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Development of Biopolymer Based Diffusion System by Encapsulating Plant Derived Essential Oils (EOs) -Application in a Stored Food Product

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Hossain, Farah (2018). Development of Biopolymer Based Diffusion System by Encapsulating Plant Derived Essential Oils (EOs) -Application in a Stored Food Product Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 290 p.

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Résumé

Les organismes ravageurs retrouvés dans les aliments stockés constituent une problématique mondiale majeure. Les systèmes d‘emballages actifs permettant d‘encapsuler des émulsions d‘huiles essentielles (HEs) se présentent comme une approche innovante, et se sont avérés très efficaces pour contrôler la croissance et la prolifération des ravageurs et des moisissures dans les produits alimentaires stockés. L'utilisation de traitements combinés suscite également l'intérêt des consommateurs car elle permet une synergie entre les traitements et peut réduire la dose nécessaire de chaque traitement. Dans ce contexte, le but de cette recherche était de développer des systèmes de diffusion à base de biopolymères contenant une formulation antimicrobienne avec des HEs. La formulation d'HEs développée a été encapsulée dans des matrices polymériques telles que le chitosane (CH), la méthylcellulose (MC) et l'acide polylactique (PLA) afin de développer un large milieu qui favorise et contrôle la diffusion des composants actifs. En outre, l‘effet synergique entre le film bioactif synthétisé et un traitement de pasteurisation à froid (irradiation gamma) a été étudié pour améliorer l‘efficacité du traitement combiné qui aura une application et une faisabilité commerciale pour garantir l‘innocuité et la qualité des céréales pendant le stockage.

Les activités antifongiques de huit (8) HEs, à savoir le basilic, la cannelle, l'eucalyptus, la mandarine, l'origan, la menthe poivrée, l‘arbre à thé et leurs combinaisons, ont été évaluées pour leur capacité à inhiber la croissance d'Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Aspergillus parasiticus et Penicillium chrysogenum. De plus, les toxicités par fumigation de ces HEs et une combinaison binaires de thym et d'origan ont été étudiées contre le charançon du riz, Sitophilus oryzae. À partir des résultats obtenus, des formulations d‘HEs à base d‘origan et de thym ont été développées pour les tests antifongiques et insecticides. Tous les films développés dans le cadre de ce projet ont montré des propriétés fongicides et insecticides. Cependant, les films composés de CH et de MC étaient plus efficaces que le film constitué de PLA. Les résultats ont montré un effet antifongique et insecticide amélioré en combinant un traitement de films bioactifs avec l‘irradiation gamma contre toutes les espèces de moisissures testées.

L'ajout de nanocristaux de cellulose (CNC) en tant qu‘agent de renforcement dans la composition des films a amélioré la résistance à la traction et a réduit la perméabilité à la vapeur d'eau des films nanocomposites. De plus, l'ajout de CNC dans les films nanocomposites à base de CH et de MC a permis de maintenir une libération contrôlée des composants volatiles des HEs pendant 12 semaines de stockage. Des tests de provocation in situ avec des films bioactifs à base de MC/CNC contenant une émulsion d‘HEs ont montré une réduction de 2 log de la croissance fongique dans du riz contaminé pendant 8 semaines de stockage à 28°C. De plus, le traitement combiné de films bioactifs avec irradiation gamma à 750 Gy a montré des propriétés antifongiques plus élevées que le traitement avec le film bioactif ou l'irradiation seuls. Le film nanocomposite à base de CH s'est révélé plus efficace. En effet, des tests in situ avec des films bioactifs à base de CH/CNC ont généré une réduction de 1 à 2 log de la croissance fongique dans le riz infecté pendant 8 semaines de stockage à 28°C. D‘autre part, la combinaison des films de CH chargés en HEs de thym et d'origan et d'une faible dose d'irradiation (750 Gy) a significativement augmenté les effets inhibiteurs des films dans le riz inoculé avec les champignons en provoquant une réduction d'environ 4 log UFC/g de la croissance fongique. Ainsi, l'efficacité insecticide (pourcentage de mortalité à 95%) des films à base de CH a augmenté de manière significative (p ≤ 0.05) par l'irradiation combinée de 300 kGy à 10 jours d'incubation. Les films nanocomposites de CH contenant une nanoémulsion d'HEs ont montré une libération lente des composants volatils sur une période de stockage de 12 semaines. L'évaluation sensorielle d'échantillons de riz emballés avec les films bioactifs de CH contenant la nanoémulsion de thym et d'origan n'a montré aucun changement significatif (p > 0.05) de l'odeur, du goût, de la couleur et de l'appréciation générale par rapport au riz non traité. Cette thèse est présentée dans un format manuscrit conforme aux directives de préparation des thèses à l‘INRS.

Abstract

Stored food pest is an enormous global concern. Active packaging system with the encapsulation of EOs emulsion is an innovative approach that have proven to be very effective in controlling the growth and proliferation of stored product pests and molds. The use of combined treatments is also gaining consumer interest as it permits a synergy between the treatments and can reduce the dose needed for each treatment. In this context, the aim of this research was to develop an EO-loaded biopolymeric diffusion systems containg an antimicrobial formulation. EOs formulation developed was encapsulated into polymer matrices such as chitosan (CH), methyl cellulose (MC) and Poly Lactic acid (PLA) to develop a broad cast medium in order to facilitate and control the diffusion of active components. Furthermore, the synergistic effect between synthesized active biofilm and a cold treatment (γ-irradiation rradiation) was investigated to improve the efficiency of the treatment that will have commercial application and acceptability to ensure the safety and quality of cereals during storage.

The antifungal activities of eight EOs namely basil, cinnamon, eucalyptus, mandarin, oregano, peppermint, tea tree and thyme and their combinations were evaluated for their ability to inhibit the growthof Aspergillus niger, A. flavus, A. parasiticus and Penicillium chrysogenum. In addition, the fumigant toxicities of these EOs and one binary combinations thyme and oregano were investigated against the rice weevil, Sitophilus oryzae. Based on the results obtained, EOs formulation based on oregano and thyme were developed for the antifungal and insecticidal tests. All the biopolymerc films developed in this project showed fungicidal and insecticidal properties. However, biopolymeric films composed of chitosan and methyl cellulose were more efficient as compared to the film made of poly (lactic acid) PLA. The results showed an enhanced antifungal and insecticidal effect achieved by combining a treatment of bioactive films and gamma radiation against all tested fungal species.

The addition of CNC as a reinforcing filler improved the tensile strength and deceased the water vapor permeability of nanocomposite films. Moreover addition of CNC into MC and CH based nanocomposite based films, maintained a sustained release of volatile EO components during 12 weeks os storage. In situ tests with MC/CNC based bioactive films containing EO emulsion produced a 2 log reduction in fungal growth in infected rice during 8 weeks of storage at 28°C. In addition, combined treatment of bioactive films with an irradiation treatment at 750 Gy showed more pronounced antifungal properties than treatment with the bioactive film or irradiation alone. Chitosan based nanocomposite film found to be more efficient. In situ tests with CH/CNC based bioactive films containing EO emulsion produced a 1-2 log reduction in fungal growth in infected rice during 8 weeks of storage at 28°C. Combining the bioactive chitosan films loaded with thyme and oregano essential oils and low dose of irradiation (750 Gy) significantly enhanced the inhibitory effects of the films in rice inoculated with fungi by causing an approximately 4 log CFU/g reduction in fungal growth. The insecticidal efficiency (percent mortality 95%) of chitosan based films increased significantly (p ≤ 0.05) by the combined application of 300 Gy gamma radiation and bioactive chitosan films at 10 days of incubation period. Chitosan nanocomposite films containing EOs nanoemulsion showed a slow release of volatile component over 12 weeks of storage period. Sensorial evaluation of rice samples packed with the chitosan bioactive films loaded with thyme and oregano nanoemulsions showed no significant (p > 0.05) change in odor, taste, color and general appreciation compared with untreated rice. This thesis is presented in a manuscript based format in accordance with the Guidelines for Thesis preparation.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lacroix, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse: Follett, Peter
Mots-clés libres: -
Centre: Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt: 11 déc. 2019 16:35
Dernière modification: 11 déc. 2019 16:35
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/8510

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