Application of CNCS for preservation of food matrices

Criado, Paula (2019). Application of CNCS for preservation of food matrices Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 199 p.

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Résumé

La recherche de nouveaux matériaux est en constante évolution, parfois dans le but d'augmenter la diversité des emballages biodégradables offerts, de lutter contre la pollution par les matières plastiques, de réduire la quantité de matériaux utilisés ou simplement de minimiser le gaspillage des aliments. Les nanocristaux de cellulose (CNCs) représentent un matériau innovant extrait de plantes, d'animaux marins, constitué majoritairement de cellulose, l'un des polymères d’origine naturelle les plus abondants au monde. En raison de leurs caractéristiques exceptionnelles telles que leur rigidité, leur dispersibilité dans les systèmes aqueux, leurs propriétés de renforcement/barrière et leur large surface spécifique pouvant offrir une multitude de fonctionnalités, les CNCs ont démontrés un grand potentiel en tant que nanoparticule de renforcement dans des matériaux nanocomposites.

Le but de ce projet était d’étudier la contribution et les performances des CNCs lorsqu’ils sont intégrés dans des polymères utilisés dans des systèmes alimentaires afin de préserver la qualité des aliments. Les deux premiers chapitres représentent la revue de littérature. Afin d’atteindre les objectifs et de répondre aux hypothèses du projet, des méthodologies ont été proposées et considérées dans le troisième chapitre. Dans le quatrième chapitre, nous avons examiné la possibilité de modifier chimiquement les CNCs à l’aide de la technologie d’irradiation gamma, avec comme objectif de leur conférer des propriétés antiradicalaires. L’irradiation gamma et le couple rédox initiateur (peroxyde d’hydrogène et acide ascorbique) ont tous deux conduit à la formation de sites actifs et facilité l’insertion d’acide gallique (GA), un composé phénolique aux propriétés antioxydantes. Un test à base de N,N-diéthyl-p-phenylènediamine (DPPD) a été utilisé pour analyser les propriétés antiradicalaires des CNCs. Dans une phase préliminaire, les suspensions de CNCs irradiées ont montré des propriétés antiradicalaires élevées de 1.92 (pour CNC-γ) à 8.20 mM eq Trolox/mg (pour CNC-H2O2-AA-γ-GA) comparé à 0 mM eq Trolox/mg pour les CNCs non-modifiés. En caractérisant les modifications chimiques des CNCs modifiées (CNC-γ et CNC-H2O2-AA-γ-GA), il a été observé qu’une concentration élevée en groupements acide carboxylique (environ 132-134 mmol COOH/kg de CNC) était formée par rapport aux CNCs non-modifiés (49 mmol COOH/kg).

Avec l'objectif de vérifier les modifications induites par l’irradiation gamma, les CNCs ont été dispersés et irradiés à des doses croissantes (0 à 80 kGy). Ces travaux font l’objet du cinquième chapitre où nous avons demontré la formation de nouveaux groupes fonctionnels tels que des groupements carboxyliques et que leur concentration augmentait proportionnellement avec la dose d'irradiation. Par exemple, les CNCs irradiés de 0 à 80 kGy indiquaient des concentrations en groupes carboxyliques allant de 43 jusqu'à 631 mmol COOH/kg de CNCs, respectivement. Les groupes aldéhydes ont également été quantifiés et leur concentration accrue a été attribuée à une rupture des liaisons glycosidiques des chaînes de cellulose pendant l'irradiation. Les propriétés antiradicalaires des CNCs irradiés ont ensuite été analysées, montrant ainsi une concentration de 40 μM eq acide ascorbique (AA) à 80 kGy par rapport à une concentration de 3 μM eq AA à 0 kGy. Les différences au niveau des résultats des propriétés antiradicalaires observées dans cette section par rapport à la section précédente se basent sur le principe de deux tests. Le test de DPPH a comme finalité de stabiliser le radical DPPH comparé aux nombreuses espèces réactives de l'oxygène (ROS) (e.g., anion superoxyde (•O2-), oxygène singulet (1O2), radicaux hydroxyles (•OH), peroxyde d'hydrogène (H2O2) et ion hypochlorite (OCl-)) issues de l'électrolyse ayant lieu dans le test de DPPD. Une réponse similaire a été rapportée dans les tests de capacité antioxydante totale (TOC) qui montrent pour les CNCs irradiées (80 kGy) une réponse de 800 μM AA eq comparée à 200 μM AA eq pour les CNCs natifs.

La capacité réductrice des fonctions aldéhydes a été suggérée comme étant responsable des nouvelles propriétés antiradicalaires des CNCs. Des tests physico-chimiques tels que les mesures d’angle de contact et l’analyse FTIR ont été utilisés pour confirmer les changements de propriétés hydrophobes (mouillabilité) de la surface des films et les modifications chimiques des CNCs irradiés, respectivement. De plus, les images de microscopie électronique par transmission (TEM) ont permis d’évaluer la morphologie des cristaux pour lesquels aucune altération de morphologie n’a été révélée.

Le sixième chapitre examine la capacité d’encapsulation et le profil de libération contrôlée que les CNCs peuvent générer dans un système de billes d’alginate réticulé au calcium. Lors de précédentes études sur l'efficacité connue de l'huile essentielle (EO) de thym en tant qu'agent antimicrobien, des billes d’alginate ont été chargées avec différentes concentrations de CNCs, puis la capacité d'encapsulation ainsi que le taux de libération d’EO ont été analysés dans un milieu simulant la viande. Le modèle de Korsmeyer-Peppas a été appliqué pour étudier la cinétique de libération de l'EO dans le solvant de simulation. L'ajout de 30% de CNCs dans des billes contenant 3% d’EO a eu pour effet de retarder de 10% la libération cumulative d'EO et de réduire de 30% la constante cinétique par rapport aux échantillons témoins. Les images de la coupe transversale des billes ont affiché une morphologie à plus faible porosité en présence de CNCs par rapport aux billes témoins.

Cette observation pourrait expliquer le délai de libération observé pour l’EO dans le milieu simulé. La formulation optimale des billes a été testée contre Listeria sur du porc haché, où une activité synergique avec l’irradiation gamma a été observée pendant la période d’entreposage.

Enfin, dans un septième chapitre, l’influence de la présence de CNCs dans des films d’enrobage à base d’alginate a été évaluée sur le degré d’oxydation des lipides dans la poitrine de poulet. La transmittance de la lumière et l'effet barrière à l'oxygène à 0, 50 et 70% d'humidité relative (RH) ont été évalués afin de caractériser les films d’enrobage. Les films les plus performants ont été testés sur la surface du poulet et les mesures de valeurs de peroxyde, de TBARS et de colorimétrie ont été réalisées pour évaluer l’effet des enrobages sur la qualité du poulet en cours d’entreposage. Les résultats ont montré qu’une concentration de 30% de CNCs permettait une réduction de la perméabilité à l'oxygène dans les films d'enrobage. Également, dans la poitrine de poulet enrobée, une réduction des lipides peroxydés et des TBARS a été observée au fil du temps sans aucun indice d'oxydation mesuré par colorimétrie.

New materials are constantly developed, some of them with the aim of increasing the offer in biodegradable packaging with the ultimate goal to combat plastic pollution, to reduce the amount of materials used or to simply reduce food spoilage.

CNCs are an innovative material extracted from plants and marine animals and composed of cellulose, one of the most abundant polymers on earth. Because of their outstanding characteristics such as stiffness, dispersibility in aqueous systems, reinforcing ability, barrier properties and surface area, that offer a large number of sites for further chemical derivatization, CNCs have demonstrated their potential as filler in nanocomposite materials.

The purpose of this project was to understand the contribution that CNCs can bring in the performance of polymers applied in food systems to protect food quality.

This purpose will be reviewed in the literature review presented in the first two chapters. In order to achieve the established objectives and answer the hypothesis related to this project, methodologies have been proposed and were considered in the third chapter. In the fourth chapter, the feasibility of altering the CNCs surface chemistry by means of gamma irradiation for antioxidant molecule insertion purposes was studied. Both, the use of gamma irradiation and the presence of a redox pair (e.g., hydrogen peroxide and ascorbic acid) served to induce the formation of active sites and facilitate the insertion of gallic acid (GA), a phenolic compound with antioxidant properties, on CNCs surface. The N,N-diethyl-p-phenylenediamine (DPPD) test was used to analyze the antiradical properties of pristine (non-modified) and modified CNCs. The modified CNCs showed high antiradical properties from 1.92 (for CNC-γ) to 8.20 mM Trolox eq/mg (for CNC-H2O2-AA-γ-GA) compared to 0 mM Trolox eq/mg reported for pristine CNCs. By monitoring the chemical changes of both CNC-γ and CNC-H2O2-AA-γ-GA, it was observed that the concentration of carboxylic acid groups was slightly increased to approximately 132-134 mmol COOH/kg compared to 49 mmol COOH/kg for pristine CNCs.

In order to verify and study the changes induced by gamma irradiation, CNCs were dispersed in water and irradiated at doses ranging from 0 to 80 kGy, which study is covered in the fifth chapter. It was observed that the increase in carboxylic acid groups during irradiation was directly proportional to the irradiating dose. For instance, 0 and 80 kGy-irradiated CNCs showed 43 and 631 mmol COOH/kg CNCs, respectively. Aldehyde groups were also quantified and results showed that their concentration also increased which was ascribed to a cleavage of glycosidic bonds of the cellulose chains during irradiation. The antiradical properties of irradiated CNCs were then analyzed showing a concentration of 40 μM ascorbic acid (AA) at 80 kGy compared to 3 μM AA at 0 kGy. Differences with regard to the results observed in the fourth chapter were based on the capability of irradiated CNCs to stabilise the DPPH radical compared to the numerous reactive oxygen species (e.g., superoxide anions (•O2-), singlet oxygen (1O2), hydroxyl radicals (•OH), hydrogen peroxide (H2O2) and hypochlorite ion (OCl-)) produced during electrolysis carried out in the DPPD test. Similar increased values of antiradical properties were observed in the total antioxidant capacity (TAC) with reported values of 200 μM AA eq and 800 μM AA eq for CNCs irradiated at 0 and 80 kGy, respectively. The reducing properties of aldehyde groups were suggested to be responsible for the new antiradical properties of CNCs. Physico-chemical tests were carried out using contact angle for determining hydrophobic changes (wettability) of CNCs film surface, FTIR was used to confirm the chemical changes of irradiated CNCs and TEM images of dried crystals studied the morphology of CNCs, revealing no changes.

The sixth chapter reviewed the encapsulation capacity and controlled release properties that CNCs can bring to a calcium cross-linked alginate bead system. With previous studies conducted on the efficiency of thyme essential oil (EO) as an antimicrobial agent, the beads were loaded with different concentrations of CNCs and then encapsulation efficiency and release of EO were analyzed in a meat simulating solvent. The Korsmeyer-Peppas model was applied in order to study the release kinetics of the EO in the solvent. The presence of CNCs in the bead system proved their efficiency by delaying by 10% the cumulative release of EO and decreasing by 30% the kinetic constant value when 3% thyme EO and 30% CNCs were used with respect to the control sample with 0% CNCs. Images of the bead cross-section exhibited the presence of smaller pores when CNCs were added to the beads compared to control. This phenomenon could explain the delay observed in the release of EO in simulated solvent. Optimal formulation of beads was tested in ground pork against Listeria and when used in combination with gamma irradiation, synergistic activity was observed during storage.

Finally, in the seventh chapter, the influence of CNCs incorporated in alginate-based edible coatings was evaluated against the degree of lipid oxidation in chicken breast. Light transmittance and oxygen barrier properties of edible films at 0, 50, and 70% RH were measured. Films showing the highest performance were tested on chicken breast surface and peroxide values, TBARS, and colorimetry tests were used to determine the effect of the coating on the meat quality during storage. Results showed that a concentration of 30% CNCs reduced the oxygen permeability of the coating and resulted in a reduction of lipid peroxide and TBARS in the coated chicken breast over the storage period. Non-oxidative response was suggested by colorimetric measurements of the chicken breasts.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lacroix, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Fraschini, Carole (FPInnovations)
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	09 juill. 2024 15:29
Dernière modification:	09 juill. 2024 15:29
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15812

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