Synthesis and characterization of Chitosan/Cellulose-Zno Nanocomposites for bacterial aplications

Abstract

The use of non-biodegradable plastics used in food packaging has generated a major environmental concern because of the waste generated. Besides, microbial contamination of food is a serious problem affecting the human health and the food industry. An alternative to face these concerns is the use of biopolymers-based nanocomposites, which are biodegradable and can be modified to provide protection against bacteria based on the tenability of their functional properties. On this basis, the present work focuses on the fabrication of chitosan/cellulose films hosting environmental friendly ZnO nanoparticles (NPs) as an attempt to produce nanocomposites with enhanced bactericidal capacity. Doping nanostructures is an efficient method of control and enhance their properties; it has been suggested that Mg doping influenced the bactericidal capacity of ZnO while enhancing UV blocking capacity. The solution casting method was used to fabricate the chitosan/cellulose blend films at various chitosan/cellulose w/w ratios. Highly monodisperse Mg doped ZnO nanoparticles were synthesized using Zinc acetate, Magnesium acetate and Triethylene glycol (TEG) via a modified Polyol route. The nanoparticles were inserted in the polymeric matrix at different weight percentages. Optical properties of ZnO nanoparticles, pure and Mg-doped, were studied by UV–Vis Spectroscopy and Photoluminescence Spectroscopy (PL) techniques. The nanoparticles’ size and morphology were determined by X- ray diffraction and Scanning Electron Microscopy (SEM). The chitosan/cellulose blend films and chitosan/cellulose- ZnO-Mg nanocomposites were characterized by Fourier Transform – Infrared spectroscopy (FTIR). The mechanical properties of produced bare and ZnO-bearing composites were determined from stress-strain tests. The Standard Plate Count methods was used to evaluate the bactericidal properties of the pure and Mg-doped ZnO nanoparticles and chitosan/cellulose/ZnO-Mg nanocomposites against Escherichia coli. The results reveal the formation of spherical nanoparticles of zinc oxide with a crystalline structure wurtzite and a crystal size in a range from 6 to 8 nm. The higher bactericidal capacity against E. coli was obtained for nanoparticles with a magnesium doping level of 0.5 at. %. In addition, all synthesized nanoparticles exhibited singlet oxygen generating capacity. Films made with chitosan and cellulose showed greater deformation when compared with the chitosan film. The tensile strength and water vapor permeability of the films increased with the insertion of the nanoparticles in the polymeric matrix. All nanocomposites formed by chitosan, cellulose and Mg-ZnO nanoparticles exhibited high bactericidal capacity against E. coli.

El uso de plásticos no biodegradables usados en la industria de empaques de alimentos ha generado grandes preocupaciones ambientales, debido a los residuos generados. Además, la contaminación microbial de los alimentos es un serio problema que afecta la salud y a las industrias de alimentos. Una alternativa para enfrentar estas preocupaciones es el uso de nano compuestos fabricados con biopolímeros, los cuales son biodegradables y pueden ser modificados para proporcionar protección contra bacterias en base a sus propiedades funcionales. En base a esto, el presente trabajo se enfoca en la fabricación de películas de quitosano/celulosa con nanopartículas de óxido de zinc incorporadas, para producir un nanocompuesto con mejores capacidades bactericidas. El Dopaje de nanoestructuras es un método eficaz para controlar y mejorar sus propiedades; se ha sugerido que el dopaje con Mg influye en la capacidad bactericida del ZnO al tiempo que mejora la capacidad de bloquear los rayos UV. El método de “solution casting” fue usado para fabricar las películas de quitosano/celulosa a diferentes concentraciones de celulosa. Las nanopartículas de óxido de zinc puras y dopadas con magnesio fueron sintetizadas usando acetato de zinc, acetato de magnesio y trietilenglicol a través de una ruta “poly-ol” modificada. Las nanopartículas fueron insertadas en la matriz polimérica de quitosano/celulosa a diferentes porcentajes en peso. Las propiedades ópticas de las nanopartículas de ZnO puros y dopadas con Mg fueron estudiadas por técnicas de espectroscopía UV y fotoluminiscencia. El tamaño de las nanopartículas y la morfología se determinaron por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. Las películas de quitosano/celulosa con y sin nanopartículas fueron caracterizadas por espectroscopía infrarroja (FT-IR), y sus propiedades mecánicas fueron determinadas por medio de ensayos de tensión. Las propiedades bactericidas de las nanopartículas puras y dopadas con Mg y del nanocompuesto fueron evaluadas contra Escherichia coli por medio del método de conteo de colonias. Los resultados revelan la formación de nanopartículas esféricas de óxido de zinc con una estructura cristalina en la fase wurtzita, y con un tamaño del cristal en un rango entre 6 a 8 nm. La mayor capacidad bactericida contra E. coli se obtuvo para las nanopartículas con un nivel de dopaje de magnesio de 0.5 at. %. Además todas las nanopartículas sintetizadas exhibieron capacidad de generar oxigeno singlete. Las películas fabricadas con quitosano y celulosa mostraron una mayor deformación al compararse con la película de quitosano. La inserción de nanopartículas en la matriz polimérica aumento la resistencia a la tensión y la permeabilidad al vapor de agua. Todos los nano-compuestos formados de quitosano, celulosa y nanopartículas de óxido de zinc exhibieron una alta capacidad bactericida contra E. coli.