Development of Biopolymer Based Diffusion Systems by Encapsulating Plant Derived Essential Oils (EOs) -Application in Stored Food Products

Begum, Tofa (2023). Development of Biopolymer Based Diffusion Systems by Encapsulating Plant Derived Essential Oils (EOs) -Application in Stored Food Products Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 451 p.

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Résumé

La contamination microbienne et l'infestation par les insectes des produits alimentaires stockés (par exemple, les céréales, les produits laitiers, etc.) sont une grande préoccupation pour les consommateurs, les scientifiques de l'alimentation et les industries alimentaires. La fabrication de films d'emballage bioactifs encapsulés avec des huiles essentielles d'origine végétale (HE), des extraits d'agrumes (EA) et des nanoparticules d'argent (AgNP) est une approche inventive pour lutter contre la croissance et la prolifération de bactéries pathogènes d'origine alimentaire, de champignons de détérioration et d'insectes nuisibles dans les aliments stockés. La combinaison de deux ou plusieurs traitements (technique d'obstacle) attire de plus en plus l'attention car ils agissent de manière synergique et réduisent ainsi les doses requises pour un traitement unique. Dans le contexte actuel, l'objectif de cette étude était de fabriquer des films biopolymères chargés d'HEs-EA (formulation active) ou d'HEs-AgNPs (combinaison active) ayant de fortes propriétés antibactériennes, antifongiques et insecticides. Les activités antibactériennes, antifongiques et insecticides de huit HE (HE de cannelle, HE de thym sarriette, HE d'agrumes, HE de Méditerranée, HE d'Asie, HE du Sud, HE de Lavang), de deux EA (extrait d'agrumes bio [OCE] et d’extrait naturel d'agrumes [NCE]) et de quatre AgNPs (AGPP, AGPPH, AGC0.5 et AGC1) et leurs combinaisons ont été évaluées sur la base de la capacité d'inhibition de toutes les bactéries et champignons testés. De plus, les toxicités fumigènes de ces HE, EA, AgNPs et leur mélange (deux formulations actives et trois combinaisons actives) ont été testées contre S. oryzae. Après analyse des résultats, deux formulations actives (AF-1 et AF-2) et trois combinaisons actives (AC-1, AC-2 et AC-3) ont montré de fortes bioactivités contre toutes les bactéries testées, les champignons de détérioration et les insectes par rapport aux agents actifs utilisés seuls. Deux formulations actives (AF-1 et AF-2) (mélange d'HE et d'EA) et trois combinaisons actives (AC-1, AC-2 et AC-3) (mélange d'HE et d'AgNP) ont été développées et encapsulées dans des matrices biopolymériques telles que le poly (butylène adipate-co-téréphtalate) (PBAT), l'acide polylactique (PLA) et le chitosane (CH) pour développer des films bioactifs ainsi que de faciliter et de contrôler la libération d'ingrédients actifs lors du stockage avec des produits alimentaires. Les films bioactifs à base de PBAT et de PLA ont été appliqués dans du yaourt stocké pour contrôler la croissance de bactéries pathogènes (Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium) et de champignons d'altération (Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum et Mucor circinelloides). De plus, les films bioactifs à base de PBAT, PLA et CH ont été appliqués sur des aliments (riz et yaourt) avec et sans la présence d'un traitement à l’irradiation γ. Le riz a été étudié pour le contrôle de la croissance de E. coli O157:H7, S. Typhimurium, A. niger, P. chrysogenum, M. circinelloides et un insecte majeur Sitophilus oryzae (charançon du riz) pour assurer la sécurité et la qualité du riz stocké.

Ces travaux ont montré que les films biopolymères composés de PBAT et de CH contenant des formulations actives (AFs) (mélange d'HE et de EA) et de combinaisons d’agents microbiens (ACs) (mélange d'HE et de nanoparticules d'argent) ont montré plus d'efficacité que les films bioactifs à base de PLA. L'application d'un film bioactif et d'un traitement d’irradiation γ a augmenté la radiosensibilité des bactéries, des champignons et des insectes. L'ajout de cellulose nanocrystal (CNC) en tant qu'agent de renforcement dans les matrices polymériques a considérablement amélioré les propriétés barrières (perméabilité à la vapeur d'eau et aux gaz) et les propriétés mécaniques des films bioactifs. De plus, les films nanocomposites bioactifs renforcés avec du CNC (à base de CH, PBAT et PLA) ont plus tendance à retenir les agents actifs et à les libérer lentement pendant la durée de stockage que les films bioactifs sans CNC. L'application in situ de films nanocomposites bioactifs à base de PBAT et de PLA dans le yaourt stocké a réduit la croissance bactérienne et fongique de 25.6 à 93 % par rapport aux échantillons témoins (yaourt sans films nanocomposites bioactifs) après 8 semaines de stockage à 4 °C. D'autre part, l'application de films nanocomposites bioactifs à base de PBAT et CH seuls dans le riz stocké a réduit la croissance bactérienne et fongique de 20 à 72 % par rapport aux échantillons témoins après 8 semaines à 28 °C, tandis que le traitement combiné des films bioactifs et l'irradiation γ à une dose de 750 Gy ont significativement réduit la croissance bactérienne et fongique de 58 à 93 % à la fin du stockage. Les films nanocomposites bioactifs à base de CH, PBAT et PLA ont montré de fortes propriétés insecticides contre S. oryzae dans le riz stocké pendant 14 jours à 28 °C. Le niveau de mortalité des insectes dans le riz était compris entre 44.4 et 83 % après 14 jours d'incubation avec le film nanocomposite bioactif seul, tandis que l'échantillon témoin (sans film nanocomposite bioactif) ne montrait que 6 % de mortalité des insectes. De plus, le traitement combiné entre les films bioactifs et le traitement par irradiation a augmenté de manière significative la mortalité des insectes. Par exemple, un traitement d’irradiation de 300 Gy en présence des films nanocomposites bioactifs a augmenté l'efficacité insecticide entre 96 et 100 % entre les jours 7 et 14. L'évaluation sensorielle du riz stocké et le yaourt stocké pendant 2 mois conservé avec des films nanocomposites bioactifs chargés d'AF n'a montré aucun changement significatif (P > 0.05) de la couleur, de l'odeur, du goût et de l'appréciation globale par rapport au riz et au yaourt non traité. La thèse actuelle a été rédigée selon un format basé sur la publication suivi des directives de l'INRS (INRSGuideST-2022-eng).

Microbial contamination and insect infestation of stored food products (e.g., cereals, dairy products, etc.) are of great concern to consumers, food scientists and food industries. Fabricating bioactive packaging films encapsulated with plant derived essential oils (EOs), citrus extracts (CEs) and silver nanoparticles (AgNPs) is an innovative approach to combat the growth and the proliferation of food-borne pathogenic bacteria, spoilage fungi and insect pests in stored food products. Combining two or more treatments (hurdle technique) are gaining more attention because they act synergistically, thus, reducing the doses required for single treatment. In the current context, the goal of this study was to fabricate EOs-CEs (active formulation) or EOs-AgNPs (active combination) loaded biopolymeric films having strong antibacterial, antifungal, and insecticidal properties. The antibacterial, antifungal, and insecticidal activities of eight EOs (cinnamon EO, savory thyme EO, citrus EO, Mediterranean EO, Asian EO, Southern EO, Lavang EO), two CEs (organic citrus extract [OCE] and natural citrus extract [NCE]) and four AgNPs (AGPP, AGPPH, AGC0.5 and AGC1) and their combinations were evaluated based on the inhibiting capacity of all tested bacteria and fungi. In addition, the fumigant toxicities of these EOs, CEs, AgNPs and their mixture (two active formulations and three active combinations) were tested against S. oryzae. After analysing the results, two active formulations (AF-1 and AF-2) and three active combinations (AC-1, AC-2 and AC-3) showed strong bioactivities against all tested bacteria, spoilage fungi and insect as compared to the single active agent. Two active formulations (AF-1 and AF-2) (mixture of EOs and CEs) and three active combinations (AC-1, AC-2 and AC-3) (mixture of EOs and AgNPs) were developed and encapsulated into biopolymeric matrices such as poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), polylactic acid (PLA) and chitosan (CH) to develop bioactive films as well as facilitate and control the release of active ingredients during storage with food products. The bioactive PBAT- and PLA-based films were applied in stored yogurt to control the growth of pathogenic bacteria (Escherichia coli O157:H7, Salmonella Typhimurium) and spoilage fungi (Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum and Mucor circinelloides). Furthermore, the bioactive PBAT-, PLA- and CH-based films were applied with and without the presence of γ-irradiation in stored rice to control the growth of E. coli O157:H7, S. Typhimurium, A. niger, P. chrysogenum, M. circinelloides and a major stored product insect Sitophilus oryzae (rice weevil) to ensure the safety and quality of stored rice.

However, biopolymeric films composed of PBAT and CH loaded with AFs (mixture of EOs and CEs) and ACs (mixture of EOs and silver nanoparticles) showed more efficiency than bioactive PLA-based films. Application of bioactive film and γ-irradiation increased the radiosensitivity of the tested bacteria, fungi, and insect. Addition of cellulose nanocrystals (CNCs) as reinforcing agents into the polymeric matrices significantly improved the barrier (water vapor permeability and gas permeability) and mechanical properties of the bioactive films. Moreover, CNC-reinforced bioactive nanocomposite films (CH-, PBAT- and PLA-based) have more tendency to retain the active agents and release slowly over the storage time than the bioactive films without CNC. In situ application of bioactive PBAT- and PLA-based nanocomposite films in stored yogurt reduced the bacterial and fungal growth by 25.6-93 % as compared to the control samples (yogurt without bioactive nanocomposite films) after 8 weeks of storage at 4 °C. On the other hand, application of bioactive PBAT- and CH-based nanocomposite films alone in stored rice reduced the bacterial and fungal growth by 20-72 % as compared to the control samples after 8 weeks at 28 °C, while the combined treatment of bioactive films and 750 Gy γ-irradiation significantly reduced the bacterial and fungal growth by 58-93 % at the end of the storage. The bioactive CH-, PBAT- and PLA-based nanocomposite films showed strong insecticidal properties against S. oryzae in stored rice for 14 days at 28 °C. The mortality of insects in rice were between 44.4 to 83 % after 14 days of incubation with bioactive nanocomposite film alone, while the control sample (without bioactive nanocomposite films) showed only 6 % insect. In addition, combined treatment between bioactive films and irradiation treatment significantly increased the mortality of insects, for example, 300 Gy irradiation along with bioactive nanocomposite films increased insecticidal efficiency between 96 to 100 % at day 7 to 14. The sensorial evaluation of stored rice and stored yogurt for 2 months preserved with bioactive nanocomposite films loaded with AFs did not show any significant (P > 0.05) change in color, odor, taste and global appreciation as compared to untreated rice and yogurt. The current thesis has been written as publication-based format followed by the guidelines at INRS (INRSGuideST-2022-eng).

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lacroix, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Follett, Peter A (USDA-Agricultural Research Service)
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	09 juill. 2024 15:33
Dernière modification:	09 juill. 2024 15:33
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15797

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