Development of cellulose nanocrystal reinforced antimicrobial nanocomposite films for food packaging application

Khan, Avik (2014). Development of cellulose nanocrystal reinforced antimicrobial nanocomposite films for food packaging application Thèse. Québec, Université du Québec, Institut National de la Recherche Scientifique, Doctorat en biologie.

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Résumé

Au cours des dernières années, il y a eu une formidable expansion de l'évolution de la recherche et de la technologie dans le domaine de la nanotechnologie, ce qui a entrainé des développements significatifs et des applications dans les domaines de l'alimentation et de l'agriculture. En particulier, le domaine de l'emballage alimentaire représente un domaine prometteur et excitant pour l'utilisation de la nanotechnologie. La cellulose nanocrystalline (CNC), qui est produite à partir du bois, représente une occasion en or pour les vastes ressources forestières du Canada. Des essais toxicologiques ont également montré que la CNC est moins dommageable pour l'environnement que les autres nanomatériaux et sans effets toxiques. Cette thèse porte sur l'utilisation de la CNC pour le développement de nouveaux matériaux, respectueux de l'environnement, tels des films bionanocomposites antimicrobiens pour l'application dans l'emballage alimentaire. Le chitosane, un polymère naturel, non toxique, biocompatible et biodégradable, a été choisi comme matrice pour la fabrication de films bionanocomposites. Des films de chitosane bionanocomposite renforcés par la CNC ont été fabriqués par un procédé à partir de solutions et on a constaté que la CNC a agi comme un bon agent de renforcement dans le chitosane. L’incorporation de CNC a amélioré la résistance mécanique, la transmission de la vapeur d'eau, la perméabilité et les propriétés de gonflement des films de chitosane. La concentration optimale CNC est de 5% pds/ pds de chitosane. Après la mise au point d'une formulation de chitosane /CNC optimisée, l’attention a été déplacée vers le développement de films bionanocomposite capables d'inhiber la croissance, à la surface, de bactéries pathogènes dans les produits carnés. La nisine, un agent antimicrobien naturel, a été immobilisé à la surface des films de chitosane/CNC à l'aide de la génipine. Les films antimicrobiens développés ont inhibé avec succès la croissance de L. monocytogenes dans des échantillons de viande prête-à-manger (PAM). Une faible concentration de réticulation de genipin (0,05% pds/v) a protégé de l'activité antimicrobienne des films dans un état de stockage extrême. La résistance à l'eau et la résistance mécanique des films ont également augmenté en raison de la réticulation de la génipine. La spectroscopie à transformée de Fourier (FTIR) a été effectuée pour étudier les changements dans les bandes infrarouges liés à la réticulation du film par la génipine. La microfluidization, qui est une technique d'homogénéisation à haute pression, a été utilisé pour distribuer de manière homogène au sein de la matrice de chitosane la CNC et de développer des films bionanocomposites de résistance élevée. Une méthodologie statistique, dite de ‘surface de réponse’ (RSM), a été adoptée pour optimiser systématiquement le contenu en CNC, la pression de la microfluidisation et le nombre de cycles de microfluidisation pour optimiser la résistance mécanique des films de chitosane/CNC. La microscopie électronique à balayage (MEB) des films microfluidisées chitosane/CNC a révélé une réduction de 10 à 15 fois dans la taille des agrégats par rapport aux films de chitosane/CNC non microfluidisé. La RSM a également été utilisée pour optimiser une nouvelle formulation capable d'inhiber les bactéries gramme-négatives (E. coli et S. typhimurium) et les bactéries à Gramme-positives (L. monocytogenes). Une concentration de nisine de 125 à 150 μg/mL avec un éthylènediaminetétraacétate disodique (Na -EDTA) concentration de 20 à 30 mM et un pH de 5- 6 a inhibé l'ensemble des trois bactéries. La formulation antimicrobienne développée a été immobilisée sur la surface des films de chitosane /CNC microfluidisées par la genipine par réticulation. L’rradiation gamma à faible dose a été appliquée sur les films. On a constaté chez les films préparés par la combinaison de la réticulation de génipine et l’irradiation gamma (1,5 kGy), la plus haute activité antimicrobienne in vitro contre E. coli et Listeria monocytogenes à la fin de 35 jours de stockage. Les films ont augmenté la durée de vie de la viande de porc frais de plus de 5 semaines et ont aussi inhibé la croissance de bactéries pathogènes dans des échantillons de viande.

In recent years there is a tremendous expansion of research and technology developments in the field of nanotechnology, which resulted in significant application developments in the food and agriculture areas. Particularly, the field of food packaging represents a promising and exciting field for the use of nanotechnology. Cellulose nanocrystals (CNC), which are produced from wood, represent a glorious opportunity for Canada’s vast forest resources. Toxicological experiments have also shown CNC to be far more environmentally benign than other nanomaterials. This thesis examines the use of CNC for the development of novel, environment friendly, antimicrobial bionanocomposite films for food packaging application. Chitosan, a natural, non-toxic, biodegradable, biocompatible polymer was chosen as the matrix for the fabrication of bionanocomposite films. CNC reinforced chitosan based bionanocomposite films were fabricated by solution casting method and it was found that CNC acted as a good reinforcing agent in chitosan. CNC incorporation improved the mechanical strength, water vapor permeability and swelling property of the chitosan films. The optimum CNC concentration was found to be 5% w/w of chitosan. After the development of an optimized chitosan/CNC formulation, the focus was shifted to the development of bionanocomposite films capable of inhibiting surface growth of pathogenic bacteria in meat products. Nisin, a natural antimicrobial agent, was immobilized on the surface of the CNC/chitosan films by using genipin as a cross-linking agent. The developed antimicrobial films successfully inhibited the growth of L. monocytogenes in ready-to-eat (RTE) meat samples. Low concentration of genipin cross-linking (0.05% w/v) protected the antimicrobial activity of the films in extreme storage condition. Water resistance and mechanical strength of the films also increased due to genipin cross-linking. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was performed to investigate the changes in the infrared bands related to the genipin cross-linking of the film. Microfluidization, which is a high-pressure homogenization technique, was used to homogeneously distributed CNC within the chitosan matrix and develop high strength bionanocomposite films. Response surface methodology (RSM) was adopted to systematically optimize the CNC content, the microfluidization pressure and the number of microfluidization cycles by measuring the mechanical strength of the chitosan/CNC films. Scanning electron microscopy (SEM) analysis of the microfluidized CNC/chitosan films revealed a 10 to 15 times reduction in the size of the aggregates compared to the nonmicrofluidized CNC/chitosan films. RSM was also used to develop a novel optimize formulation capable of inhibiting both gram-negative (E. coli and Salmonella spp.) and gram-positive (Listeria monocytogenes) bacteria. A nisin concentration of 125-150 μg/mL with a disodium ethylenediaminetetraacetate (Na-EDTA) concentration of 20-30 mM and a pH of 5-6 inhibited all the three bacteria. The developed antimicrobial formulation was immobilized on the surface of the microfluidized CNC/chitosan films by genipin cross-linking. Low dose gamma irradiation was applied on the films. It was found that films prepared by the combination of genipin crosslinking and gamma irradiation (1.5 kGy) the highest antimicrobial activity in vitro against E. coli and Listeria monocytogenes at the end of 35 days of storage. The films increased the microbiological shelf life of fresh pork meats by more than 5 weeks and also inhibited the growth of pathogenic bacteria in meat samples.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lacroix, Monique
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Riedl, Bernard (Université Laval)
Mots-clés libres:	emballage ; aliment ; antimicrobien ; chitosan ; genipine ; nisine ; irradiation ; gamma ; microfluidisation ; nanocristal
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	05 nov. 2015 21:28
Dernière modification:	04 mai 2023 18:06
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/2746

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