مقاله کاربرد نانوکامپوزیت های پلی اتیلنی سبک حاوی مواد ضدمیکروبی در آب میوه جهت جلوگیری از رشد آلی سیکلوباسیلوس

بخشی از مقاله

چکیده: آلی سیکلوباسیلوس یکی از مهمترین عوامل فساد در آبمیوه به ویژه آب سیب بصورت آلودگی صاف است که بدون تولید گاز ایجاد بدطعمی و بدبویی می کند. وجود یا عدم وجود باکتری آلی سیکلوباسیلوس در آبمیوه یکی از مهمترین عامل صادرات آب انار از ایران به سایر کشورها می باشد. علاوه بر آب انار طیف وسیعی از آبمیوه ها مانند آب پرتقال، آب سیب، آب انگورسفید، آب گلابی، آب هویج، آب هلو، آب گریپ فروت، آب گوجه فرنگی، کنسرو گوجه فرنگی، انواع سس ها، شربت ها و حتی چای توسط این جنس از باکتری فاسد می شود.

هدف از این پژوهش مروری بر تحقیقات انجام شده جهت جلوگیری از این فساد توسط بسته بندی فعال می باشد. مواد ضدمیکروبی از قبیل نانوذرات نقره، نانواکسیدروی، مخلوط نانوذرات نقره و دی اکسید تیتانیوم و نیسین به روش های متعدد رسوب با پلاسما و اختلاط مذاب با پلی اتیلن سبک بکار برده شد و در بسته بندی آبمیوه های متعدد بکار رفت. کاهش حتی تا 5 سیکل لگاریتمی در رشد میکروارگانیسم توسط مواد ضدمیکروبی مختلف دیده شد.

نانوذرات نقره می توانند حفره هایی بردیواره سلولی باکتریها ایجاد کنند و با گذشتن از غشا سلولی سبب تخریب DNA شوند و خاصیت تکرارپذیری آنها را از بین ببرند. علت خاصیت ضدمیکروبی ZnO تولید پراکسید هیدروژن در سطح آن می باشد که هرچه سطح ذرات ریزتر شود غلظت پراکسیدهیدروژن افزایش می یابد. جدیدترین راهکار جهت مهار این فساد استفاده از مواد ضدمیکروبی در فیلم های بسته بندی است که تاثیر نانوذرات نقره بر روی این باکتری ثابت شده است. برنامه کنترل ایمنی و بهداشتی HACCP نیز جهت پیشگیری از این فساد توسط این محققین پیشنهاد گردید.

مقدمه

ورمیرن و همکاران - - 1999 در یک مقاله تحقیقی مکانیسم عمل و کارآیی بسته بندی فعال در مواد غذایی، تجاری نمودن این بسته بندی، تعیین دامنه کاربرد آنها و محدودیت های موجود در کاربرد این نوع بسته بندی را در اروپا مورد بحث و بررسی قرار دادند. گیرنده های اکسیژن که بر اساس اکسیداسیون پودرآهن، اکسیداسیون اسید آسکوربیک، اکسیداسیون رنگ های حساس به نور، اکسیداسیون آنزیمی - گلوکز اکسیداز و الکل اکسیداز - ، اسیدهای چرب غیراشباع - اسید اولئیک و اسید لینولنیک - و مخمرهای تثبیت شده، بنا شده است، سبب حذف اکسیژن اضافی از بسته بندی ماده غذایی می شود.

ساشه ها، ورقه ها، برچسب ها و کارتهایی که با این مکانیسم ها تولید می شوند در طیف وسیعی از مواد غذایی مانند نان، قهوه، گوشت، پنیر، چیپس سیب زمینی، کیک و بیسکویت بکار می رود. گیرنده های اتیلن بر اساس اکسیداسیون اتیلن توسط پرمنگنات پتاسیم و تبدیل آن به استات و اتانول عمل می کند. گیرنده های دی اکسیدکربن که در برخی مواد غذایی مانند قهوه کاربرد دارند، بر اساس جذب دی اکسیدکربن توسط هیدروکسید کلسیم عمل می کند.

هدف اصلی استفاده ازگیرنده های رطوبت کاهش فعالیت آبی ماده غذایی و جلوگیری از رشد کپک و مخمر و باکتری می باشد. کاربرد دیگر حذف یخ ذوب شده، مایعات بافتی و خونابه از محصولات گوشتی منجمد و نهایتا جلوگیری از کندانس شدن آب داخل بسته بندی محصولات باغبانی است. در بسته بندی فعال به منظور جلوگیری از رشد میکروارگانیسم ها ترکیبات ضدمیکربی در فیلم بسته بندی وارد شده و یا بصورت پوشش بر روی فیلم مورد استفاده قرار می گیرد.

مکانیسم این نوع بسته بندی بر اساس آزاد نمودن مواد ضدمیکروبی است. عمده ترین ماده ضدمیکروبی که در ژاپن بکار می رود، زئولیت- نقره است که برای مواد غذایی مانند گوشت قرمز، ماهی، گوشت مرغ، نان، پنیر و میوه و سبزی مناسب می باشد که در سطح 1 تا %3 استفاده می شود. از دیگر مواد ضدمیکروبی نمک اسیدهای آلی مانند سوربات، پروپیونات، بنزوات، همچنین نیسین، پدیوسین، آنزیمهایی مانند لیزوزیم، فلزات و قارچ کش هایی مانند بنومیلٌ و ایمازالیلٍ را می توان نام برد. در یک تحقیق %1 سوربات پتاسیم با گرانول های پلی اتیلن با دانسیته پایین مخلوط شده، اکستروده و حبه ای شده و به مستربچ تبدیل شد.

جهت جلوگیری از تجزیه سوربات پتاسیم مستر بچ بایستی در دمای پایین تهیه شود. سپس مقداری از مستربچ با گرانول های پلی اتیلن مخلوط شده و فیلم ضد میکروبی تهیه شد. در مطالعه ای دیگر نشان داده شد که بدلیل غیرقطبی بودن ماهیت پلی اتیلن و قطبی بودن نمکهای اسیدهای آلی و اسیدهای آلی آزاد، آنهیدرید اسیدها سازگاری بیشتری با پلیمرداشته و استفاده از آنها موجب کاهش بار میکروبی ماده غذایی می شود.

یکی دیگر از پدهای ضدمیکروبی قادر به انتشار آرام گاز دی اکسید گوگرد در بسته بندی مواد غذایی می باشد. البته این عمل موجب بروز مشکلاتی در انگور - بلیچینگ - شده و تا حدودی نیز سمی می باشد. روش دیگر جهت تولید فیلم های ضدمیکروبی گروههای عملگرایی است که خاصیت ضدمیکروبی داشته و بر روی فیلم های بسته بندی تثبیت شده است. استفاده از اشعه ماوراءبنفش در طول موج 193 نانومتر گروههای آمید نایلون را به گروه آمین که خاصیت ضدمیکروبی دارد، تبدیل می کند. نهایتا ساشه های اتانول در کوپلیمر کاغذ / اتیل وینیل استات نیز در مواد غذایی گوشتی و نان خاصیت ضدمیکروبی دارد.

از دیگر مکانیسم های بسته بندی فعال استفاده از آنتی اکسیدان ها در فیلم های بسته بندی بعنوان افزودنی می باشد. آرد جوی دوسر در بسته های پلی اتیلنی با دانسیته بالا حاوی % 0/32 از BHT عمر نگهداری بیشتری نسبت به نمونه شاهد داشته و پس از 6 هفته مشاهده گردید که %19 از BHT وارد ماده غذایی شده است. بدلیل تجمع BHT در بافت چربی بدن استفاده از دو آنتی اکسیدان ویتامین E و ویتامین C متداول شده است. ویتامین E بخوبی در پلی اولفین ها حل شده و بدلیل اینکه مولکول آن بزرگتر از BHT است امکان مهاجرت آن به داخل ماده غذایی کم می باشد.

آخرین نوع بسته بندی فعال که توسط این محقق مورد بررسی قرار گرفت آزاد کننده یا جذب کننده مواد طعمی و بودار در مواد غذایی است، که در جذب مواد تلخ مزه از آب گریپ فروت این مکانیسم مفید و در برخی موارد نیز باعث کاهش بو و طعم مواد غذایی و کاهش کیفیت آن می شود. در یک نوع بسته بندی بمنظور حذف نارینجین و لیمونین از آب مرکبات از یک لایه استات سلولز در فیلم بسته بندی استفاده می شود. این لایه حاوی آنزیم نارینجیناز بوده که نارنجین را به ترکیبات نارینجنین و پرونین که هردو فاقد تلخی هستند، تجزیه می کند.

کمیتوپلو و همکاران - - 1999 عنوان نمودند که رشد آلی سیکلوباسیلوسَ در آبمیوه هایی از قبیل آب پرتقال، آب گریپ فروت و آب سیب در سطح × 104-105cfu/ml منجربه ایجاد طعم فساد قابل تشخیص خواهد شد. آنها جهت شناسایی این باکتری عامل فساد صاف از محیط کشت PDA استفاده کردند. راه های متعددی برای ایجاد این فساد وجود دارد که یکی از آنها آلودگی میوه به خاک است.

بنابراین عملیات شتشوی ضعیف سبب انتقال اسپور این باکتری به میوه و محصولات حاصل از آن از قبیل آبمیوه می شود. بطور متداول پاستوریزاسیون آبمیوه در 95 C به مدت 2 دقیقه انجام می شود که آلی سیکلوباسیلوس می تواند شرایط فوق را تحمل کند که البته با کاهش pH حساسیت آنها با افزایش دما افزایش می یابد. باکتریوسین نیسن در غلظت 100 IU/ml بطور کامل از رشد این باکتری جلوگیری می کند. از آنجایی که نیسین مقاوم به حرارت بوده افزودن آن به آبمیوه قبل از پاستوریزاسیون سبب افزایش حساسیت حرارتی باکتری می شود.

واکر و فیلیپس - - 2008 بیان نمودند که در صنعت آبمیوه فساد ویژه ای بنام فساد آلی سیکلوباسیلوس وجود دارد. فساد آبمیوه پاستوریزه نشده توسط کپک، مخمر و باکتری های اسیددوست مانند اسید لاکتیک باکتریا متداول است که pH اسیدی آبمیوه را تحمل می کنند. باکتری های اسپورزا مانند باسیلوس کواگولانس و کلستریدیوم پاستوریانوم علاوه بر pH اسیدی مقاومت حرارتی بالایی دارند اما فساد صاف آبمیوه توسط باکتری هایی انجام می شود که علاوه بر شرایط اسیدی قادر به تحمل دمای پاستوریزاسیون نیز هستند.

طی دو دهه اخیر باکتری جدید عامل فساد آبمیوه به ویژه آب سیب، آب پرتقال و آب انگور شناسایی شد که خسارات زیادی را به صنعت آبمیوه آلمان، اروپا، آمریکا و ژاپن وارد نمود. علاوه بر آب میوه، آب سبزیجات اسیدی و شراب نیز توسط این باکتری فاسد می شود. اولین گزارش از این باکتری در سال 1967 که از چشمه آب داغ و اسیدی در ژاپن ایزوله شده بود بدست آمد. در سال 1980 این باکتری از آب سیب فاسد شده در آلمان ایزوله گردید.

در حالیکه تا مدتها بدلیل شباهت با باسیلوس ها در خانواده باسیلوس قرار گرفت اما مشخص گردید که این باکتریها در غشاء دارای اسید چرب امگا سیکلوهگزان بوده و متفاوت از باسیلوس ها هستند. تحقیقات دیگر توسط هیپچن و همکاران در سال 1981 نشان دادکه این باکتری می تواند از خاک که نه داغ و نه اسیدی است ایزوله گردد. بنابراین این باکتری می تواند از طریق خاک به میوه و آبمیوه منتقل شود.

یکی از باکتری های این جنس آلی سیکلوباسیلوس اسیدوتریس تریس است که باکتری ترموفیل، اسیددوست، هوازی، اسپورزا، کاتالاز مثبت، گرم مثبت متمایل به گرم متغیر است. در شرایط نامساعد آندسپور مرکزی یا انتهایی که همراه یا بدون بادکردگی است تشکیل می دهد. طول سلول 2/9-4/3 میکرون و عرض آن 0/9-1 میکرون است در آگار خنثی رشد نمی کند اما در محیط کشت OSA کلنی های دایره ای مسطح کرم رنک ایجاد می کند. ارزش D این باکتری در 90 C به مدت از 16 تا 23 دقیقه گزارش شده است. ساده ترین روش شناسایی باکتری کشت آن بر روی محیط کشت OSA است.

ابتدا نمونه در دمای 80 C بمدت 10 دقیقه پیش حرارت داده شده و در صورت امکان توسط غشاء 0/4 میکرون فیلتر می شود سپس بر روی محیط کشت OSA کشت داده شده و در دمای 44 C به مدت 48 ساعت گرمخانه گذاری می شود. این باکتری گاز تولید نمی کند پس تشخیص فساد آن مشکل است. در آبمیوه شفاف کمی کدورت ایجاد می کند.

مشخصات عمده فساد تولید طعم نامطلوب گویکولٌ است که از وانیلین ایجاد می شود. پیش ساز دیگر این ترکیب نامطلوب تیروزین است که در هر میلی لیتر آب سیب 4/1ppb وجود دارد. علاوه بر پاستوریزاسیون که فعال کننده اسپور این باکتری است، دمای نگهداری و غلظت اکسیژن از عوامل فعال در ایجاد این فساد هستند. آستانه چشایی گویکول که توسط پانل چشایی مشخص شده 2/23 ppb می باشد.

تاکنون از روش های مختلفی جهت مهار این فساد در آبمیوه استفاده شده که شامل استفاده از باکتریوسین ها مانند نیسین، استفاده از لاکتات کلسیم، استفاده از اشعه گاما، استفاده از فشار بالا بوده که هرکدام به صورتی کیفیت محصول را تحت تاثیر قرار می دهد. اگرچه ترکیب میوه خود نیز نقش مهمی در جلوگیری از این فساد دارد، بعنوان مثال انگور قرمز بدلیل دارا بودن ترکیبات فنلی کمتر از انگور سفید فاسد می شود. جدیدترین راهکار جهت مهار این فساد استفاده از مواد ضدمیکروبی در فیلم های بسته بندی است که تاثیر نانوذرات نقره بر روی این باکتری ثابت شده است. بعلاوه اجرای سیستم HACCP نیز بعنوان یک برنامه موثر جهت پیشگیری پیشنهاد شده است.

تاثیر نانوذرات فلزی بر روی آلی سیکلوباسیلوس

تاثیر فیلم های ضدمیکروبی نقره را در غیرفعال سازی آلی سیکلوباسیلوس اسیدوترستریس مورد بررسی قرار گرفت - دل نوبل و همکاران ، . - 2004 فیلم ضد میکروبی به روش رسوب با پلاسما با اکسید پلی اتیلن / نقره که بر روی پلی اتیلن پوشش داده شد، بدست آمد. مزیت فیلم های تهیه شده به این روش اقتصادی این است که آنها شفاف بوده و قابل مایکروویو می باشند. آزمون های میکروبی بر روی دو محیط کشت آبگوشت عصاره مالت اسیدی شده و آب سیب در دمای 44 C با تعیین غلظت سلولهای رویشی مشخص گردید.

مدارک بسیاری نشان می دهد که یون نقره در ایالات متحده آمریکا ایمن شناخته شده و در اروپا هنوز تحت بررسی است. بار مثبت نقره به بارهای منفی موجود در دیواره سلولی میکروارگانیسم ها متصل شده و نفوذپذیری دیواره تحت تاثیر قرار می گیرد. این پدیده سبب تغییر ماهیت پروتئین ها شده و سبب لیز شدن سلول و مرگ آن می شود.

همچنین یون نقره سبب دهیدروژناسیون شده و جذب فسفات را مختل کرده و خروج یونهای فسفات، پتاسیم و سایر مواد را از سلول تقویت می کند. یون نقره باعث غیرنرمال شدن در اندازه، محتویات سیتوپلاسمی، غشای سلولی و لایه های خارجی سلول شده و با اسید نوکلئیک ایزوله نیز واکنش می دهد، که مکانیسم این واکنش بخوبی معلوم نیست، اما بر روی تکرارپذیری DNA تاثیر می گذارد. اگرچه یون نقره برای بسیاری از باکتریها سمی است، اما در محدوده قابل استفاده برای انسان سمی نیست، بطوریکه در غلظت بالای 10 میلی گرم در لیتر ممکن است برای انسان سمی باشد.

نانوکامپوزیت های ضدمیکروبی نقره از طریق رسوب پلاسما که روش جدید از بسته بندی فعال هستند که یون نقره را آزاد می کنند. تکنیک پلاسما سطح مواد را از طریق رسوب بر لایه نازک فیلم تغییر می دهد. آزمون آزادسازی نقره توسط غوطه ور کردن فیلم فعال در سه محلول آب مقطر، آبگوشت عصاره گوشت اسیدی، و آب سیب در دمای 44 C به مدت 5 روز و سپس اندارزه گیری یون نقره با روش اسپکتروفتومتری اندازه گیری شد.

نتایج نشان داد که رشد باکتری در هردو محیط کشت با فیلم ضدمیکروبی کاهش یافت. اگرچه تاثیر فیلم ضدمیکروبی به نوع محیط کشت بستگی داشت. بطوریکه تعداد باکتریها در محیط کشت عصاره آبگوشت یک کاهش شدید و سپس افزایش جزئی و ثابت را نشان داد، در حالیکه در محیط آب سیب تعداد باکتریها با کاهش آهسته همراه بود. همچنین میزان نقره آزاد شده از فیلم بر خواص ضدمیکروبی آن تاثیر گذاشت.

یکی از مهمترین عامل صادرات آب انار از ایران به سایر کشورها وجود یا عدم وجود باکتری آلی سیکلوباسیلوس در آبمیوه می باشد - خواجه نصیری و همکاران ، . - 1386 علاوه بر آب انار طیف وسیعی از آبمیوه ها مانند آب پرتقال، آب سیب، آب انگورسفید، آب گلابی، آب هویج، آب هلو، آب گریپ فروت، آب گوجه فرنگی، کنسرو گوجه فرنگی، انواع سس ها، شربت ها و حتی چای توسط این جنس از باکتری فاسد می شود. ایشان از محیط کشت اختصاصی BAT و آگار خوندار استفاده نموده و بمدت 5 روز کشت میکروبی را در 43 C گرمخانه گذاری کردند.