توسعه مواد بسته‌بندی هوشمند و فعال هالوکرومیک سبز: فیلم‌های ژلاتین/کاپا-کاراگینان حاوی نانوذرات TiO2 و آنتوسیانین

فیلم‌های نانوکامپوزیت هالوکرومیک چندمنظوره پایدار (“فیلم‌های هوشمند”) با استفاده از روش ریخته‌گری تهیه شدند. رنگدانه‌های طبیعی (آنتوسیانین‌های زعفران یا زرشک قرمز) و نانوذرات TiO2 به ترتیب به عنوان شاخص‌های رنگی حساس به pH و برای مسدود کردن نور و همچنین برای سایر ویژگی‌های عملکردی آنها در این فیلم‌ها گنجانده شدند. ماتریس فیلم از شبکه‌ای از بیوپلیمرهای متصل به هم متشکل از ژلاتین و κ-کاراگینان ساخته شد. ویژگی‌های مکانیکی، مورفولوژیکی، طیف‌سنجی، رنگ‌سنجی، حرارتی، مانع، حساسیت به آمونیاک، ضد میکروبی، آنتی‌اکسیدانی و زیست‌تخریب‌پذیری فیلم‌ها بررسی شد. علاوه بر این، اثربخشی فیلم‌ها با استفاده از آنها برای نظارت بر تغییرات تازگی ماهی بسته‌بندی شده در طول نگهداری نشان داده شد. ترکیب نانوذرات TiO2 و آنتوسیانین‌های طبیعی به طور قابل توجهی مقاومت مکانیکی و رطوبتی فیلم‌ها را بهبود بخشید. تجزیه و تحلیل طیف‌سنجی (ATR-FTIR و XRD) نشان داد که نانوذرات و رنگدانه‌ها در سراسر ماتریس بیوپلیمر پراکنده شده‌اند و تعاملات مولکولی مهم درگیر (مانند پیوند هیدروژنی و الکترواستاتیک) را شناسایی کردند. این فیلم‌ها در پاسخ به تغییرات در تازگی نمونه‌های ماهی تغییر رنگ دادند که با تولید آمونیاک در طول تجزیه ماهی مرتبط بود. وجود آنتوسیانین‌ها و نانوذرات TiO2 باعث افزایش خواص باکتریواستاتیک فیلم‌های هوشمند و همچنین مهار واکنش‌های اکسیداتیو شد. نشان داده شد که فیلم‌های هوشمند زیست‌تخریب‌پذیر هستند و در شرایط محیطی شبیه‌سازی شده ظرف حدود 30 روز تجزیه می‌شوند. در نتیجه، این فیلم‌های هوشمند/فعال زیست‌تخریب‌پذیر ممکن است جایگزین مناسبی برای مواد بسته‌بندی پلاستیکی باشند. علاوه بر این، آنها قادر به تشخیص فساد مواد غذایی و افزایش ماندگاری آنها هستند، در نتیجه کیفیت را بهبود بخشیده و ضایعات را کاهش می‌دهند.

Sustainable multifunctional halochromic nanocomposite films (“smart films”) were prepared using a casting method. Natural pigments (saffron or red barberry anthocyanins) and TiO2 nanoparticles were included in these films as pH-responsive color indicators and for light blocking, respectively, as well as for their other functional attributes. The film matrix was constructed from a network of crosslinked biopolymers consisting of gelatin and κ-carrageenan. The mechanical, morphological, spectroscopic, colorimetric, thermal, barrier, ammonia-sensitivity, antimicrobial, antioxidant, and biodegradable characteristics of the films were investigated. Moreover, the efficacy of the films was demonstrated by using them to monitor changes in the freshness of packaged fish during storage. Incorporation of TiO2 nanoparticles and natural anthocyanins significantly improved the mechanical and moisture resistance of the films. Spectroscopic analysis (ATR-FTIR and XRD) indicated the nanoparticles and pigments were dispersed throughout the biopolymer matrix, and identified the important molecular interactions involved (such as hydrogen and electrostatic bonding). The films changed color in response to alterations in the freshness of the fish samples, which was correlated to ammonia production during fish degradation. The presence of the anthocyanins and TiO2 nanoparticles increased the bacteriostatic properties of the smart films, as well as inhibiting oxidative reactions. The smart films were shown to be biodegradable, decomposing within ∼30 days under simulated environmental conditions. In conclusion, these biodegradable smart/active films may be suitable replacements for plastic packaging materials. Moreover, they are able to detect food deterioration and prolong shelf life, thereby improving quality and reducing waste.