Efecto de agregar nano

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5063 (2023) Citar este artículo

Se desarrollaron películas biocompuestas basadas en hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) reforzadas con nanopartículas de plata (AgNP) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP). Se determinaron algunas propiedades físicas y mecánicas: Resistencia a la tracción (TS), elongación (E), módulo elástico de Young (EM), permeabilidad al vapor de agua (WVP) y transparencia. También se estudiaron las propiedades antibacterianas de estas películas. Los valores de resistencia a la tracción de la película de HPMC reforzada con Ag NP y TiO2-NP y HPMC sin nanopartículas fueron 39,24, 143,87 y 157,92 MPa, respectivamente. El alargamiento de la película HMPC fue menor que el de la película HPMC reforzada con AgNP y TiO2-NP, los resultados fueron 2, 35 y 42%, respectivamente. Además, se determinó que el módulo elástico de Young de la película HMPC era 19,62 MPa y la película HPMC reforzada con AgNP y TiO2-NP era 4,11 y 3,76 MPa, respectivamente. Los valores de WVP de la película HMPC fueron mayores que los de la película HMPC reforzada con AgNP y TiO2-NP, donde fueron 0.5076 × 10-3, 0.4596 × 10-3 y 0.4504 × 10-3 (g/msPa), respectivamente. Las películas de nanocompuestos demostraron una fuerte actividad antibacteriana contra las bacterias patógenas probadas en la zona de la superficie de contacto. Las actividades antibacterianas de AgNP (~ 10 nm) a 80 ppm fueron más activas que 20 y 40 ppm contra patógenos transmitidos por alimentos, es decir, Bacillus cereus y Escherichia coli, los diámetros de la zona de inhibición fueron de 9 y 10 mm, respectivamente. Además, las NP de TiO2 (~ 50 nm) a 80 ppm fueron más activas que 20 y 40 ppm contra B. cereus y Salmonella Typhimurium, los diámetros de la zona de inhibición fueron de 11 y 10 mm, respectivamente.

En el sector alimentario, el uso de nanomateriales se ha vuelto muy importante y atractivo, especialmente los materiales de embalaje. Las películas y materiales de recubrimiento comestibles se utilizan comúnmente como materiales de empaque apropiados para prolongar la vida útil de los alimentos frescos. Estos nanomateriales tienen propiedades distinguidas en comparación con otros materiales debido a su alta relación superficie-volumen y otras propiedades fisicoquímicas únicas como color, solubilidad, resistencia, difusividad, toxicidad, magnéticas, ópticas y termodinámicas, etc.1. La nanotecnología ha traído consigo una nueva revolución industrial y tanto los países desarrollados como los países en desarrollo están interesados ​​en invertir más en esta tecnología2. Por lo tanto, la nanotecnología ofrece una amplia gama de oportunidades para el desarrollo y aplicación de estructuras, materiales o sistemas con nuevas propiedades en diversas áreas como la agricultura, la alimentación y la medicina, etc. La comercialización de nanoalimentos se estimó en unos 35.500 millones de dólares en 2013 y 100 mil millones de dólares en 20203.

La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en el medio ambiente, que es renovable, reciclable y biodegradable (en carbono, hidrógeno y oxígeno)4. En particular, la celulosa es más adecuada para fines de embalaje ya que no es un polímero termoplástico, mientras que sus derivados éster (metilcelulosa (MC), hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), hidroxipropilcelulosa (HPC) y etilcelulosa (EC)) son polímeros termoplásticos biodegradables. . La hidroxipropilmetilcelulosa y el MC son solubles en agua fría, pero después de calentarlos forman un gel térmicamente reversible y relativamente duro mediante un proceso de calentamiento a 50–80 °C5,6. La hidroxipropilmetilcelulosa es un material inodoro, insípido, transparente, estable, resistente al aceite, no tóxico y comestible con buenas propiedades formadoras de película. Es un polímero no iónico con estructura lineal de moléculas de glucosa, en la que su matriz se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno7,8.

Las nanopartículas de plata se encuentran entre las nanopartículas más exploradas, debido a su potencial antimicrobiano establecido contra múltiples comensales y cepas patógenas9. Además de las cepas bacterianas, se sabe que las nanopartículas de plata tienen un efecto inhibidor contra múltiples hongos y también contra varios virus10. La plata se dirige al metabolismo bacteriano uniéndose a su ADN, proteínas y enzimas; resultando en efectos bacteriostáticos11. Las nanopartículas de plata desestabilizan y alteran tanto la membrana externa como la citoplasmática12. Las nanopartículas de plata también inhiben las enzimas de la cadena respiratoria y también pueden estimular la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS)13.

Naturalmente, el dióxido de titanio existe en tres fases principales, es decir, anatasa, rutilo y brookita; con tamaños de cristal variados (el diámetro osciló entre 2 y 6 nm)14. El TiO2 posee capacidades fotocatalíticas y a nanoescala el TiO2 muestra reactividad superficial, lo que lo conecta con moléculas biológicas (proteínas y péptidos fosforilados) y ADN15. La energía superficial de las nanopartículas de TiO2 amplifica con el tamaño las propiedades antibacterianas del TiO2 es bien conocida16; sin embargo, la capacidad antibacteriana de las nanopartículas de TiO2 se limita a la exposición a la irradiación UV17. Aunque el mecanismo exacto de la actividad biocida del TiO2 no está claro, puede atribuirse a su ataque oxidativo inicial sobre la membrana celular bacteriana externa/interna, las alteraciones del TiO2 no están claras, pueden atribuirse a su ataque oxidativo inicial sobre la membrana celular externa/interna. membrana celular bacteriana interna, alteraciones de la actividad enzimática dependiente de la coenzima A y daño del ADN a través de radicales hidroxilo18.

Se estudiaron la resistencia a la tracción (TS), la permeabilidad al vapor de agua (WVP), el % de elongación (E), la capacidad de adsorción y el % de materia soluble (SM) de agua en películas de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) reforzadas con polietilenglicol (PEG). El TS entre 17 y 44 N/mm2 y el WVP de las películas se determinó entre 0,232·1010–1,160·1010 g/msPa y el %E entre 14 y 97%, dependiendo de la composición. El contenido de humedad (MC), el contenido de etanol y la presión del PEG afectaron la formación de la película. La adición de PEG a la matriz polimérica aumentó la WVP, el alargamiento (E) y la solubilidad, pero disminuyó la resistencia a la tracción (TS)19.

La inocuidad de los alimentos es un concepto importante y un problema de salud en los países desarrollados y en desarrollo20. El Centro para el Control y la Prevención de Enfermedades21 informó que alrededor de 179 millones de personas enferman, 428.000 son hospitalizadas, 6.000 mueren y cuestan 15.600 millones de dólares cada año en EE.UU. debido a cinco patógenos transmitidos por los alimentos. Además, según el informe del Banco Mundial22, las enfermedades transmitidas por los alimentos en los países en desarrollo costaron ~110 mil millones de dólares, 600 millones de casos de enfermedades y 420.000 muertes prematuras en Asia y África. Cinco patógenos transmitidos por alimentos registran aproximadamente (88%) de las muertes relacionadas con los alimentos enumerados: Salmonella no tifoidea (35%), Norovirus (26%), Campylobacter (15%), Toxoplasma gondii (8%) y Escherichia coli (4). %)21. Una forma de controlar los patógenos transmitidos por los alimentos y su deterioro es desarrollar películas antimicrobianas para envasar alimentos.

Estudiar las propiedades de estas películas es muy importante para la conservación de alimentos, por lo que el objetivo principal de este trabajo es desarrollar una película comestible a partir de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) reforzada con nanopartículas (AgNPs y TiO2NPs) y estudiar algunas propiedades mecánicas y antibacterianas. de estas películas. Estas propiedades incluyen: resistencia a la tracción (TS), alargamiento (E), módulo elástico de Young (EM), permeabilidad al vapor de agua (WVP) y transparencia.

Las nanopartículas de plata (AgNP), las nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP) y el glicerol se adquirieron de Nano Gate Company, El Cairo, Egipto. La hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) fue suministrada desde el polígono industrial GIDC, India. Bacillus cereus (ATCC7464), Salmonella Typhimurium (ATCC14028), E. coli (ATCC87939) y Staphylococcus aureus (ATCC 6538) se obtuvieron del (Centro de Recursos Microbiológicos, MIRCEN y El Cairo, Egipto). Como se muestra en la Tabla 1, los compuestos de las películas biocompuestas se elaboraron a partir de agua destilada, HMPC, glicerol, AgNP y TiO2NP.

Las nanopartículas de plata (AgNP) se han preparado mediante el método de reducción química según lo informado por Pal et al23. Para la síntesis de nanopartículas de Ag se utilizó un horno microondas marca SHARP (modelo: R259). En un procedimiento típico, se tomaron 10 ml de solución etanólica al 1% (p/v) de polivinilpirrolidona (PVP) y 0,2 ml de AgNO3 0,1 M en un matraz cónico cerrado de 25 ml y se colocaron en un horno de microondas que funcionaba a la misma temperatura. 100% potencia de 800 W y frecuencia 2450 MHz durante 5 s. La solución incolora adquirió instantáneamente el característico color amarillo pálido, lo que indica la formación de nanopartículas de plata. La ventaja de la síntesis mediada por microondas sobre el calentamiento convencional es la mejora de la cinética de la reacción generalmente en uno o dos órdenes de magnitud, debido al rápido calentamiento inicial y la generación de zonas localizadas de alta temperatura en los sitios de reacción24.

Las nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP) se prepararon según Salah et al25 con algunas modificaciones. Brevemente, el tamaño de los compuestos metálicos (~ 0,6 ± 1 μm, 120 pureza, 99,9 %, Loba, Chemi, Pvt. Ltd, India) se molió en celdas de acero (250 ml) utilizando bolas de acero endurecido (diámetro 15 mm, peso 32 g). en atmósfera ambiente por diferentes tiempos que van de 2 a 50 h. La molienda mecánica se realizó en un molino oscilatorio horizontal (Retsch, PM 400) que funciona a 25 Hz. La proporción de mezcla de bolas de acero y polvos fue de aproximadamente 15:1 por ciento en peso. En este experimento se utilizaron dos celdas paralelas (el peso total de la muestra en polvo fue de 20 g).

La hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) se preparó según De Moura et al26 con algunas modificaciones. Brevemente, cada 40 g de HPMC se disolvió en 1000 ml de agua destilada a 70 °C y se agitó a 1000 rpm/min durante 2 h hasta su completa disolución. Se agregó 1 mL de glicerol al 30% como plastificante, luego se agregaron 80 ppm de diferentes nanopartículas con agitación durante 30 min. La solución se esterilizó en autoclave (121 °C/15 min a 15 psi). Luego se vertió en placas de Petri de vidrio de 25 × 20 cm en condiciones esterilizadas y se dejó secar durante la noche (18 h) en un flujo de aire laminar a 25 ° C y se mantuvo en almacenamiento en frío hasta su uso. En la figura 1a. Película de control HPMC sin nanopartículas, Fig. 1b. Película de HPMC reforzada con nanopartículas de plata con una concentración de 80 ppm y Fig. 1c. Película de HPMC reforzada con nanopartículas de óxido de titanio con una concentración de 80 ppm.

Película HPMC.

Las propiedades ópticas características de las nanopartículas de Ag se registraron utilizando el espectrofotómetro UV-vis PerkinElmer Lambda 35. Los espectros se registraron utilizando una celda de cuarzo de 1 cm3. El espectro de emisión (220 nm) de la solución se registró utilizando un espectrofluorómetro de JASCO. Las distribuciones de tamaño, forma y tamaño de partículas se determinaron utilizando un microscopio electrónico de transmisión JEOL JEM-2011 operado a un voltaje de aceleración de 200 kV. Las imágenes se registraron utilizando una cámara CCD Gatan DualVision 600t conectada al microscopio y se analizaron utilizando Gatan Digital Micrograph versión 3.11.1. El TEM se calibró para el modo de difracción y de imagen utilizando muestras estándar. La resolución del sistema fue calibrada con manganeso (Mn)27. Las muestras se prepararon para el análisis TEM colocando una gota de la solución sobre una rejilla de cobre recubierta de carbón y secándola al aire. El análisis de rayos X de energía dispersiva se realizó con un sistema Princeton Gamma Tech Prism 1G con un detector de silicio de 10 mm2 conectado al TEM y los picos se analizaron con el software Imix 10.59427.

La difracción de rayos X (DRX) de las nanopartículas se midió utilizando un difractómetro de rayos X (Rigaku D/Max-B, Tokio, Japón) según Akbari et al28. Las muestras se colocaron en portaobjetos de vidrio y los espectros se registraron utilizando radiación de Cu (longitud de onda de 0,1541 nm) y una onda de filtrado de monocromador de níquel a 40 kV y 30 mA. El tamaño promedio de los cristalitos de (TiO2-NP) se estimó utilizando la ecuación de Scherer:

donde D es el tamaño del cristalito, λ es la longitud de onda de los rayos X, β es el ancho total en el máximo del pico y θ es el ángulo central del pico de difracción.

Las actividades antibacterianas de las nanopartículas contra patógenos transmitidos por los alimentos se realizaron mediante el método de difusión en disco en medio de agar tríptico de soja (TSA) según Salari et al29. El inóculo (100 μl) se ajustó a las nanopartículas empleadas en este estudio (20, 40 y 80 ppm), que se midieron después de la incubación a 37 ° C durante 24 a 48 h. las zonas de inhibición del crecimiento bacteriano se midieron en unidades de mm.

Los espesores de las películas se midieron con un micrómetro digital (Mitutoyo Manufacturing Co. Ltd., Japón, sensibilidad ± 0,001 mm en 5 posiciones aleatorias en la película, después de WVP y pruebas de tracción anteriores. WVP y las propiedades mecánicas se calcularon en base al espesor promedio19.

Los TS, BEF y EM de películas comestibles compuestas se determinaron según Hazirah et al30. Se utilizó un instrumento de prueba universal Instron (modelo 1011) para determinar la TS y el %E de la película. Las muestras de película de prueba eran tiras rectangulares de 38 mm de largo y 5,79 mm de ancho como se sugiere en ASTM D683M31. Se utilizó una velocidad de deformación de 50 mm/min. Todas las tiras de película se equilibraron durante una semana a 52 ± 2 % de humedad relativa en un gabinete usando una solución saturada de nitrato de magnesio a temperatura ambiente (25 ± 1 C). Se probaron al menos cuatro réplicas de cada película de MC. Las tres pruebas se realizaron en películas compuestas comestibles31. Los valores de TS, EAB y EM se calcularon utilizando:

donde Fmax es la carga máxima (N) necesaria para separar la muestra y A es el área de la sección transversal m2 de la muestra de película.

donde lmax es el alargamiento de la película (mm) en ese momento de ruptura y lo es la longitud de agarre inicial (mm) de la muestra.

donde la tensión es la carga (N) dividida por el área (mm2) y la deformación es el cambio de longitud (mm) dividido por la longitud original (mm).

La WVP de las películas se determinó gravimétricamente a 25 ± 1 °C utilizando un procedimiento ASTM E96-8031 modificado. La película de prueba se selló a un plato de vidrio que contenía cloruro de calcio anhidro (Merck, Darmstadt, Alemania), 0 % de HR, y el plato se colocó en un desecador mantenido a 52 ± 2 % de HR con nitrato de magnesio saturado (Merck, Darmstadt, Alemania). ). El vapor de agua transferido a través de la película y absorbido por el desecante se determinó midiendo el aumento de peso. WVP se calculó a partir de la siguiente ecuación:

donde WVP está en g/msPa, x es el espesor de la película (m), A es el área de la película expuesta (m2), DP es el diferencial de presión de vapor de agua a través de la película (Pa) y C es la pendiente del peso. ganancia del plato, con una precisión de 0,0001 g, frente al tiempo. Generalmente, se realizaron diez pesajes en un período de 7 a 10 h. Las pendientes se calcularon mediante regresión lineal y el coeficiente de correlación (r2) para todos los datos informados fue de 0,99 o mayor. Se analizaron al menos tres réplicas de cada tipo de película para detectar WVP.

La Figura 2 muestra que la transparencia de las películas reforzadas con nanomateriales se determinó mediante el medidor de transmisión PL del medidor de transmisión de espectro LS108, el medidor de transmisión BL y el medidor de transmitancia de luz según Hazirah et al30. Tiene las siguientes características y parámetros:

Medidor de transmisión de espectro LS108.

Característica:

Medidor de transmisión PL, medidor de transmisión BL, medidor de transmitancia de luz, tres funciones en UN dispositivo.

Autocalibración y autocalibración, NO necesita ningún ajuste manual.

Operación simple, colocando la muestra de prueba en la posición de prueba, se mostrarán simultáneamente los valores de transmisión PL, BL y VL de la muestra.

Parámetro:

Tamaño: 200 mm*180 mm*106 mm (largo*ancho*alto)

Tamaño de la muestra de prueba: > ￠3 mm

Peso: 1500 gramos

Resolución: 0,1%

Precisión: ± 2% (Material incoloro y transparente)

Luz violeta Longitud de onda máxima: 395 nm

Luz azul Longitud de onda máxima: 460 nm

Luz visible Longitud de onda máxima: 550 nm

Fuente de alimentación: Adaptador de 5 V CC.

Se estudiaron las propiedades de los nanomateriales utilizados en la fabricación de películas para embalaje, como la plata (AgNP) y el óxido de titanio (TiO2NP). Se estudiaron las propiedades de las películas como resistencia a la tracción (TS), alargamiento (E), módulo elástico de Young (EM), permeabilidad al vapor de agua (WVP), transparencia y propiedades antibacterianas de la película biocompuesta para las películas comestibles reforzadas. con AgNP y TiO2 -NP.

La Figura 3 muestra que los tamaños de partículas esféricas eran de 10 ± 2 nm de diámetro. El análisis TEM se llevó a cabo con una dilución de 100 veces de una suspensión coloidal; solo se observaron unas pocas partículas en la pequeña sección de la imagen de alta resolución. La utilización del tratamiento de irradiación con microondas muestra buenos resultados no sólo debido a un calentamiento más rápido sino que también proporciona partículas monodispersas uniformemente distribuidas. El color de la solución cambió mediante la formación de nanopartículas de plata. La característica banda de plasmón superficial a 416 nm, que es ligeramente más alta, se mostró en el espectro visible de las nanopartículas de plata (Fig. 4). Estos resultados coincidieron con los obtenidos por Pal et al23,27. Las nanopartículas de plata tenían un índice de refracción del medio circundante debido a su ligero desplazamiento hacia el rojo en el plasmón de la superficie.

Muestra el TEM de AgNP en diferentes escalas (A) 100 nm, (B) 20 nm.

Espectroscopia UV-vis y fluorescencia de nanopartículas de plata.

Las TiO2-NP se midieron mediante XRD para determinar el tamaño de los cristalitos y la pureza de las nanopartículas. El tamaño de cristalinidad de las nanopartículas se confirmó mediante análisis XRD como se muestra en la Fig. 5. El espectro XRD de las nanopartículas secas fue de alta pureza, picos claros y amplios. El patrón XRD encaja bien con una estructura de wurtzita y un cristal promedio (diámetro). Por lo tanto, los resultados de la caracterización XRD permiten concluir que el tamaño de las nanopartículas tiene un radio de alrededor de 50 ± 5 nm. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Aboud et al32.

Patrón XRD de nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP).

La Tabla 2 muestra las actividades antibacterianas de las nanopartículas inorgánicas, es decir, nanopartículas de plata (AgNP) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP) contra cuatro patógenos transmitidos por alimentos: Bacillus cereus, Salmonella Typhimurium, E. coli y Staphylococcus aureus. Se evaluaron los resultados realizados con Ag- Nps (~ 10 nm) y TiO2-NP (~ 50 nm) a 80 ppm fueron eficaces contra patógenos transmitidos por alimentos, es decir, B. cereus, S. Typhimurium, E. coli 0157:H7 y S. aureus, que 20 y 40 ppm. respectivamente. Estos resultados concuerdan parcialmente con los resultados indicados por Khezerlou et al33 y Ejaz et al34. Además, las AgNP a 80 ppm fueron más efectivas contra B.Cereus y E. Coli. Estos resultados concuerdan con los datos informados por Nanda y Saravanan35. Además, las NP de TiO2 a 80 ppm fueron más activas contra B.cereus y S. Typhimurium, estos resultados fueron similares a los obtenidos por Martínez-Gutiérrez et al36. Las películas compuestas incorporadas de AgNP y TiO2-NP demostraron una fuerte actividad antibacteriana contra las bacterias patógenas transmitidas por alimentos tanto Gram positivas como Gram negativas.

La Figura 6 muestra las actividades antibacterianas de nanopartículas de plata (Ag-NP) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NP) en diferentes concentraciones de 20, 40 y 80 ppm contra S. Typhimurium. Los resultados fueron a una concentración de 80 ppm para (Ag-NPs) y (Tio2-NPs) mayor valor que 20 y 40 ppm, el diámetro de la zona de inhibición fue de 8 y 10 mm, respectivamente, en la Fig. 7 se muestra que las actividades antibacterianas de nanopartículas de plata (Ag-NPs) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2 -NPs) a diferentes concentraciones 20, 40 y 80 ppm contra E. coli. Los resultados fueron a una concentración de 80 ppm para (Ag-NPs) y (Tio2-NPs) mayor valor que 20 y 40 ppm, el diámetro de la zona de inhibición fue de 10 y 9 mm, respectivamente, en la Fig. 8 se muestran las actividades antibacterianas de nanopartículas de plata (Ag-NPs) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NPs) en diferentes concentraciones 20, 40 y 80 ppm contra S.aureus. Los resultados fueron a una concentración de 80 ppm para (Ag-NPs) y (TiO2 -NPs) valor superior a 20 y 40 ppm, el diámetro de la zona de inhibición fue de 8 y 8 mm, respectivamente, y en la Fig. 9 se muestran las actividades antibacterianas. de nanopartículas de plata (Ag-NPs) y nanopartículas de óxido de titanio (TiO2-NPs) en concentraciones de 20, 40 y 80 ppm contra B.cereus. Los resultados fueron que a una concentración de 80 ppm para (Ag-NPs) y (TiO2-NPs) mayor valor que 20 y 40 ppm, el diámetro de la zona de inhibición fue de 9 y 11 mm, respectivamente.

Actividades antibacterianas de nanopartículas a diferentes concentraciones contra S. Typhimurium.

Actividades antibacterianas de nanopartículas a diferentes concentraciones contra E. coli.

Actividades antibacterianas de nanopartículas a diferentes concentraciones contra S. aureus.

Actividades antibacterianas de nanopartículas en diferentes concentraciones contra B. cereus.

Se probó el espesor promedio de las películas de biocompuestos (HMPC, HMPC reforzado con AgNP y HMPC reforzado con TiO2NP). Como se muestra en la Tabla 3, los valores de los resultados de la película de control (HMPC), HMPC-AgNP y HMPC-TiO2NP fueron 0,30, 0,19 y 0,12 µm, respectivamente.

Se evaluaron las propiedades mecánicas como resistencia a la tracción, elongación y módulo elástico de Young. Como se muestra en la Tabla 4, los valores de tracción de la película de HPMC reforzada con Ag NP y TiO2-NP fueron mayores que los de la resistencia a la tracción de las películas de HPMC sin nanopartículas (control), los valores de los resultados fueron 39,24, 143,87 y 157,92 MPa, respectivamente, para HMPC. , HMPC reforzado con AgNP y HMPC reforzado con TiO2NP. Por otro lado, se probó el alargamiento, los resultados obtuvieron que, la película de HPMC reforzada con Ag NP y TiO2-NP tiene mayor valor de alargamiento en comparación con las películas de HPMC sin nanopartículas (control), los valores de los resultados fueron 2, 35 y 42. %, respectivamente, para HMPC, HMPC reforzado con AgNP y HMPC reforzado con TiO2NP. Además de evaluar el módulo elástico de Young, los resultados muestran que las películas de HPMC reforzadas con NP de Ag y NP de TiO2 tienen valores más bajos en comparación con las películas de HPMC sin nanopartículas (control). Los valores de elongación fueron 19,62, 4,11 y 3,76 MPa, respectivamente. Esto se debe a (a) la capacidad de las nanopartículas para llenar los poros entre las estructuras de las películas de HPMC. (b) El agua evapora la permeabilidad durante la formación de la película (c) Por lo tanto, el aumento del área superficial refuerza el (d) espesor de la película y es biodegradable. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Martínez-Gutiérrez et al36, Jiménez et al37, Silva-Weiss et al38, Ahmadi et al39, Osorio et al40 y Sievens-Figueroa et al41.

Las propiedades mecánicas como la tracción, el alargamiento y el módulo elástico de Young se evaluaron mediante un análisis de textura. En la Fig. 10 se muestra la curva de textura de la película HPMC (Control), la Fig. 11, un análisis de textura, muestra la curva de textura de HPMC-AgNP, y la Fig. 12, un análisis de textura, muestra la curva de textura de HPMC-TiO2 NP.

Curva de textura de la película HPMC (Control).

Curva de textura de una película de HPMC reforzada con AgNP.

Curva de textura de una película de HPMC reforzada con TiO2-NP.

Las Figuras 13, 14 y 15 muestran la relación entre el aumento de peso y el tiempo para calcular la pendiente (C) mediante regresión lineal (Y) y el coeficiente de correlación (r2) que se utiliza para determinar la WVP transferida a través de la película se determinó midiendo la aumento de peso. Como se muestra en la Tabla 5, la pendiente de las películas de biocompuestos que se utiliza para determinar la permeabilidad al agua de las películas de biocompuestos reforzadas con nanopartículas.

Gráfico de película HMPC.

Gráfico de película HMPC reforzada con Ag NP.

Gráfico de película HMPC reforzada con NP de TiO2.

La Tabla 6 muestra el promedio de aumento de peso con el tiempo para determinar el WVP de películas biocompuestas. Los resultados de WVP mostraron que las películas de HPMC reforzadas con Ag NP y TiO2-NP tenían menos valor que las películas de HPMC sin nanopartículas (control), los valores de los resultados fueron 0.5076 × 10–3 y 0.4596 × 10–3, y 0.4504 × 10 –3 (g/msPa), respectivamente. Estos datos se revierten a (a) espesor de la película. (b) La capacidad de las nanopartículas para llenar los poros entre la estructura de las películas de HPMC. (c) Difusión de HPMC con diferentes nanopartículas y forma de estructura homogeneizada37. El valor del espesor de la película (x) del control HMPC fue de 0,164 µm. Los valores de espesor de las películas comestibles reforzadas con AgNPs y TiO2NPs fueron 0,1855 y 0,1455 µm, respectivamente. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por Jiménez et al37, Silva-Weiss et al38, Ahmadi et al39, Osorio et al40 y Sievens-Figueroa et al41.

La Tabla 7 muestra la transparencia de la película biocompuesta basada en una película de HPMC reforzada con nanopartículas de Ag NP y TiO2-NP en comparación con HPMC únicamente. Se pudo observar que el pico de luz visible (VL) a diferentes longitudes de onda 395, 430 y 550 nm osciló entre 45 y 63% para películas de HPMC reforzadas con películas de nanopartículas de Ag NP y TiO2-NPs, que osciló entre 58 y 73% para Control HPMC. Esto se debe a la diferencia de color en las películas reforzadas con nanopartículas42.

La película biocompuesta a base de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) se preparó con concentraciones de AgNP y TiO2-NP mediante el método de fundición. Los resultados han demostrado que algunas propiedades del biocompuesto se vieron afectadas por el contenido de AgNP y TiO2-NP. Las AgNP y TiO2-NP provocaron una mejora en la WVP de los biocompuestos. La transparencia en la película de control fue más valiosa que la película HMPC reforzada con diferentes muestras de nanopartículas. La resistencia mecánica de la película aumentó después de la formación del compuesto con AgNP y TiO2 NP. Sin embargo, la adición de nanopartículas dio como resultado mayores valores de alargamiento de rotura. Las películas biocompuestas reforzadas con AgNP y TiO2-NP incorporadas demostraron una fuerte actividad antibacteriana contra las bacterias patógenas transmitidas por alimentos tanto Gram positivas como Gram negativas. Los AgNP y TiO2-NP agregados a la película HMPC se pueden utilizar como nuevos materiales activos de envasado de alimentos para prolongar la vida útil de los alimentos durante el almacenamiento. Sin embargo, se necesitan más estudios para determinar la toxicidad potencial de los nanomateriales liberados de la matriz del biopolímero y su migración a los alimentos.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Área de la sección transversal de la muestra de película.

Nanopartículas de plata

Pendiente del aumento de peso del plato.

Tamaño de cristalita

Alargamiento

módulo elástico de Young

Carga máxima necesaria para separar la muestra

Hidroxipropilmetilcelulosa

Elongación de la película en ese momento de ruptura y

Longitud de agarre inicial de la muestra.

Contenido de humedad

Especies de oxígeno reactivas

materia soluble

Nanopartículas de óxido de titanio

Resistencia a la tracción

Permeabilidad al vapor de agua

Espesor de la película

Diferencial de presión de vapor de agua a través de la película.

longitud de onda de rayos X

Ancho completo al máximo del pico.

Ángulo central del pico de difracción.

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Su trabajo está totalmente patrocinado por el Centro de Apoyo y Desarrollo de Investigación Científica de la Universidad Benha. También nos gustaría mostrar nuestro agradecimiento a la Academia Árabe de Ciencia, Tecnología y Transporte Marítimo, El Cairo, Egipto.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Esta investigación fue apoyada por el Centro de Apoyo y Desarrollo de Investigación Científica de la Universidad Benha, Egipto. También nos gustaría mostrar nuestro agradecimiento a la Academia Árabe de Ciencia, Tecnología y Transporte Marítimo, El Cairo, Egipto.

Departamento de Ingeniería Agrícola y de Biosistemas, Facultad de Agricultura, Universidad Benha, PO Box 13736, Moshtohor, Toukh, Kalubia, Egipto

El-Sayed Khater, Adel Bahnasawy y Basma Abu Gabal

Departamento de Ciencias Básicas y Aplicadas, Facultad de Ingeniería y Tecnología, Academia Árabe de Ciencia y Tecnología y Transporte Marítimo (AASTMT), PO Box 2033, El Cairo, Egipto

Wael Abbas y Osama Morsi

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ES., AB, BAG, WA y OM: Investigación, Recursos, Redacción—Preparación del borrador original, Redacción—Revisión y edición.

Correspondencia a El-Sayed Khater.

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses. Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio; en la recopilación, análisis o interpretación de datos; en la redacción del manuscrito y en la decisión de publicar los resultados.

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Khater, ES., Bahnasawy, A., Gabal, BA et al. Efecto de la adición de nanomateriales sobre las propiedades de las películas comestibles de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC). Representante científico 13, 5063 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32218-y

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Recibido: 17 de octubre de 2022

Aceptado: 24 de marzo de 2023

Publicado: 28 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32218-y

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