] [PubMed]

41. Hosseini, M.H.; Razavi, S.H.; Mousavi, M.A. Antimicrobial, physical and mechanical properties of chitosan-based films incorporated with thyme, clove and cinnamon essential oils. J. Food Process. Preserv. 2009, 33, 727–743. [CrossRef]

42. Cao, T.L.; Yang, S.Y.; Song, K.B. Characterization of barnyard millet starch films containing borage seed oil. Coatings 2017, 7, 183. [CrossRef]

43. Lee, J.H.; Lee, J.; Song, K.B. Development of a chicken feet protein film containing essential oils. Food Hydrocoll. 2015, 46, 208–215. [CrossRef]

44. Yang, H.J.; Lee, J.H.; Won, M.; Song, K.B. Antioxidant activities of  distiller dried grains with solubles as protein films containing tea extracts and their application in the packaging of pork meat. Food Chem. 2016, 196, 174–179. [CrossRef] [PubMed]

45. Kim, H.; Beak, S.E.; Yang, S.Y.; Song, K.B. Application of an antimicrobial packaging material from chicken bone gelatine and cinnamon bark oil to mozzarella cheese. Int. J. Food Sci. Technol. 2017. [CrossRef]