Schema che mostra il rivestimento a doppia funzione del Dr. Mustafa Akbulut che è sia superidrofobo che antimicrobico. Credito:Texas A&M University College of Engineering
I ricercatori di Texas A&M hanno creato un rivestimento che può essere applicato a superfici come nastri trasportatori e secchi di raccolta.
Nel corso del loro viaggio dai campi aperti all'esposizione dei prodotti nei negozi di alimentari, frutta e verdura fresca possono talvolta essere contaminate da microrganismi. Questi articoli possono quindi rovinare altri prodotti, diffondendo ulteriormente la contaminazione e aumentando il numero di alimenti che possono causare malattie.
Per prevenire la contaminazione incrociata tra i prodotti freschi, i ricercatori della Texas A&M University hanno creato un rivestimento che può essere applicato a superfici a contatto con gli alimenti come nastri trasportatori, rulli e secchi di raccolta. Oltre ad essere germicida, i ricercatori hanno progettato il loro rivestimento in modo che sia estremamente idrorepellente. I ricercatori hanno affermato che senza acqua, i batteri non possono attaccarsi o moltiplicarsi sulle superfici, riducendo così drasticamente la contaminazione da un prodotto all'altro.
"Il consumo di cibi crudi contaminati fa ammalare centinaia di persone ogni anno, quindi la contaminazione degli alimenti non è solo un enorme problema per la salute, ma è anche un notevole onere economico", ha affermato Mustafa Akbulut, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica di Artie McFerrin. "Nel nostro studio, dimostriamo che il nostro nuovo rivestimento a doppia funzione, in grado sia di respingere che di uccidere i batteri, può mitigare notevolmente la diffusione batterica, prevenendo la contaminazione incrociata".
I risultati dello studio sono nel numero di febbraio della rivista ACS Applied Materials &Interfaces .
Le malattie di origine alimentare possono essere causate da un intero sciame di agenti patogeni che includono molteplici ceppi di virus e batteri. Per rimediare a qualsiasi infezione dopo la raccolta, i prodotti freschi vengono generalmente lavati e quindi disinfettati con potenti antimicrobici, come il perossido di idrogeno o l'acido acetico.
Tuttavia, i batteri possono ancora sfuggire illesi se riescono a nascondersi in punti difficili da raggiungere sulla buccia di frutta e verdura. Inoltre, se il numero di batteri è sufficientemente elevato, possono formare delle guaine protettive, dette biofilm, che li proteggono ulteriormente dall'azione dei disinfettanti.
I prodotti alimentari contaminati possono diffondere i patogeni sia direttamente, toccando altri prodotti alimentari, sia indirettamente, attraverso superfici a contatto con gli alimenti. Attualmente, ci sono diversi modi per prevenire la trasmissione indiretta che vanno dai rivestimenti superficiali antimicrobici alle superfici polimeriche antivegetative che agiscono come molle per allontanare i batteri. Ma i ricercatori hanno affermato che questi approcci, sebbene all'inizio efficienti, possono perdere i loro effetti nel tempo per una serie di motivi.
Per superare gli ostacoli posti dalle attuali tecnologie, Akbulut e il suo team hanno proceduto alla creazione di un rivestimento superficiale antimicrobico che è anche estremamente idrofobo. Hanno notato che la proprietà idrorepellente del rivestimento può aiutare le superfici a contatto con gli alimenti a mantenere la loro azione germicida molto più a lungo.
"La maggior parte dei batteri può sopravvivere solo in un ambiente acquoso", ha affermato Akbulut. "Se le superfici sono superidrofobiche, l'acqua e con essa la maggior parte dei batteri verranno respinti. Con meno batteri in giro, si consumano meno germicidi, aumentando la durata complessiva del rivestimento."
Per realizzare il loro rivestimento a doppia funzione, Akbulut e il suo team hanno iniziato con un foglio di alluminio, un metallo comunemente usato nell'industria alimentare per le superfici di contatto. Sulla superficie del metallo, hanno attaccato chimicamente un sottile strato di un composto chiamato silice usando un calore elevato. Quindi, con questo strato come substrato, hanno aggiunto una miscela di silice e una proteina germicida presente in natura che si trova nelle lacrime e nell'albume chiamato lisozima.
Insieme, lo strato di silice-alluminio legato allo strato di silice-lisozima ha creato un rivestimento che aveva una consistenza ruvida se osservato su scale microscopiche. I ricercatori hanno notato che questa rugosità submicroscopica, o le minuscole protuberanze e fessure sul rivestimento, è la chiave della superidrofobicità.
"In generale, se si aumenta la rugosità, l'idrofobicità di un materiale aumenta, ma c'è un limite", ha affermato Shuhao Liu, uno studente laureato al College of Engineering e principale autore dello studio. “Se il rivestimento è troppo ruvido, i batteri possono nascondersi ancora una volta dietro le fessure e contaminare. Quindi, abbiamo ottimizzato la proporzione di silice e lisozima in modo che la rugosità producesse la migliore idrofobicità possibile senza compromettere la funzione complessiva del rivestimento".
Quando il loro rivestimento superidrofobico infuso di lisozima è stato messo a punto e pronto, i ricercatori hanno testato se fosse efficace nel frenare la crescita di due ceppi di batteri patogeni, Salmonella typhimurium e Listeria innocua . Dopo un esame, hanno scoperto che il numero di batteri su queste superfici era inferiore del 99,99% rispetto a quello sulle superfici nude.
Nonostante l'elevata efficacia del loro rivestimento nel prevenire la diffusione batterica, i ricercatori hanno affermato che sono necessarie ulteriori indagini per determinare se il rivestimento funziona ugualmente bene per mitigare la contaminazione incrociata virale. Sebbene siano più duraturi rispetto ad altri rivestimenti, hanno notato che anche il loro rivestimento avrebbe dovuto essere riapplicato dopo un certo periodo di utilizzo. Pertanto, come passo successivo, Akbulut e il suo team stanno lavorando allo sviluppo di rivestimenti più permanenti a doppia funzionalità.
"Il nostro obiettivo è creare superfici intelligenti in grado di evitare che qualsiasi tipo di agente patogeno si attacchi e si moltiplichi", ha affermato Akbulut. “A questo proposito, abbiamo sviluppato rivestimenti superficiali in grado di impedire la raccolta di batteri sulle superfici, che è uno dei principali motivi di contaminazione incrociata. Ora stiamo lavorando con ricercatori in agricoltura per portare la nostra invenzione dal banco alla pratica."
Riferimento:"Rivestimenti superidrofobici a doppia funzione con anticontatto batterico e caratteristiche antimicrobiche" di Shuhao Liu, Jeremy Zheng, Li Hao, Yagmur Yegin, Michael Bae, Beril Ulugun, Thomas Matthew Taylor, Ethan A. Scholar, Luis Cisneros-Zevallos, Jun Kyun Oh e Mustafa Akbulut, 5 febbraio 2020, Interfacce e materiali applicati ACS .
DOI:10.1021/acsami.9b18928
Altri contributori alla ricerca includono Michael Bae e Ethan A. Scholar del Dipartimento di ingegneria chimica del Texas A&M; Jeremy Zheng e Beril Ulugun del Dipartimento di Ingegneria Biomedica del Texas A&M; Li Hao dell'Università di Agraria e Ingegneria di Zhongkai, Cina; Thomas Matthew Taylor, Luis Cisneros-Zevallos e Yagmur Yegin del Dipartimento di nutrizione e scienze alimentari del Texas A&M; e Jun Kyun Oh della Dankook University, Repubblica di Corea.
Questo lavoro è supportato dal Food Manufacturing Technologies Program e dal Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti.
