超疎水性と抗菌性の両方を備えたムスタファ アクブルト博士の二重機能コーティングを示す概略図。クレジット:テキサス A&M 大学工学部
テキサス A&M の研究者は、コンベア ベルトや収集バケツなどの表面に適用できるコーティングを作成しました。
露地から食料品店の農産物陳列までの過程で、新鮮な野菜や果物が微生物によって汚染されることがあります。これらのアイテムは他の農産物を台無しにし、汚染をさらに広げ、病気を引き起こす可能性のある食品の数を増やす可能性があります.
生鮮食品間の相互汚染を防ぐために、テキサス A&M 大学の研究者は、コンベア ベルト、ローラー、収集バケットなどの食品接触面に適用できるコーティングを作成しました。殺菌性に加えて、研究者はコーティングが非常に撥水性になるように設計しました。研究者たちは、水がなければ細菌は表面に付着したり増殖したりできないため、ある農産物から別の農産物への汚染を大幅に抑えることができると述べています.
「汚染された生の食品を消費すると、毎年何百人もの人々が病気になります。したがって、食品の汚染は健康上の大きな懸念であるだけでなく、重大な経済的負担でもあります。 「私たちの研究では、バクテリアを寄せ付けず、殺すこともできる新しいデュアル機能コーティングが、バクテリアの拡散を大幅に軽減し、相互汚染を回避できることを示しています。」
この研究の結果は、ACS Applied Materials &Interfaces 誌の 2 月号に掲載されています .
食中毒は、ウイルスや細菌の複数の株を含む病原体の群れによって引き起こされる可能性があります。 収穫後の感染症を治療するために、生鮮食品は通常洗浄され、過酸化水素や酢酸などの強力な抗菌剤で消毒されます。
しかし、果物や野菜の皮の届きにくい場所にバクテリアが隠れていれば、バクテリアは無傷で逃げることができます.また、バクテリアの数が十分に多い場合、バクテリアはバイオフィルムと呼ばれる保護シースを形成し、サニタイザーの作用からバクテリアをさらに保護します.
汚染された農産物は、他の食品に触れることで直接、または食品接触面を介して間接的に病原体を拡散させる可能性があります。現在、抗菌表面コーティングからバクテリアを押しのけるバネのように機能する防汚ポリマー表面まで、間接感染を防ぐ方法がいくつかあります。しかし研究者らは、これらのアプローチは最初は効率的ですが、さまざまな理由で時間の経過とともに効果が失われる可能性があると述べています.
現在の技術によってもたらされる障害を克服するために、Akbulut と彼のチームは、非常に疎水性でもある抗菌表面コーティングの作成に進みました。彼らは、コーティングの撥水性が、食品接触面の殺菌作用をより長く維持するのに役立つことに注目しました.
「ほとんどのバクテリアは、水性環境でのみ生存できます」と Akbulut 氏は述べています。 「表面が超疎水性であれば、水と一緒にほとんどのバクテリアがはじかれます。周囲のバクテリアが減ると、殺菌剤の消費が減り、コーティングの全体的な寿命が延びます。」
二重機能コーティングを作成するために、Akbulut と彼のチームは、食品業界で接触面に一般的に使用される金属であるアルミニウム シートから始めました。金属の表面に、高熱を使用してシリカと呼ばれる化合物の薄い層を化学的に付着させました。次に、この層を基質として、シリカと、リゾチームと呼ばれる涙と卵白に含まれる天然の殺菌タンパク質の混合物を加えました.
一緒に、シリカ-リゾチーム層に結合したシリカ-アルミニウム層は、顕微鏡スケールで見ると粗いテクスチャーを持つコーティングを作りました.研究者は、この超顕微鏡的な粗さ、またはコーティングの小さな隆起と隙間が超疎水性の鍵であることに注目しました.
「一般に、粗さを増すと、材料の疎水性が高まりますが、限界があります」と、工科大学の大学院生で研究の筆頭著者である Shuhao Liu 氏は述べています。 「コーティングが粗すぎると、バクテリアが再び隙間に隠れて汚染される可能性があります。そこで、シリカとリゾチームの割合を微調整して、コーティングの全体的な機能を損なうことなく、粗さが可能な限り最高の疎水性をもたらすようにしました。」
超疎水性のリゾチームを注入したコーティングが微調整されて準備が整うと、研究者はそれが病気の原因となる細菌の 2 つの菌株 Salmonella typhimurium の増殖を抑制するのに有効かどうかをテストしました。 および Listeria innocua .検査の結果、これらの表面のバクテリアの数は裸の表面よりも 99.99% 少ないことがわかりました.
細菌の拡散を防ぐコーティングの高い有効性にもかかわらず、研究者は、コーティングがウイルスの交差汚染を軽減するために同様にうまく機能するかどうかを判断するには、さらに調査が必要であると述べました.他のコーティングよりも長持ちしますが、コーティングも一定量使用した後に再適用する必要があることに注意してください。したがって、次のステップとして、Akbulut と彼のチームは、より永続的な二重機能コーティングの開発に取り組んでいます.
「私たちの目標は、あらゆる種類の病原体の付着と増殖を防ぐことができるスマートな表面を作成することです」と Akbulut 氏は述べています。 「これに関して、クロスコンタミネーションの主な原因の 1 つであるバクテリアが表面に集まるのを防ぐことができる表面コーティングを開発しました。私たちは現在、農業の研究者と協力して、私たちの発明をベンチから実践に移しています。」
参照:「細菌の抗接触および抗菌特性を備えた二重機能の超疎水性コーティング」、Shuhao Liu、Jeremy Zheng、Li Hao、Yagmur Yegin、Michael Bae、Beril Ulugun、Thomas Matthew Taylor、Ethan A. Scholar、Luis Cisneros-Zevallos、Jun Kyun Oh と Mustafa Akbulut、2020 年 2 月 5 日、ACS Applied Materials &Interfaces .
DOI:10.1021/acsami.9b18928
この研究への他の貢献者には、テキサス A&M 化学工学部の Michael Bae と Ethan A. Scholar が含まれます。 Texas A&M Department of Biomedical Engineering の Jeremy Zheng 氏と Beril Ulugun 氏。中国中開農工大学の Li Hao。 Texas A&M Department of Nutrition and Food Science の Thomas Matthew Taylor、Luis Cisneros-Zevallos、Yagmur Yegin。韓国の檀国大学のジュン・キュン・オー博士
この作業は、食品製造技術プログラムと米国農務省によってサポートされています。
