キトサン系コーティング剤における銀/酸化チタン複合材料の官能基化と卵子保存性能

Summary

キトサンベースのコーティングの安定性と滅菌性を高め、特定のナノ粒子の食品保存への適用を拡大するために、Ag/TiO₂ 複合材料を合成して、卵保存のためのキトサンコーティングを官能基化します。卵殻の形態、重量減少、Haugh単位、および卵白のpHは、コーティングの保存性能を特徴付けるために使用されます。

Abstract

卵は、タンパク質、ミネラル、ビタミンの優れた供給源であり、世界中で毎日の食事で一般的に消費されています。しかし、卵殻の微細孔や微細な亀裂は、水分の損失やCO 2の流出につながり_、 卵の劣化を加速させ、経済的損失をもたらします。既存のキトサンベースのコーティング材料の安定性と滅菌性を高め、抗菌および卵保存のための新しい多機能ナノ複合材料を開発するために、銀/二酸化チタン(Ag/TiO₂)複合材料を合成し、卵の貯蔵寿命を延ばすためのキトサンを修飾するために適用します。電子顕微鏡(SEM)画像は、複合粒子の構造と形態、およびコーティングされた卵殻の形態を分析するために使用されます。複合コーティングの保存性能は、重量減少、ハウユニット、卵白pH、サンプルの卵殻形態など、さまざまなパラメータによって評価されます。Ag/TiO₂ 複合材料の採用は、キトサンとの相乗効果に貢献し、保存期間をさらに延長する可能性があります。しかし、キトサンコーティングの性能は、現在、既存の粒子種と濃度によって制限されており、将来の研究での最適化が必要です。この研究では、コーティング前駆体に特定のナノ粒子を添加することで作製できる新規コーティング材料を検討し、ナノ粒子と前駆体の組み合わせ効果を達成するとともに、食品保存の分野で新しい多機能コーティングを調製します。

Introduction

タンパク質、無機塩、ビタミンの優れた人気のある供給源として、卵は人間の栄養の人気のある供給源であり、世界中で大規模に生産および消費されています^1,2。卵殻は天然の保護バリアですが、卵の輸送や保管中に完全性を保つには壊れやすいです。卵卵白と環境との間のガス交換と微生物の浸透は、卵殻の小さな細孔を通じて簡単に起こり、CO₂の損失と卵の品質の低下につながります^3,4。さらに、卵殻に小さな亀裂が入ると、微生物汚染のリスクが高まります。したがって、経済的利益と人間の健康のために、効果的な卵子保存方法を緊急に開発する必要があります。

現在、卵の保存には2種類のルートがあります。最初の方法は、卵殻^5,6,7,8の微生物を不活性化することです。不活性化プロセスは、環境微生物や水分の侵食から卵殻表面を取り除くことにより、卵の保存期間を延長します。一方、卵殻の小さな細孔や亀裂を特定の機能性材料でコーティングすることは、卵卵白からの水蒸気とCO₂の損失を防ぐだけでなく、卵殻を微生物の破壊から保護する優れた方法としても役立つ可能性があります。コーティングは、シンプルで効果的、かつ省エネであることから、卵の保存にますます注目されています。適切なコーティング材料が満たすべき主要な原則は、化学的安定性、効果的な透過性、幅広い入手可能性、および信頼性の高い安全性です。最も広く研究されているコーティング材料は、油^9,10、タンパク質¹¹、生体高分子³、およびキトサン¹²です。

キトサンは、その優れた成膜特性、抗菌活性、および安全性¹³から、人気のあるコーティング材料と見なされてきました。卵の物理化学的変化と微生物汚染は、卵の保存のための効率的な方法として役立っているキトサンコーティングによって保護されていることが証明されています。しかし、キトサンは水蒸気バリアや水分吸着が不十分な親水性ポリマーとして、高湿度環境では不安定であり、保存効果を制限し、卵の貯蔵寿命をある程度短縮します。

この問題を克服し、キトサンの保存性能を促進するために、特定のナノ粒子がキトサンベースのコーティングの不純物として使用されています。そこに、抗菌性を有するナノフィ^ラー14として、キトサンにナノ銀(Ag)をドープした。Agの添加は、キトサンフィルムのバリア特性を高めるだけでなく、コーティングの保存効果を向上させることが証明されている抗菌効果も高めることができます。しかし、Ag粒子は凝集しやすく、構造が単純なため、特定のナノ粒子を堆積させることで改善されることが確認されているキトサン膜の安定性や耐久性が低下する可能性があります。二酸化チタン(TiO₂)は、化学的安定性、低毒性、リーズナブルなコストなどの優れた特性を持つ典型的な金属酸化物化合物です。これらの機能的特性は、多くの研究分野でTiO₂ に大きな可能性を与えています¹⁵。例えば、TiO₂ 粒子は、その接着性と殺菌活性により、医療機器や生体材料の添加剤として役立つ可能性があります。しかし、TiO₂ 粒子の実際の用途は、不安定な熱力学と凝集傾向によって大きく制限されます。したがって、特定の機能性材料をTiO₂ にドーピングすることで、抗菌活性の組み合わせ効果、分散性の向上、および熱安定性が提案されています。

この研究では、抗菌性のAg/TiO₂ 複合材料を合成し、卵子保存のためにキトサンコーティングに塗布します。SEM画像は、Ag/TiO₂ 粒子と卵殻の構造と形態を分析するために使用されます。コーティングの保存性能は、減量、ハウユニット、卵白pH、卵殻の形態によって評価および比較されます。この研究は、食品保存におけるナノ複合材料混合キトサンコーティングの可能性と可能性を示しています。

Protocol

1. ナノAg/TiO₂ 複合材料の合成

1. ナノ銀ゾルを調製するには、100 mLのAgNO₃溶液、100 mLの保護剤、および50 mLのNaBH4を500 mLブレーカーに混ぜ合わせます。
   1. 酢酸とメタン酸(分析グレード)を1:1の容量比で混合し、保護剤の前駆体として100 mLの錯酸溶液を得ます。酸性溶液を脱イオン水(18MΩ•cm)で保護剤として500mLに希釈します。
   2. 得られた保護剤にAgNO₃溶液(0.3 mol/L)を激しく攪拌しながら添加し、AgNO₃溶質が保護溶液中に均一に分散するまで待ちます。0.4gのNaBH4を添加して、室温で1時間反応させた後、十分に分散したAgゾルを得ます。
      注意:ナノ銀の粒子サイズは、ステップ1.1.2の保護剤の濃度と攪拌速度によって調整できます。
2. 攪拌しながらAgをチタン酸テトラブチル(TBOT)-エタノール溶液に混ぜ合わせ、80mLの酸触媒を滴下します。
   1. 500 μLのベンゼンスルホン酸(BA)と氷酢酸(AA)を混合して、混合溶液(体積比1:2のBAとAA)を得ます。溶液を100mLの脱イオン水(18MΩ•cm)に希釈して、酸触媒を調製します。
   2. 得られたAgゾルを予め分散させたチタン酸テトラブチル(TBOT)-エタノール溶液(100mLエタノール溶液中の2.5TBOT)に加え、1時間撹拌して混合ゾルを得る。その後、ゾルを80mLの酸触媒に滴下し、70°Cで4時間撹拌します。
   3. 混合物を室温で48時間連続的に攪拌して、最終的なAg/TiO₂ 複合材料を作製します。
      カチオン:激しく攪拌すると、溶液滴が飛散する可能性があります。安全性を確保するために、口腔鼻保護マスク、実験用ガウン、手袋などの保護具を使用してください。上記の手順では、回転速度に厳密な基準はありません。

2. キトサンコーティングの調製

1. キトサンを1%(vol)酢酸に溶解し、コーティング溶液を調製するために25°Cで24時間攪拌します(得られた溶液中のキトサン濃度が0.5%(wt)であることを確認してください)。
2. 懸濁液にAg/TiO₂粒子を別々に添加し(それぞれ0、0.5、1、および1.5 gのAg/TiO₂を50 gのキトサン溶液に)、0%、1%、2%および3%(重量)のAg/TiO₂-キトサン溶液、Ag/TiO 2-CS0、Ag/TiO_2-CS1、Ag/TiO_2-CS2およびAg/TiO _2-CS3として示される。 それぞれ。
   注意:上記の手順では、回転速度に厳密な基準はありません。

3. 走査型電子顕微鏡(SEM)観察

1. 実験用の卵殻を細かく切ります(正方形の寸法は約2〜3 mm)。
2. 卵殻片を導電性接着剤(つまり、両面カーボン導電性テープまたは他の同様の材料)で金属スタブに固定します。サンプル調製中は手袋を使用して、手によるサンプルの汚染を防ぎます。サンプルに印を付けます(たとえば、ひし形ペンカッターを使用してL字型の引っかき傷を付けます)。
3. あるいは、導電性材料(厚さ~10 nm)でスパッタリングコーティングを施して、帯電効果を防ぎます。
4. サンプルの上面図から、少なくとも 3 枚(理想的には最低 5 枚)の高分解能 SEM 顕微鏡写真を取得します。各画像が少なくとも 25 μm x 25 μm の領域を表示し、解像度比が 20 μm であることを確認してください。巨視的な表面欠陥のある表面領域から画像を撮影することは避けてください。
5. 次のSEMパラメータを使用します:動作電圧30kV。2番目の電子像の分解能は、高品位走査型電子顕微鏡の電界放出型電子銃を使用すると2nmに達することができます(イオンビーム電流密度は約^10.5A /^cm2です)。
6. L字型のマーカーに対する各画像の正確な位置に注意してください。

4. 卵子保存実験

注:産みたての卵は、中国深センの地元農場から提供された鶏の卵です。

1. 実験用卵子をスクリーニングするには、表面に亀裂、黄斑、または砂がある卵子を除外して、適切な卵子保存実験プロセスを確保します。
2. 産みたての卵を5つのグループに分け、各グループに30個の卵を入れます。キトサンによってコーティングされた4つのコーティングされたグループ、0%、1%、2%および3%(wt)とAg/TiO_2-CS0、Ag/TiO_2-CS1、Ag/TiO_2-CS2およびAg/TiO_2-CS3としてそれぞれ(wt)で覆われる。
3. コーティングプロセスを実行して、卵をさまざまなコーティング溶液に5分間浸し、周囲条件下で24時間乾燥させます。水洗卵(WE)を対照実験としてセットします。上記の処理後、処理した卵子を25°Cで保存します。 5つのマークされた卵を取り、体重減少、ハウユニット、卵白pH、卵殻の形態を測定し、保存性能を評価および比較します。
   1. 初日と比較した卵の割合の重量差を計算することにより、卵の体重減少(%)を取得します。5日ごとに各グループの卵の重量を測定します。
   2. Haugh単位を計算して、卵の重量と卵白の厚さを関連付けます(式1)¹²。
      HU = 100 log (H-1.7W^0.37+7.6) (1)
      ここで、 H は卵白の高さ(mm)を表し、 W は卵の重量(g)を表します。
      1. Haughユニットの値に応じて、卵のHaughユニットが72以上、71〜60、60未満の場合は、卵をAA、A、Bグレードに分類します(個々の殻付き卵の品質に関する米国基準)。
   3. 卵白を卵黄から分離し、デジタルpHメーターを使用して卵白のpH値を測定します。
   4. サンプルの白金スパッタリング後の卵殻の表面の形態を走査型電子顕微鏡で観察します。
      カチオン:卵の殻はもろい物質で、激しい衝撃に耐えられません。したがって、卵殻が損傷しないように注意してください。さらに、ステップ 4.3.4 の手順はステップ 3 と同じです。

Results

Ag/TiO₂ 複合材料の粒子サイズは100〜300 nmの範囲であり、これは合成条件の影響を受けます(図1)。

図1:異なる分解能比(500 nm)でのAg/TiO₂複合粒子のSEM画像。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

保存中のさまざまな卵サンプルの重量損失を 表1に示します。体重減少が継続的に増加するのは、卵白_CO2 と水蒸気が卵殻の細孔から逃げるためであり、卵の品質が悪化します。WE卵の重量減少は他のグループよりもはるかに高く、卵の品質に対するキトサンベースのコーティングの保護能力を示しています。キトサンでコーティングした後、卵殻の亀裂は目に見えて減少し、_CO2 と水蒸気の損失が制限されます。

保管時間(日)	減量(wt%)
	私たち	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	0.78±0.09c	0.69±0.09c	0.53±0.12a	0.49±0.21a、b	0.48±0.06a
11	1.85±0.13b	1.54±0.18c	1.34±0.15a	1.28±0.13a,b	1.26±0.21a
16	2.53±0.21b	2.34±0.27c	1.95±0.21b	1.93±0.35A	1.89±0.38a
21	4.01±0.25c	3.63±0.32b	3.21±0.09b	3.18±0.22a	3.09±0.16a
26	4.86±0.34b	4.18±0.25b	4.09±0.39b	4.05±0.29a	3.98±0.21a,b
31	5.62±0.41a	5.01±0.51b	4.76±0.48a	4.69±0.17a	4.58±0.35a
同じ行で異なるスーパースクリップ文字は大きく異なります。

表1:保存期間中のさまざまな卵子の体重減少の変動。

さらに、Ag/TiO₂ 粒子をドープしたキトサンコーティングは、細孔を密封し、緻密な層を形成するのにより効果的であり、重量減少を大幅に抑制します。Ag/TiO₂ 粒子の投与量が多いほど、対応するコーティングの効果が強くなり、CO₂ と蒸気損失が減少します(図2)。

図2:0、11、16、31日目の生卵殻表面とキトサン処理卵殻表面のSEM画像。 (a)生卵殻の表面;(b)キトサン処理された卵殻表面。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Haugh単位は、タンパク質のタンパク質分解とアルブミンpHに密接に関連している卵白の薄化変動を反映して、白色タンパク質の加齢に伴う変化によって計算されます。WEグループのHaughユニットの急速な減少と常に低い値は、キトサンの効果的な保護能力を示しています。キトサン処理群の卵子は26日間優れたグレードAを維持しますが、WEグループは6日目以降にグレードBに分解します。Ag/TiO 2-CS1のHaugh単位の価値は、すべての扱われたグループの中で常に最高であり、次のことを示しています:(i)Ag/TiO₂粒子の添加は、コーティングの安定化と細菌制御により効果的なキトサンとの相乗効果に貢献します。一方、(ii)過剰なAg/TiO₂粒子は、キトサンコーティングの層状構造を破壊し、保存能力を低下させる。表2の結果によれば、1%(wt)Ag/TiO₂粒子をドープしたキトサンは、卵白タンパク質の劣化を遅らせる最高の性能を示し、したがって貯蔵寿命を最大30日間延長する。

保管時間(日)	ハウユニット
	私たち	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	73.23±0.68c	80.32±0.59b	83.34±0.12a、b	81.60±1.41a	77.06±0.35A
11	69.86±3.25c	75.64±1.27b	77.18±2.45a、b	76.05±3.13a,b	74.32±1.41a
16	67.31±2.43b	73.88±2.06b	75.36±1.34a	75.61±2.15a	71.53±2.18a
21	62.93±5.32c	71.06±3.88c	73.20±3.09a	72.94±3.52A	69.35±1.34a、b
26	58.55±2.89b	69.85±1.53c	71.85±2.39A	70.34±4.19a、b	66.21±2.10a
31	55.24±3.04a	65.26±0.51a	69.31±3.18a	68.96±1.17a	62.64±4.03a
同じ行で異なる上付き文字は大きく異なります

表2:貯蔵期間中の異なる卵のハウユニットのバリエーション。

卵白のpHの変動は、_CO2の排出によって引き起こされ、保管時間とともにpH値がゆっくりと上昇します。WE卵子の卵白pHは10日以内に急激に上昇し、30日目には9.5まで上昇します。タンパク質が脂肪とペプトンに分解されると、pHが低下します。キトサンコーティングで保護した後、卵白のpHは20日以内に同様の傾向を示し、pH 8.0〜8.2付近で安定します。20日目以降、Ag/TiO 2-CS0およびAg/TiO_2-CS1のpH値は、pH 8.2付近でわずかな変動を示し、Ag/TiO_2-CS2とAg/TiO_2-CS3ではpH 7.5-8.0の間で安定します。WE群と比較した治療群の相対的に安定した卵白pHは、卵白中の_CO2損失の効果的な減少を示しています(図3)。Ag/TiO₂粒子の添加は、キトサンの安定性を促進し、31日間まで良好な安定性を維持することができます(図4)。

図3:保存期間中のさまざまな卵の卵白pHの変化。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:0、11、16、31日目のAg/TiO_2-CS被覆卵殻表面のSEM画像。(a)Ag/TiO_2-CS1;(b)Ag/TiO_2-CS2;(C)Ag/TiO_2-CS3。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Discussion

卵タンパク質の品質保存の問題は、卵の貯蔵寿命を延ばす効果的な方法であることが証明されているキトサンコーティングによって緩和される可能性があります。しかし、単一のキトサンコーティングの使用は、不安定性、保存期間の制限、およびキトサンベースのコーティングの実際の適用などのいくつかの問題を引き起こします。特に、特定の抗菌ナノ粒子をキトサンにドープすることで、保存期間をさらに延ばすことが提案されています。この研究では、Ag/TiO₂ 粒子の合成に成功し、キトサンコーティングにドープすることで、保存期間を少なくとも30日間に延長できる可能性があります。

SEM画像は、Ag/TiO₂ 粒子の構造と形態、およびコーティングされた卵殻の形態を分析するために使用されます。複合コーティングの保存性能は、サンプルの重量減少、ハウユニット、卵白pH、および卵殻の形態によって評価されます。Ag/TiO₂ 複合材料の採用は、キトサンとの相乗効果に貢献し、保存期間をさらに延長する可能性があります。

Ag/TiO₂ 複合材料の粒径は100〜300 nm(合成条件によって制御される)の範囲にあり、卵殻上部の細孔を塞ぎ、保存性能を向上させることができます。しかし、過剰なAg/TiO₂ 粒子は、キトサンコーティングの層状構造を破壊し、保存能力を低下させます。

しかし、現在のところ、本研究におけるキトサンコーティングの性能は、既存の粒子種や濃度によって制限されており、今後の研究での最適化が必要である。

本研究の手法は、特定のナノ粒子によってコーティング前駆体に混合できる新規なコーティング材料が、ナノ粒子と前駆体との併用効果を達成し、食品保存の分野で新しい多機能コーティングを調製することを示しています。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
酢酸	アラジン	64-19-7	GR、99.8%
ベンゼンスルホン酸	アラジン	03/11/1998	98%
キトサン	アラジン	9012-76-4	<200 mPa•私たちが
準備した	脱イオン水	-	18 MΩ&ブル;cm
電子精密天びん	ザルトリウス	BSA124S-CW
エタノール	アラジン	64-17-5	≥99.8%
ギ酸	アラジン	64-18-6GC	用標準、>99%
pH	メーターHeYi	PHS-25
走査型電子顕微鏡	Hiatchi	SU8010
硝酸銀(AgNO3)	アラジン	7761-88-8	≥99.9%
水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)	アラジン	16940-66-2	98%
温度湿度	チャンバーYiHeng	LHS-50CH
チタンブトキシド(TBOT)	アラジン	5593-70-4	CP、98%