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

Lebensmittelverderb ist ein ständiger Kampf zwischen dem Bestreben der Natur zum Verfall und unserem Wunsch nach Konservierung. Zwei primäre Kräfte treiben diesen Verfall voran: das Wachstum schädlicher Bakterien und die langsame Oxidation, die Fette ranzig macht und Farben stumpf werden lässt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler Chitosan, ein natürliches Material, das aus den Schalen von Krebstieren gewonnen wird, als potenziellen Schutzschild gegen diese Kräfte betrachtet. Chitosan ist biologisch abbaubar und besitzt inhärente Eigenschaften, die das mikrobielle Wachstum hemmen und die Oxidation verlangsamen können. In seinem natürlichen Zustand hat dieses Material jedoch eine erhebliche Einschränkung: Es löst sich nicht gut in Wasser auf, insbesondere wenn die Umgebung neutral ist, was seinen Einsatz in vielen flüssigkeitsbasierten Lebensmittelanwendungen oder Beschichtungen einschränkt. Um dieses vielversprechende Material wirklich nutzbar zu machen, mussten Forscher einen Weg finden, es wasserlöslich zu machen und gleichzeitig seine Fähigkeit zur Bekämpfung von Verderb zu steigern.

Ein Team von Wissenschaftlern an der Prince of Songkla Universität in Thailand setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es Chitosan transformierte, das aus einer anderen Quelle stammt: den Gräten (Pens) von Tintenfischen. Im Gegensatz zu den harten, mineralreichen Schalen von Krabben und Garnelen sind Tintenfischgräten ein weiches, flexibles Nebenprodukt der Meeresfrüchteindustrie, das oft entsorgt wird. Die Forscher wandelten diese Gräten zunächst in reines Chitosan um und wandten dann zwei unterschiedliche chemische Strategien an, um das Material zu verbessern. Der erste Ansatz bestand darin, Moleküle von Epigallocatechingallat, einem starken Antioxidans, das in grünem Tee vorkommt, direkt an die Chitosanketten zu binden. Der zweite Ansatz bestand darin, Carboxymethylgruppen hinzuzufügen, kleine chemische Einheiten, die wie winzige Griffe wirken, um dem Material zu helfen, mit Wasser zu interagieren. Das Ziel war zu sehen, welche Methode, oder ob eine Kombination aus beiden, ein wasserlösliches Material schaffen könnte, das gleichzeitig ein überlegener Kämpfer gegen Bakterien und Oxidation ist.

Die Ergebnisse zeigten, dass beide Methoden das Material erfolgreich transformierten, dies jedoch durch unterschiedliche Mechanismen erreichten. Als die Forscher die Moleküle des grünen Tees an das Chitosan hefteten, wurde das resultierende Material hoch wasserlöslich, wobei die Version mit dem höchsten Anteil an Grüntee-Molekülen fast vollständig löslich war. Viel wichtiger war, dass diese Modifikation die Fähigkeit des Materials dramatisch steigerte, schädliche freie Radikale zu neutralisieren und Metallionen zu chelatieren, die Verderb auslösen können. Das Material mit den meisten Grüntee-Anhängen wurde auch zu einem signifikant stärkeren antibakteriellen Mittel, insbesondere gegen einen gefährlichen lebensmittelbedingten Erreger namens Listeria monocytogenes, wobei die Menge des benötigten Materials, um das Bakterienwachstum zu stoppen, erheblich reduziert wurde. Die Forscher fanden heraus, dass die Grüntee-Moleküle nicht einfach nur auf der Oberfläche saßen; sie wurden Teil der Struktur und stellten zusätzliche chemische Stellen bereit, die Elektronen und Wasserstoffatome spenden konnten, um die Oxidation aufzuhalten.

Die zweite Strategie, das Hinzufügen der Carboxymethylgruppen, verbesserte das Material ebenfalls, jedoch mit einem anderen Fokus. Während die Forscher die Menge dieser Gruppen, die an das Chitosan gebunden waren, erhöhten, stieg die Löslichkeit des Materials stetig an und erreichte in der am stärksten modifizierten Version nahezu achtundneunzig Prozent Löslichkeit. Diese Modifikation verbesserte auch die Fähigkeit des Materials, Oxidation zu bekämpfen, jedoch nur in spezifischen Arten und Weisen. Es wurde besser darin, bestimmte Arten von Radikalen zu neutralisieren und Metallionen zu binden, war jedoch nicht besser darin, Eisenionen zu reduzieren – eine spezifische Art der antioxidativen Aktivität, in der die Grüntee-Version hervorragte. Darüber hinaus war das Carboxymethyl-Material zwar wasserlöslicher, seine Fähigkeit, Bakterien abzutöten, war jedoch tatsächlich schwächer als die des ursprünglichen, unmodifizierten Chitosans. Dies deutet darauf hin, dass während das Hinzufügen dieser Gruppen hilft, das Material mit Wasser zu vermischen, es die natürliche elektrische Ladung, die dem Chitosan hilft, Zellwände von Bakterien anzugreifen, leicht stören kann.

Durch den Vergleich der beiden Ansätze zeigt die Studie, dass es keine einzelne „beste“ Modifikation gibt; vielmehr hängt die ideale Wahl vom spezifischen Bedarf ab. Die mit Grüntee-Molekülen modifizierte Version erwies sich als das potenteste bioaktive Allround-Material, das den stärksten Schutz gegen sowohl Oxidation als auch Bakterienwachstum bot. Die Carboxymethyl-Version, obwohl weniger potent bei der Abtötung von Bakterien, erwies sich als ein exzellenter Weg, um das Material leicht in Wasser zu lösen, was eine kritische Anforderung für viele industrielle Anwendungen ist. Die Forscher bestätigten diese strukturellen Veränderungen mittels fortschrittlicher Bildgebungstechniken, die es ihnen ermöglichten, die neuen chemischen Bindungen und das Vorhandensein der Grüntee-Moleküle innerhalb des Materials zu sehen. Letztlich zeigt diese Arbeit, dass ein Abfallprodukt aus der Tintenfischindustrie in ein vielseitiges, wasserlösliches Werkzeug zur Lebensmittelkonservierung verwandelt werden kann, das einen nachhaltigen Weg zur Reduzierung von Lebensmittelabfällen und zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit bietet, ohne auf synthetische Chemikalien zurückgreifen zu müssen.