Preparation of biodegradable CNTs-ZnO/cellulose membrane with photothermal antibacterial activity for food packaging application

تُعدُّ تغليف الأغذية حارساً صامتاً لوجباتنا اليومية، حيث تُوكل إليها المهمة الصعبة المتمثلة في الحفاظ على نضارة المنتجات مع منع الهدر. ولعقود من الزمن، كان الحل يكمن إلى حد كبير في البلاستيك، وهو مادة تحظى بالتقدير لمتانتها وخفتها، ولكنها تُنتقد لاستمرار بقائها في البيئة وعدم قدرتها على إيقاف البكتيريا المجهرية التي تسبب تعفن الطعام بشكل فعال. وبينما سعى العلماء طويلاً لاستبدال البلاستيك ببدائل طبيعية قابلة للتحلل مثل الألياف النباتية، فإن هذه المواد الخضراء غالباً ما تفتقر إلى القوة اللازمة لمحاربة الميكروبات التي يُفترض بها احتواؤها. ويكمن التحدي في ابتكار مادة تغليف ليست آمنة للأرض فحسب، بل قادرة أيضاً على الدفاع بنشاط عن الطعام بداخلها، ربما عبر استخدام طاقة الضوء لتوليد حرارة تقتل البكتيريا، وكل ذلك دون الاعتماد على مواد كيميائية سامة قد تتسرب إلى الطعام.

في دراسة حديثة، طور باحثون في جامعة جيانغسو في الصين نوعاً جديداً من أغشية التغليف يحاول حل هذه المشكلة من خلال الجمع بين ليف نباتي طبيعي ومزيج متخصص من الجسيمات النانوية. بدأ الفريق بمادة السليلوز، وهي المكون الهيكلي الرئيسي للنباتات، والتي استخرجوها من قش الأرز. وإلى هذه القاعدة الطبيعية، أضافوا مادة مركبة مكونة من أنابيب الكربون النانوية وجسيمات أكسيد الزنك. وتعد أنابيب الكربون النانوية هياكل دقيقة للغاية تشبه الأنابيب ومكونة من ذرات الكربون، وهي ممتازة في امتصاص الضوء، بينما يُعرف أكسيد الزنك بأنه معدن معروف بقدرته على قتل البكتيريا. ومن خلال خلط هذه المكونات معاً وترسيبها على السليلوز، صنع الباحثون غشاءً رقيقاً ومرناً يعمل كدرع ضد التلف.

إن الميزة الأكثر لفتاً للنظر في هذا الغشاء الجديد هي قدرته على تحويل الضوء إلى حرارة. فعندما عرض الباحثون الغشاء لضوء الشمس المحاكى، ارتفعت درجة حرارة السطح بسرعة. وفي غضون دقيقتين فقط من التعرض لشدة ضوئية تبلغ 1.8 واط لكل سنتيمتر مربع، ارتفعت درجة حرارة سطح الغشاء من 22.0 درجة مئوية مريحة إلى 67.2 درجة مئوية حارقة. وتعد هذه الطفرة السريعة في درجة الحرارة أمراً بالغ الأهمية لأن العديد من البكتيريا لا تستطيع البقاء على قيد الحياة في مثل هذه الحرارة. وأظهرت الدراسة أنه عندما وُضع هذا الغشاء الساخن بالقرب من بكتيريا شائعة مسببة للأمراض مثل "المكورات العنقودية الذهبية" (Staphylococcus aureus) و"الإشريكية القولونية" (Escherichia coli)، فإنه نجح بفعالية في تثبيط نموها. وقد كان الغشاء فعالاً بشكل خاص ضد "الإشريكية القولونية"، حيث ثبّط نموها بنسبة تزيد عن 97.85 بالمائة، كما أظهر أيضاً مقاومة قوية ضد "المكورات العنقودية الذهبية" بنسبة تثبيط تجاوزت 65.66 بالمائة.

وبعيداً عن قدرته على قتل البكتيريا بالحرارة، أثبت الغشاء أنه حل عملي لتخزين الطعام في العالم الحقيقي. فقد اختبر الباحثون المادة عبر تغليف الفراولة الطازجة، وهي فاكهة تفسد بسرعة بسبب محتواها العالي من الماء وحساسيتها للعفن. وعلى مدار تسعة أيام، ظلت الفراولة المغلفة بالغشاء الجديد والمحفوظة في ظروف ضوئية طازجة ومنتفخة، ولم تظهر عليها أي علامات للعفن التي غطت الفراولة المغلفة بغشاء بلاستيكي قياسي. وفقدت الفراولة المغلفة بالمادة الجديدة 7 بالمائة فقط من وزنها، وهو تحسن ملحوظ يشير إلى أن الغشاء يدير الرطوبة جيداً، مما يسمح للفاكهة بالتنفس دون أن تجف بسرعة كبيرة أو تصبح رطبة جداً.

كما تناولت الدراسة المصير البيئي للمادة. فخلافاً للبلاستيك التقليدي، الذي يمكن أن يستمر لقرون، صُمم هذا الغشاء الجديد ليتحلل طبيعياً. فعند دفنه في التربة، بدأ الغشاء في التحلل بشكل ملحوظ في غضون أيام، وتحلل بالكامل تقريباً بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في غضون عشرين يوماً. وهذا التحلل الحيوي، مقترناً بقدرته على إطالة العمر الافتراضي للمنتجات الطازجة، يشير إلى مسار مستقبلي لتغليف يحمي الغذاء دون إثقال كاهل الكوكب. ووجد الباحثون أن الغشاء حافظ على فعاليته عبر دورات متعددة من التسخين والتبريد، مما يشير إلى أنه مستقر بما يكفي للاستخدام المتكرر في تطبيقات التغليف. ومن خلال تسخير قوة ضوء الشمس البسيطة لتوليد الحرارة والجمع بين قاعدة طبيعية قابلة للتحلل، يقدم هذا العمل خطوة واعدة نحو مستقبل يكون فيه تغليف الطعام مستداماً بقدر استدامة الطعام الذي يحميه.