بخشی از مقاله
چکیده: در سالهای اخیر توسعه فیلمهای ضدمیکروبی به منظور افزایش ماندگاری غذاها در عین حفظ کیفیت آنها توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. باتوجه به شیوع آلودگی های مرتبط با محصولات غذایی و همچنین نگرانیهایی در مورد اثرات منفی زیست محیطی مواد بستهبندی، مولکولهای زیستی فعال مانند کیتوزان و مشتقات آن نقش مهمی را در کاربردهای غذایی ایفا میکنند. کیتوزان با توجه به قابلیت زیستتخریبپذیری، سازگاری با مواد مختلف، فعالیت ضدمیکروبی، سمی نبودن و خواص شیمیایی و فیزیکی مختلف پتانسیل بسیار زیادی برای طیف گستردهای از کاربردهای غذایی دارد.
فیلمهای کیتوزان با توجه به دارا بودن خواص ضدمیکروبی می توانند با حفظ کیفیت انواع مختلف موادغذایی به عنوان یک بستهبندی فعال مورد استفاده قرار گیرد. کیتوزان در برابر طیف گستردهای از میکروارگانیسمهای پاتوژن و فسادزا خواص آنتیمیکروبی بسیار قوی نشان میدهد. پژوهش حاضر با هدف برسی روشهای مختلف تهیه فیلمهای حاوی کیتوزان، مکانیسم فعالیتهای ضدمیکروبی این پلیمر زیستی و عوامل موثر بر فعالیت ضدمیکروبی آن انجام شده است.
مقدمه
در سالهای اخیر علاقه به توسعه مواد با ظرفیت ایجاد فیلم و داشتن خاصیت ضد میکروبی که موجب کمک به بهبود ایمنی مواد غذایی و افزایش ماندگاری غذا میشود، افزایش یافتهاست. بستهبندی ضد میکروبی یکی از امیدوار کنندهترین سیستمهای بستهبندی فعال است که در نابودی و یا مهارمیکروارگانیسمهای بیماریزا و فسادزا مؤثر میباشد. تغییرات میکروبی مسئول خسارتهای بزرگ در مواد غذایی هستند و از این رو ، فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی مختلف، برای افزایش ماندگاری مواد غذایی توسعه یافته است.
در میان این فرآیندها بستهبندی محصولات غذایی یک عامل اساسی در حفاظت و مراحل بازاریابی به شمار میآید. بنابراین ، بستهبندی نه تنها بسیار مهم است بلکه در واقع برای حفظ کیفیت غذا دارای مزایای مختلف میباشد . بسته بندیهای ضد میکروبی برای کنترل رشد میکروبی در مواد تشکیلدهنده غذا از مواد بستهبندی، فیلمها و پوششهای خوراکی حاوی عوامل ضد میکروب و یا از تکنیکهای اصلاح فضای درون بسته استفاده میکنند.
به دلیل افزایش تقاضای مصرفکنندگان برای محصولاتی که دارای حداقل فرآیند1 بوده و بدون نگهدارنده هستند، عوامل نگهدارنده باید طوری به مواد بستهبندی اضافه شوند که تنها سطوح پایینی از آنها در تماس با غذا باشد. به منظور پاسخگویی به این نیاز مصرفکنندگان، فیلم یا پوشش در نظر گرفته شده باید بسیار موثر عمل کند تا استفاده از روشهای دست و پا گیر کاهش یابد . تاکید بیشتر بر ویژگی های ایمنی مرتبط با عوامل ضد میکروبی افزوده، یکی از زمینه های در حال ظهور در توسعه فنآوری بستهبندی بوده و نقش مهمی در تولید سیستمهای بسته بندی فعال ایفا می کند.
بسته بندی های فعال ویژگیهایی فراتر از خواص ابتدایی ایجاد مانع را دارا میباشند که با افزودن مواد فعال در سیستم بسته بندی و یا استفاده از پلیمرهایی با عملکرد فعال حاصل می شوند. هنگامی که سیستم بستهبندی فعالیت ضد میکروبی داشته باشد، از رشد میکروبی جلوگیری کرده، موجب گسترش فاز سکون و کاهش نرخ رشد میکروارگانیسم شده و یا تعداد میکروارگانیسمهای زنده را کاهش میدهد. امنیت غذایی همیشه در سراسر جهان یک مسئله بزرگ بوده و بسته بندی ضد میکروبی می تواند نقش مهمی در تضمین امنیت غذایی ایفا کند.
در حال حاضر کاربرد بسته بندیهای ضد میکروبی در صنایع غذایی با توجه به عدم دسترسی به مواد ضد میکروب مناسب، مواد پلیمری جدید، قوانین نظارتی و روشهای آزمون مطمئن، محدود است. فیلم ها و پوشش های خوراکی به منظور تعیین قابلیت آنها در به تأخیر انداختن انتقال رطوبت، اکسیژن، انواع بوها و مواد محلول مورد بررسی قرار گرفتهاند. فیلمهای خوراکی و زیست تخریبپذیر به طور کامل جایگزین فیلمهای بستهبندی مصنوعی نشدهاند هر چند که یکی از روشهای موثر در حفظ کیفیت مواد غذایی هستند.
معمولا مواد تشکیل دهنده فیلم بر روی پروتئینها، پلیساکاریدها، لیپیدها و رزینها و یا ترکیبی از آنها قرار میگیرند . - Greener-Donhowe & Fennema, 1994 - کیتوزان پلیساکارید خطی متشکل از پیوندهای 4 - ، - 1، -2 آمینو - بتا D دئوکسی گلوکان، مشتقدِآستیله کیتین است که پس از سلولز، دومین پلیساکارید فراوان موجود در طبیعت امحسوب می شود. کیتوزان غیر سمی و زیست تخریب پذیر بوده، علاوه بر داشتن خواص ضد میکروبی، دارای خواص عملکردی زیستی بوده و با مواد دیگر سازگار است.
در مقایسه با سایر مواد بسته بندی زیستی، کیتوزان قادر به ترکیب مواد دیگر مانند مواد معدنی و یا ویتامینها بوده و فعالیت ضد میکروبی بالایی دارد. با در نظر گرفتن این ویژگیها، فیلم کیتوزان به عنوان مواد بستهبندی برای حفظ کیفیت انواع مواد غذایی، مورد استفاده قرار گرفتهاست - Alvarez, 2000; Appendini, 2004 ; Cooksey, 2005 ; Cutter, 2002; Cutter, 2006 - به تازگی، یک فیلم بر پایه کیتوزان و نشاسته با استفاده از مایکروویو تهیه شده که ممکن است در بستهبندی مواد غذایی مورد استفاده قرار گیرد . - Tripathi, Mehrotra, & Dutta, 2008 - طیف گستردهای از فیلمهای ضد میکروبی کیتوزان به تازگی تولید و بررسی شدهاند.
مکانیسم فعالیت ضد میکروبی کیتوزان
به علت بار مثبت ایجاد شده در C2 مونومر گلوکوزامین در pH کمتر از 6، کیتوزان نسبت به کیتین محلولتر بوده و فعالیت ضد میکروبی بیشتری دارد . مکانیسم ضد میکروبی دقیق کیتین، کیتوزان و مشتقات آنها هنوز به طور کامل شناخته نشدهاست، اما مکانیزمهای مختلفی در این باره پیشنهاد شدهاست. یکی از دلایل خاصیت ضد میکروبی کیتوزان، بار مثبت گروه آمینه آن است - شکل - 1 که موجب اتصال به ترکیبات دارای بار منفی در غشای سلولی میکروب شده و منجر به نشت ترکیبات داخل سلولی از میکروارگانیسم میشود.
کیتوزان به طور عمده در سطح خارجی باکتری عمل می کند. در غلظت پایینتر - 0/2 mg/ml - کیتوزان پلی کاتیونی احتمالا به سطح باکتریهای دارای بار منفی متصل شده و ایجاد لخته می کنند، در حالی که در غلظتهای بالاتر، تعداد زیاد بارهای مثبت کیتوزان یک بار خالص مثبت برای سطح باکتری ایجاد می کنند که آن را به صورت سوسپانسه نگه میدارد.
مطالعات جذب UV نشان داد که کیتوزان باعث افت قابل توجه مواد پروتئینی در pH = 5/8 شد. کیتوزان هم چنین به عنوان عامل شلاته کننده عمل میکند و به فلزات کم مقدار متصل شده و در نتیجه مانع تولید سموم و رشد میکروبی میشود. این ماده همچنین فرآیندهای دفاعی مختلف را در بافت میزبان فعال کرده، به عنوان یک عامل جذبکننده آب عمل کرده و مانع فعالیت آنزیمهای مختلف میشود .
اتصال کیتوزان با DNA و مهار سنتز mRNA از طریق نفوذ کیتوزان به سمت هسته میکروارگانیسم و تداخل با سنتز mRNA و پروتئین امکانپذیر میشود . مکانیسم فعالیت ضد میکروبی کیتوزان برای باکتریهای گرم مثبت و گرم منفی متفاوت است. در باکتری گرم مثبت استافیلوکوکوساورئوس، فعالیت ضد میکروبی با افزایش وزن مولکولی کیتوزان افزایش مییابد.
علاوه بر این، برای اشرشیاکلای گرم منفی، فعالیت ضد میکروبی با کاهش وزن مولکولی افزایش مییابد. محققان دو مکانیزم مختلف زیر را برای فعالیتهای ضد میکروبی کیتوزان پیشنهاد کردهاند: - 1 - در مورد استافیلوکوکوساورئوس، کیتوزان در سطح سلول می تواند یک غشای پلیمری تشکیل دهد، که مانع از ورود مواد مغذی به سلول شود - 2 - در مورد اشرشیاکلای کیتوزان با وزن مولکولی کمتر زمانی که از طریق نفوذ وارد سلول می شود موجب مرگ آن خواهد شد. اثر وزن مولکولی در خواص ضد باکتریایی و فعالیت ضد قارچی کیتوزان بررسی شدهاست.
کیتوزان با وزن مولکولی در گستره 10000تا 100000 در مهار رشد باکتری ها دخیل است. علاوه بر این، کیتوزان با وزن مولکولی متوسط 9300 در مهار رشد باکتری اشرشیاکلای مفید است، در حالی که با وزن مولکولی در حدود 2200 به رشد این باکتری، شتاب میبخشد. علاوه بر تشکیل فیلم نفوذپذیر به گاز، کیتوزان دارای عملکرد دوگانه است: - الف - تداخل در فرآیندهای رشد قارچ - ب - فعال کردن فرآیندهای دفاعی. این مکانیسمهای دفاعی شامل تجمع کیتیناز، سنتز مهارکنندههای پروتئاز، تولید لیگنین و تحریک سنتز کالوس است.
فعالیت ضد میکروبی کیتوزان با ارزیابی میزان مرگ و میر اشرشیاکلای و استافیلوکوکوس اورئوس بر اساس میزان آسیب دیواره سلولی و میزان نشت آنزیمها و نوکلئوتیدها از مکانهای مختلف سلول مورد بررسی قرار گرفتهاست. غیرفعالسازی اشرشیاکلای توسط کیتوزان در دو مرحله متوالی رخ داده است: جدایی اولیه دیواره سلولی از غشاء سلول و پس از آن تخریب غشاء سلول.
فاکتورهای مؤثر بر فعالیت ضد میکروبی کیتوزان
ثابت شدهاست که فعالیت ضد میکروبی کیتوزان و فیلم های مبتنی بر کیتوزان با کاهش pH افزایش مییابد .این اثر میتواند به دلیل اثر همافزایی موانع مختلف2 و ایجاد تنش اسیدی در سلولهای باکتریایی باشد. کیتوزان یک پلیساکارید کاتیونی منحصر به فرد در طبیعت است، این پلیمر دارای خاصیت اتصال به دیواره سلولی باکتری از طریق پیوندهای الکترواستاتیک و امکان آسیب به غشا و ایجاد اختلال در انتقال مواد غذایی به سلول است .
پیشنهاد شده است که بارهای مثبت گروه آمین - NH3 - در مقادیر pH پایین تر از - PH <6.3 - PKa که در آن گروههای عاملی %50 از کل بارهای الکتریکی خود را دارا می باشند، به بارهای منفی غشای سلولی، متصل شده و باعث نشت ترکیبات داخل سلولی میشوند. با این که این تئوری توضیح خوبی برای اثر ضد میکروبی کیتوزان است، اما هیچ مدرک مستقیمی بر اثبات این رفتار وجود ندارد. عوامل ذاتی کیتوزان به طور قابل توجهی بر خواص ضد میکروبی و فعالیت ضد قارچی آن تاثیر دارد.
