Production of Chitosan Micro and Nanospheres for the Formulation of Antibacterial Food Packaging Materials

L'emballage alimentaire actif est un sujet de recherche en cours. La fabrication de nouveaux matériaux d'emballage pour améliorer la sécurité alimentaire et la préservation des aliments est un sujet d'intérêt continu. Le chitosane est un polysaccharide d'origine marine, non toxique ayant un grand potentiel pour être utilisé comme biomatériau antimicrobien, compte tenu de son activité antibactérienne. En outre, le chitosane est utilisé comme un additif alimentaire et a d'ailleurs reçu le statut de «Generally Recognized As Safe» (GRAS) par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. Par conséquent, le chitosane peut être considéré comme un candidat idéal dans des applications liées à l'industrie alimentaire. Le présent travail de recherche porte sur la production de nanosphères de chitosane pour la formulation de matériaux d'emballage alimentaire antibactériens. Le projet de recherche a été réalisé en trois étapes. La première étape traite de l'étude de l'influence de différents facteurs environnementaux, microbiens et caractéristiques du chitosane sur son activité antibactérienne, lorsqu'il est utilisé sous une forme solide discontinue, comme la poudre et les flocons. L'activité antimicrobienne a été évaluée contre une souche Gram-négatif (Escherichia coli) et deux souches Gram-positif (Listeria innocua et Staphylococcus aureus), qui sont généralement responsables de la détérioration des aliments. Les résultats ont montré que le chitosane nécessite une solubilisation partielle pour l'exercice de son activité antibactérienne. En outre, des conditions de température adéquates, la force ionique (salinité) et la présence d'un support physique solide peuvent favoriser l'effet antibactérien. La souche E. coli s'est révélée plus affectée par le chitosane, suivie de L. innocua et S. aureus. D'autre part, l'action antibactérienne a augmenté avec la concentration en chitosane jusqu'à un point critique au-dessus duquel cet effet a diminué. Cet effet pourrait être la conséquence des protéines restantes dans le chitosane et qui peuvent servir de nutriments pour les bactéries, limitant ainsi l'activité antibactérienne. Ces résultats sont prometteurs pour l'utilisation directe de la poudre et des flocons de chitosane en tant qu'agents antimicrobiens pour des applications dans l'emballage alimentaire. La deuxième étape a consisté en la production de micro et nanosphères de chitosane par électropulvérisation. Les effets des paramètres de solution et de procédé sur la morphologie, la collecte des particules et la stabilité du procédé ont été étudiés. La cartographie de la stabilité du procédé a été établie selon les nombres adimensionnels suivants: Reynolds (Re), Peclet électrique (Pe), Weber (We), Froude (Fr) et un paramètre de force électrostatique (Ω) qui relie les principales variables du procédé. La stabilité des solutions de chitosane par electropulvérisation nécessitait des valeurs relativement faibles pour les nombres Re, Fr et Ω, mais des valeurs relativement élevées pour les nombres Pe et We. Le procédé d'électropulvérisation constitue une nouvelle façon d'incorporer des nanosphères de chitosane dans les emballages alimentaires existants afin de leur fournir des propriétés antimicrobiennes et d'aider à prolonger la durée de conservation des produits alimentaires. La troisième étape étudie l'effet de la forme physique du chitosane, à savoir les solutions, les poudres et les nanosphères, ainsi que la taille des particules sur l'activité antibactérienne contre deux souches pathogènes, Staphylococcus aureus et Salmonella enterica serovar Typhimurium, des bactéries généralement associées à des infections d'origine alimentaire. Les nanosphères de chitosane ont présenté des performances antibactériennes supérieures à celles de la poudre de chitosane. Ceci a été expliqué par la petite taille et la plus grande surface de contact des nanosphères avec les parois cellulaires bactériennes. Les nanosphères ont également affiché une activité antibactérienne plus élevée que celle du chitosane en solution, ce qui peut être le résultat d'une charge superficielle plus élevée et d'une petite taille solide. Il est considéré que si le chitosane en solution interagit avec la paroi cellulaire, il restera sous forme libre dans le milieu plutôt que d'adhérer aux cellules de façon permanente. D'autre part, les souches de S. aureus étaient plus sensibles à l'action des nanosphères et étaient moins sensibles aux variations des conditions de pH et de température du milieu. Cette étude est d'une grande importance en ce qui concerne les nombreuses applications possibles des nanosphères de chitosane dans divers domaines dont l'emballage alimentaire et le biomédical.

Abstract

Active food packaging is an ongoing research topic. The fabrication of packaging materials to improve food safety and food preservation is a subject of continuous interest. Chitosan is a nontoxic polysaccharide that has great potential to be used as an antimicrobial biomaterial, given its antibacterial activity. Besides, chitosan is considered as “Generally recognized as safe” (GRAS) food additive by the US Food and Drug Administration (FDA), wherewith can be considered as candidate for food related applications. The current research work focuses on the production of chitosan nanospheres for the formulation of antibacterial food packaging materials. The research project was conducted in three phases. The first phase deals with the evaluation of different environmental, microbial and characteristics of chitosan on its antibacterial activity, when used in a discontinuous solid form, such as neat chitosan powder and flakes. The microbial activity was evaluated against one Gram-negative (Escherichia coli) and two Gram-positive strains (Listeria innocua and Staphylococcus aureus), which are commonly found in food spoilage. Results showed that chitosan requires a partial solubilisation for the exertion of the antibacterial activity. In addition, adequate temperature conditions, low ionic strength and the presence of a solid physical support may promote the antibacterial effect. E. coli strains were found to be more sensitive to chitosan, followed by L. innocua and S. aureus. On the other hand, antibacterial action increased with concentration up to a critical point above which this effect decreased. This effect may be due to remaining proteins in chitosan, which may serve as nutrients for the bacteria, limiting the antibacterial activity. These results are promising for the direct use of chitosan powder and flakes as antimicrobial agents for food packaging applications. The second phase consisted in the production of chitosan micro and nanospheres via electrospraying. Solution and processing parameters effects on the morphology, particle collection and processing stability were investigated. Mapping of the processing stability was established according to the following dimensionless numbers: Reynolds (Re), electric Peclet (Pe), Weber (We), Froude (Fr) and an electrostatic force parameter (Ω) which related the main variables of the process. The stability in the electrospraying of chitosan solutions required relatively low values for Re, Fr and Ω but relatively high values for Pe and We numbers. The electrospraying process may provide a novel way for incorporating chitosan nanospheres into existing food packaging to provide antimicrobial properties, and helping to extend the shelf-life of food products. The third phase investigated the effect of chitosan physical form and particle size, namely solution, powder and nanospheres on the antibacterial activity, against two pathogen strains, Staphylococcus aureus and Salmonella enterica serovar Typhimurium, commonly associated with foodborne infection. Chitosan nanospheres displayed superior antibacterial performance than chitosan powder, explained by their small size and the larger surface area of contact of nanospheres with bacteria cell wall. Nanospheres also displayed higher antibacterial activity than chitosan in solution, which may be the result of the higher surface charge and solid and small size. It is believed that even though chitosan in solution interacts with the cell wall, it will remain as a free form in the medium rather than adhering into cells permanently. On the other hand, S. aureus strains were more sensitive to the action of nanospheres and were less influenced by the pH and temperature conditions of the medium. Given the remarkable antibacterial activity observed for chitosan nanospheres, this study is of great importance with respect to the many possible applications, such as in food packaging and in the biomedical field.