Schematisk bild som visar Dr Mustafa Akbuluts dubbelfunktionsbeläggning som är både superhydrofob och antimikrobiell. Kredit:Texas A&M University College of Engineering
Texas A&M-forskare har skapat en beläggning som kan appliceras på ytor som transportband och uppsamlingshinkar.
Under deras resa från de öppna fälten till produktutställningarna i livsmedelsbutiker kan färska grönsaker och frukter ibland bli kontaminerade av mikroorganismer. Dessa föremål kan sedan förstöra andra produkter, sprida kontamineringen ytterligare och öka antalet livsmedel som kan orsaka sjukdomar.
För att förhindra korskontaminering mellan färskvaror har forskare vid Texas A&M University skapat en beläggning som kan appliceras på ytor i kontakt med livsmedel som transportband, rullar och uppsamlingshinkar. Förutom att vara bakteriedödande har forskarna designat sin beläggning för att vara extremt vattenavvisande. Forskarna sa att utan vatten kan bakterier inte fastna eller föröka sig på ytor, och därigenom drastiskt dämpa kontaminering från en produkt till en annan.
"Att konsumera förorenade råa livsmedel gör att hundratals människor blir sjuka årligen, och därför är livsmedelsföroreningar inte bara ett stort hälsoproblem utan är också en betydande ekonomisk börda", säger Mustafa Akbulut, docent vid Artie McFerrin Department of Chemical Engineering. "I vår studie visar vi att vår nya dubbelfunktionsbeläggning - en som både kan stöta bort och döda bakterier - avsevärt kan mildra bakteriespridning och förhindra korskontaminering."
Resultaten av studien finns i februarinumret av tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces .
Livsmedelsburna sjukdomar kan orsakas av en hel svärm av patogener som inkluderar flera stammar av virus och bakterier. För att åtgärda eventuella infektioner efter skörd tvättas färskvaror i allmänhet och saneras sedan i kraftfulla antimikrobiella medel, som väteperoxid eller ättiksyra.
Bakterier kan dock fortfarande ta sig ut oskadda om de lyckas gömma sig på svåråtkomliga ställen på skalet på frukt och grönsaker. Dessutom, om antalet bakterier är tillräckligt stort, kan de bilda skyddande höljen, så kallade biofilmer, som ytterligare skyddar dem från inverkan av desinficeringsmedel.
Förorenade produkter kan sprida patogenerna antingen direkt, genom att vidröra andra livsmedel, eller indirekt via ytor i kontakt med livsmedel. För närvarande finns det flera sätt att förhindra indirekt överföring, allt från antimikrobiella ytbeläggningar till antifouling polymerytor som fungerar som fjädrar för att trycka bort bakterier. Men forskarna sa att dessa tillvägagångssätt, även om de är effektiva till en början, kan förlora sina effekter med tiden av olika anledningar.
För att övervinna hindren som den nuvarande tekniken utgör, fortsatte Akbulut och hans team att skapa en antimikrobiell ytbeläggning som också är extremt hydrofob. De noterade att beläggningens vattenavvisande egenskap kan hjälpa ytor i kontakt med mat att behålla sin bakteriedödande verkan mycket längre.
"De flesta bakterier kan bara överleva i en vattenhaltig miljö," sa Akbulut. "Om ytor är superhydrofoba, då kommer vatten, och tillsammans med det de flesta bakterierna att stötas bort. Med färre bakterier i närheten används mindre bakteriedödande medel, vilket ökar beläggningens totala livslängd.”
För att göra sin dubbelfunktionsbeläggning började Akbulut och hans team med en aluminiumplåt, en metall som vanligtvis används i livsmedelsindustrin för kontaktytor. På ytan av metallen fäste de kemiskt ett tunt lager av en förening som kallas kiseldioxid med hjälp av hög värme. Sedan, med detta lager som substrat, tillsatte de en blandning av kiseldioxid och ett naturligt förekommande bakteriedödande protein som finns i tårar och äggvita som kallas lysozym.
Tillsammans gjorde kiseldioxid-aluminiumskiktet bundet till kiseldioxid-lysozymskiktet en beläggning som hade en grov textur när den betraktades i mikroskopiska skalor. Forskarna noterade att denna submikroskopiska grovhet, eller de små knölarna och sprickorna på beläggningen, är nyckeln till superhydrofobicitet.
"I allmänhet, om du ökar grovheten, ökar hydrofobiciteten hos ett material, men det finns en gräns", säger Shuhao Liu, doktorand vid College of Engineering och huvudförfattaren till studien. ”Om beläggningen är för grov kan bakterier återigen gömma sig bakom springor och förorena. Så vi anpassade andelen kiseldioxid och lysozym så att grovheten gav bästa möjliga hydrofobicitet utan att kompromissa med beläggningens övergripande funktion."
När deras superhydrofoba, lysozyminfunderade beläggning var finjusterad och klar, testade forskarna om den var effektiv för att bromsa tillväxten av två stammar av sjukdomsframkallande bakterier, Salmonella typhimurium och Listeria innocua . Vid undersökning fann de att antalet bakterier på dessa ytor var 99,99 % mindre än på kala ytor.
Trots den höga effektiviteten hos deras beläggning för att förhindra bakteriell spridning, sa forskarna att mer undersökning behövs för att avgöra om beläggningen fungerar lika bra för att mildra viral korskontaminering. Även om de håller längre än andra beläggningar, noterade de att deras beläggning också skulle behöva appliceras igen efter en viss användning. Som ett nästa steg arbetar Akbulut och hans team på att utveckla mer permanenta beläggningar med dubbla funktioner.
"Vårt mål är att skapa smarta ytor som kan förhindra alla typer av patogener från att fästa och föröka sig," sa Akbulut. ”I detta avseende har vi utvecklat ytbeläggningar som kan förhindra att bakterier samlas på ytor, vilket är en av de främsta orsakerna till korskontaminering. Vi arbetar nu med forskare inom jordbruket för att ta vår uppfinning från bänk till praktik.”
Referens:"Dual-Functional, Superhydrophobic Coatings with Bacterial Anticontact and Antimicrobial Characteristics" av Shuhao Liu, Jeremy Zheng, Li Hao, Yagmur Yegin, Michael Bae, Beril Ulugun, Thomas Matthew Taylor, Ethan A. Scholar, Luis Cisneros-Zevallos, Jun. Kyun Oh och Mustafa Akbulut, 5 februari 2020, ACS Applied Materials &Interfaces .
DOI:10.1021/acsami.9b18928
Andra bidragsgivare till forskningen inkluderar Michael Bae och Ethan A. Scholar från Texas A&M Department of Chemical Engineering; Jeremy Zheng och Beril Ulugun från Texas A&M Department of Biomedical Engineering; Li Hao från Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Kina; Thomas Matthew Taylor, Luis Cisneros-Zevallos och Yagmur Yegin från Texas A&M Department of Nutrition and Food Science; och Jun Kyun Oh från Dankook University, Republiken Korea.
Detta arbete stöds av Food Manufacturing Technologies Program och United States Department of Agriculture.
