Development of Antibacterial Structures and Films Using Ground Plants, Extracts/Essential Oils

Les recherches portant sur les emballages alimentaires ont été principalement ciblées sur l'amélioration de la sécurité sanitaire et de la qualité nutritionnelle de l'aliment. Selon les normes internationales, un emballage approprié fournit également une plus longue durée de vie du produit alimentaire. De nouvelles stratégies d'emballages actifs sont en plein essor dans l'industrie de l'emballage, où de nouveaux matériaux multifonctionnels et l'utilisation d'agents antimicrobiens naturels gagnent un intérêt croissant. Le développement de nouveaux matériaux, en particulier les matériaux innovants antimicrobiens et naturels peut aider à répondre à ces besoins associés à d'autres fonctions de l'emballage telles que: la protection et la conservation des aliments, le marketing et la communication intelligente pour les consommateurs. Les plantes médicinales comme le clou de girofle, le thym, le romarin, la citronnelle, la cannelle et autres ont la capacité d'inhiber la croissance d'une vaste sélection de microorganismes pathogènes du fait de la présence d'huiles essentielles (HÉ) et de leurs composés. Les propriétés antimicrobiennes des HÉ et des extraits de plantes sont connues et utilisées depuis de nombreuses années. Néanmoins, certaines de ces HÉ et leurs composés ont montré des degrés variables de toxicité et d'effets indésirables sur la santé humaine. Les résultats de l'analyse thermogravimétrique (TGA) de notre étude ont clairement montré que lors de l'étude de la libération du thymol des films de LDPE et LLDPE vers la surface au cours du temps et à des températures élevées, le taux d'évaporation du thymol augmente pendant le mélange en extrusion bi vis et en mélangeur interne. Par conséquent, il a été décidé de travailler avec les poudres des plantes elles-mêmes, à la place de leurs huiles essentielles. Dans la première étape, les activités antimicrobiennes contre la bactérie Escherichia coli (E. coli DH5α) des poudres de plantes moulues dont la sauge, le clou de girofle, les feuilles de clou de girofle, la citronnelle, les graines de moutarde noire, les feuilles de menthe sauvage et les feuilles de thym ont été évalués et comparées. La poudre de clou de girofle (Syzygium aromaticum) a montré l'activité antimicrobienne la plus élevée par rapport aux autres plantes utilisées dans cette étude. La concentration minimale bactéricide (MBC) de la poudre de clou de girofle contre E. coli a également été mesurée en utilisant deux méthodes différentes de stérilisation. Les résultats ont montré que les valeurs de CMB de la poudre de clou de girofle avant stérilisation étaient de 200 mg/ml. Après stérilisation avec deux méthodes différentes, les valeurs étaient ≥ 50 mg/ml. La deuxième étape de cette étude était d'étudier l'effet inhibiteur du clou de girofle en poudre contre la croissance d'une bactérie à Gram négatif : Escherichia coli (E. coli DH5α) et deux bactéries à Gram positif : Listeria innocua (L. innocua SPQ3284) et Staphylococcus aureus (S. aureus 54-73). La concentration minimale inhibitrice (CMI) et la concentration minimale bactéricide (CMB) ont été déterminées en utilisant la technique de dénombrement sur gélose. Les résultats ont montré que la poudre de clou de girofle a eu un effet inhibiteur de croissance contre les bactéries testées. Les valeurs des CMI et CMB ont clairement montré que la poudre de clou de girofle possède une activité antimicrobienne plus élevée contre S. aureus comparativement à E. coli et L. innocua. Les valeurs des CMI et CMB de la poudre de clou de girofle contre S. aureus sont de 100 mg/ml et 120 mg/ml, respectivement. La distribution de taille des particules de poudre de clou de girofle a été mesurée et la taille des particules a été réduite en utilisant la technique de broyage à sec. Dans la dernière étape, l'activité antimicrobienne de films et de fibres contenant de la poudre de clou de girofle a été évaluée. Les nanofibres de Poly (caprolactone ε-) (PCL) et clou de girofle en poudre ont été préparées par le processus d'électrofilage, tandis que pour les films, la poudre de clou de girofle a été intégrée par imprégnation dans le polyéthylène à basse densité (LDPE). L'activité antimicrobienne de la poudre de clou de girofle n'a pas montré un effet antimicrobien élevé lorsque incorporée dans les fibres électrofilées de PCL. Ceci a été attribué à une mauvaise solubilisation des poudres dans les solvants (DCM: DMF). Le film de LDPE imprégné deux fois avec la poudre de clou de girofle a montré les effets antimicrobiens les plus élevés contre la bactérie E. coli.

Abstract

Food packaging research has been mainly targeted towards improving food quality and safety. Based on international standards proper food packaging provides longer product shelf life. New active packaging strategies represent the focal point in development in the packaging industry, where new multifunctional materials and the use of natural antimicrobial agents are gaining increasing interest. The development of new materials, and particularly innovative natural antimicrobial materials, may assist to address these requirements coupled with other packaging functions such as: food protection and preservation, marketing and smart communication to consumers. Medicinal plants like clove, thyme, rosemary, lemon grass, cinnamon and others have the ability to inhibit the growth of a vast selection of pathogenic microorganisms due to the presence of essential oils (EOs) and their compounds. The antimicrobial properties of EOs and plant extracts have been known and used for many years. Nevertheless, some of these EOs and their compounds have shown varying degrees of toxicity and adverse effects on human health. The thermogravimetric analysis (TGA) results in our study have clearly demonstrated that while studying the release of thymol from LDPE and LLDPE films to the surface of the films over time, at high temperatures, the evaporation rate of thymol increased during blending with LDPE and LLDPE by using twin-screw extruder and Brabender. Therefore, it was decided to work with the plant powders themselves instead of the essentials oils. In the first step, the antimicrobial activities of ground powdered plants such as sage, clove bud, clove leaf, lemongrass, black mustard seed, wild mint leaf, and thyme leaf against Escherichia coli (E. coli (DH5α)) were evaluated and compared. The clove bud powder (Syzygium aromaticum) showed the highest antimicrobial activity compared to the other ground plants used in this study. Then the minimum bactericidal concentration (MBC) of the clove bud powder against E. coli was measured by using two different methods of sterilization. The results showed that, the MBC values of the clove bud powder without sterilization was 200 mg/ml and with two different methods of sterilization were ≥ 50 mg/ml. The second step of this study was to investigate the growth inhibitory effect of the powdered clove bud against one Gram-negative bacteria Escherichia coli (E. coli) (DH5α) and two Gram-positive Listeria innocua (L. innocua) (LSPQ3284) and Staphylococcus aureus (S. aureus) (54-73) microorganisms, the minimum inhibitory concentration (MIC) and the minimum bactericidal concentration (MBC) tests were carried out using the agar plate counting technique. The findings indicated that the clove bud powder had a growth inhibitory effect against the tested bacteria. The MIC and MBC values have clearly shown that the clove bud powder has higher antimicrobial activity against S. aureus than E. coli and L. innocua, where the MIC and MBC values of clove bud powder against S. aureus were 100 mg/ml and 120 mg/ml, respectively. The particle size distribution of clove bud powder was measured and the size of the particle was reduced by using the dry milling technique. In the final step, the antimicrobial activity of the clove bud powder was evaluated when applied into films and fibers. Poly (ε- caprolactone) (PCL) and clove bud powder was produced via the electrospinning process, then, the clove bud powder was embedded into the low-density polyethylene (LDPE) film in this study. The antimicrobial activity of the clove bud powder did not show a strong antimicrobial effect when incorporated into PCL electrospun fibers, which was attributed to the improper dissolution of powders in the solvents (DCM: DMF). The LDPE film embedded with the clove bud powder when coated twice, showed the strongest antimicrobial effects against E. coli bacteria.