Synthese aktiver Verpackungsfolien aus Lepidium-sativum-Gummi/Polyvinylalkohol-Kompositen und ihre Anwendung bei der Konservierung von Cheddar-Käse

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1647 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Interesse an aktiven Verpackungen zur Verlängerung der Haltbarkeit von Lebensmitteln hat in letzter Zeit zugenommen. Darüber hinaus motivierten die negativen Auswirkungen synthetischer Kunststoffabfälle auf die Umwelt die Forscher, nach biobasierten Alternativen zu suchen. In diesem Zusammenhang wurde eine aktive Verpackungsfolie aus einem Verbund aus Lepidium sativum-Extrakt (LSE), Polyvinylalkohol (PVA) und einer festen Menge an hyperverzweigtem Polyamidamin (PAMAM) hergestellt. Die chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des Films wurden untersucht. Darüber hinaus haben wir die Inhaltsstoffe und antioxidativen Eigenschaften des Extrakts untersucht. Cheddar-Käseproben wurden mit Filmen unterschiedlicher Zusammensetzung beschichtet. Die mit aktiven Verpackungsfolien beschichteten Proben zeigten im Vergleich zu anderen Proben, die sich merklich verschlechterten, eine längere Haltbarkeitszeit von bis zu 4 Wochen. Die Filme zeigten eine starke antimikrobielle Aktivität gegen fünf durch Lebensmittel übertragene Bakterien: drei gramnegative Bakterien, darunter Escherichia coli O157.H7, Pseudomonas aeruginosa und Salmonella Typhimurium, sowie zwei grampositive Bakterien, Listeria monocytogenes und Staphylococcus aureus. Das Aufbringen von LSE-haltigen PVA-Folien verbesserte die mikrobiologische Qualität und verzögerte den sichtbaren Verfall von Cheddar-Käse. Die Oxidationsfähigkeit des aus verschiedenen Käseproben extrahierten Fettes betrug 0,40–0,98, was die Oxidationsbeständigkeit bestätigt. Schließlich waren mit behandelten Folien beschichtete Käseproben im Vergleich zu anderen Proben vor der Bildung von Transfetten geschützt, was die Wirksamkeit modifizierter Folien als antioxidative, antimikrobielle und lebensmittelkonservierende Verpackung beweist.

Auf Bioressourcen basierende Verpackungsmaterialien sind als nachhaltige Alternativen zu erdölbasierten Polymeren, die enorme Mengen an Plastikmüll produzieren, von zunehmendem Interesse. Es wurden Anstrengungen unternommen, biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien zu entwickeln, deren Eigenschaften mit denen synthetischer Materialien vergleichbar sind1,2. Forscher und Verpackungshersteller der Lebensmittelindustrie untersuchen zahlreiche, kostengünstige und biologisch abbaubare Alternativen zu Kunststoffverpackungen, um die CO2-Emissionen zu reduzieren3. Pflanzen enthalten biologisch aktive, nützliche Verbindungen, die in der Pharma-, Lebensmittel- oder Kosmetikindustrie verwendet werden. Zu diesen Verbindungen gehören Phenole und Flavonoide, die antimikrobielle und antioxidative Eigenschaften haben. Sie können in Lebensmittelverpackungen als essbare Beschichtung3 oder als Verpackungsfolie verwendet werden, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern und ein Verderben zu verhindern5. Lepidium sativum oder Kressesamen ist ein Mitglied der Familie der Kreuzblütler, das in Ägypten, Europa und anderen Teilen der Welt wächst4. Die Samen wurden in der traditionellen Medizin zur Behandlung von Hepatotoxizität, Asthma, Frakturen, Hyperglykämie und Enuresis eingesetzt7,8. L. sativum-Gummi kann als L. sativum-Extrakt (LSE) mit Lösungsmitteln wie Wasser, Ethanol und überkritischem CO2 extrahiert werden. Die Ergebnisse der Fraktionierung der extrahierten Hydrokolloide zeigten, dass die Fraktionen unterschiedliche physikalisch-chemische und funktionelle Eigenschaften aufwiesen5,6,7,8. Darüber hinaus wurde eine Untersuchung der Zuckerzusammensetzung, des Uronsäuregehalts, der funktionellen Gruppen und der Molekulargewichte durchgeführt8. Die schrittweise Fraktionierung mit Wasser zeigte, dass die chemische Zusammensetzung der Fraktionen, einschließlich Monosaccharide, Feuchtigkeit, Asche, Stickstoff, Kohlenstoff und Uronsäuregehalt, erheblich schwankte. Die potenziellen Anwendungen von Kressesamengummifraktionen liegen in Lebensmittelemulsionen und Schaumsystemen als Verdickungsmittel und Stabilisator.

Käse ist ein beliebtes verzehrfertiges Lebensmittel, das ohne Wärmebehandlung verzehrt wird, und sein Nährwert hängt hauptsächlich von den Eigenschaften der Milch und der Produktionstechnologie ab. Essentielle Nährstoffe, darunter Proteine, bioaktive Peptide, Aminosäuren, Fett, Fettsäuren (FAs), Vitamine und Mineralien, sind in Käse enthalten9. Milchfett ist das komplexeste Fett in der menschlichen Ernährung, da es mehr als 400 verschiedene FAs10 enthält. Gesättigte FAs (SFAs) sind jedoch die vorherrschende Klasse von FAs im Milchfett und umfassen kurzkettige FAs (SCFA), mittel- und langkettige FAs sowie ungerade FAs10,11. Die beste Quelle für natürliche trans-FAs wie Vaccensäure (trans11 C18.1) und konjugierte Linolsäure (cis9 trans11 C18.2) ist Milchfett, und diese weisen im Vergleich zu künstlichen trans-FAs in teilweise hydrierten Ölen günstige Eigenschaften auf12.

Die derzeit wichtigsten Krankheitserreger in der Lebensmittelindustrie sind Salmonellen, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus und Escherichia coli O157.H7. Es ist bekannt, dass diese Krankheitserreger mit Ausbrüchen von durch Lebensmittel übertragenen Krankheiten in Verbindung gebracht werden, die jährlich bei etwa 600 Millionen Menschen weltweit Krankheiten verursachen13. Käse kann ein Träger für durch Lebensmittel übertragene Bakterien wie Shiga-Toxin produzierende E. coli, L. monocytogenes, Salmonella spp. und S. aureus sein14. Die Entwicklung von Schimmelpilzen kann aufgrund der Wahrscheinlichkeit, dass einige Schimmelpilzarten Mykotoxine absondern, ein Gesundheitsrisiko darstellen15. Bei der Handhabung und Lagerung von Käse kann es zu einer Kreuzkontamination mit durch Lebensmittel übertragenen Bakterien kommen. Sichtbarer Käseverderb beginnt normalerweise an den oberflächlichen Teilen des Käses16; Daher ist der Schutz der Käseoberfläche vor mikrobieller Kontamination eine wirksame Strategie zur Vermeidung von Kreuzkontaminationen und Verderb17.

Antimikrobielle Aktivverpackungen verbessern die mikrobiologische Qualität, verlängern die Haltbarkeit und begrenzen die Kreuzkontamination mit pathogenen Bakterien. Normalerweise werden diese aktiven Filme durch den Einbau antimikrobieller Wirkstoffe wie organische Säuren, Enzyme, Bakteriozine und natürliche Extrakte in Verpackungsmaterialien entwickelt, um die Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe an die Lebensmitteloberfläche zu kontrollieren18. Karamkhani et al.19 beschrieben den Einbau von L. sativum in einen essbaren Film, der unterschiedliche Anteile an Carvacrol enthielt. Der essbare Überzug wurde zum Schutz und zur Verlängerung der Haltbarkeit von gekühlten Zuchtgarnelen verwendet. Die Filme zeigten antimikrobielle und antioxidative Eigenschaften, die mit steigendem Carvacrol-Anteil verstärkt wurden.

In dieser Studie wurden die antioxidativen und antimikrobiellen Eigenschaften von Verpackungsfolien untersucht, die aus Polyvinylalkohol (PVA), LSE und einer festen Menge hyperverzweigtem Polyamidamin (PAMAM) als Weichmacher bestehen. Die chemischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der hergestellten Filme wurden untersucht. Die Folien wurden zur Konservierung von Cheddar-Käse verwendet. Nach dem Verpacken wurden die biologischen Eigenschaften der Folien und die Käsequalität untersucht.

L. sativum-Samen wurden in Ägypten angebaut und auf dem lokalen Markt in Kairo gekauft. Die Samen wurden im Herbarium of Plant Chemistry and Systematics Department des National Research Center (NRC), Ägypten, authentifiziert. PVA (Polymerisationsgrad = 1700–1800) wurde von Qualikms Fine Chemicals Pvt. bezogen. Ltd., Neu-Delhi, Indien. Hyperverzweigtes PAMAM wurde gemäß einer Referenz20 intern hergestellt und charakterisiert. Alle Lösungsmittel wurden wie erhalten verwendet. In dieser Studie wurden fünf durch Lebensmittel übertragene Bakterienarten verwendet, darunter drei gramnegative Stämme, E. coli O157.H7 Stamm 93.111, P. aeruginosa ATCC 9027 und S. Typhimurium ATCC 14.280, sowie zwei grampositive Stämme, L. monocytogenes ATCC 7644 und S. aureus ATCC 25.923. Alle Stämme wurden bei –20 °C in einem Trypton-Sojabrühe-Medium mit 15 % Glycerin gelagert. Die Abteilung für Mikrobiologie der Landwirtschaftsfakultät der Universität Kairo stellte großzügig alle Bakterienstämme zur Verfügung.

LS-Samen (5 g) wurden in Wasser eingeweicht und über Nacht inkubiert. Der Extrakt wurde durch Filtration abgetrennt und zur Herstellung der Gießlösungen verwendet. Eine geeignete Menge PVA wurde in heißem Wasser gelöst, ein bestimmtes Volumen der PVA-Lösung wurde mit LSE gemäß dem in Tabelle 1 angegebenen Verhältnis gemischt. Es wurde gründlich mit einem Magnetrührer gerührt. Als Weichmacher wurden 0,5 g PAMAM und zur Vernetzung 0,5 g Zitronensäure zugesetzt. Die Lösung wurde gut gemischt. Anschließend wurden Luftblasen mit Vakuum entfernt. Die Lösung wurde in Glasschalen gegossen und bei Raumtemperatur und dann in einem Ofen bei 60 °C trocknen gelassen.

Die antioxidative Kapazität der hergestellten aktiven Filme wurde nach einer an anderer Stelle beschriebenen Methode gemessen21. Die frisch zubereitete 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)-Lösung (6 × 10–5 M in Methanol) wurde verwirbelt und 30 Minuten lang bei Umgebungstemperatur im Dunkeln belassen. Die Filmproben (ca. 0,2 g) wurden in ein Glasröhrchen (30 ml) eingewogen und zu einer 4 ml DPPH-Lösung (verdünnt) gegeben. Der Prozentsatz der DPPH-Hemmung wurde durch Messung der Absorption der Proben bei 517 nm bestimmt. Die Kontrollprobe (ohne Film) wurde ebenfalls gemessen. Der Hemmungsprozentsatz der DPPH-Radikale wurde anhand der folgenden Gleichung berechnet:

wobei A die Absorption ist.

Die antimikrobiellen Eigenschaften der Filme wurden gemäß22 bewertet. Die Filme wurden auf jeder Seite 30 Minuten lang unter UV-Licht sterilisiert und 0,15 g jedes Films wurden in eine Mikroplatte mit 24 Vertiefungen eingelegt. In jede Vertiefung wurden 2 ml Nährbrühe gegeben, dann mit 20 µL Bakterienkultur beimpft (24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert) und auf eine durch Zählung bestimmte Endkonzentration von ca. 106 KBE/ml verdünnt. Der Test wurde dreifach durchgeführt. Nach 24-stündiger Inkubation bei 37 °C wurde die Bakterienzahl jeder Probe mit der Tropfplattenmethode23 bestimmt.

Cheddar-Käse wurde in gleichgroße quadratische Scheiben von 4 × 4 cm geschnitten und auf der Ober- und Unterseite wurden gleichgroße Folien befestigt. Diese wurden in 60-mm-Einweg-Petrischalen aufbewahrt, mit Parafilm versiegelt und im Kühlschrank bei 4 °C gelagert. Die Käseproben wurden in drei Gruppen eingeteilt: (C) ohne Folie, (B) mit Folie überzogen und (T) mit Folie A1 überzogen. Die mikrobiologische Analyse wurde wöchentlich nach der Gesamtzahl der mesophilen, psychrotrophen Hefen, Schimmelpilze und coliformen Bakterien durchgeführt. Verschiedene Käseproben wurden aseptisch zerkleinert und dann wurden jeweils 10 g in 90 ml sterilisierte Trinatriumcitratlösungen (2 % w/v) überführt und 1 Minute lang mit einem Stomacher homogenisiert. Dezimale Verdünnungen wurden mit sterilisierter Kochsalzlösung hergestellt. Die Gesamtzahl der mesophilen und psychrotrophen Bakterien wurde auf einem Standard-Plattenagar (Aldrich) nach 48-stündiger Inkubation bei 30 °C bzw. 7 Tagen bei 4 °C gezählt. Mit 1 % 10 % Milchsäurelösung (Gew./Vol.) angesäuertes Kartoffel-Dextrose-Agar (Conda Spanien) wurde nach 5-tägiger Inkubation bei 25 °C zur Zählung von Hefen und Schimmelpilzen verwendet. Die Kolibakterienzahl wurde mithilfe einer Doppelschicht violett-roten Gallenagars bestimmt, der 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert wurde.

Fünfzehn Käseproben in jeder Behandlungsgruppe wurden beobachtet, um sichtbares mikrobielles Wachstum festzustellen. Die Anzahl der verdorbenen Käseproben wurde gezählt und der Prozentsatz des Verderbs berechnet, indem die Anzahl der verdorbenen Proben durch die Gesamtzahl der Käseproben in jeder Behandlungsgruppe dividiert wurde24.

Die experimentellen Daten wurden mittels Varianzanalyse (ANOVA) und dem Duncan-Test ausgewertet, und die CoSTAT-Software wurde verwendet, um signifikante Unterschiede zwischen den Mittelwerten von drei Replikaten bei p < 0,05 zu erkennen.

Die Folch-Technik25 wurde verwendet, um Fett aus den bewerteten Käsesorten zu extrahieren. Jede Probe wurde homogen gemahlen. Ungefähr 3 g des Materials wurden in ein 100-ml-Becherglas überführt und 1 Minute lang mit 30 ml Methanol (IKA Ultra-Turrax®T18 digital) homogenisiert. Anschließend wurden 30 ml Chloroform zugegeben und der Vorgang weitere 2 Minuten lang wiederholt. Zum Filtern der produzierten Flüssigkeit wurde ein 250-ml-Becherglas verwendet. Der feste Rückstand wurde 3 Minuten lang in einer 60-ml-Chloroform:Methanol-Mischung (2:1 v/v) homogenisiert. Die Mischung wurde in einen einzigen Zylinder gegossen. Das vollständige Filtrat wurde zu einer Lösung von 0,88 % NaCl2 in Wasser gegeben (was 14 Volumina Filtrat ergab), gerührt und über Nacht stehengelassen. Die obere Schicht wurde entfernt und vor dem wiederholten Waschen eine Kombination aus Wasser und Methanol (1:1 v/v) zur unteren Schicht gegeben. Die verbleibende Schicht wurde mit wasserfreiem Natriumsulfat über Filterpapier filtriert und das Lösungsmittel anschließend abdestilliert.

Der Cox-Wert der Öle wurde aus dem Fettsäureanteil nach Fatemi und Hammond26 unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

Die chemische Struktur der vorbereiteten Materialien wurde mit einem Bruker VERTEX 80 ATR-FTIR-Instrument (Deutschland) in Kombination mit Platinum Diamond ATR, bestehend aus einer Diamantscheibe, untersucht. Der interne Reflektor hat eine Reichweite von 400–4000 cm−1 mit einer Auflösung von 4 cm−1 und einem Brechungsindex von 2,4. Die thermische Stabilität wurde mit einem thermogravimetrischen Analysegerät (TGA) mit einem Heizbereich von Raumtemperatur bis 700 °C und einer Heizrate von 10 °C/min unter einer N2-Atmosphäre untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Filme wurden mit einem mechanischen INSTRON-Testgerät gemessen, wobei für jeden Film fünf Proben gemessen wurden. Die UV-Analyse wurde mit einem Spektrophotometer (Shimadzu, Deutschland) gemessen. Der Extrakt-Fingerabdruck wurde mittels HPLC-Analyse mit einem Agilent 1260-Serie untersucht. Die Trennung erfolgte mit einer Eclipse C18-Säule (4,6 mm × 250 mm ID, 5 μm). Die mobile Phase bestand aus Wasser (A) und 0,05 % Trifluoressigsäure in Acetonitril (B) bei einer Flussrate von 1 ml/min. Die mobile Phase wurde nacheinander in einem linearen Gradienten wie folgt programmiert: 0 min (82 % A); 0–5 Min. (80 % A); 5–8 Min. (60 % A); 8–12 Min. (60 % A); 12–15 Minuten (85 % A) und 15–16 Minuten (82 % A). Der Multiwellenlängendetektor wurde bei 280 nm überwacht. Das Injektionsvolumen betrug für jede Probelösung 10 µl. Die Säulentemperatur wurde bei 35 °C gehalten.

Die Fettsäurezusammensetzung wurde mithilfe der von Zahran und Tawfeuk27 beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Fettsäuremethylester der Ölproben wurden mittels GLC-FID (HP 6890 Gaschromatographie mit Flammenionisationsdetektor, Hewlett Packard, USA) auf ihre Bestandteile analysiert. Das Injektionsvolumen betrug 1 μL mit einem Aufteilungsverhältnis von 50,1. Es wurde eine Kapillarsäule Supelco™ SP-2380 (60 m × 0,25 mm × 0,20 μm, Sigma-Aldrich, USA) verwendet und die Detektor- und Injektortemperaturen wurden auf 250 °C eingestellt. Das Thermoprogramm wurde bei 100 °C gestartet und mit einer Geschwindigkeit von 15 °C/min auf 230 °C erhöht (30 min halten). Das Trägergas war Helium mit einer Durchflussrate von 1,2 ml/min.

Gilt nicht für diese Studie. Die Bestätigung, dass alle experimentellen Forschungsarbeiten, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen entsprechen.

Wässriges LSE wurde mit destilliertem Wasser bei Raumtemperatur aus dem gesamten Samen extrahiert. Das einfache Extraktionsverfahren ergab natürliche Verbindungen mit antimikrobieller Aktivität und geringer Zytotoxizität28. Die Zusammensetzung des erhaltenen Extrakts wurde mittels HPLC analysiert. Im Samenextrakt wurden zwölf phenolische Verbindungen nachgewiesen (Tabelle 2). Rutin, Sinapinsäure und p-Hydroxybenzoesäure waren in Übereinstimmung mit29 Abdel-Aty et al. die am häufigsten vorkommenden Phenolverbindungen in den Wasserextrakten von Kressesamen. und Kaiyrkulova et al.30.

Freistehende Filme aus LSE/PVA-Mischungen wurden gemäß Schema 1 hergestellt. Obwohl PVA als geeignete Haltematrix für den Extrakt fungierte, musste die optimale PVA-Konzentration ermittelt werden, um einen hochwertigen Film zu erhalten. Die ersten Versuche zur Folienherstellung scheiterten aufgrund der hohen Steifigkeit der gebildeten Folien. Die Konzentrationen der PVA-Lösungen und deren Verhältnis zum Extrakt sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Folie F1 enthielt 10 % PVA-Lösung, in F2 war diese Menge auf 5 % reduziert. Der erste Film war viel besser als der zweite. Allerdings enthielt Folie F3 die gleiche Menge PVA wie F2, aber die doppelte Menge des Extrakts, was ihr Aussehen und ihre mechanischen Eigenschaften verschlechterte. Hyperverzweigte Polymere sind eine Klasse von Makromolekülen, die sich durch ihre niedrige Lösungs- und Schmelzviskosität und das Vorhandensein vieler funktioneller Enden auszeichnen31. Daher wurde den Filmformulierungen aus mehreren Gründen hyperverzweigtes PAMAM in kleinen Mengen zugesetzt. Es kann als Weichmacher wirken und somit die mechanischen Eigenschaften des Films verbessern, ist nicht toxisch32 und seine Aminendgruppen könnten biologische Aktivität aufweisen (seine Struktur ist in Schema 1 dargestellt).

Vorbereitungsschritte zur Herstellung freistehender, für Lebensmittelverpackungen geeigneter Folien.

Die chemische Struktur von PAMAM wird mittels FTIR untersucht und das in Abb. 1A gezeigte Spektrum zeigt Banden bei 3388 und 3279 cm−1, die NH- bzw. NH2-Gruppen entsprechen, und Banden für aliphatisches CH bei 2933 und 2836 cm−1. Eine Bande für Amid C=O kann bei 1629 cm−1 beobachtet werden, während die Bande von NH–CO bei 1560 cm−1 erscheint. Die chemische Struktur der hergestellten Filme wurde mittels FTIR untersucht und die Spektren sind in Abb. 1B dargestellt. Die drei untersuchten Filme bestanden aus reinem PVA (A), A1 und A2. Die Bande bei 3300 cm-1 wird der OH-Gruppe zugeschrieben, und Banden, die bei 1725 cm-1 erscheinen, sind charakteristisch für C=O (eine Estergruppe), die durch die Vernetzungsreaktion von Zitronensäure und PVA33 entsteht. Darüber hinaus zeigte das Spektrum von Film A2 größere und überlappende Banden bei 1490–1620 cm−1, die C–O, C–OH und C–C aufgrund von Flavoniden im LSE entsprechen34,35. Diese treten deutlich in Erscheinung, da diese Formulierung im Vergleich zur PVA-Matrix eine größere Menge an Extrakt enthält. Die Verbreiterung der Banden kann auf intermolekulare und intramolekulare Wechselwirkungen mit den PVA-Ketten ohne chemische Reaktion zurückgeführt werden36. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die charakteristischen Banden von PAMAM aufgrund der geringen Menge an PAMAM in den Filmformulierungen alle von den Polymer- und LSE-Banden überlappt werden.

FTIR-Spektren von: (A) PAMAM und (B) vorbereiteten Filmen.

Die thermische Stabilität der vorbereiteten Filme wurde mit TGA untersucht und die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Im Allgemeinen zeigten alle Proben mehr als einen Abbauschritt und waren bis nahezu 300 °C thermisch stabil, mit Ausnahme von Film A3. Der erste Abbauschritt bei etwa 120 °C ist auf Wasserverlust zurückzuführen. Allerdings verringerte eine zunehmende Menge des Extrakts in den Filmformulierungen deren thermische Stabilität, wie aus dem Gewichtsverlust von 10 % hervorgeht (Tabelle 2). Die Reihenfolge der thermischen Stabilität des Films war A > A1 > A2 > A3. Dennoch zeigte Film A3 bei 200 bis 290 °C einen frühen thermischen Abbau, der auf den Abbau von LSE zurückzuführen ist. Es wurde bereits früher berichtet, dass der Abbau von Kressesamengummi bei Temperaturen über 200 °C durch den Zerfall makromolekularer Polysaccharidketten erfolgen kann (10). Bei 300 ist ein letzter Abbauschritt im Zusammenhang mit PVA-Ketten zu beobachten.

TGA der Verpackungsfolien A1, A2 und A3 im Vergleich zur reinen Folie A.

Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften einer Verpackungsfolie ist für die Bewertung der Folienleistung unerlässlich. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, dargestellt in Zugfestigkeit (TS) und Verschiebungsprozentsatz (D), wurden untersucht. Die Ergebnisse der TS-Analyse zeigten, dass eine Erhöhung der Menge an LSE in der Filmzusammensetzung den TS des erhaltenen Films verringerte. Polyphenolverbindungen können Wasserstoffbrückenbindungen mit Amino- und Hydroxylgruppen in der Polymermatrix oder dem Weichmacher bilden und so die intermolekularen Wechselwirkungen schwächen, die die Polymerketten stabilisieren (Tabelle 2). Darüber hinaus zeigten die für D erhaltenen Werte den gleichen abnehmenden Trend, wobei zu beachten ist, dass der Unterschied in den Werten zwischen A1 und A2 sehr gering ist. Dieses Ergebnis kann auf das Vorhandensein von Agglomerationen zurückgeführt werden, die Hohlräume zwischen der Polymermatrix (PVA) und dem Extrakt erzeugen, was zu einem leichteren Bruch der Probe führt37. Folie A3 bestand aus 75 % LSE und 25 % PVA, war also dünner als die anderen und leicht zu reißen und konnte daher nicht mit dem mechanischen Tester gemessen werden.

Die Untersuchung der Morphologie der Filmoberfläche zeigte, dass Film A1 eine glatte und homogene Oberfläche aufweist, im Gegensatz zu Film A2, der Aggregate und kleine Risse aufwies (Abb. 3). Die beobachtete heterogene Oberfläche von A2 kann auf eine geringere Menge an PVA zurückgeführt werden, das als Haltematrix für den Extrakt fungiert. Darüber hinaus können in den luftgetrockneten Filmen strukturelle Veränderungen in Pflanzenzellen auftreten38. Daher erleichtert das Trocknen an der Luft den Stofftransport durch die feste Matrix28.

REM-Bilder der Proben A, A1 und A2 (X = 6000).

Die antioxidativen Aktivitäten von PVA/PAMAM-Verbundfolien, die mit LSE in unterschiedlichen Verhältnissen (A1, A2 und A3) beladen waren, wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden mithilfe eines DPPH-Tests zum Abfangen freier Radikale bewertet. Die behandelten Proben wurden mit reinem Film A verglichen. Die Abfangaktivität von DPPH (einem stabilen freien Radikal) in Gegenwart verschiedener Filme wurde durch Überwachung der Abnahme seiner Absorptionswerte bei 517 nm bestimmt. Wie in Abb. 4 gezeigt, zeigte der Film (A3) im Vergleich zum reinen Film A eine höhere antioxidative Aktivität, gefolgt von A2 und A1. Dies kann auf die Fähigkeit von LSE zurückgeführt werden, aktive Wasserstoffatome abzugeben oder Elektronen zu übertragen, um die zu reduzieren DPPH. Die deutlich höhere antioxidative Aktivität der Folie A3 ist auch auf die höhere Konzentration an LSE in der Folienformulierung zurückzuführen.

Hemmungsprozentsatz verschiedener vorbereiteter Filme.

Die antimikrobielle Aktivität verschiedener Folien wurde gegen fünf durch Lebensmittel übertragene Bakterien getestet (Abb. 5). PVA-Folie A hatte im Vergleich zur Kontrolle keinen Einfluss auf die Bakterienzahl. Der Film A1 hatte antimikrobielle Aktivität gegen alle getesteten Bakterien außer S. Typhimurium (p < 0,05). Darüber hinaus besaß A2 eine antimikrobielle Aktivität gegen alle getesteten Bakterien. E. coli und L. monocytogenes wurden durch A3 vollständig unterdrückt. Die antimikrobielle Wirkung verschiedener Filme mit unterschiedlichen LSE-Konzentrationen ist wie folgt geordnet: A3 > A2 > A1. Die antimikrobielle Aktivität von LSE könnte auf seinen hohen Gehalt an Rutin zurückzuführen sein, das eine hochwirksame antimikrobielle Aktivität aufweist39. Abdelghany et al.34 fanden heraus, dass der Einbau von LSE in PVA-Filme deren antimikrobielle Aktivität gegen E. coli, S aureus und P. aeruginosa erhöhte. Zwölf phenolische Verbindungen wurden in LSE nachgewiesen (Tabelle 2). Rutin, Sinapinsäure und p-Hydroxybenzoesäure, die in den Wasserextrakten von Lepidiumsamen in Übereinstimmung mit30,40 die am häufigsten vorkommenden Phenolverbindungen sind. Es wurde festgestellt, dass Rutin eine antimikrobielle Wirkung gegen Bakterien, Hefen und Schimmel aufweist41. Die antimikrobielle Wirkung von Sinapinsäure wurde in verschiedenen Studien sowohl an pflanzlichen als auch menschlichen Krankheitserregern nachgewiesen42. P-Hydroxybenzoesäure, ein Monohydroxyphenolderivat der Benzoesäure, wird häufig als Antioxidans und antimikrobielles Mittel in Lebensmitteln, Getränken, Medikamenten und Kosmetika verwendet43.

Die antimikrobielle Wirkung verschiedener Filme. Unterschiedliche Großbuchstaben weisen auf signifikante Unterschiede in der Bakterienzahl innerhalb derselben Behandlung hin. Kleine Buchstaben weisen auf signifikante Unterschiede bei verschiedenen Behandlungen innerhalb desselben Bakteriums hin (p < 0,05). Die Ergebnisse stellen die Mittelwerte von 3 Replikaten ± Standardabweichung dar.

Aufgrund der geeigneten mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Folie A1 wurde sie als aktive Verpackungsfolie für die Käsekonservierung ausgewählt. Die Bewertung der Wirkung des PVA-LSE-Films auf die mikrobielle Qualität des Käses erfolgte durch Zählen der gesamten mesophilen Bakterien, psychrotrophen Bakterien, Hefen, Schimmelpilze und coliformen Bakterien in den drei Käsegruppen, nämlich (C) unbedeckte Kontrolle, (B) bedeckt mit PVA und (T) bedeckt mit A1 (Tabelle 3). Nach zweiwöchiger Kühllagerung bei 4 °C kam es in allen Proben der C- und B-Gruppen zu sichtbarem Verderb, sodass sie aus der mikrobiellen Analyse ausgeschlossen wurden. Bei mesophilen Bakterien stiegen die Zahlen bei allen Behandlungen mit zunehmender Lagerzeit deutlich an. Die T-Proben verzeichneten jedoch weniger Zählungen als die Gruppen C und B; Darüber hinaus stiegen die T-Proben von Woche 1 bis Woche 4 der Kühllagerung nicht signifikant an (p < 0,05). Die gleiche Beobachtung wurde für die Anzahl psychrotropher Bakterien sowie für die Anzahl von Hefen und Schimmelpilzen beobachtet. Allerdings stiegen bei der T-Behandlung die Hefe- und Schimmelpilzzahlen bis zur 4. Lagerwoche deutlich an. Der Nachweis coliformer Bakterien in Käse und Milchprodukten ist auf die Verwendung von Rohmilch oder mangelhafte Herstellungs- und Handhabungsbedingungen zurückzuführen44. Einige Bundesstaaten in den USA haben Grenzwerte von 10 (1 log) oder 100 (2 log) KBE/g für Kolibakterien in Käse, während die Europäische Kommission keine Grenzwerte für Kolibakterien in Käse festlegt. In Käseproben wurden coliforme Bakterien innerhalb kürzester Zeit nachgewiesen, während sie in T-Proben nach einer Woche gekühlter Lagerung bis zum Ende der vierwöchigen Analyse nicht mehr nachweisbar waren. Eine Studie von Salem et al.45 integrierte LSE in Gelatinefolien und zeigte konservierende Auswirkungen auf die Käsequalität. Abdel Aziz und Osheba46 schlugen vor, dass das Besprühen von Fischfilets mit einem wässrigen Extrakt aus L. sativum die mikrobielle Belastung verringert und die Haltbarkeit verbessert. Der essbare Überzug aus L. sativum-Schleim wurde ebenfalls aufgetragen, um die Haltbarkeit frisch geschnittener Kartoffelstreifen zu verlängern47.

Der sichtbare Verderb von Cheddar-Käse wurde während der 4-wöchigen Kühllagerung beobachtet. Abbildung 6a–c zeigt, dass nach zweiwöchiger Kühllagerung 100 % der Kontrollproben, die nicht mit Folie abgedeckt waren, und der B-Proben, die mit PVA-Folie abgedeckt waren, sichtbare Schäden durch Hefekolonien und Fadenpilze aufwiesen. Andererseits waren etwa 10 % der mit PVA-LSE bedeckten T-Käseproben verdorben. In der 3. und 4. Woche zeigten 22 % bzw. 57 % der T-Proben sichtbare Hefekolonien, aber keine Fadenpilze. Darüber hinaus war die Invasion von Hefekolonien auf der Käseoberfläche geringer als bei den anderen Behandlungen (Abb. 7).

Entwicklung von sichtbarem Verderb auf der Käseoberfläche von (C) unbedecktem Kontrollkäse, (B) mit Folie bedecktem Käse (A) und (T) mit Folie bedecktem Käse (A1). (a) Nullzeit, (b) nach 2 Wochen und (c) nach 4 Wochen gekühlter Lagerung.

Zerfallsprozentsatz verschiedener Käsebehandlungen. (a) Zerfall (%) verschiedener Käseproben in der zweiten Lagerwoche. (b) Zerfall (%) der T-Proben während der Lagerzeit. Die Daten sind die Mittelwerte ± SE (n = 15). Unterschiedliche Buchstaben weisen auf signifikante Unterschiede hin (p < 0,05).

In dieser Studie überwogen SFAs in allen untersuchten Käsesorten (63,68–74,93 %). Auch in Käse wurde in der 4-wöchigen Lagerzeit ein deutlich geringerer Gehalt an mehrfach ungesättigten FAs (0,13–4,44 %) festgestellt. Darüber hinaus enthielten alle Käseproben die wichtigsten SFAs Palmitinsäure, Myristinsäure und Stearinsäure (Tabelle 4). Darüber hinaus war der MUFA-Gehalt in den mit LSE behandelten Proben mit beschichtetem Film signifikant höher (p < 0,05) als in den Kontrollproben (Tabelle 4). Bei allen Behandlungen war Ölsäure (C18.1) der wichtigste MUFA, während Linolsäure (C18.2) und Linolensäure (C18.3) die wichtigsten PUFAs sind, aber sie wurden in geringeren Prozentsätzen gefunden. Der SCFA-Gehalt, mit Ausnahme von Caprin- und Laurinsäure, unterschied sich zwischen den Kontroll- und Behandlungsgruppen nicht signifikant. Der mit reinem Film behandelte Käse ohne LSE und die Kontrollproben enthielten trans-FAs mit einem Prozentsatz zwischen 1,11 und 2,10 %, während die mit vorbereiteten, mit LSE behandelten Filmen beschichteten Käseproben während der verschiedenen Lagerzeiträume keine Transfette enthielten. Tsuzuki48 berichtete, dass die Zugabe von Antioxidantien zu Fetten und Ölen (während der Verarbeitung und des Kochens) die Kontrolle der hitzebedingten Transfettbildung ungesättigter Fette erleichterte. Dies könnte erklären, warum die antioxidative Wirkung von LSE dazu beiträgt, die Bildung von Transfetten in überzogenen Käseproben zu verhindern. Die Oxidationsfähigkeit (Cox-Wert) in Fett, das aus verschiedenen Käseproben extrahiert wurde, wurde mit 0,40–0,98 berechnet (Abb. 8); Der hohe Cox-Wert zeigt die Oxidationsbeständigkeit. Prandini et al.48 gaben an, dass aus Kuhmilch hergestellter Käse zwischen 65,23 und 68,52 % SFA enthielt, der MUFA-Gehalt zwischen 27,90 und 31,19 % und der PUFA-Gehalt zwischen 3,48 und 4,17 %49. Paszczyk und Łuczyńska50 stellten fest, dass der MUFA- und PUFA-Gehalt in kommerziellem Käse aus Kuhmilch 27,92 % bzw. 3,31 % betrug.

Oxidationswerte von Käseproben.

Aktive Verpackungsfolien für Cheddar-Käse wurden aus Mischungen hergestellt, die unterschiedliche Verhältnisse von PVA und LSE enthielten. Hyperverzweigtes Polyamidamin (PAMAM) wurde in allen Formulierungen in geringen Mengen als Weichmacher zugesetzt. Es wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des LSE-Anteils in der Filmzusammensetzung die thermischen und mechanischen Eigenschaften verringerte. Darüber hinaus betrug die antioxidative Aktivität des Films, der die höchste Menge an LSE enthielt, etwa 86 %, und eine deutliche Verringerung der antioxidativen Aktivität wurde durch die Verringerung der LSE-Menge in der Filmzusammensetzung beobachtet. Die antimikrobielle Aktivität der Verpackungsfolie gegen verschiedene Mikroorganismen wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reihenfolge der antimikrobiellen Aktivität von Filmen A3 > A2 > A1 war. Der Zerfallsprozentsatz der mit der behandelten Folie bedeckten Käseproben betrug nach einer Woche Lagerung 10 %, während mit unbehandelten Filmen bedeckte Proben einen Zerfallsprozentsatz von 100 % aufwiesen. Die Untersuchung des aus Käseproben extrahierten FA-Profils bestätigte das Vorhandensein von trans-FA in Proben, die mit unbehandelten Folien bedeckt waren, während in anderen Proben keine trans-FAs nachgewiesen wurden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass LSE-haltige Verpackungsfolien vielversprechende Aktivfolien für Milchprodukte sind, die Bakterienbefall verhindern und deren Haltbarkeit verlängern können.

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten.

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Finanzielle Unterstützung durch das National Research Center (NRC), Eigenprojekt Nr. E120104 (Herstellung biobasierter Polymermaterialien für Verpackungsanwendungen) wird dankbar anerkannt.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Diese Forschung wurde vom National Research Center & STDF, Ägypten, gefördert.

Abteilung für Verpackungen und Verpackungsmaterialien, Nationales Forschungszentrum, Dokki, 12622, Kairo, Ägypten

Mona Abdel Rehim

Abteilung für Fette und Öle, Forschungsinstitut für Lebensmittelindustrie und Ernährung, Nationales Forschungszentrum, Dokki, 12622, Kairo, Ägypten

Hamdy A. Zahran

Milchabteilung, Lebensmittelindustrie und Ernährungsforschungsinstitut, Nationales Forschungszentrum, Dokki, 12622, Kairo, Ägypten

Marwa Al-Moghazy

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MAR hat die Studie entworfen, die experimentelle und analytische Arbeit beigesteuert, die Ergebnisse interpretiert und das Manuskript verfasst; HZ hat die experimentelle und analytische Arbeit beigesteuert, die Ergebnisse interpretiert und das Manuskript verfasst; MA-M. hat die experimentelle und analytische Arbeit beigesteuert, die Ergebnisse interpretiert und das Manuskript verfasst.

Korrespondenz mit Marwa Al-Moghazy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Rehim, MA, Zahran, HA & Al-Moghazy, M. Synthese aktiver Verpackungsfolien aus Lepidium-sativum-Gummi/Polyvinylalkohol-Kompositen und ihre Anwendung bei der Konservierung von Cheddar-Käse. Sci Rep 13, 1647 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28173-3

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Eingegangen: 06. November 2022

Angenommen: 13. Januar 2023

Veröffentlicht: 30. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28173-3

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