Development and characterization of novel edible films with antimicrobial properties for food packaging
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| Publication Date: | 2014 |
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| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Tese de doutoramento em Engenharia Química e Biológica |
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Development and characterization of novel edible films with antimicrobial properties for food packagingDesenvolvimento e caracterização de novos filmes edíveis com propriedades antimicrobianas para aplicações em produtos alimentares678.06:621.798621.798:678.06664.8.03Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasTese de doutoramento em Engenharia Química e BiológicaActive packaging is an increasingly reliable technology for assuring the safety and maintenance/improvement of the organoleptic properties of the enclosed food products. Bio-based materials with improved characteristics were herein assembled through a simple and effective methodology to produce affordable edible antibacterial films. Bacterial cellulose (BC) and electrospun fish gelatine (FG) were used as film structures. BC possess noteworthy properties for food casing, namely high toughness. FG is a protein source that has not been much explored as film substrate. Both BC and electrospun FG were functionalized with bovine lactoferrin (bLF), a recognized broad spectrum bactericidal glycoprotein. Thin (approx. 25.75 μm) BC films were prepared form two sources i. static culture fermentation of Gluconacetobacter xylinus ATCC 53582 and ii. commercial BC product (nata de coco). BC films were functionalized with bLF through absorption, and were extensively characterised regarding their physicochemical characteristics, absorption/de-absorption profiles (mean absorbed amount 37.5 mg mL-1 g-1, and mean de-absorbed amount 12.6 mg mL-1 g-1), mechanical properties (approx. 42 MPa max. tensile strength), bactericidal efficiency per se against Escherichia coli (approx. 69%) and Staphylococcus aureus (approx. 97%), and in a food case study using fresh sausages (94% E. coli and 36% S. aureus). Moreover, cytotoxicity was determined before and after digestion using an in vitro gastrointestinal tract model and displayed no relevant cytotoxicity. The herein developed FG electrospun films presented interesting properties, such as resilience, biocompatibility and stability in aqueous solutions following glutaraldehyde vapour crosslinking. Therefore a nanocomposite was developed comprising FG and bLF as filler, followed by glutaraldehyde vapour crosslinking. Fourier transform infrared spectroscopy showed that the structure of both nanocomposite proteins remained intact through the electrospinning blending and crosslinking procedure. FG fibres with absorbed bLF were used as control and displayed similar bactericidal efficiency to as-spun FG (91% E. coli and 94% S. aureus). The nanocomposite FG electrospun films containing 10 wt% bLF as filler displayed 99.9999% of contact killing capacity against E. coli and S. aureus. In conclusion, these new nano bio-based edible films, BC with bLF and FG with bLF, present a high active potential to control the food commodities’ endogenous microflora, and therefore are expected to extend their shelf-life and enhance their safety.As embalagens ativas são cada vez mais uma tecnologia fiável para assegurar a segurança alimentar, bem como a manutenção/melhoramento das suas propriedades organoléticas. Nesta tese desenvolveram-se materiais com base em fontes naturais mas com características melhoradas recorrendo a uma metodologia simples e eficaz para produzir filmes ativos com propriedades antibacterianas e comercialmente acessíveis. Filmes de celulose bacteriana (BC) e filmes eletrofidados de gelatina de peixe (FG) foram usados como suportes estruturais. A BC possui um grande potencial para formar filmes alimentares de alta performance, nomeadamente uma notável resistência mecânica. FG é uma fonte proteica que não tem sido muito explorada como suporte estrutural de filmes. Os filmes de BC e electrofiados de FG foram funcionalizados com lactoferrina bovina (bLF), uma glicoproteína detentora de um reconhecido largo espectro antibacteriano. Os filmes finos (aprox. 25.75 μm) de BC foram obtidos de duas fontes distintas i. cultura estática de Gluconacetobacter xylinus ATCC 53582 e ii. BC comercial (nata de coco). Posteriormente filmes foram funcionalizados com bLF por absorção e as suas propriedades físico-químicas, perfis de absorção/de-absorção (em quantidade média absorbida 37.5 mg mL-1 g-1 e quantidade média de-absorvida 12.6 mg mL-1 g-1), propriedades mecânicas (força de tensão máx. de aprox. 42 MPa), eficiência antibacteriana per se contra Escherichia coli (aprox. 69%) e Staphylococcus aureus (97%), e num caso de estudo usando salsichas frescas (94% E. coli e 36% S. aureus). Foi avaliada a citotoxicidade dos filmes antes de depois da sua digestão in vitro num sistema modelo do sistema gastrointestinal, não se tendo detetado uma citotoxicidade relevante. Os filmes resultantes da electrofiação de FG apresentaram propriedades interessantes, tais como resiliência, biocompatibilidade e estabilidade em soluções aquosas após reticulação com vapor de glutaraldeído. Assim, desenvolveu-se um nanocompósito constituído por FG e bLF como enchimento, seguido de reticulação com glutaraldeído. Por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier demonstrou-se que não há alterações estruturais nas proteínas do nanocompósito após produção e reticulação. Filmes eletrofiados de FG foram adsorvidos com bLF par uso como controlo, demostrando uma atividade bactericida semelhante às fibras de FG (91% E. coli e 94% S. aureus). Os nanocompósitos de FG contendo 10% (p/p) de bLF demonstraram uma atividade antibacteriana de 99.9999% de morte por contacto contra E. coli e S. aureus. Em conclusão, os novos filmes nano e edíveis obtidos a partir de fontes naturais, BC com bLF e FG electrofiada com bLF, apresentam um grande potencial para controlar as comunidades microbianas endógenas de produtos alimentares, bem como para reforçar a sua segurança.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) for the research grant SFRH / BD / 64901 / 2009, within the scope of QREN and POPH – typology 4.1 – co-funded by the European Social Fund and the Portuguese Ministry of Education and Science (MEC)Project “BioHealth - Biotechnology and Bioengineering approaches to improve health quality", Ref. NORTE-07-0124-FEDER-000027, co-funded by the Programa Operacional Regional do Norte (ON.2 – O Novo Norte), QREN, FEDER.Project “BioInd - Biotechnology and Bioengineering for improved Industrial and Agro-Food processes", REF. NORTE-07-0124-FEDER-000028 Co-funded by the Programa Operacional Regional do Norte (ON.2 – O Novo Norte), QREN, FEDER.Dourado, FernandoRodrigues, L. R.Universidade do MinhoPadrão, Jorge2014-12-112014-12-11T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/35431eng101388586info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T06:52:48Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/35431Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T16:07:29.295171Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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