Summary

Forbedret fotoluminescens av Curcuma longa-ekstrakter via kitosanmediert energioverføring for tekstilautentiseringsapplikasjoner

Published: December 22, 2023
doi:

Summary

Fotoluminescens er en av de mest effektive autentiseringsmekanismene som brukes i dag. Bruk og forbedring av naturlige materialer med iboende fotoluminescerende egenskaper og inkorporering av dem i stoffsubstrater kan føre til utvikling av grønne, bærekraftige og funksjonelle tekstiler for smarte applikasjoner.

Abstract

Fargestoffer for sikkerhetsmerking spiller en sentral rolle i å sikre integriteten til produkter på tvers av ulike felt, for eksempel tekstiler, legemidler, mat og produksjon blant andre. Imidlertid er de fleste kommersielle fargestoffer som brukes som sikkerhetsmerking kostbare og kan inneholde giftige og skadelige stoffer som utgjør en risiko for menneskers helse. Curcumin, en naturlig fenolforbindelse som finnes i gurkemeie, har forskjellige fotoluminescerende egenskaper sammen med sin livlige gule farge, noe som gjør den til et potensielt kandidatmateriale for autentiseringsapplikasjoner. Denne studien demonstrerer en kostnadseffektiv og miljøvennlig tilnærming for å utvikle forbedrede fotoluminescerende utslipp fra curcuminfargestoffer for tekstilautentisering. Curcumin ble ekstrahert fra C. longa ved hjelp av sonikeringsassistert løsningsmiddelekstraksjonsmetode. Ekstraktet ble dyppbelagt og farget inn i tekstilsubstratene. Chitosan ble introdusert som et post-mordanting middel for å stabilisere curcumin og som en co-sensibilisator. Co-sensibilisering av curcumin med kitosan utløser energioverføring for å forbedre dens luminescerende intensitet. Den UV-synlige absorpsjonstoppen ved 424 nm er assosiert med den karakteristiske absorpsjonen av curcumin. Fotoluminescensmålingene viste en bred utslippstopp ved 545 nm med betydelig forbedring tilskrevet energioverføringen indusert av kitosan, og viste dermed stort potensial som et naturlig avledet fotoluminescerende fargestoff for autentiseringsapplikasjoner.

Introduction

Forfalskning regnes som en plage i utbredte bransjer over hele verden. Den raske bølgen av forfalskede produkter i markedet forårsaker økonomisk ødeleggelse, noe som hindrer levebrødet til den primære oppfinneren 1,2,3,4,5,6. Dette ble fremhevet i 20207 på den pågående bekymringen for nye forfalskede produkter, noe som fremgår av den økende trenden med publikasjoner som består av søkeordet antiforfalskning eller forfalskning i titlene. En betydelig økning kan observeres i forfalskningsrelaterte publikasjoner siden sist rapportert i 2019, noe som tyder på at det gjøres en betydelig innsats for å bekjempe produksjon og distribusjon av falske varer. På den annen side kan det også være ganske alarmerende, gitt at det betyr utviklingen av forfalskningsindustrien, som forventes å vedvare hvis den ikke håndteres effektivt. Tekstilindustrien er ikke isolert fra dette problemet, da tilstedeværelsen av forfalskede tekstilprodukter har alvorlig påvirket levebrødet til ekte selgere, produsenter og vevere, blant annet 3,8. For eksempel var tekstilindustrien i Vest-Afrika lenge ansett som et av de ledende eksportmarkedene i verden. Imidlertid ble det rapportert9 at omtrent 85% av markedsandelen holdes av smuglede tekstiler som krenker vestafrikanske tekstilvaremerker. Effektene av forfalskning har også blitt rapportert i andre kontinenter som Asia, Amerika og Europa, noe som indikerer at denne krisen har nådd et ukontrollerbart nivå og utgjør en betydelig trussel mot den allerede sliter tekstilindustrien 2,3,4,10,11,12.

Med de raske fremskrittene innen vitenskap, teknologi og innovasjon tok forskere rollen som å utvikle funksjonelle materialer med det formål å bekjempe forfalskningsapplikasjoner. Bruk av skjult teknologi er en av de vanligste og mest effektive tilnærmingene for å motvirke produksjon av falske varer. Det innebærer å bruke fotoluminescerende materialer som sikkerhetsfarger som utviser en spesifikk lysutslipp når de bestråles av forskjellige bølgelengder 13,14. Noen fotoluminescerende fargestoffer som er tilgjengelige på markedet, kan imidlertid påføre toksisitet ved høye konsentrasjoner, og dermed utgjøre trusler mot menneskers helse ogmiljøet15,16.

Gurkemeie (Curcuma longa) er en viktig plante som brukes i utallige applikasjoner som maling, smaksstoffer, medisin, kosmetikk og stofffarger17. Til stede i rhizomes er naturlig forekommende fenoliske kjemiske forbindelser kalt curcuminoids. Disse curcuminoider inkluderer curcumin, demethoxycurcumin og bisdemethoxycurcumin, blant annet curcumin er hovedbestanddelen som er ansvarlig for den livlige gule til oransje fargen og egenskapene til gurkemeie18. Curcumin, ellers kjent som 1,7-bis (4-hydroksy-3-metoksyfenyl)-1,6-heptadien-3,5-dion19,20 med en empirisk formel på C21H20O6, har tiltrukket seg en betydelig mengde oppmerksomhet i de biomedisinske og farmasøytiske feltene på grunn av dets antiseptiske, antiinflammatoriske, antibakterielle og antioksidantegenskaper 17,18,21,22,23. Interessant nok har curcumin også spektrale og fotokjemiske egenskaper. Spesielt bemerkelsesverdig er dens intense fotoluminescerende egenskaper når den utsettes for ultrafiolette (UV) eksitasjoner som bare har blitt utforsket av noen få studier 19,24,25. Gitt disse egenskapene, i kombinasjon med sin hydrofobe natur og ikke-giftige egenskaper, oppstår curcumin som et ideelt fargestoff for autentiseringsmarkeringer.

Ekstraksjonen av curcumin fra gurkemeie ble først rapportert tidlig på 1800-tallet. I løpet av de siste århundrene har mange utvinningsmetoder og teknikker blitt utviklet og forbedret for å oppnå høyere avkastning 26,27,28,29,30,31,32,33. Konvensjonell løsningsmiddelekstraksjon er en mye brukt tilnærming, da den benytter organiske løsningsmidler som etanol, metanol, aceton og heksan blant annet for å isolere curcumin fra gurkemeie34,35. Denne metoden har utviklet seg gjennom modifikasjoner, kombinert med mer avanserte teknikker som mikrobølgeassistert ekstraksjon (MAE) 18,36,37, Soxhlet-ekstraksjon 38,39, enzymassistert ekstraksjon (EAE) 39,40, og ultralydutvinning36, blant annet for å øke utbyttet. Generelt har løsningsmiddelekstraksjonsmetoden blitt brukt til naturlig fargestoffekstraksjon på grunn av sin allsidighet, lave energibehov og kostnadseffektivitet, noe som gjør den ideell for skalerbare næringer som tekstiler.

Curcumin har blitt integrert som naturlige fargestoffer for tekstiler på grunn av sin distinkte gule nyanse. Imidlertid utgjør den dårlige adsorpsjonen av naturlige fargestoffer til tekstilfibre som en utfordring som hindrer den kommersielle levedyktigheten41. Mordanter, som metaller, polysakkarider og andre organiske forbindelser, tjener som vanlige bindemidler for å styrke affiniteten til naturlige fargestoffer til stoffet. Chitosan, et polysakkarid avledet fra krepsdyr, har blitt mye brukt som et alternativt mordantingmiddel på grunn av sin overflod i naturen, biokompatibilitet og vaskeholdbarhet42. Denne studien rapporterer en enkel og rett frem tilnærming i utarbeidelsen av curcumin-basert autentiseringsmerking. Rå curcumin ekstrakter ble oppnådd via sonikeringsassistert løsningsmiddelekstraksjonsmetode. De fotoluminescerende egenskapene til det ekstraherte curcumin ble grundig undersøkt på tekstilsubstrater og ytterligere forbedret med introduksjonen av kitosan som et mordantingmiddel. Dette demonstrerer det betydelige potensialet som et naturlig avledet fotoluminescerende fargestoff for autentiseringsapplikasjoner.

Protocol

1. Ekstraksjon av curcumin Vei 3 g C. longa pulver i et 50 ml sentrifugerør.MERK: Et 50 ml sentrifugerør ble brukt til å lette sentrifugeringsprosessen og behandle ekstraksjonen på en enkelt beholder. Tilsett 38 ml etanol (AR, 99%) til sentrifugerøret. Rist røret forsiktig for å sikre grundig blanding av etanol med C. longa pulver. Sonikere røret i 30 min ved normal sonisk modus og høy intensitetsinnstilling for ekstraksjon. For å sk…

Representative Results

FTIR-analyser av fibre bestemmer den kjemiske strukturen til hver fiber representert i multitesterstoffene #1. FTIR-spektroskopi ble brukt for å karakterisere de funksjonelle gruppene som er tilstede i hver komponent i multiteststoffene. Som vist i tilleggsfigur 1 oppstår skillet på grunn av tilstedeværelsen av N-H-funksjonelle grupper, noe som fører til at stoffet blir subkategorisert i nitrogenholdig (tilleggsfigur 1A) og cellulos…

Discussion

Tekstilbehandling er en vanlig praksis i bransjen for å innlemme ytterligere funksjonelle egenskaper på stoffene, noe som gjør dem mer egnet for spesifikke bruksområder 45,47,48. I denne studien ble det ekstraherte curcumin benyttet som et naturlig fargestoff for å tjene som autentiseringsmekanismer for tekstilapplikasjoner. Protokollene legger vekt ikke bare på ekstraksjon av curcumin fra gurkemeie, men også til de forsk…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet støttes av Department of Science and Technology – Philippine Textile Research Institute under DOST Grants-in-Aid (DOST-GIA) Project med tittelen Covert Technology Towards Sustainability and Protection of the Philippine Textile Sectors under digitalisering av den filippinske Handloom veving Industry Program.

Materials

(Curcumin) C. longa, spray dried  N/A N/A Naturally Sourced
100 mL Graduated Cylinder n/a
10 mL Serological Pipette n/a
200 mL Beaker n/a
365 nm UV Light AloneFire SV004 LG
50 mL Centeifuge Tube n/a
AATCC Multitester Fabric Testfabrics, Inc. 401002 AATCC Multifiber test fabric # 1 precut pieces of 2 X 2 inches, Heat Sealed
Analytical Balance Satorius BSA 224S-CW
Aspirator n/a
ATR- FTIR Bruker Bruker Tensor II
Centrifuge Hermle Labortechnik GmbH Z 206 A
Chitosan Tokyo Chemical Industries 9012-76-4
Digital  Camera ToupTek XCAM1080PHB
Drying Rack n/a
Ethanol Chem-Supply 64-17-5 Undenatured, 99.9% purity
Glacial Acetic Acid RCI-Labscan 64-19-7 AR Grade, 99.8% purity
Glass Slide n/a
Iron Clamp n/a
Iron Stand n/a
Magnetic Stirrer Corning PC-620D
Pasteur Pipette n/a
Propan-2-ol RCI-Labscan 67-63-0 AR Grade, 99.8% purity
Sonicator Jeio Tech Inc. UCS-20
Spectrofluorometer  Horiba (Jovin Yvon) Horiba Fluoromax Plus
Stirring Bar n/a
UV-Vis Spectrophotometer Agilent Cary UV 100
Wash bottle n/a
Zoom Stereo Microscope Olympus SZ61

References

  1. Eisend, M., Hartmann, P., Apaolaza, V. Who buys counterfeit luxury brands? A meta-analytic synthesis of consumers in developing and developed markets. J Int Market. 25 (4), 89-111 (2017).
  2. Agrawal, T. K., Koehl, L., Campagne, C. Uncertainty modelling in knowledge engineering and decision making. World Scientific Procedings Series. , (2012).
  3. Cakin, M. B., Dincer, A. T. A. . Turkish studies-comparative religious studies. , (2023).
  4. Albarq, A. N. Counterfeit products and the role of the consumer in Saudi Arabia. Am J Indust Busi Manag. 5 (12), 819-827 (2015).
  5. Boamah, F., Ayesu, S. M., Crentsil, T., Pardie, S. P. The effect of academic textiles studies on the Ghana textile industry. Africa J Appl Res. 8 (2), 186-196 (2022).
  6. Bruce-Amarty, E. J., Amissah, E. R. K., Safo-Ankama, K. The decline of Ghana’s textile industry: Its effects on textile education in Ghana. Art Design Studies. 22, 36-44 (2014).
  7. Abdollahi, A., Roghani-Mamaqani, H., Razavi, B., Salami-Kalajahi, M. Photoluminescent and chromic nanomaterials for anticounterfeiting technologies: Recent advances and future challenges. ACS Nano. 14 (11), 14417-14492 (2020).
  8. Norum, P. S., Cuno, A. Analysis of the demand for counterfeit goods. J Fashion Market Manage: An Int J. 15 (1), 27-40 (2011).
  9. Okonkwo, I. E., Abiala, W. Justification of counterfeits a microscopic view from a trademark perspective. Mayne Quart Law Rev. 6 (4), 1-7 (2021).
  10. Quoquab, F., Pahlevan, S., Mohammad, J., Thurasamy, R. Factors affecting consumers’ intention to purchase counterfeit product. Asia Pac J Market Log. 29 (4), 837-853 (2017).
  11. Dalal, H. Challenges: A study of Textile Industry in India. Pramana Res J. 9 (5), 423-429 (2019).
  12. Mushi, H. M., Mohd Noor, N. A. Consumer behaviour and counterfeit purchase in the Tanzanian mainland. Global Bus Manage Rev (GBMR). 8 (1), 49-64 (2022).
  13. Ren, S., et al. Highly bright carbon quantum dots for flexible anti-counterfeiting. J Mat Chem C. 10 (31), 11338-11346 (2022).
  14. Liu, R. S. . Phosphors, Up Conversion Nano Particles, Quantum Dots and Their Applications. , (2017).
  15. Chang, K., et al. Conjugated polymer dots for ultra-stable full-color fluorescence patterning. Small. 10 (21), 4270-4275 (2014).
  16. Fatahi, Z., Esfandiari, N., Ranjbar, Z. A New anti-counterfeiting feature relying on invisible non-toxic fluorescent carbon dots. J Anal Test. 4 (4), 307-315 (2020).
  17. Abd El-Hack, M. E., et al. Curcumin, the active substance of turmeric: its effects on health and ways to improve its bioavailability. J Sci Food Agri. 101 (14), 5747-5762 (2021).
  18. Bener, M., Özyürek, M., Güçlü, K., Apak, R. Optimization of microwave-assisted extraction of curcumin from Curcuma longa L. (Turmeric) and evaluation of antioxidant activity in multi-test systems. Rec. Nat. Prod. 10 (5), 542-554 (2016).
  19. Van Nong, H., et al. Fabrication and vibration characterization of curcumin extracted from turmeric (Curcuma longa) rhizomes of the northern Vietnam. Springerplus. 5 (1), 1147 (2016).
  20. Kolev, T. M., Velcheva, E. A., Stamboliyska, B. A., Spiteller, M. DFT and experimental studies of the structure and vibrational spectra of curcumin. Int J Quantum Chem. 102 (6), 1069-1079 (2005).
  21. Mohajeri, M., Behnam, B., Tasbandi, A., Jamialahmadi, T., Sahebkar, A. . Studies on biomarkers and new targets in aging research in Iran: Focus on turmeric and curcumin. , (2021).
  22. Hay, E., et al. Therapeutic effects of turmeric in several diseases: An overview. Chem Biol Interact. 310, 108729 (2019).
  23. Ahmad, R. S., et al. Biochemistry, safety, pharmacological activities, and clinical applications of turmeric: A mechanistic review. Evid Based Complement Alternat Med. 2020, 7656919 (2020).
  24. Tsaplev, Y. B., Lapina, V. A., Trofimov, A. V. Curcumin in dimethyl sulfoxide: Stability, spectral, luminescent and acid-base properties. Dyes Pigments. 177, 108327 (2020).
  25. Chignell, C. F., et al. Spectral and photochemical properties of curcumin. Photochem Photobiol. 59 (3), 295-302 (1994).
  26. Sun, X., Gao, C., Cao, W., Yang, X., Wang, E. Capillary electrophoresis with amperometric detection of curcumin in Chinese herbal medicine pretreated by solid-phase extraction. J Chromatogr A. 962 (1-2), 117-125 (2002).
  27. Takenaka, M., et al. Effective extraction of curcuminoids by grinding turmeric (Curcuma longa) with medium-chain triacylglycerols. Food Sci Technol Res. 19 (4), 655-659 (2013).
  28. Heffernan, C., Ukrainczyk, M., Gamidi, R. K., Hodnett, B. K., Rasmuson, &. #. 1. 9. 7. ;. C. Extraction and purification of curcuminoids from crude curcumin by a combination of crystallization and chromatography. Org Process Res Dev. 21 (6), 821-826 (2017).
  29. Paramasivam, M., Poi, R., Banerjee, H., Bandyopadhyay, A. High-performance thin layer chromatographic method for quantitative determination of curcuminoids in Curcuma longa germplasm. Food Chem. 113 (2), 640-644 (2009).
  30. Priyadarsini, K. I. The chemistry of curcumin: from extraction to therapeutic agent. Molecules. 19 (12), 20091-20112 (2014).
  31. Nhujak, T., Saisuwan, W., Srisa-art, M., Petsom, A. Microemulsion electrokinetic chromatography for separation and analysis of curcuminoids in turmeric samples. J Sep Sci. 29 (5), 666-676 (2006).
  32. Kim, Y. J., Lee, H. J., Shin, Y. Optimization and validation of high-performance liquid chromatography method for individual curcuminoids in turmeric by heat-refluxed extraction. J Agri Food Chem. 61 (46), 10911-10918 (2013).
  33. Patel, K., Krishna, G., Sokoloski, E., Ito, Y. Preparative separation of curcuminoids from crude curcumin and turemric powder by pH-zone refining countercurrent chromatography. J Liq Chrom Rel Tech. 23 (14), 2209-2218 (2007).
  34. Paulucci, V. P., Couto, R. O., Teixeira, C. C. C., Freitas, L. A. P. Optimization of the extraction of curcumin from Curcuma longa rhizomes. Rev Bras Farmacogn. 23 (1), 94-100 (2013).
  35. Ali, I., Haque, A., Saleem, K. Separation and identification of curcuminoids in turmeric powder by HPLC using phenyl column. Anal. Methods. 6 (8), 2526-2536 (2014).
  36. Li, M., Ngadi, M. O., Ma, Y. Optimisation of pulsed ultrasonic and microwave-assisted extraction for curcuminoids by response surface methodology and kinetic study. Food Chem. 165, 29-34 (2014).
  37. Mandal, V., Mohan, Y., Hemalatha, S. Microwave assisted extraction of curcumin by sample-solvent dual heating mechanism using Taguchi L9 orthogonal design. J Pharm Biomed Anal. 46 (2), 322-327 (2008).
  38. Shankar, M., Palani, S., Nivedha, D. Extraction of Curcumin from Raw Turmeric (Curcuma longa.)-A Comparative Study, Using Soxhlet, Chemical, Chromatographic, and Spectroscopic Methods and Determining its Bioavailability. Int J Mod Dev in Eng Sci. 1 (6), 67-72 (2022).
  39. Kurmudle, N., Kagliwal, L. D., Bankar, S. B., Singhal, R. S. Enzyme-assisted extraction for enhanced yields of turmeric oleoresin and its constituents. Food Biosci. 3, 36-41 (2013).
  40. Chassagnez-Méndez, A. L., Corrêa, N. C. F., França, L. F. d., Machado, N. T. d., Araújo, M. E. A mass transfer model applied to the supercritical extraction with CO2 of curcumins from turmeric rhizomes (Curcuma longa L). Brazil J Chem Eng. 17, 315-322 (2000).
  41. Ghoreishian, S. M., Maleknia, L., Mirzapour, H., Norouzi, M. Antibacterial properties and color fastness of silk fabric dyed with turmeric extract. Fibers Poly. 14 (2), 201-207 (2013).
  42. Safapour, S., Sadeghi-Kiakhani, M., Doustmohammadi, S. Chitosan-cyanuric chloride hybrid as an efficient novel bio-mordant for improvement of cochineal natural dye absorption on wool yarns. J Textile Inst. 110 (1), 81-88 (2018).
  43. Vahur, S., Teearu, A., Peets, P., Joosu, L., Leito, I. ATR-FT-IR spectral collection of conservation materials in the extended region of 4000-80 cm(-)(1). Anal Bioanal Chem. 408 (13), 3373-3379 (2016).
  44. Gunasekaran, S., Natarajan, R., Natarajan, S., Rathikha, R. Structural investigation on curcumin. Asian J Chem. 20 (4), 2903 (2008).
  45. Kim, H. J., et al. Curcumin dye extracted from Curcuma longa L. used as sensitizers for efficient dye-sensitized solar cells. Int J Electrochem Sci. 8 (6), 8320-8328 (2013).
  46. Singh, P. K., Wani, K., Kaul-Ghanekar, R., Prabhune, A., Ogale, S. From micron to nano-curcumin by sophorolipid co-processing: highly enhanced bioavailability, fluorescence, and anti-cancer efficacy. RSC Adv. 4 (104), 60334-60341 (2014).
  47. Holmquist, H., et al. Properties, performance and associated hazards of state-of-the-art durable water repellent (DWR) chemistry for textile finishing. Environ Int. 91, 251-264 (2016).
  48. Berradi, M., et al. Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon. 5 (11), e02711 (2019).
  49. Behera, M., Nayak, J., Banerjee, S., Chakrabortty, S., Tripathy, S. K. A review on the treatment of textile industry waste effluents towards the development of efficient mitigation strategy: An integrated system design approach. J Environ Chem Eng. 9 (4), 105277 (2021).
  50. Massella, D., Giraud, S., Guan, J., Ferri, A., Salaün, F. Textiles for health: a review of textile fabrics treated with chitosan microcapsules. Environ Chem Lett. 17 (4), 1787-1800 (2019).
  51. Wang, F., Huang, W., Jiang, L., Tang, B. Quantitative determination of proteins based on strong fluorescence enhancement in curcumin-chitosan-proteins system. J Fluoresc. 22 (2), 615-622 (2012).
  52. Yang, M., Wu, Y., Li, J., Zhou, H., Wang, X. Binding of curcumin with bovine serum albumin in the presence of iota-carrageenan and implications on the stability and antioxidant activity of curcumin. J Agric Food Chem. 61 (29), 7150-7155 (2013).
  53. Sneharani, A. H., Karakkat, J. V., Singh, S. A., Rao, A. G. Interaction of curcumin with beta-lactoglobulin-stability, spectroscopic analysis, and molecular modeling of the complex. J Agric Food Chem. 58 (20), 11130-11139 (2010).

Play Video

Cite This Article
De Guzman, G. N. A., Magalong, J. R. S., Bantang, J. P. O., Leaño, Jr., J. L. Enhanced Photoluminescence of Curcuma longa Extracts via Chitosan-Mediated Energy Transfer for Textile Authentication Applications. J. Vis. Exp. (202), e66035, doi:10.3791/66035 (2023).

View Video