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

Bederf van voedsel is een constante strijd tussen de natuurlijke drang naar verval en onze drang naar conservering. Twee primaire krachten drijven deze achteruitgang aan: de groei van schadelijke bacteriën en de langzame oxidatie die vetten ranzig maakt en kleuren dof laat worden. Decennialang hebben wetenschappers gekeken naar chitosan, een natuurlijk materiaal afkomstig uit de schilden van schaaldieren, als een potentieel schild tegen deze krachten. Chitosan is biologisch afbreekbaar en bezit inherente eigenschappen die de microbiële groei kunnen remmen en oxidatie kunnen vertragen. Echter, in zijn natuurlijke staat heeft dit materiaal een aanzienlijke beperking: het lost niet goed op in water, vooral wanneer de omgeving neutraal is, wat het gebruik ervan in veel op vloeistof gebaseerde voedseltoepassingen of coatings beperkt. Om dit veelbelovende materiaal werkelijk bruikbaar te maken, moesten onderzoekers een manier vinden om het oplosbaar te maken en tegelijkertijd het vermogen om bederf te bestrijden te vergroten.

Een team wetenschappers aan de Prince of Songkla Universiteit in Thailand zette zich scharpe om dit probleem op te lossen door chitosan te transformeren die afkomstig is van een andere bron: de pennen van de inktvis. In tegen tegenstelling tot de harde, mineraalrijke schilden van krabben en garnalen, zijn inktvispennen een zacht, flexibel bijproduct van de visindustrie dat vaak wordt weggegooid. De onderzoekers zetten deze pennen eerst om in zuivere chitosan en pasten vervolgens twee verschillende chemische strategieën toe om het materiaal te verbeteren. De eerste benadering hield in dat moleculen van epigallocatechin-gallaat, een krachtig antioxidant gevonden in groene thee, direct aan de chitosanketens bevestigden. De tweede benadering hield in dat carboxymethylgroepen toevoegde, wat kleine chemische eenheden zijn die fungeren als kleine handvatten om het materiaal met water te laten interageren. Het doel was om te zien welke methode, of of een combinatie van beide, een wateroplosbaar materiaal kon creëren dat ook een superieure strijder tegen bacteriën en oxidatie zou zijn.

De resultaten toonden aan dat beide methoden het materiaal succesvol hadden getransformeerd, maar dat ze dit bereikten via verschillende mechanismen. Wanneer de onderzoekers de groene thee-moleculen aan de chitosan hechtten, werd het resulterende materiaal zeer oplosbaar in water, waarbij de versie met de hoogste hoeveelheid groene thee-moleculen bijna volledig oploste. Belangrijker nog, deze modificatie verhoogde het vermogen van het materiaal drastisch om schadelijke vrije radicalen te neutraliseren en metaalionen te cheleren die bederf kunnen triggeren. Het materiaal met de meeste groene thee-aanhechtingen werd ook een aanzienlijk sterker antibacterieel middel, met name tegen een gevaarlijke voedselpathogeen bekend als Listeria monocytogenes, waarbij de hoeveelheid materiaal die nodig was om bacteriële groei te stoppen met een grote marge werd verminderd. De onderzoekers ontdekten dat de groene thee-moleculen niet alleen op het oppervlak zaten; ze werden onderdeel van de structuur, waardoor extra chemische plaatsen ontstonden die elektronen en waterstofatomen konden doneren om oxidatie in de kiem te smoren.

De tweede strategie, het toevoegen van de carboxymethylgroepen, verbeterde het materiaal ook, zij het met een andere focus. Naarmate de onderzoekers de hoeveelheid van deze groepen aan de chitosan verhoogden, nam het vermogen van het materiaal om in water op te lossen gestaag toe, waarbij de meest zwaar gemodificeerde versie bijna achtennegentig procent oplosbaarheid bereikte. Deze modificatie verbeterde ook het vermogen van het materiaal om oxidatie te bestrijden, maar slechts op specifieke manieren. Het werd beter in het neutraliseren van bepaalde soorten radicalen en in het binden van metaalionen, maar het verbeterde niet het vermogen van het materiaal om ijzerionen te reduceren, een specifiek type antioxidantactiviteit waar de groene thee-versie uitblonk. Bovoltrecht was de carboxymethyl-versie weliswaar oplosbaarder, maar het vermogen om bacteriën te doden was eigenlijk zwakker dan dat van de oorspronkelijke, ongemodificeerde chitosan. Dit suggereert dat hoewel het toevoegen van deze groepen helpt het materiaal te mengen met water, het mogelijk de natuurlijke elektrische lading die de chitosan helpt bacteriële celwanden aan te vallen, lichtelijk verstoort.

Door de twee benaderingen te vergelijken, benadrukt de studie dat er niet één enkele "beste" modificatie is; de ideale keuze hangt eerder af van de specifieke behoefte. De met groene thee-moleculen gemodificeerde versie kwam naar voren als het meest krachtige allround bioactieve materiaal, met de sterkste bescherming tegen zowel oxidatie als bacteriële groei. De carboxymethyl-versie, hoewel minder potent in het doden van bacteriën, bleek een uitstekende manier om het materiaal gemakkelijk in water op te lossen, wat een cruciale vereiste is voor veel industriële toepassingen. De onderzoekers bevestigden deze structurele veranderingen met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken waarmee ze de nieuwe chemische verbindingen en de aanwezigheid van de groene thee-moleculen binnen het materiaal konden zien. Uiteindelijk demonstreert dit werk dat een afvalproduct uit de inktvissector kan worden omgezet in een veelzijdige, wateroplosbare tool voor voedselconservering, wat een duurzaam pad biedt om voedselverspilling te verminderen en de voedselveiligheid te verbeteren zonder te vertrouwen op synthetische chemicaliën.