Preparation of water-soluble chitosan via polyphenol conjugation and carboxymethylation: Characterization, antioxidant, and antibacterial properties

إن فساد الطعام هو معركة مستمرة بين رغبة الطبيعة في التحلل ورغبتنا في الحفظ. وهناك قوتان رئيسيتان تقودان هذا التدهور: نمو البكتيريا الضارة والأكسدة البطيئة التي تجعل الدهون تزنخ وتجعل الألوان باهتة. لعقود من الزمن، نظر العلماء إلى الشيتوزان، وهو مادة طبيعية مشتقة من قشور القشريات، كدرع محتمل ضد هذه القوى. الشيتوزان مادة قابلة للتحلل الحيوي وتمتلك خصائص متأصلة يمكنها تثبيط النمو الميكروبي وإبطاء عملية الأكسدة. ومع ذلك، في حالته الطبيعية، يمتلك هذا المادة عيبًا كبيرًا: فهي لا تذوب جيدًا في الماء، خاصة عندما تكون البيئة متعادلة، مما يحد من استخدامها في العديد من التطبيقات الغذائية القائمة على السوائل أو الطلاءات. ولجعل هذه المادة الواعدة مفيدة حقًا، احتاج الباحثون إلى إيجاد طريقة لجعلها قابلة للذوبان وفي الوقت نفسه تعزيز قدرتها على محاربة الفساد.

وضع فريق من العلماء في جامعة برينس أوف سونغكلا في تايلاند نصب أعينهم حل هذه المشكلة عن طريق تحويل الشيتوزان المستخلص من مصدر مختلف: أقلام الحبار. وخلافًا للقشور الصلبة والغنية بالمعادن التي تمتلكها السرطانات والجمبري، فإن أقلام الحبار هي منتج ثانوي ناعم ومرن من صناعة المأكولات البحرية وغالبًا ما يتم التخلص منها. قام الباحثون أولاً بتحويل هذه الأقلام إلى شيتوزان نقي، ثم طبقوا استراتيجيتين كيميائيتين مختلفتين لتحسين المادة. تضمنت المقاربة الأولى ربط جزيئات "إيبيجالوكيتشين جالات" (epigallocatechin gallate)، وهو مضاد أكسدة قوي موجود في الشاي الأخضر، مباشرة بسلاسل الشيتوزان. أما المقاربة الثانية فتمثلت في إضافة مجموعات "كربوكسي ميثيل"، وهي وحدات كيميائية صغيرة تعمل مثل مقابض صغيرة تساعد المادة على التفاعل مع الماء. كان الهدف هو معرفة أي طريقة، أو ما إذا كان الجمع بين كلتيهما، يمكن أن يخلق مادة قابلة للذوبان في الماء وتكون أيضًا محاربًا فائقًا للبكتيريا والأكسدة.

أظهرت النتائج أن كلتا الطريقتين نجحتا في تحويل المادة، لكنهما حققتا ذلك من خلال آليات مختلفة. فعندما قام الباحثون بربط جزيئات الشاي الأخضر بالشيتوزان، أصبحت المادة الناتجة عالية الذوبان في الماء، حيث ذابت النسخة التي تحتوي على أعلى كمية من جزيئات الشاي الأخضر بشكل كامل تقريبًا. والأهم من ذلك، أن هذا التعديل عزز بشكل كبير قدرة المادة على تحييد الجذور الحرة الضارة وتخلب أيونات المعادن التي يمكن أن تسبب الفساد. كما أصبحت المادة التي تحتوي على أكبر قدر من إضافات الشاي الأخضر عاملًا مضادًا للبكتيريا بشكل ملحوظ، لا سيما ضد ممرض غذوي خطير يُعرف باسم "ليستيريا مونوسيتوجينيس" (Listeria monocytogenes)، مما قلل من كمية المادة المطلوبة لإيقاف النمو البكتيري بفارق كبير. ووجد الباحثون أن جزيئات الشاي الأخضر لم تكن مجرد مستقرة على السطح؛ بل أصبحت جزءًا من البنية، موفرة مواقع كيميائية إضافية يمكنها منح الإلكترونات وذرات الهيدروجين لإيقاف الأكسدة في مسارها.

أما الاستراتيجية الثانية، المتمثلة في إضافة مجموعات الكربوكسي ميثيل، فقد حسنت المادة أيضًا، ولكن بتركيز مختلف. ومع زيادة كمية هذه المجموعات المضافة إلى الشيتوزان، زادت قدرة المادة على الذوبان في الماء بشكل مطرد، لتصل إلى ذوبان بنسبة تقارب 98% في النسخة الأكثر تعديلاً. كما حسن هذا التعديل قدرة المادة على محاربة الأكسدة، ولكن بطرق محددة فقط؛ فقد أصبحت أفضل في تحييد أنواع معينة من الجذور الحرة وفي ربط أيونات المعادن، ومع ذلك لم تحسن قدرة المادة على اختزال أيونات الحديد، وهو نوع محدد من النشاط المضاد للأكسدة تفوقت فيه نسخة الشاي الأخضر. علاوة على على ذلك، وبينما كانت مادة الكربوكسي ميثيل أكثر قابلية للذوبان، كانت قدرتها على قتل البكتيريا أضعف في الواقع من الشيتوزان الأصلي غير المعدل. ويشير هذا إلى أنه بينما يساعد إضافة هذه المجموعات المادة على الامتزاج بالماء، فإنه قد يتداخل قليلاً مع الشحنة الكهربائية الطبيعية التي تساعد الشيتوزان على مهاجمة الجدران الخلوية البكتيرية.

من خلال مقارنة النهجين، تسلط الدراسة الضوء على أنه لا يوجد تعديل واحد "أفضل"؛ بل يعتمد الخيار الأمثل على الحاجة المحددة. وقد برزت النسخة المعدلة بجزيئات الشاي الأخضر باعتبارها المادة الأكثر فاعلية من جميع الجوانب، حيث قدمت أقوى حماية ضد كل من الأكسدة والنمو البكتيري. أما نسخة الكربوكسي ميثيل، وبالرغم من كونها أقل قوة في قتل البكتيريا، فقد أثبتت أنها وسيلة ممتازة لجعل المادة تذوب بسهء في الماء، وهو مطلب حيوي للعديد من التطبيقات الصناعية. وقد أكد الباحثون هذه التغييرات الهيكلية باستخدام تقنيات تصوير متقدمة سمحت لهم برؤية الروابط الكيميائية الجديدة ووجود جزيئات الشاي الأخضر داخل المادة. وفي نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن منتجًا ثانويًا من صناعة الحبار يمكن تحويله إلى أداة متعددة الاستخدامات وقابلة للذوبان في الماء لحفظ الطعام، مما يوفر مسارًا مستدامًا لتقليل هدر الطعام وتحسين سلامة الغذاء دون الاعتماد على المواد الكيميائية الاصطناعية.