Αντιμικροβιακές εφαρμογές νανοϋλικών και νανοσυνθέσεων

Written by webgf on Monday March 26th, 2012. Posted in Επιστημονικά νέα

Οι κοινωνικές αλλαγές, η παγκοσμιοποίηση, οι κύκλοι ζωής των συσκευασιών, καθώς και η απαίτηση για τη λήψη αυστηρών μέτρων ασφαλείας αυξάνουν την πίεση για την παραγωγή νέων συστημάτων συσκευασίας ικανών να μεταφέρουν είδη διατροφής και τα οποία, επίσης, θα επιτρέπουν την ιχνηλασιμότητα κατά μήκος της αλυσίδας διανομής τροφίμων. Οι καταναλωτές έχουν αυξημένο ενδιαφέρον σε έτοιμα προς κατανάλωση προϊόντα με φρέσκα και υγιή χαρακτηριστικά, αυξάνοντας έτσι την εμπορευματοποίηση των ελάχιστα επεξεργασμένων τροφίμων. Αλλά αυτά τα τρόφιμα παρουσιάζουν υψηλό κίνδυνο αφυδάτωσης της επιφάνειας τους, απώλεια υγρασίας, οξείδωση ή μαύρισμα και αλληλομόλυνση μέσω των επιφανειών κοπής, των μαχαιριών, των επιφανειών εργασίας, του εξοπλισμού ή του περιβάλλοντος επεξεργασίας. Η πιθανότητα αύξησης των τροφιμογενών παθογόνων παραγόντων, όπως Salmonella, Campylobacter, Listeria και Escherichia coli 0157:H7 πρέπει να ελαχιστοποιηθεί, και αυτό οδηγεί στην ανάγκη εφαρμογής Συστημάτων Διαχείρισης Ασφάλειας των Τροφίμων (Luning, Bango, Kussaga, Rivira, & Marcelis, 2008).
Πολλές εφαρμογές, όπως η παραγωγή και η αποθήκευση των τροφίμων, θα μπορούσαν να επωφεληθούν από την ενσωμάτωση των ασφαλών, οικονομικών, ευρέος φάσματος και μακράς διάρκειας βιοκτόνων σε πολυμερή, χρώματα ή επιφάνειες εργασίας (Appendini & Hotchkiss, 2002; Fernandez, Cava, Ocio, & Lagaron, 2008). Ορισμένα μεταλλικά ιόντα, όπως ο χαλκός, ο άργυρος, ο ψευδάργυρος, το παλλάδιο ή το τιτάνιο, απαντώνται στη φύση και σε ορισμένες περιπτώσεις είναι βασικά μέταλλα. Αυτά τα ιόντα δεν έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στα ευκαρυωτικά κύτταρα κάτω από ορισμένες συγκεντρώσεις και μπορεί να είναι καλοί υποψήφιοι για την εφαρμογή των νέων μέτρων ασφαλείας. Στο πλαίσιο αυτό, οι αντιμικροβιακές, φωτοκαταλυτικές, οξειδωτικές και έχοντας προστασία στο UV ιδιότητες των ιδιαίτερα καινοτόμων ανόργανων νανοδομημένων υλικών (Εικόνα 1) ερευνώνται και αξιοποιώνται σε πλήθος εφαρμογών οι οποίες παρουσιάζονται στον συνημμένο Πίνακα

nano1

Εικόνα 1
Δυναμικότητα αξιοποίησης των μεταλλικών νανο-σωματιδίων στην ενεργή συσκευασία τροφίμων

Νανοσωματίδια και Νανοσύνθετα Αργύρου ως Αντιμικροβιακά Υλικά Συσκευασίας Τροφίμων

Ο άργυρος έχει μεγάλη ιστορία χρησιμοποιούμενος ως αντιμικροβιακός παράγοντας σε τρόφιμα και ποτά. Πολλές αρχαίες κοινωνίες αποθήκευαν το κρασί και το νερό σε αργυρά σκεύη. Αναζητήσεις στο διαδίκτυο για τις ιστορικές χρήσεις του αργύρου αποκαλύπτουν ανέκδοτες εκθέσεις των πρώτων αποίκων που τοποθετούσαν ασημένια δολάρια ή ασημένια κουτάλια στο κάτω μέρος των μπουκαλιών γάλακτος και νερού για να παρατείνει τη διάρκεια ζωής καθώς επίσης και τα ναυτικά πλοία και τα αεροσκάφη επένδυαν τις δεξαμενές του νερού τους με άργυρο για να κρατήσει το νερό πόσιμο για μεγάλες περιόδους του χρόνου. Ο άργυρος ήταν ο παράγοντας αποστείρωσης για το νερό στο ρωσικό διαστημικό σταθμό MIR και στα διαστημικά λεωφορεία της NASA, και η αντιμικροβιακή του δραστηριότητα ευρέος φάσματος και το χαμηλό κόστος τον έχουν κάνει υποψήφιο ενεργό παράγοντα απολύμανσης του νερού σε αναπτυσσόμενες χώρες. Το 2009, το FDA τροποποίησε τους κανονισμούς για τα πρόσθετα των τροφίμων για να επιτραπεί η άμεση προσθήκη νιτρικού αργύρου ως απολυμαντικό σε εμπορικά εμφιαλωμένο νερό σε συγκεντρώσεις
<=17 μg/kg.
Ο άργυρος έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους αντιμικροβιακούς παράγοντες. Σε σύγκριση με τα μοριακά αντιβιοτικά, τα οποία γενικά απευθύνονται σε συγκεκριμένες τάξεις οργανισμών, ο άργυρος είναι ευρέως φάσματος και τοξικός σε πολλά στελέχη βακτηρίων, μυκήτων φυκών και ενδεχομένως ορισμένων ιών. Όντας ένα στοιχείο ο άργυρος είναι σταθερός κατά την αποθήκευση για μεγάλες χρονικές περιόδους. Ο κοινός νους θεωρεί τον άργυρο ασφαλές για τον άνθρωπο και άλλους ανώτερους μικροοργανισμούς όταν χρησιμοποιείται υπεύθυνα. Ο άργυρος είναι αρκετά αποτελεσματικός στη διείσδυση των βιοφίλμ, η οποία είναι ένα μειονέκτημα σε πολλά μοριακά αντιμικροβιακά. Επιπλέον, αν και τα βακτηριακά στελέχη που εκδηλώνουν αντίσταση στον άργυρο είναι γνωστά και αυτοί οι μηχανισμοί έχουν μελετηθεί. Ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει ότι ο άργυρος μπορεί να είναι λιγότερο ευαίσθητος στη συγκέντρωση της αντίστασης απ’ ότι τα μοριακά αντιμικροβιακά. Αυτό παραμένει μία περιοχή με κάποια αβεβαιότητα. Ακόμα κι έτσι όμως η έκρηξη του ενδιαφέροντος σε άργυρο, ως ευρέος φάσματος αντιμικροβιακός παράγοντας, κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών μπορεί εν μέρει να οφείλεται στον πολλαπλασιασμό της αντίστασης στα ισχυρά μοριακά αντιμικροβιακά. Στο πλαίσιο αυτό ο άργυρος έχει αποδειχτεί ότι είναι ένα αποτελεσματικό βακτηριοκτόνο ενάντια στις αντιμικροβιακές ανθεκτικές βακτηριακές πιέσεις, οι οποίες έχουν γίνει μία ανησυχία στα νοσοκομεία.
Ωστόσο ίσως το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του αντιμικροβιακού παράγοντα του αργύρου είναι ότι μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε πολλά υλικά, όπως τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και τα πλαστικά, γεγονός που το καθιστά ιδιαιτέρα χρήσιμο για εφαρμογές όπου η ευρέως φάσματος, διαρκή αντιμικροβιακή δράση είναι επιθυμητή αλλά όπου τα παραδοσιακά αντιμικροβιακά δεν θα ήταν πρακτικά. Μέχρι σήμερα το FDA έχει εγκρίνει πάνω από μία δωδεκάδα ζεόλιθους που περιέχουν άργυρο για χρήση ως υλικά επαφής σε τρόφιμα για τους σκοπούς της απολύμανσης.
Παρά τη μακριά ιστορία του αργύρου ως αντιμικροβιακό, ο μηχανισμός της εν λόγω δραστηριότητας παραμένει θέμα της ενεργούς έρευνας. Η γενική εξήγηση που προσφέρεται είναι ότι ο άργυρος σκοτώνει τουλάχιστον με έναν από τους παρακάτω μηχανισμούς: α) παρέμβαση στη ζωτικής σημασίας κυτταρικές διαδικασίες με τη δέσμευση sulfhydryl ή δισουλφιδίου στην επιφάνεια των πρωτεϊνικών μεμβρανών και των άλλων ενζύμων β) διακοπή της αντιγραφής του DNA και γ) οξειδωτικό στρες μέσω της κατάλυσης του αντιδραστικού σχηματισμού ειδών οξυγόνου (ROS). Ωστόσο υπάρχει διαμάχη για το ποιός από αυτούς τους μηχανισμούς είναι πιο σημαντικός.

Αντιμικροβιακή δραστηριότητα νανοσωματιδίων αργύρου

Ήταν αναπόφευκτο δεδομένης της ιστορίας του αργύρου ως αντιμικροβιακό ότι η αποτελεσματικότητα των νανοσωματιδίων αργύρου κατά τη θανάτωση ή τη παρεμπόδιση της ανάπτυξης των μικροβίων θα μπορούσε ενδεχομένως να δοκιμαστεί. Από τις πιο πρόσφατες δημοσιευμένες εκθέσεις για τις αντιμικροβιακές ιδιότητες των κολλοειδών αργύρου, τα νανοσωματίδια αργύρου (AgNP) έχει βρεθεί ότι είναι ισχυροί παράγοντες κατά πολυάριθμων ειδών βακτηρίων, συμπεριλαμβανομένων των: E. coli, Enterococcus faecalis, Staphylococcus (aureus & epidermidis), Vibrio cholera, Pseudomonas (aeruginosa, putida, fluorescens & oleoverans), Shigela flexneri, Bacillus (anthracis, subtilis & cereus), Proteus mirabilis, Salmonella enterica, Typhimorium, Micrococcus luteus, Listeria monocytogenes και Klebsiella pneumonia. Τα AgNPs είναι επίσης αποτελεσματικά κατά των στελεχών των οργανισμών που είναι ανθεκτικοί σε ισχυρές αντιμικροβιακές ουσίες χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των MRSA, MRSE, ανθεκτικών στη βανκομυκίνη Enterococcus (VRE) και ευρέου φάσματος b- lactamase (ESBL) που παράγουν Klebsiella. Επιπλέον, τα AgNPs είναι τοξικά για τους μύκητες, φύκη και φυτοπλαγκτόν και είναι ανασταλτικοί σε τουλάχιστον δύο ιούς (HIV και monkeypox).
Υπάρχει μία διαφωνία για το ποια AgNPs είναι τοξικά για τα βακτηριακά κύτταρα. Η πιο συντηρητική άποψη είναι ότι τα άτομα αργύρου αποκολλούνται από τις επιφάνειες των AgNPs και προκαλούν κυτταρική βλάβη από τους ίδιους μηχανισμούς που παρατηρούνται για τα συμβατικά αντιμικροβιακά αργύρου. Μερικές μελέτες που δείχνουν ότι τα AgNPs είναι πιο τοξικά από ένα ισοδύναμο ποσό διαχωρισμένων ιόντων αργύρου αναφέρουν το μοντέλο του ‘Δούρειου Ίππου’ για την κατασκευασμένη τοξικότητα των νανοσωματιδίων, με το οποίο τα AgNPs δρουν ως αποδοτικά οχήματα για να μεταφέρουν μία μεγάλη ποσότητα ιόντων αργύρου στο εσωτερικό των κυττάρων σε ένα χρονικό διάστημα. Υποστήριξη στην υπόθεση ότι τα AgNPs είναι απλά φορείς για Ag+ παρέχεται από μία μελέτη η οποία έδειξε ότι τα AgNPs είναι αναποτελεσματικά για την επιβράδυνση της αύξησης των Ag+ ανθεκτικών στελεχών E. coli. Επιπλέον τα E. coli κύτταρα που εκτίθενται σε 9nm AgNPs παρουσίασαν την ίδια διαταραχή στις δυνατότητες των trans-μεμβρανών και μειωμένα επίπεδα ATP παρατηρήθηκαν νωρίτερα σε κύτταρα E. coli που εκτίθενται σε AgNO3, αν και σε απόλυτες μοριακές συγκεντρώσεις τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερες (μM vs. mM). Είναι σημαντικό ότι η βακτηριογόνος δράση σχετίζεται άμεσα με τη χημική φύση του αργύρου, ενώ παρόμοια νανοσωματίδια χρυσού δεν έχουν αντιμικροβιακή δράση.
Ενώ τα AgNPs χρησίμευαν κυρίως ως πηγή ιόντων Ag+, μπορεί να έχουν επιπλέον αντιμικροβιακούς μηχανισμούς. Για παράδειγμα, κατά την ομαλοποίηση της διατεθείσας συγκέντρωσης Ag+, τα AgNPs έχουν βρεθεί να είναι περισσότερο τοξικά για τα φύκια από τις αντίστοιχες δόσεις των AgNO3. Σε αντίθεση με τη μελέτη που αναφέρεται παραπάνω μία ξεχωριστή έκθεση διαπίστωσε ότι τα AgNPs έχουν μεγάλη αποτελεσματικότητα ενάντια στα αργυρά ανθεκτικά στελέχη των P. mirabilis και E. coli και τόνισε το γεγονός ότι τα σωματίδια διαφόρων μεγεθών, σχημάτων ή άλλων χαρακτηριστικών ενδέχεται να συμπεριφέρονται διαφορετικά, ακόμη και στο ίδιο σύστημα. Υπάρχουν επίσης στοιχεία ότι AgNP επιφάνειες καταλύουν αποτελεσματικά το σχηματισμό των ελεύθερων ριζών στα κύτταρα των βακτηρίων, το οποίο μπορεί να προκαλέσει το θάνατο των κυττάρων μέσα από το οξειδωτικό στρες.
Πέρα από τις διαφορές στην ευαισθησία μεταξύ των βακτηριακών ειδών (κυρίως μεταξύ Gram-αρνητικών και Gram-θετικών δειγμάτων), η ποσοτική τοξικότητα των AgNPs σε βακτήρια ποικίλλει από μελέτη σε μελέτη και φαίνεται να εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Για παράδειγμα μελέτες έχουν δείξει ότι η τοξικότητα των AgNPs αυξάνεται σημαντικά καθώς η διάμετρος των νανοσωματιδίων μειώνεται, το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι μικρότερα νανοσωματίδια έχουν μεγαλύτερες σχετικές περιοχές επιφάνειας για την απελευθέρωση Ag+, έχουν μεγαλύτερες αποδόσεις πρωτεΐνης και μπορούν να εισέρχονται σε βακτηριακές μεμβράνες μέσω των πόρων πιο εύκολα. Η μορφή των νανοσωματιδίων είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας: τριγωνικά AgNPs έχουν καλύτερες βακτηριογόνες ιδιότητες κατά των E. coli απ’ ότι σφαιρικά ή ραβδοειδή σωματίδια, το οποίο αποδίδεται στη μεταβολή ποσοστού των {1 1 1} vs. {1 0 0} επιφανειών που παρουσιάζονται σε νανοσωματίδια του αντίστοιχου σχήματος. Θεωρείται ότι {1 1 1} επιφάνειες έχουν καλύτερη δεσμευτική αποδοτικότητα στις θειικές ομάδες κυτταρικών συστατικών. Το φορτίο επιφάνειας AgNP, η διαλυτότητα, ο βαθμός συσσώρευσης και η επίστρωση της επιφάνειας επηρεάζουν τις αντιμικροβιακές ιδιότητες και τα AgNPs μπορεί επίσης να λειτουργήσουν συνεργατικά με άλλα σημερινά χημικά προϊόντα (π.χ. αμπικιλλίνη) για ενισχυμένα αποτελέσματα. Δυστυχώς στις περισσότερες μελέτες τα AgNPs είναι κακώς χαρακτηριζόμενα και/ή παράγονται με μεθόδους οι οποίες παράγουν νανοσωματίδια με ιδιαίτερα μη ομοιόμορφο μέγεθος και σχήμα, γεγονός που περιπλέκει την αποσαφήνιση σημαντικών σχέσεων δομών-λειτουργίας. Επιπλέον οι ειδικές πρωτεΐνες σε διάφορες βακτηριακές πρωτεΐνες που είναι περισσότερο ή λιγότερο ευάλωτες στην αντιδραστικότητα των AgNP μόλις πρόσφατα αρχίζουν να εντοπίζονται.
Εν ολίγοις είναι σαφές ότι τα AgNPs είναι ισχυρά αντιμικροβιακά ευρέος φάσματος: ελάχιστες ανασταλτικές συγκεντρώσεις των 2-4 μg/ml για AgNPs με διάμετρο 45-50 nm κατά των E. coli, V. cholerae, S. flexneri και τουλάχιστον ενός στελέχους του S. aureus έχουν αναφερθεί, όπου οι βακτηριοκτόνες ιδιότητες της πενικιλίνης είναι ανταγωνιστικές ενάντια στα μη ανθεκτικά στελέχη. Επιπλέον η δραστικότητα αυτή μπορεί εύκολα να χειραγωγηθεί μέσα από τις μοναδικές φυσικές συνέπειες που προσφέρονται από τα νανοϋλικά.

Νανοσύνθετα Πολυμερή που περιέχουν Σωματίδια Αργύρου
Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα των ανόργανων νανοσωματιδίων σε σχέση με τις μοριακές αντιμικροβιακές ουσίες είναι η ευκολία με την οποία τα πρώτα μπορούν να ενσωματωθούν σε πολυμερή για να σχηματίσουν λειτουργικά αντιμικροβιακά υλικά. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα λόγω των ελεγχόμενων ιδιοτήτων απελευθέρωσης των AgNPs, οι οποίες μπορούν να κατασκευαστούν για να παραμένουν ισχυροί αντιμικροβιακοί παράγοντες για μεγάλες χρονικές περιόδους. Κατά συνέπεια τα νανοσύνθετα AgNP/πολυμερή είναι ελκυστικά υλικά για χρήση τόσο σε ιατρικές συσκευές, καθώς και σε υλικά συσκευασίας τροφίμων για τη συντήρηση του προϊόντος στο ράφι. Ενώ ζεόλιθοι αργύρου έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αντιβακτηριακών νανοσύνθετων πολυμερών για κάποιο χρονικό διάστημα, τα νανοσύνθετα με βάση τα AgNP προσφέρουν προστιθέμενη σταθερότητα και πιο αργή ποσοστιαία απελευθέρωση ιόντων αργύρου σε αποθηκευμένα τρόφιμα, η οποία είναι σημαντική για τη διάρκεια της αντιμικροβιακής δράσης. Για παράδειγμα, όταν η αντιμικροβιακή δράση των AgNP/SiO2 νανοσύνθετων υλικών συγκρίθηκε με αυτή ζεόλιθων Αg+ και των AgNO3/SiO2 συνθέτων, τα δύο τελευταία υλικά είχαν περισσότερες (10) ισχυρές αντιμικροβιακές αντιδράσεις ενώ ακόμη τα νανοσύνθετα επιτρέπονται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα δραστηριότητας. Έτσι ενώ ένα υλικό με βάση το ζεόλιθο είναι πιθανό να προσφέρει μία ανώτερη άμεση ισχύ, η συνεχής αντιμικροβιακή δράση των νανοσύνθετων τα κάνει πιο εφαρμόσιμα στη συσκευασία των τροφίμων που απαιτούν μεγάλες αποστάσεις μεταφοράς ή χρόνο συντήρησης. Να σημειωθεί ότι όπως στην περίπτωση των απλών AgNP, τα AgNP/SiO₂ νανοσύνθετα υλικά βρέθηκαν να είναι αποτελεσματικά κατά ενός ευρέος φάσματος βακτηρίων και μυκήτων, ήταν πιο αποτελεσματικά κατά των Gram-αρνητικών απ’ ότι κατά των Gram-θετικών βακτηρίων, και θα μπορούσαν να ενσωματωθούν μέσα σε ένα PP πολυμερές για τη δημιουργία αντιμικροβιακών φιλμ που θα έρχονται σε επαφή με τρόφιμα.
Πολυάριθμα AgNP/πολυμερή PNCs έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Οι Sanchez et al., για παράδειγμα, επικάλυψαν μία πέντε στρωμάτων πλαστική μεμβράνη με ένα στρώμα AgNP/πολυαιθυλενίου νανοσύνθετου και βρήκαν την αντιμικροβιακή δράση κατά του μύκητα A. niger, μίας κοινής προσβολής για τα τρόφιμα. Επιπλέον βρήκαν (Εικόνα 7, πάνω) ότι η δράση αυτή εξαρτάται από την μέθοδο της επίστρωσης: μέθοδοι που οδηγούν σε μία πιο τραχιά επιφάνεια είχαν υψηλότερη δράση από εκείνες που είχαν ως αποτέλεσμα μία ομαλότερη επιφάνεια. Munstedt et al., δημοσίευσαν πολλές μελέτες για AgNP/PA-6 και /PP PNCs (AgNP μέγεθος σωματιδίων 800nm), τα οποία παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση κατά των E. coli, S. aureus καθώς και κατά του μύκητα C. albicans, των πολυχαιτών σκουληκιών (S. spirorbis), θαλασσίων squirts (C. intestinallis) και φυκιών (U. intestinallis). Η αντιμικροβιακη δράση βρέθηκε επίσης ότι είναι εξαρτώμενη από παράγοντες οι οποίοι επιδρούν στο ποσοστό απελευθέρωσης ιόντων αργύρου, όπως ο βαθμός κρυσταλλικότητας του πολυμερούς, το είδος πλήρωσης, η υδροφοβικότητα της μήτρας και το μέγεθος των σωματιδίων. Κολλοειδή σωματίδια αργύρου επικαλύφθηκαν επίσης σε πάχος 90-150 nm με χαρτί χρησιμοποιώντας ακτινοβολίες υπερήχων και αυτό το χαρτί επικάλυψης φάνηκε να εκδηλώνει άριστη αντιμικροβιακή δράση κατά των E. coli και S. aureus, ‘γεγονός που υποδηλώνει πιθανή εφαρμογή του ως υλικό συσκευασίας τροφίμων για μεγαλύτερη διάρκεια ζωής’. Άλλα AgNP/πολυμερή PNCs που παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση συμπεριλαμβάνουν εκδόσεις σε poly (acrylamide), PVA, PVP, PE, PMMA, PV, PEO, alginate, soda-lime glass, silicone elastone, κυτταρίνη και χιτοζάνη. Τα υλικά με βάση τη χιτοζάνη είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρων, καθώς η χιτοζάνη είναι ένας πολυσακχαρίτης με φυσικές αντιμικροβιακές ιδιότητες, έτσι μία αθροιστική αντιμικροβιακή δράση είναι εφικτή. Επιπλέον φιλμ χιτοζάνης γεμισμένα με AgNPs βρέθηκε επίσης ότι έχουν καλύτερη αντοχή και ιδιότητες φραγμού για αέρια απ’ ότι τα virgin φιλμ που αποτελούνται από το ίδιο υλικό. Οι προσεγγίσεις με συνδεσμολογία στρώμα με στρώμα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία αντιμικροβιακών PNCs με βάση τον Ag+ και τους έχουν ενισχύσει τη δύναμη και τις μηχανικές τους ιδιότητες.
Τα AgNP/πολυμερή νανοσύνθετα υλικά έχουν δοκιμαστεί με πραγματικά συστήματα τροφίμων για τον καθορισμό της επίδρασης των AgNP αντιμικροβιακών ιδιοτήτων στη διάρκεια ζωής των τροφίμων. Για παράδειγμα Mohammad-Fayaz et al., βούτηξαν αποστειρωμένα καρότα και αχλάδια σε διαλύματα αλγινικού που περιείχαν βιοσυντιθέμενα AgNPs, σχηματίζοντας ‘εδώδιμα αντιμικροβιακά φιλμ’. Διαπίστωσαν ότι τα καρότα και τα αχλάδια είχαν λιγότερη απώλεια νερού και μεγαλύτερη αποδοχή των καταναλωτών (κρίθηκε με βάση το χρώμα, την υφή και τη γεύση) κατά τη διάρκεια 10 ημερών (Εικόνα 2). Χυμός πορτοκαλιού αποθηκευμένος στους 4^οC σε LDPE φιλμ που ενσωματώνουν τη δύναμη P105 (μίγμα TiO₂ και 10 nm νανοαργύρου) κατά τη φόρτωση, παρουσίασαν στατιστικά σημαντική μείωση του ρυθμού αύξησης του Lactobacillus plantarum σε χρονικό διάστημα 112 ημερών. Επιπλέον δεδομένου ότι τα σωματίδια αργύρου καταλύουν την καταστροφή του φυσικού αερίου αιθυλενίου, τα φρούτα που αποθηκεύονται υπό την παρουσία AgNPs έχουν πιο αργούς χρόνους ωρίμανσης και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Παρ’ όλες τις εξελίξεις όσον αφορά τη χρήση των νανοδομών του αργύρου για εφαρμογές στη συσκευασία τροφίμων, ολοκληρωμένες μελέτες σε διάφορα συστήματα πολυμερών εξακολουθούν να μην υπάρχουν και πολλή δουλειά χρειάζεται να γίνει για να φωτιστούν βασικές σχέσεις που επηρεάζουν την αντιμικροβιακή δύναμη PNC υλικών με βάση AgNP.

nano2

Εικόνα2
Αποτελεσματικότητα και αποδοχή των καταναλωτών των αντιμικροβιακών PNCs. Πάνω: ποσοστιαία μείωση μετά από 14 ημέρες εναντίον του τροφίμο-αλλοιογόνου μύκητα Asperigillus Νiger, του εναιωρήματος AgNO₃ (μαύρο) και πολλαπλών στρωμάτων φιλμ πολυμερών επικαλυμμένα με AgNP / πολυαιθυλένιο PNC overlayers χρησιμοποιώντας τρεις μεθόδους επικάλυψης. Όλα τα PNC φιλμ παρουσιάζουν αντιμικροβιακή δράση. Η δύναμη της δράσης εξαρτάται από την τραχύτητα του στρώματος του PNC. Κάτω: Αντιληπτή αισθητική αποδοχή (με βάση την υφή, την εμφάνιση και γεύση) των καρότων με επικάλυψη με PNC φίλμ με αλγινικό AgNP / νάτριο (Na-ALG) σε σύγκριση με την αποδοχή των κατάλληλων ελέγχων αποθήκευσης στις ίδιες (27 C) συνθήκες, ως συνάρτηση του χρόνου αποθήκευσης . Οι ταινίες AgNP αύξησαν το χρόνο ζωής των φρέσκων προϊόντων, μειώνοντας την ανάπτυξη των μικροβίων, και μειώνοντας το βάρος και την απώλεια πρωτεΐνης.

Νανοσωματίδια και Νανοσύνθετα Χαλκού ως Αντιμικροβιακά Υλικά Συσκευασίας Τροφίμων
Ο χαλκός είναι ένα βασικό στοιχείο και είναι παρών στα περισσότερα τρόφιμα με τη μορφή ιόντων ή αλάτων σε επίπεδα, στις περισσότερες περιπτώσεις, κάτω από 2 mg Cu2+/kg (κρέας, ψάρι, πράσινα λαχανικά κ.ά.) αλλά έως και 39 mg Cu2+/kg στο κακάο και το συκώτι. Σε χαμηλές συγκεντρώσεις ο χαλκός είναι ένας συμπαράγοντας για τις μεταλλο-πρωτεΐνες και τα ένζυμα, και παρουσιάζει επίσης αξιοσημείωτες αντιμικροβιακές ιδιότητες. Στο πλαίσιο αυτό, το Φεβρουάριο του 2008 η Αμερικανική Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος (EPA) ενέκρινε την καταγραφή των κραμάτων χαλκού με βάση τον ισχυρισμό ότι μειώνουν τα βακτήρια που συνδέονται με πιθανόν θανατηφόρες μικροβιακές λοιμώξεις, και επιβεβαίωσε την αντιμικροβιακή αποτελεσματικότητα του χαλκού κατά των E. coli 0157:H7, S. aureus, Enterobacter aerogenes και P. αeruginosa (http://www.epa.gov/pesticides/factsheets/copper-alloy-products.htm,consulted 03.05.2011).
Αν και ο χαλκός εφαρμόζεται συνήθως για να διατηρήσει αμόλυντες τις ιατρικές συσκευές και τις επιφάνειες από μικροοργανισμού, άμεσες εφαρμογές στην ασφάλεια των τροφίμων έχουν επίσης αναφερθεί για τα άλατα χαλκού. Χυτά κράματα χαλκού αξιολογήθηκαν σε επιφάνειες εργασίας μεταποίησης τροφίμων και μείωσαν τους κινδύνους που συνδέονται με E. coli 0157:H7, αν και η παρουσία υπολειμμάτων βόειου κρέατος ήταν ένας περιοριστικός παράγοντας για την επιτυχή αναστολή της ανάπτυξης (Noyce, Michels, & Keevil, 2006). Η ανάπτυξη των Salmonella, E. coli 0157:H7 και Chronobacter spp. μπορεί να διαταραχθεί από συγκεντρώσεις ιόντων χαλκού (ΙΙ) (50 mg/kg) σε συνδυασμό με άλλους αντιμικροβιακούς παράγοντες, όπως το γαλακτικό οξύ, σε παρασκευάσματα για βρέφη (Al-Holy, Castro, & Al-Quadiri, 2010) και σε χυμό (Ibrahim, Yang, & Seo, 2008).
Σε σύγκριση με τον άργυρο, η πιθανή βιοκτόνος δράση του χαλκού είναι μικρότερη (περίπου 10 mg Cu²⁺/kg στο νερό είναι απαραίτητα για να σκοτώσουν 106 κύτταρα του Saccharomyces cerevisiae). Όμως τα ιόντα χαλκού μπορούν εύκολα να κινητοποιηθούν λόγω της οξείδωσης. Αντιμικροβιακά νανοσωματίδια (CuNPs) του στοιχειώδη χαλκού ή του οξειδίου του χαλκού μπορούν να παραχθούν από διαφορετικές διαδικασίες. Η χρησιμότητα των ιόντων χαλκού έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα νανοσύνθετα. Ο χαλκός έχει ενσωματωθεί για παράδειγμα, σε υψηλής πίεσης πολυαιθυλένιο (Ushakov, Ul’zutuev, & Kosobudskii, 2008). Επιπλέον, τα διάφορα biobased πολυμερή έχουν χρησιμοποιηθεί ως φορείς αντιμικροβιακού χαλκού. Βαμβακερά υφάσματα έχουν εμποτισθεί με νανοσωματίδια χαλκού ως κολλοειδές διάλυμα (Chattopadhyay & Patel, 2010). Κολλοειδή νανοσωματίδια χαλκού ήταν επίσης τακτικά διανεμημένα σε φιλμ χιτοζάνης που προορίζονταν για εφαρμογές στη συσκευασία τροφίμων (Cardenas, Diaz, Melendrez, Cruzat, & Garcia Cancino, 2009). Και τα νανοσωματίδια χαλκού ήταν ακινητοποιημένα στη χιτοζάνη ομοιοπολικά συνδεόμενα με ίνες κυτταρίνης μετά από μείωση με borohydride (Mary, Bajpai, & Chand, 2009). Τα νανοσωματίδια ήταν αποτελεσματικά κατά των E. coli σε σάλτσες, και θα μπορούσε να είναι χρήσιμα για τη διατήρηση των συνθηκών υγιεινής των συσκευασιών και των προθηκών τροφίμων.

Νανοσωματίδια και Νανοσύνθετα Οξειδίου του Ψευδαργύρου ως Αντιμικροβιακά Υλικά Συσκευασίας Τροφίμων
Ο ψευδάργυρος είναι ένα πανταχού παρών ίχνος μετάλλου και βασικό για ένα μεγάλο αριθμό μεταλλοενζύμων. Νανοσωματίδια ZnO παρουσιάζουν βιοκτόνα δράση και έχουν κάποια πλεονεκτήματα σε σχέση με τα AgNPs, όπως χαμηλότερο κόστος, λευκή εμφάνιση και ιδιότητες αποκλεισμού της UV (Dastjerdi & Montazer, 2010). Παρουσιάζουν επίσης μεγάλη ευελιξία, και ανόργανοι φορείς, όπως η υδροξυαπατίτη, μπορούν επίσης να ναρκωθούν με το οξείδιο του ψευδαργύρου που παρέχει στις νέες δομές την αντιμικροβιακή δράση ενάντια στο E.2 coli, S. aureus και Candida albicans (Stanic et al., 2010).
Η σκοπιμότητα της ενσωμάτωσης του ZnO στα νανοσύνθετα πολυμερή που προορίζονται για τη συσκευασία τροφίμων έχει δοκιμαστεί. Για παράδειγμα Li, Xing, Jiang, Ding και Li (2009) επικάλυψαν poly (χλωρίδιο του βινυλίου) φιλμ με νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου, και ανέφεραν αντιμικροβιακές δραστηριότητες κατά των E. coli και S. aureus. Σε μία πιο πρόσφατη εργασία, Li et al. (2011) επαλήθευσαν επίσης την πιθανότητα νανοσυσκευασίας που περιέχει νανοσωματίδια ZnO κατά τη διάρκεια αποθήκευσης κομμένων Fuji μήλων, παρατηρώντας μία καλύτερη διατήρηση των δεικτών ποιότητας, όπως το ασκορβικό οξύ και η περιεκτικότητα σε πολυφαινόλες, και χαμηλότερα επίπεδα των τυπικά μεταβαλλόμενων μικροοργανισμών. Emamifar et al. (2010) υπέβαλλαν έκθεση σχετικά με την αντιμικροβιακή δράση των νανοσύνθετων του πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας (LDPE), που περιείχαν AgNPs και ZnO, παρουσιάζοντας σημαντικές επιπτώσεις της προτεινόμενης συσκευασίας για τη διάρκεια ζωής χυμού πορτοκαλιού. Επιπλέον, οι συνδυασμοί των νανοσωματιδίων ισοθειοκυανικού αλλύλιου, νισίνης και οξειδίου του ψευδαργύρου, επικαλυμένοι σε γυάλινα βάζα, ήταν σε θέση να αδρανοποιήσουν δραστικά τη Salmonella στην αλβουμίνη του αυγού (Jin & Gurtler, 2011).

Νανοσωματίδια και Νανοσύνθετα Διοξειδίου του Τιτανίου ως Αντιμικροβιακά Υλικά Συσκευασίας Τροφίμων
Το οξείδιο του τιτανίου έχει αξιολογηθεί θετικά ως πρόσθετο τροφίμων (Οδηγία 94/36/ΕΚ, 1994). Τα νανοσωματίδια TiO2 παρουσιάζουν φωτοκαταλυτικές ιδιότητες, όντας χρήσιμα ως αυτοκαθαριζόμενοι και αντιβακτηριακοί παράγοντες και κατά του υπεριώδους φωτός (Nordman & Berlin, 1986). Η φωτοκαταλυτική δράση του TiO2 είναι στενά συνδεδεμένη με την κρυσταλλική δομή, η οποία σχετίζεται με το χαρακτηριστικό χάσμα ζωνών. Το διοξείδιο του τιτανίου μπορεί να βρεθεί σε τρεις διαφορετικές δομές (rutile or anatase, tetragonal and brookite, orthohombic), με διαφορετική αντίδραση ανάλογα με το χαρακτηριστικό χάσμα ζωνών τους. Η ακτινοβολία του διοξειδίου του τιτανίου σε υψηλότερες ενέργειες από το χάσμα ζωνών προκαλεί το σχηματισμό ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, προκαλώντας αντιδράσεις οξειδαναγωγής. Αρνητικά ηλεκτρόνια παράγουν Ο2- και οι θετικές ηλεκτρικές οπές παράγουν ρίζες υδροξυλίου. Αντιδραστικά είδη οξυγόνου οξειδώνουν οργανικά μόρια, και σκοτώνουν βακτήρια και ιούς.
Τα νανοσωματίδια TiO₂ παράγονται ακολουθώντας διαφορετικές μεθοδολογίες με τη sol-gel επεξεργασία να εφαρμόζεται πιο συχνά (Ibrahim & Sreekantan, 2011). Νανοσωματίδια TiO₂ μπορούν να διαμορφωθούν υδροθερμικά στους 180^οC, θερμαίνοντας οξείδιο του τιτανίου με NaOH. Τα καλύτερα αντιμικροβιακά αποτελέσματα επιτεύχθηκαν υπό την παρουσία φωτός UVA ή μαύρων λαμπτήρων (Chorianopoulos, Tsoukleris, Panagou, Falaras, & Nychas, 2011).
Η φωτοκαταλυτική δράση του TiO₂ έχει αποδειχτεί ιδιαίτερα χρήσιμη για την απολύμανση του νερού, και του νερού πλυσίματος, που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό ελάχιστα μεταποιημένων τροφίμων (Chaleshtori, Masud, & Saupe, 2008). Στην επεξεργασία τροφίμων, μία από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές των νανοσωματιδίων TiO₂ ως αντιμικροβιακά είναι η μείωση των κινδύνων που συνδέονται με βιοφίλμ σε επιφάνειες που έρχονται σε επαφή με τρόφιμα (π.χ. βιοφίλμ της L. monocytogenes, Chorianopoulos et al., 2011), ή η βελτίωση του καθαρισμού του ανοξείδωτου χάλυβα (Verran, Packer, Kelly, & Whitehead, 2010). Η βιοκτόνος ικανότητα των νανοσύνθετων TiO₂ με τυπικά υλικά συσκευασίας έχει επίσης εξετασθεί. Για παράδειγμα, EVOH (συμπλυμερές του αιθυλενίου και της βινυλικής αλκοόλης)-TiO₂ νανουλικά με 2-5% TiO₂ ήταν καλά διασπαρμένα και οι μηχανικές τους ιδιότητες ενισχύθηκαν. Ήταν αποτελεσματικά ενάντια στους Gram+ και Gram- μικροοργανισμούς και διατηρήθηκε η αυτο-στειρότητά τους (Cerrada et al., 2008). Νανοσωλήνες TiO₂ γεμισμένοι με χιτοζάνη παρήγαγαν UVblocking ημιδιαφανείς ταινίες (Diaz-Visurraga, Melendrez, Garcia, Paulraj, & Cardenas, 2010); χωρίς διέγερση-UV, διακριτική βακτηριογόνος δράση κατά των E. coli, S. enterica και S. aureus έχει αναφερθεί, όντας πιο αποτελεσματικοί κατά των Gram- μικροοργανισμών.
Τουλάχιστον δύο μελέτες έχουν αναφερθεί στη δυνατότητα του TiO₂ για μείωση των κινδύνων που συνδέονται με την επιφάνεια των στερεών τροφίμων. Quartz γυαλί επικαλυμμένο με TiO₂ σε UV αντιδραστήρα με 5 λάμπες που εξέπεμπαν στα 254 nm, ήταν αποτελεσματικό για την ενίσχυση της αντιμικροβιακής δράσης του υπεριώδους φωτός, με μία αξιοσημείωτη μείωση έως 2.8 log10 CFU/g σε E. coli, L. monocytogenes, S. aureus και S. typhimurium σε εμβολιασμένο μαρούλι iceberg (Kim et al., 2009). Επίσης φίλμ πολυπροπυλενίου επικαλυμένα με TiO2 φωτιζόμενα με πηγές υπεριώδους φωτός, ήταν αποτελεσματικά στη μείωση του αριθμού των E. coli σε in intro πειράματα μέχρι 3 log₁₀ CFU/g, αλλά επίσης κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης του μαρουλιού μία μείωση άνω του 1 log₁₀ CFU/g παρατηρήθηκε (Chawengkijwanich & Hayata, 2008).