키토산 기반 코팅에서 은/이산화티타늄 복합재의 기능화 및 난자 보존 성능

요약

키토산 기반 코팅의 안정성과 살균성을 향상시키고 식품 보존에 특정 나노 입자의 적용을 확장하기 위해 Ag/TiO₂ 복합 재료를 합성하여 난자 보존을 위한 키토산 코팅을 기능화합니다. 달걀 껍질 형태, 체중 감소, Haugh 단위 및 알부민 pH는 코팅의 보존 성능을 특성화하는 데 사용됩니다.

초록

달걀은 단백질, 미네랄 및 비타민의 훌륭한 공급원으로, 전 세계적으로 일상 식단에서 널리 소비되고 있습니다. 그러나 달걀 껍질의 미세 기공과 미세 균열은 수분 손실과 CO₂ 의 배출로 이어져 난자 열화와 경제적 손실을 가속화합니다. 기존 키토산 기반 코팅 재료의 안정성과 살균성을 높이고 항균 및 난자 보존을 위한 새로운 다기능 나노 복합체를 개발하기 위해 은/이산화티타늄(Ag/TiO₂) 복합체를 합성하여 키토산을 변형하여 난자의 유통 기한을 연장하는 데 적용하고 있습니다. 전자 현미경(SEM) 이미지는 복합 입자의 구조와 형태, 코팅된 달걀 껍질의 형태를 분석하는 데 사용됩니다. 복합 코팅의 보존 성능은 샘플의 중량 감소, Haugh 단위, 알부민 pH 및 달걀 껍질 형태와 같은 다양한 매개변수로 평가됩니다. Ag/_TiO2 복합체의 채택은 키토산에 시너지 효과에 기여하여 보존 기간을 더욱 연장할 수 있습니다. 그러나 키토산 코팅의 성능은 현재 기존 입자 종 및 농도에 의해 제한되므로 향후 연구에서 최적화가 필요합니다. 이 연구의 방법은 나노 입자와 전구체의 조합 효과를 달성하고 식품 보존 분야에서 새로운 다기능 코팅을 준비하기 위해 코팅 전구체에 특정 나노 입자를 첨가하여 만들 수 있는 새로운 코팅 재료를 조사합니다.

서문

단백질, 무기염 및 비타민의 우수하고 인기 있는 공급원인 계란은 전 세계적으로 대규모로 생산되고 소비되는 인간 영양을 위한 인기 있는 공급원입니다 ^1,2. 달걀 껍질은 자연적인 보호 장벽이지만 너무 약하여 계란 운송 및 보관 중에 무결성을 유지하지 못합니다. 난자 알부민과 환경 사이의 가스 교환 및 미생물 침투는 난자 껍질의 작은 구멍을 통해 쉽게 발생할 수 있으며_CO2 손실과 난자 품질 저하로 이어질 수 있습니다 ^3,4. 더욱이, 달걀 껍질에 작은 균열이 생기면 미생물 오염의 위험이 증가할 수 있습니다. 따라서 경제적 이익과 인류의 건강을 위해 효과적인 난자 보존 방법을 시급히 개발해야 합니다.

현재 난자 보존을 위한 두 가지 종류의 경로가 있습니다. 첫 번째 방법은 달걀 껍질의 미생물을 비활성화하는^{것입니다 5,6,7,8}. 비활성화 과정은 난자 껍질 표면을 환경 미생물 및 수분의 침식으로부터 제거하여 난자 보존 기간을 연장합니다. 한편, 달걀 껍질의 작은 기공과 균열을 특정 기능성 물질로 코팅하는 것도 난자 알부민에서 수증기와 CO₂ 의 손실을 방지하고 미생물 파괴로부터 달걀 껍질을 보호하는 훌륭한 방법이 될 수 있습니다. 코팅은 간단하고 효과적이며 에너지를 절약하기 때문에 난자 보존에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 적절한 코팅 재료가 충족해야 하는 기본 원칙은 화학적 안정성, 효과적인 투과성, 광범위한 가용성 및 신뢰할 수 있는 안전성입니다. 가장 널리 연구된 코팅 재료는 오일 ^9,10, 단백질¹¹, 생체 고분자³ 및 키토산¹²입니다.

키토산은 성막, 항균 작용 및 안전성이 우수하기 때문에 인기 있는 코팅 재료로 간주되어 왔습니다¹³. 난자의 물리화학적 변화와 미생물 오염은 키토산 코팅으로 보호되는 것으로 입증되었으며, 이는 난자 보존을 위한 효율적인 방법으로 작용해 왔습니다. 그러나 키토산은 수증기 장벽과 수분 흡착이 약한 친수성 고분자로서 습도가 높은 환경에서는 불안정하여 보존 효과가 제한되고 난자의 유통 기한이 어느 정도 단축됩니다.

이 문제를 극복하고 키토산 보존 성능을 촉진하기 위해 특정 나노 입자가 키토산 기반 코팅에 불순물로 사용되었습니다. 그 안에, 항균 특성¹⁴를 갖는 나노 필러로서, 나노 실버(Ag)가 키토산에 도핑되어 있다. Ag를 첨가하면 키토산 필름의 장벽 특성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 항균 효과도 향상시켜 코팅의 보존 효과를 향상시키는 것으로 입증되었습니다. 그러나 Ag 입자의 쉬운 응집과 단순한 구조는 키토산 필름의 안정성과 내구성을 감소시킬 수 있으며, 이는 특정 나노 입자를 증착함으로써 개선되는 것으로 확인되었습니다. 이산화 티타늄 (TiO₂ )은 화학적 안정성, 낮은 독성 및 합리적인 비용과 같은 우수한 특성을 가진 전형적인 금속 산화물 화합물입니다. 이러한 기능적 특성은 많은 연구 분야에서 TiO₂ 에게 큰 잠재력을 부여합니다¹⁵ . 예를 들어, TiO₂ 입자는 접착성 및 살균 활성으로 인해 의료 기기 및 생체 재료에서 첨가제로 사용될 수 있습니다. 그러나 TiO₂ 입자의 실제 적용은 불안정한 열역학과 응집체 추세에 의해 크게 제한됩니다. 따라서, 특정 기능성 물질을 TiO₂ 에 도핑하는 것은 항균 활성, 향상된 분 산성 및 열 안정성의 조합 효과를 달성하기 위해 제안되었습니다.

본 연구에서는 항균 Ag/_TiO2 복합체를 합성하여 난자 보존을 위한 키토산 코팅에 적용한다. SEM 이미지는 Ag/TiO₂ 입자와 달걀 껍질의 구조와 형태를 분석하는 데 사용됩니다. 코팅의 보존 성능은 중량 감소, Haugh 단위, 알부민 pH 및 달걀 껍질 형태에 의해 평가되고 비교됩니다. 이 연구는 식품 보존에서 나노 복합 혼합 키토산 코팅의 가능성과 잠재력을 보여줍니다.

프로토콜

1. 나노 Ag / TiO₂ 복합 재료의 합성

1. 나노 실버 졸을 준비하려면 AgNO₃ 용액 100mL, 보호제 100mL 및 NaBH₄ 50mL를 500mL 차단기에 결합하십시오.
   1. 아세트산과 메탄산(분석 등급)을 1:1의 부피 비율로 혼합하여 보호제의 전구체로 100mL의 복합 산성 용액을 얻습니다. 산용액을 탈이온수(18MΩ•cm)로 보호제로서 500mL로 희석한다.
   2. AgNO₃ 용질이 보호 용액에 고르게 분산될 때까지 격렬한 교반 하에 생성된 보호제에 AgNO₃ 용액(0.3 mol/L)을 첨가합니다. 0.4g의 NaBH₄ 를 첨가하여 실온에서 1 시간 동안 혼합물을 반응시킨 후 잘 분산 된 Ag sol을 얻는다.
      주의: 나노 실버의 입자 크기는 1.1.2 단계에서 보호제의 농도와 교반 속도에 의해 조정될 수 있습니다.
2. 교반하면서 Ag를 테트라부틸 티타네이트(TBOT)-에탄올 용액에 결합한 다음 80mL의 산 촉매를 적가합니다.
   1. 500μL의 벤젠술폰산(BA)과 빙초산(AA)을 결합하여 혼합 용액(1:2의 부피 비율로 BA 및 AA)을 얻습니다. 용액을 탈이온수 100mL(18MΩ•cm)에 희석하여 산 촉매를 제조합니다.
   2. 생성된 Ag sol을 미리 분산된 테트라부틸 티타네이트(TBOT)-에탄올 용액(100mL 에탄올 용액 중 TBOT 2.5)에 넣고 1시간 동안 교반하여 혼합된 졸을 얻습니다. 그 후, 졸을 80 mL의 산 촉매에 적가하고 70 °C에서 4 시간 동안 교반한다.
   3. 실온에서 48시간 동안 혼합물을 계속 교반하여 최종 Ag/TiO₂ 복합체를 생성합니다.
      양이온: 세게 저어주면 용액 방울이 튀는 원인이 될 수 있습니다. 안전을 위해 구강 비강 보호 마스크, 실험 가운, 장갑과 같은 보호 장치를 사용하십시오. 위에서 언급한 절차의 회전 속도에 대한 엄격한 표준은 없습니다.

2. 키토산 코팅의 제조

1. 키토산을 1%(vol) 아세트산에 용해시키고 25°C에서 24시간 동안 교반하여 코팅 용액을 준비합니다(결과 용액에서 키토산 농도가 0.5%(wt)인지 확인하십시오.
2. Ag/TiO_2-CS0, Ag/TiO 2-CS1, Ag/TiO 2-CS2 및 Ag/TiO 2-CS3로 표시되는 0%, 1%, 2% 및 3%(wt) Ag/TiO₂-키토산 용액을 얻기 위해 Ag/TiO 2-CS0, Ag/TiO_2-CS1, Ag/TiO_2-CS2 및 Ag/TiO_2-CS3로 표시되는 Ag/TiO 2-키토산 용액을 얻기 위해 Ag/TiO₂ 입자를 별도로 현탁액에 추가합니다. 각각.
   주의 : 위에서 언급한 절차의 회전 속도에 대한 엄격한 기준은 없습니다.

3. 주사전자현미경(SEM) 관찰

1. 실험용 달걀 껍질을 조각으로 자릅니다(약 2-3mm의 정사각형 치수).
2. 금속 스터브의 달걀 껍질 조각을 전도성 접착제(즉, 양면 탄소 전도성 테이프 또는 기타 유사한 재료)로 고정합니다. 검체 준비 중에는 장갑을 사용하여 검체가 손에서 오염되는 것을 방지하십시오. 샘플을 표시합니다(예: 다이아몬드 펜 커터를 사용하여 L자형 스크래치로).
3. 또는 전도성 물질(~10nm 두께)로 스퍼터링 코팅을 적용하여 충전 효과를 방지합니다.
4. 샘플의 상단 보기에서 최소 3개의 고해상도 SEM 현미경 사진(이상적으로는 최소 5개)을 획득합니다. 각 이미지가 20μm의 해상도 비율로 최소 25μm x 25μm의 영역을 표시하는지 확인합니다. 거시적인 표면 결함이 있는 표면 영역에서 이미지를 촬영하지 마십시오.
5. 다음 SEM 매개 변수를 사용하십시오 : 30kV의 작동 전압. 두 번째 전자 이미지의 해상도는 고급 주사 전자 현미경에서 전계 방출 전자총을 사용하여 2nm에 도달할 수 있습니다(이온 빔 전류 밀도는 약 10⁵ A/cm²).
6. L자형 마커를 기준으로 각 그림의 정확한 위치를 기록해 둡니다.

4. 난자 보존 실험

참고: 갓 낳은 달걀은 중국 선전에 있는 현지 농장에서 제공하는 닭고기 달걀입니다.

1. 표면에 균열, 황반 또는 모래가 있는 난자를 제외하여 실험용 난자를 선별하여 적절한 난자 보존 실험 과정을 보장합니다.
2. 갓 낳은 달걀을 각 그룹에 30개의 달걀을 포함하여 5개 그룹으로 나눕니다. 키토산, Ag/_TiO 2-CS0, Ag/TiO_2-CS1, Ag/TiO 2-CS2 및 Ag/TiO_2-CS3로 각각 0%, 1%, 2% 및 3%(중량)로 도핑된 Ag/TiO₂-키토산으로 코팅된 4개의 코팅된 그룹을 설계합니다.
3. 코팅 공정을 수행하여 계란을 다른 코팅 용액에 5분 동안 담그고 주변 조건에서 24시간 동안 건조합니다. 물을 씻은 달걀(WE)을 대조 실험으로 설정합니다. 위에서 언급한 처리 후 처리된 난자를 25°C에서 보관하십시오. 표시된 5개의 난자를 사용하여 체중 감소, Haugh 단위, 알부민 pH 및 달걀 껍질 형태를 측정하여 보존 성능을 평가하고 비교합니다.
   1. 첫날과 비교하여 난자의 체중 차이를 백분율로 계산하여 난자의 체중 감소량(%)을 구합니다. 5일마다 각 그룹의 달걀 무게를 측정합니다.
   2. 달걀 무게와 알부민의 두께를 관련시키기 위해 Haugh 단위를 계산합니다(방정식 1)¹².
      HU = 100 로그 (H-1.7W^0.37+7.6) (1)
      여기서 H 는 알부민 높이(mm)를 나타내고 W 는 난자 무게(g)를 나타냅니다.
      1. Haugh 단위의 값에 따라 난자의 Haugh 단위가 각각 72 이상, 71-60 및 60 미만일 때 난자를 AA, A 및 B 등급으로 분류합니다(개별 껍질 달걀의 품질에 대한 미국 표준).
   3. 노른자에서 알부민을 분리하고 디지털 pH 측정기를 사용하여 알부민의 pH 값을 측정합니다.
   4. 샘플의 백금 스퍼터링 후 주사 전자 현미경을 사용하여 달걀 껍질 표면의 형태를 관찰합니다.
      양이온: 달걀 껍질은 격렬한 충격을 견딜 수 없는 부서지기 쉬운 물질입니다. 따라서 달걀 껍질이 손상되지 않도록 주의하십시오. 또한 4.3.4단계의 절차는 3단계와 동일합니다.

결과

Ag/TiO₂ 복합체의 입자 크기는 100-300nm 범위이며, 이는 합성 조건의 영향을 받습니다(그림 1).

그림 1: 서로 다른 해상도 비율(500nm)에서 Ag/TiO₂ 복합 입자의 SEM 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보관 중 다양한 난자 샘플의 중량 감소는 표 1에 나와 있습니다. 지속적으로 증가하는 체중 감소는 알부민_CO2 와 수증기가 난자 껍질의 구멍을 통해 빠져 나가기 때문에 난자의 품질이 저하되기 때문입니다. WE 난자의 체중 감소는 다른 그룹보다 훨씬 높으며, 이는 난자 품질에 대한 키토산 기반 코팅의 보호 능력을 나타냅니다. 키토산으로 코팅한 후 달걀 껍질의 균열이 눈에 띄게 감소하여_CO2 및 수증기의 손실을 제한합니다.

보관 시간(일)	체중 감소(wt%)
	우리	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	0.78±0.09씨	0.69±0.09씨	0.53±0.12ᅡ	0.49±0.21ᄂ,비	0.48±0.06ᅡ
11	1.85±0.13ᄂ	1.54±0.18씨	1.34±0.15ᅡ	1.28±0.13ᄂ,비	1.26±0.21ᅡ
16	2.53±0.21ᄂ	2.34±0.27씨	1.95±0.21b	1.93±0.35ᅡ	1.89±0.38ᅡ
21	4.01±0.25씨	3.63±0.32ᄂ	3.21±0.09ᄂ	3.18±0.22ᅡ	3.09±0.16ᅡ
26	4.86±0.34ᄂ	4.18±0.25ᄂ	4.09±0.39ᄂ	4.05±0.29ᅡ	3.98±0.21ᄂ,비
31	5.62±0.41ᅡ	5.01±0.51ᄂ	4.76±0.48ᅡ	4.69±0.17ᅡ	4.58±0.35ᅡ
같은 행에서 다른 superscriped 문자는 크게 다릅니다.

표 1: 보관 기간 동안 다른 난자의 체중 감소의 변화.

또한, Ag/_TiO2 입자가 도핑된 키토산 코팅은 기공을 밀봉하고 조밀한 층을 형성하는 데 더 효과적이어서 체중 감소를 상당히 억제합니다. Ag/TiO₂ 입자의 투여량이 많을수록 해당 코팅의 효과가 강해져_CO2 및 증기 손실이 감소합니다(그림 2).

그림 2: 0일, 11일, 16일, 31일째에 날 달걀 껍질 표면과 키토산 처리된 달걀 껍질 표면의 SEM 이미지. (A) 날것의 달걀 껍질 표면; (B) 키토산 처리된 달걀 껍질 표면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Haugh 단위는 백색 단백질의 노화 관련 변화에 의해 계산되며, 이는 단백질 단백질 분해 및 알부민 pH와 밀접한 관련이 있는 알부민 희석 변화를 반영합니다. 키토산 코팅 그룹보다 WE 그룹에서 Haugh 단위의 더 빠른 감소와 변함없이 낮은 값은 키토산의 효과적인 보호 능력을 나타냅니다. 키토산을 투여한 그룹의 난자는 26일 동안 우수한 A등급을 유지하는 반면, WE군은 6일 후에 B등급으로 강등됩니다. Ag / TiO 2-CS1의 Haugh 단위 값은 항상 모든 처리 그룹 중에서 가장 높으며, 이는 (i) Ag / TiO₂ 입자의 첨가는 키토산과의 시너지 효과에 기여하며, 이는 코팅 안정화 및 박테리아 제어에 더 효과적입니다. (ii) 과도한 Ag / TiO₂ 입자는 키토산 코팅의 층 구조를 파괴하여 보존 능력이 저하됩니다. 표 2의 결과에 따르면, 1%(wt) Ag/_TiO2 입자를 도핑한 키토산은 알부민 단백질의 열화를 늦추는 데 가장 좋은 성능을 나타내어 유통 기한을 최대 30일까지 연장합니다.

보관 시간(일)	Haugh 유닛
	우리	Ag/TiO2-CS0	Ag/TiO2-CS1	Ag/TiO2-CS2	Ag/TiO2-CS3
6	73.23±0.68씨	80.32±0.59ᄂ	83.34±0.12ᄂ,나	81.60±1.41ᅡ	77.06±0.35ᅡ
11	69.86±3.25씨	75.64±1.27ᄂ	77.18±2.45ᄂ,나	76.05±3.13ᄂ,나	74.32±1.41ᅡ
16	67.31±2.43ᄂ	73.88±2.06ᄂ	75.36±1.34ᅡ	75.61±2.15ᅡ	71.53±2.18ᅡ
21	62.93±5.32씨	71.06±3.88씨	73.20±3.09ᅡ	72.94±3.52ᅡ	69.35±1.34ᄂ,나
26	58.55±2.89ᄂ	69.85±1.53씨	71.85±2.39ᅡ	70.34±4.19ᄀᄂ	66.21±2.10ᅡ
31	55.24±3.04ᅡ	65.26±0.51ᅡ	69.31±3.18ᅡ	68.96±1.17ᅡ	62.64±4.03ᅡ
같은 행에서 다른 위 첨자 문자가 크게 다릅니다.

표 2: 보관 시간 동안 다른 난자의 Haugh 단위의 변화.

알부민 pH의 변화는 CO₂ 배출에 의해 발생하며, 이는 보관 시간에 따라 pH 값의 느린 증가로 이어집니다. WE 난자의 알부민 pH는 10일 이내에 급격히 증가하며 30일째에는 9.5까지 올라갑니다. 단백질이 지방과 펩톤으로 분해되면 pH가 감소합니다. 키토산 코팅으로 보호된 후, 알부민 pH는 약 pH 8.0-8.2에서 안정화되는 20일 이내에 유사한 추세를 나타냅니다. 20일 후, Ag/TiO 2-CS0 및 Ag/TiO_2-CS1의 pH 값은 pH 8.2 부근에서 약간의 변동을 보이고 Ag/TiO_2-CS2 및 Ag/TiO_2-CS3의 경우 pH 7.5-8.0 사이에서 안정화됩니다. WE 그룹과 비교하여 처리된 그룹의 상대적으로 안정적인 알부민 pH는 알부민에서 CO₂ 손실의 효과적인 감소를 보여줍니다(그림 3). Ag/TiO₂ 입자의 첨가는 키토산의 안정성을 촉진하여 31일까지 우수한 안정성을 유지할 수 있습니다(그림 4).

그림 3: 보관 시간 동안 다른 난자의 알부민 pH 변화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 0일, 11일, 16일, 31일에 Ag/TiO_2-CS가 코팅된 달걀 껍질 표면의 SEM 이미지. (A) Ag/TiO_2-CS1; (b) Ag/TiO_2-CS2; (C) Ag/TiO_2-CS3. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

난자 단백질의 품질 보존 문제는 키토산 코팅으로 완화될 수 있으며, 이는 난자의 유통 기한을 연장하는 효과적인 방법으로 입증되었습니다. 그러나 단일 키토산 코팅을 사용하면 불안정성과 같은 여러 문제가 발생하여 보존 기간이 제한되고 키토산 기반 코팅의 실제 적용이 어려워집니다. 특히, 특정 항균 나노 입자를 키토산에 도핑하면 유통 기한을 더욱 연장할 수 있는 방법이 제안되고 있습니다. 이 연구에서는 Ag/TiO₂ 입자를 성공적으로 합성하여 키토산 코팅에 도핑하여 보존 기간을 최소 30일까지 연장할 수 있습니다.

SEM 이미지는 Ag/TiO₂ 입자의 구조와 형태, 코팅된 달걀 껍질의 형태를 분석하는 데 사용됩니다. 복합 코팅의 보존 성능은 샘플의 중량 감소, Haugh 단위, 알부민 pH 및 달걀 껍질 형태에 의해 평가됩니다. Ag/_TiO2 복합체의 채택은 키토산에 시너지 효과에 기여하여 보존 기간을 더욱 연장할 수 있습니다.

Ag / TiO₂ 복합체의 입자 크기는 100-300 nm (합성 조건에 의해 제어) 범위이며, 이는 달걀 껍질 상단의 기공을 막고 보존 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 과도한 Ag/_TiO2 입자는 키토산 코팅의 층상 구조를 파괴하여 보존 능력을 낮춥니다.

그러나 현재 본 연구에서 키토산 코팅의 성능은 기존 입자 종 및 농도에 의해 제한되므로 향후 연구에서 최적화가 필요합니다.

이 연구의 방법은 특정 나노 입자에 의해 코팅 전구체에 혼합될 수 있는 새로운 코팅 재료를 보여 나노 입자와 전구체의 조합 효과를 달성하고 식품 보존 분야에서 새로운 다기능 코팅을 준비할 수 있음을 보여줍니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
acetate	Aladdin	64-19-7	GR, 99.8%
Benzenesulfonic acid	Aladdin	03/11/1998	98%
Chitosan	Aladdin	9012-76-4	<200 mPa•s
Deionized water	prepared by ourselves	-	18 MΩ•cm
Electronic precision balance	Sartorius	BSA124S-CW
Ethanol	Aladdin	64-17-5	≥99.8%
Formate	Aladdin	64-18-6	Standard for GC, >99%
pH meter	HeYi	PHS-25
Scanning electron microscope	Hiatchi	SU8010
Silver nitrate (AgNO3)	Aladdin	7761-88-8	≥99.9%
Sodium borohydride (NaBH4 )	Aladdin	16940-66-2	98%
Temperature humidity chamber	YiHeng	LHS-50CH
Titanium butoxide (TBOT)	Aladdin	5593-70-4	CP,98%