Schemat przedstawiający dwufunkcyjną powłokę dr. Mustafy Akbuluta, która jest zarówno superhydrofobowa, jak i antybakteryjna. Źródło:Texas A&M University College of Engineering
Naukowcy Texas A&M stworzyli powłokę, którą można nakładać na powierzchnie, takie jak przenośniki taśmowe i wiadra zbierające.
W trakcie ich podróży z otwartych pól do ekspozycji produktów w sklepach spożywczych świeże warzywa i owoce mogą czasami zostać skażone mikroorganizmami. Produkty te mogą następnie zepsuć inne produkty, rozprzestrzeniając dalej skażenie i zwiększając liczbę produktów spożywczych, które mogą powodować choroby.
Aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu między świeżymi produktami, naukowcy z Texas A&M University stworzyli powłokę, którą można nakładać na powierzchnie mające kontakt z żywnością, takie jak przenośniki taśmowe, rolki i wiadra zbierające. Oprócz właściwości bakteriobójczych naukowcy zaprojektowali powłokę tak, aby była wyjątkowo wodoodporna. Naukowcy stwierdzili, że bez wody bakterie nie mogą przyklejać się ani rozmnażać na powierzchniach, co drastycznie ogranicza zanieczyszczenie z jednego kawałka produktu do drugiego.
„Spożywanie skażonej surowej żywności powoduje, że setki ludzi rocznie chorują, a więc skażenie żywności jest nie tylko ogromnym problemem zdrowotnym, ale także znacznym obciążeniem ekonomicznym” – powiedział Mustafa Akbulut, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Chemicznej Artie McFerrin. „W naszym badaniu pokazujemy, że nasza nowa dwufunkcyjna powłoka – taka, która może zarówno odstraszać, jak i zabijać bakterie – może znacznie łagodzić rozprzestrzenianie się bakterii, zapobiegając zanieczyszczeniu krzyżowemu”.
Wyniki badania znajdują się w lutowym wydaniu czasopisma ACS Applied Materials &Interfaces .
Choroby przenoszone przez żywność mogą być wywoływane przez cały rój patogenów, który obejmuje wiele szczepów wirusów i bakterii. Aby zwalczyć wszelkie infekcje po zbiorach, świeże produkty są zazwyczaj myte, a następnie odkażane silnymi środkami przeciwdrobnoustrojowymi, takimi jak nadtlenek wodoru lub kwas octowy.
Jednak bakterie mogą uciec bez szwanku, jeśli uda im się ukryć w trudno dostępnych miejscach na skórkach owoców i warzyw. Ponadto, jeśli liczba bakterii jest wystarczająco duża, mogą one tworzyć osłonki ochronne, zwane biofilmami, które dodatkowo chronią je przed działaniem środków odkażających.
Zakażone produkty mogą rozprzestrzeniać patogeny bezpośrednio, dotykając innych produktów spożywczych, lub pośrednio, poprzez powierzchnie mające kontakt z żywnością. Obecnie istnieje kilka sposobów zapobiegania pośredniemu przenoszeniu, od antybakteryjnych powłok powierzchniowych po przeciwporostowe powierzchnie polimerowe, które działają jak sprężyny odpychające bakterie. Ale naukowcy stwierdzili, że te podejścia, chociaż początkowo skuteczne, mogą z czasem stracić swoje efekty z różnych powodów.
Aby pokonać przeszkody stawiane przez obecne technologie, Akbulut i jego zespół przystąpili do tworzenia antybakteryjnej powłoki powierzchniowej, która jest również wyjątkowo hydrofobowa. Zauważyli, że hydrofobowość powłoki może pomóc powierzchniom mającym kontakt z żywnością znacznie dłużej zachować działanie bakteriobójcze.
„Większość bakterii może przetrwać tylko w środowisku wodnym” – powiedział Akbulut. „Jeśli powierzchnie są superhydrofobowe, woda, a wraz z nią większość bakterii zostanie odepchnięta. Mniejsza liczba bakterii w otoczeniu oznacza mniejsze zużycie środków bakteriobójczych, co wydłuża całkowity czas eksploatacji powłoki”.
Aby stworzyć dwufunkcyjną powłokę, Akbulut i jego zespół zaczęli od blachy aluminiowej, metalu powszechnie używanego w przemyśle spożywczym do powierzchni stykowych. Na powierzchni metalu przymocowali chemicznie cienką warstwę związku zwanego krzemionką za pomocą wysokiej temperatury. Następnie, z tą warstwą jako podłożem, dodali mieszaninę krzemionki i naturalnie występującego białka bakteriobójczego znajdującego się w łzach i białku jaja zwanego lizozymem.
Razem warstwa krzemionkowo-aluminiowa połączona z warstwą krzemionkowo-lizozymową utworzyła powłokę, która miała szorstką teksturę oglądaną w mikroskopijnych skalach. Naukowcy zauważyli, że ta submikroskopowa chropowatość lub małe wybrzuszenia i szczeliny na powłoce są kluczem do superhydrofobowości.
„Ogólnie rzecz biorąc, jeśli zwiększysz chropowatość, hydrofobowość materiału wzrasta, ale istnieje limit” – powiedział Shuhao Liu, absolwent College of Engineering i główny autor badania. „Jeśli powłoka jest zbyt szorstka, bakterie mogą ponownie schować się za szczelinami i zanieczyścić. Zmieniliśmy więc proporcje krzemionki i lizozymu, aby chropowatość zapewniała najlepszą możliwą hydrofobowość bez pogarszania ogólnej funkcji powłoki”.
Kiedy ich superhydrofobowa powłoka zawierająca lizozym była dopracowana i gotowa, naukowcy przetestowali, czy skutecznie hamuje wzrost dwóch szczepów bakterii chorobotwórczych, Salmonella typhimurium i Listeria innocua . Po zbadaniu okazało się, że liczba bakterii na tych powierzchniach była o 99,99% mniejsza niż na gołych powierzchniach.
Pomimo wysokiej skuteczności ich powłoki w zapobieganiu rozprzestrzenianiu się bakterii, naukowcy stwierdzili, że potrzebne są dalsze badania, aby ustalić, czy powłoka działa równie dobrze w łagodzeniu zanieczyszczenia krzyżowego wirusami. Chociaż trwalsze niż inne powłoki, badacze zauważyli, że ich powłoka również musiałaby zostać ponownie nałożona po pewnym okresie użytkowania. Dlatego w kolejnym kroku Akbulut i jego zespół pracują nad opracowaniem bardziej trwałych powłok o podwójnej funkcjonalności.
„Naszym celem jest stworzenie inteligentnych powierzchni, które mogą zapobiec przyczepianiu się i namnażaniu wszelkiego rodzaju patogenów” – powiedział Akbulut. „W związku z tym opracowaliśmy powłoki powierzchniowe, które mogą zapobiegać gromadzeniu się bakterii na powierzchniach, co jest jedną z głównych przyczyn zanieczyszczenia krzyżowego. Obecnie współpracujemy z naukowcami w dziedzinie rolnictwa, aby przenieść nasz wynalazek z ławki do praktyki”.
Odniesienie:„Dwufunkcyjne, superhydrofobowe powłoki o bakteryjnych właściwościach antykontaktowych i przeciwdrobnoustrojowych” autorstwa Shuhao Liu, Jeremy Zheng, Li Hao, Yagmur Yegin, Michael Bae, Beril Ulugun, Thomas Matthew Taylor, Ethan A. Scholar, Luis Cisneros-Zevallos, czerwiec Kyun Oh i Mustafa Akbulut, 5 lutego 2020 r., Materiały i interfejsy stosowane przez ACS .
DOI:10.1021/acsami.9b18928
Inni współuczestnicy badań to Michael Bae i Ethan A. Scholar z Departamentu Inżynierii Chemicznej Texas A&M; Jeremy Zheng i Beril Ulugun z Departamentu Inżynierii Biomedycznej Texas A&M; Li Hao z Uniwersytetu Rolnictwa i Inżynierii Zhongkai w Chinach; Thomas Matthew Taylor, Luis Cisneros-Zevallos i Yagmur Yegin z Departamentu Żywienia i Nauk o Żywności Texas A&M; i Jun Kyun Oh z Uniwersytetu Dankook w Korei.
Ta praca jest wspierana przez Program Technologii Produkcji Żywności i Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych.
