Esquema que muestra el recubrimiento de doble función del Dr. Mustafa Akbulut que es a la vez superhidrofóbico y antimicrobiano. Crédito:Facultad de Ingeniería de la Universidad de Texas A&M
Investigadores de Texas A&M han creado un revestimiento que se puede aplicar a superficies como cintas transportadoras y cubetas de recolección.
En el transcurso de su viaje desde los campos abiertos hasta las exhibiciones de productos en las tiendas de comestibles, las verduras y frutas frescas a veces pueden contaminarse con microorganismos. Estos artículos pueden estropear otros productos, propagando aún más la contaminación y aumentando la cantidad de alimentos que pueden causar enfermedades.
Para evitar la contaminación cruzada entre productos frescos, los investigadores de la Universidad Texas A&M han creado un recubrimiento que se puede aplicar a las superficies en contacto con los alimentos, como cintas transportadoras, rodillos y cubetas de recolección. Además de ser germicida, los investigadores han diseñado su recubrimiento para que sea extremadamente repelente al agua. Los investigadores dijeron que sin agua, las bacterias no pueden adherirse ni multiplicarse en las superficies, lo que reduce drásticamente la contaminación de un producto a otro.
“El consumo de alimentos crudos contaminados hace que cientos de personas se enfermen cada año, por lo que la contaminación de los alimentos no solo es un gran problema de salud, sino también una carga económica significativa”, dijo Mustafa Akbulut, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química de Artie McFerrin. "En nuestro estudio, mostramos que nuestro nuevo recubrimiento de doble función, uno que puede repeler y matar bacterias, puede mitigar en gran medida la propagación bacteriana, evitando la contaminación cruzada".
Los resultados del estudio aparecen en el número de febrero de la revista ACS Applied Materials &Interfaces .
Las enfermedades transmitidas por los alimentos pueden ser causadas por un enjambre completo de patógenos que incluyen múltiples cepas de virus y bacterias. Para remediar cualquier infección después de la cosecha, los productos frescos generalmente se lavan y luego se desinfectan con poderosos antimicrobianos, como peróxido de hidrógeno o ácido acético.
Sin embargo, las bacterias aún pueden escapar ilesas si logran esconderse en lugares difíciles de alcanzar en la piel de frutas y verduras. Además, si la cantidad de bacterias es lo suficientemente grande, pueden formar fundas protectoras, llamadas biopelículas, que las protegen aún más de la acción de los desinfectantes.
Los productos agrícolas contaminados pueden propagar los patógenos ya sea directamente, al tocar otros alimentos, o indirectamente, a través de las superficies en contacto con los alimentos. Actualmente, hay varias formas de prevenir la transmisión indirecta que van desde recubrimientos superficiales antimicrobianos hasta superficies poliméricas antiincrustantes que actúan como resortes para alejar las bacterias. Pero los investigadores dijeron que estos enfoques, aunque eficientes al principio, pueden perder sus efectos con el tiempo por una variedad de razones.
Para superar los obstáculos que plantean las tecnologías actuales, Akbulut y su equipo procedieron a crear un revestimiento de superficie antimicrobiano que también es extremadamente hidrofóbico. Señalaron que la propiedad repelente al agua del revestimiento puede ayudar a que las superficies en contacto con los alimentos conserven su acción germicida por mucho más tiempo.
“La mayoría de las bacterias solo pueden sobrevivir en un ambiente acuoso”, dijo Akbulut. “Si las superficies son superhidrofóbicas, entonces el agua, y junto con ella, la mayoría de las bacterias serán repelidas. Con menos bacterias alrededor, se utilizan menos germicidas, lo que aumenta la vida útil general del recubrimiento”.
Para hacer su recubrimiento de doble función, Akbulut y su equipo comenzaron con una lámina de aluminio, un metal comúnmente utilizado en la industria alimentaria para superficies de contacto. Sobre la superficie del metal, adhirieron químicamente una capa delgada de un compuesto llamado sílice usando calor intenso. Luego, con esta capa como sustrato, agregaron una mezcla de sílice y una proteína germicida natural que se encuentra en las lágrimas y la clara de huevo llamada lisozima.
Juntas, la capa de sílice-aluminio unida a la capa de sílice-lisozima formaban un revestimiento que tenía una textura áspera cuando se observaba a escalas microscópicas. Los investigadores notaron que esta aspereza submicroscópica, o las pequeñas protuberancias y grietas en el revestimiento, es clave para la superhidrofobicidad.
“En general, si aumenta la rugosidad, aumenta la hidrofobicidad de un material, pero hay un límite”, dijo Shuhao Liu, estudiante de posgrado en la Facultad de Ingeniería y autor principal del estudio. “Si el revestimiento es demasiado áspero, las bacterias pueden volver a esconderse detrás de las grietas y contaminar. Por lo tanto, modificamos la proporción de sílice y lisozima para que la rugosidad produjera la mejor hidrofobicidad posible sin comprometer la función general del recubrimiento".
Cuando su recubrimiento superhidrofóbico con infusión de lisozima estuvo listo y ajustado, los investigadores probaron si era eficaz para frenar el crecimiento de dos cepas de bacterias que causan enfermedades, Salmonella typhimurium y Listeria inocua . Tras el examen, encontraron que la cantidad de bacterias en estas superficies era un 99,99 % menor que en las superficies descubiertas.
A pesar de la alta eficacia de su recubrimiento para prevenir la propagación bacteriana, los investigadores dijeron que se necesita más investigación para determinar si el recubrimiento funciona igual de bien para mitigar la contaminación cruzada viral. Aunque duran más que otros recubrimientos, notaron que su recubrimiento también debería volver a aplicarse después de una cierta cantidad de uso. Por lo tanto, como siguiente paso, Akbulut y su equipo están trabajando en el desarrollo de recubrimientos de doble funcionalidad más permanentes.
“Nuestro objetivo es crear superficies inteligentes que puedan evitar que cualquier tipo de patógeno se adhiera y se multiplique”, dijo Akbulut. “En este sentido, hemos desarrollado recubrimientos superficiales que pueden evitar que las bacterias se acumulen en las superficies, que es una de las principales razones de la contaminación cruzada. Ahora estamos trabajando con investigadores en agricultura para llevar nuestro invento del laboratorio a la práctica”.
Referencia:"Recubrimientos superhidrofóbicos de doble función con características antimicrobianas y anticontacto bacteriano" por Shuhao Liu, Jeremy Zheng, Li Hao, Yagmur Yegin, Michael Bae, Beril Ulugun, Thomas Matthew Taylor, Ethan A. Scholar, Luis Cisneros-Zevallos, junio Kyun Oh y Mustafa Akbulut, 5 de febrero de 2020, Interfaces y materiales aplicados de ACS .
DOI:10.1021/acsami.9b18928
Otros colaboradores de la investigación incluyen a Michael Bae y Ethan A. Scholar del Departamento de Ingeniería Química de Texas A&M; Jeremy Zheng y Beril Ulugun del Departamento de Ingeniería Biomédica de Texas A&M; Li Hao de la Universidad de Agricultura e Ingeniería de Zhongkai, China; Thomas Matthew Taylor, Luis Cisneros-Zevallos y Yagmur Yegin del Departamento de Nutrición y Ciencias de los Alimentos de Texas A&M; y Jun Kyun Oh de la Universidad de Dankook, República de Corea.
Este trabajo cuenta con el apoyo del Programa de Tecnologías de Fabricación de Alimentos y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
