استخدام سينامالدهيد كمضاد للبكتيريا في تغليف المواد الغذائية

يشكل سينامالدهيد ما بين 85% و90% من زيت القرفة العطري، وتُعد الصين من أهم مناطق زراعة القرفة، حيث تزخر بموارد سينامالدهيد. يتكون سينامالدهيد (C9H8O) من مجموعة فينيل مرتبطة بالأكريلين، ويكون في حالته الطبيعية سائلاً لزجاً أصفر أو بني مصفر، يتميز بنكهة فريدة وقوية تجمع بين القرفة والكولا، ويُستخدم في التوابل والبهارات. وقد نُشرت العديد من الدراسات حول فعالية سينامالدهيد كمضاد للبكتيريا واسع النطاق وآليته، وأظهرت هذه الدراسات فعاليته في مكافحة البكتيريا والفطريات. في المجال الطبي، استعرضت بعض الدراسات التقدم البحثي في ​​استخدام سينامالدهيد في علاج الأمراض الأيضية، وأمراض الجهاز الدوري، ومكافحة الأورام، وغيرها من الجوانب، ووجدت أن له فعالية جيدة في مكافحة داء السكري، والسمنة، والأورام، وغيرها من الأنشطة الدوائية. ونظرًا لوفرته، ومكوناته الطبيعية، وأمانه، وانخفاض سميته، ونكهته المميزة، وتأثيره المضاد للبكتيريا واسع النطاق، فقد تمت الموافقة عليه كمادة مضافة للأغذية من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية والصينية. وعلى الرغم من عدم وجود حد أقصى لكمية استخدامه، إلا أن تطايره ورائحته النفاذة تحدّ من استخدامه على نطاق واسع في الأغذية. ويمكن أن يُسهم تثبيت سينامالدهيد في أغلفة تغليف الأغذية في تحسين فعاليته المضادة للبكتيريا، وتقليل تأثيره الحسي على الطعام، كما يُسهم في تحسين جودة تخزين ونقل الأغذية، وإطالة مدة صلاحيتها.

1. مصفوفة غشاء مركب مضاد للبكتيريا

تستخدم معظم الأبحاث المتعلقة بأغلفة التغليف المضادة للبكتيريا للأغذية مواد طبيعية قابلة للتحلل الحيوي كقوام أساسي لتشكيل الأغشية، ويتم تحضير هذه الأغشية بطرق الطلاء أو الصب أو البثق بدرجة حرارة عالية. ونظرًا لاختلاف آلية عمل وتوافق ركائز الأغشية المختلفة مع المواد الفعالة، تختلف خصائص الغشاء النهائي، لذا يُعد اختيار الركيزة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية. تشمل ركائز تشكيل الأغشية الشائعة الاستخدام مواد اصطناعية قابلة للتحلل الحيوي مثل كحول البولي فينيل والبولي بروبيلين، ومواد طبيعية مثل السكريات المتعددة والبروتينات، بالإضافة إلى المواد المركبة. يُعد كحول البولي فينيل (PVA) بوليمرًا خطيًا، يشكل عادةً بنية شبكية ثلاثية الأبعاد عند التشابك، ويتميز بخصائص ميكانيكية وحاجزة ممتازة. أما موارد القوام الأساسية الطبيعية الشبيهة بالأغشية فهي وفيرة ومتوفرة على نطاق واسع. فعلى سبيل المثال، يمكن تخمير حمض البولي لاكتيك من مواد خام مثل النشا والذرة، وهو متوفر بكميات كافية ومتجددة، ويتميز بقابلية جيدة للتحلل الحيوي والتوافق الحيوي، مما يجعله مادة تغليف مثالية وصديقة للبيئة. غالباً ما تتكون المصفوفة المركبة من مصفوفتين غشائيتين أو أكثر، والتي يمكن أن تلعب دوراً تكميلياً مقارنة بمصفوفة غشائية واحدة.

تُعدّ الخصائص الميكانيكية وخصائص العزل مؤشرات مهمة لتقييم مدى ملاءمة أغشية التغليف. يؤدي إضافة سينامالدهيد إلى تكوين روابط متقاطعة مع مصفوفة غشاء البوليمر، مما يقلل من سيولة الجزيئات. ويعزى انخفاض الاستطالة عند الكسر إلى عدم استمرارية بنية شبكة عديد السكاريد، بينما تُعزى زيادة قوة الشد إلى زيادة المجموعات المحبة للماء أثناء عملية تشكيل الغشاء نتيجةً لإضافة سينامالدهيد. علاوة على ذلك، لوحظ عمومًا ازدياد نفاذية الغاز لغشاء سينامالدهيد المركب، وهو ما قد يُعزى إلى تشتت سينامالدهيد في البوليمر مُكوّنًا مسامات وفراغات وقنوات، مما يقلل من مقاومة انتقال جزيئات الماء، ويؤدي في النهاية إلى زيادة نفاذية الغاز لغشاء سينامالدهيد المركب. تتشابه الخصائص الميكانيكية والنفاذية للعديد من الأغشية المركبة، ولكن بنية وخصائص ركائز البوليمر المختلفة تختلف، والتفاعلات المختلفة مع سينامالدهيد ستؤثر على أداء غشاء التغليف، وبالتالي على استخدامه، لذلك من المهم جدًا اختيار ركيزة البوليمر المناسبة والتركيز المناسب.

ثانيًا، طريقة ربط سينامالدهيد وغشاء التغليف

مع ذلك، فإن سينامالدهيد قليل الذوبان في الماء، حيث تبلغ ذوبانيته 1.4 ملغم/مل فقط. ورغم بساطة تقنية المزج وسهولة استخدامها، إلا أن طوري سينامالدهيد القابل للذوبان في الدهون ومصفوفة الغشاء القابلة للذوبان في الماء غير مستقرين، كما أن ظروف الحرارة والضغط العاليين المطلوبة عادةً في عملية تشكيل الغشاء تُقلل بشكل كبير من تركيز سينامالدهيد المتاح في الغشاء، مما يُصعّب تحقيق التأثير الأمثل المضاد للبكتيريا. أما تقنية التضمين، فهي عملية استخدام مادة الجدار لتغليف أو امتصاص المادة الفعالة المراد تضمينها، وذلك لتوفير دعم للأداء أو حماية كيميائية. ويُمكن استخدام تقنية التضمين لتثبيت سينامالدهيد في مادة التغليف، مما يُتيح إطلاقه ببطء، ويُحسّن معدل الاحتفاظ به، ويُطيل فترة مقاومة الغشاء للبكتيريا، ويُحسّن الخصائص الميكانيكية لغشاء التغليف. تنقسم طرق تصنيع الحوامل الشائعة لدمج سينامالدهيد مع أغشية التغليف حاليًا إلى فئتين: تصنيع الحوامل الاصطناعية وتصنيع الحوامل الطبيعية، وتشمل هذه الطرق تضمين البوليمر، وتضمين الليبوسومات النانوية، وتضمين السيكلودكسترين، وربط أو تحميل الطين النانوي. ومن خلال الجمع بين التجميع الذاتي للطبقات والغزل الكهربائي، يمكن تحسين حامل توصيل سينامالدهيد، وبالتالي تحسين آلية عمله ونطاق استخدامه.

تطبيق غشاء تغليف غذائي نشط من ألدهيد القرفة

تختلف أنواع الأطعمة في محتواها المائي، وتركيبها الغذائي، وظروف تخزينها ونقلها، كما تختلف ديناميكيات نمو الكائنات الدقيقة المسببة للتلف اختلافًا كبيرًا. ويختلف أيضًا تأثير التغليف المضاد للبكتيريا باستخدام سينامالدهيد في حفظ الأطعمة المختلفة.

1. تأثير الحفاظ على نضارة الخضراوات والفواكه

تزخر الصين بالموارد الطبيعية، ومن أبرزها إنتاج واستهلاك الخضراوات والفواكه بكميات هائلة. إلا أن محتواها العالي من الرطوبة والسكريات يجعلها غنية بالعناصر الغذائية، وعرضة للتلوث الميكروبي والتلف أثناء التخزين والنقل والبيع. لذا، يُعدّ استخدام أغلفة التغليف المضادة للبكتيريا وسيلةً مهمةً لتحسين جودة تخزين ونقل الخضراوات والفواكه وإطالة مدة صلاحيتها. فعلى سبيل المثال، يُمكن لأغلفة التفاح المركبة من سينامالدهيد وحمض البوليلاكتيك أن تُقلل من فقدان العناصر الغذائية، وتُثبّط نمو فطر الريزوبوس، وتُطيل فترة صلاحية التفاح إلى 16 يومًا. كما أن استخدام أغلفة التغليف الغذائية النشطة المحتوية على سينامالدهيد لتغليف الجزر الطازج المقطّع يُثبّط نمو العفن والخميرة، ويُقلّل من معدل تعفّن الخضراوات، ويُطيل مدة صلاحيتها إلى 12 يومًا.

٢. تأثير الحفاظ على نضارة منتجات اللحوم: تتميز اللحوم بغناها بالبروتين والدهون وغيرها من العناصر الغذائية، مما يمنحها قيمة غذائية عالية ومذاقًا فريدًا. في درجة حرارة الغرفة، يؤدي تكاثر الكائنات الدقيقة إلى تحلل بروتينات اللحوم وكربوهيدراتها ودهونها، مما ينتج عنه تلف اللحوم، وسطحها اللزج، ولونها الداكن، وفقدان مرونتها، ورائحة كريهة. يُستخدم غشاء تغليف الطعام النشط بمادة سينامالدهيد على نطاق واسع في تغليف لحم الخنزير والأسماك، حيث يثبط بشكل أساسي نمو بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية، والإشريكية القولونية، والزائفة الزنجارية، والخميرة، وبكتيريا حمض اللاكتيك، وغيرها من البكتيريا، ويمكنه إطالة فترة صلاحية اللحوم من ٨ إلى ١٤ يومًا.

3. تأثير الحفاظ على نضارة منتجات الألبان: يشهد استهلاك منتجات الألبان في الصين نموًا متزايدًا عامًا بعد عام. يُعدّ الجبن منتجًا حليبيًا مُخمّرًا غنيًا بالقيمة الغذائية والبروتين. إلا أن مدة صلاحية الجبن قصيرة، ولا تزال نسبة تلفه في درجات الحرارة المنخفضة مُقلقة. يُمكن استخدام غلاف تغليف الطعام المُحتوي على سينامالدهيد لإطالة مدة صلاحية الجبن بشكل فعّال، والحفاظ على مذاقه الجيد، ومنع فساده. بالنسبة لشرائح الجبن وصلصات الجبن، تمتد مدة صلاحيتها إلى 45 يومًا و26 يومًا على التوالي بعد استخدام التغليف النشط المُحتوي على سينامالدهيد، مما يُساهم في ترشيد استهلاك الموارد.

٤. تأثير الحفاظ على نضارة النشويات: يُعدّ الخبز والكعك من منتجات النشويات، المصنوعة من دقيق القمح، ذات ملمس ناعم، وحلاوة لذيذة. مع ذلك، يتميز الخبز والكعك بفترة صلاحية قصيرة، وهما عرضة للتلوث بالعفن أثناء البيع، مما يؤدي إلى تدهور الجودة وهدر الطعام. يُمكن استخدام مواد تغليف غذائية نشطة تحتوي على سينامالدهيد في الكعك الإسفنجي والخبز المقطّع، مما يُثبّط نمو وانتشار فطر البنسيليوم والعفن الأسود، ويُطيل فترة صلاحيتهما إلى ١٠-٢٧ يومًا على التوالي.

 

يتميز سينامالدهيد بوفرة مصدره، وقدرته العالية على تثبيط نمو البكتيريا، وانخفاض سميته. وباعتباره عاملًا مثبطًا لنمو البكتيريا في التغليف النشط للأغذية، يمكن تحسين استقرار سينامالدهيد وإطلاقه البطيء من خلال تصميم وتحسين ناقل التوصيل، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين جودة تخزين ونقل الأغذية الطازجة وإطالة مدة صلاحيتها. في السنوات الأخيرة، حقق سينامالدهيد العديد من الإنجازات والتقدم في أبحاث حفظ الأغذية بالتغليف، إلا أن الأبحاث التطبيقية ذات الصلة لا تزال في مراحلها الأولية، ولا تزال هناك بعض المشكلات التي تحتاج إلى حل. من خلال دراسة مقارنة لتأثيرات نواقل التوصيل المختلفة على الخصائص الميكانيكية وخصائص الحاجز للغشاء، واستكشاف معمق لآلية عمل سينامالدهيد والناقل وحركية إطلاقه في بيئات مختلفة، ودراسة تأثير قانون نمو الكائنات الحية الدقيقة في الغذاء على فساده، وآلية تنظيم التغليف المضاد للبكتيريا على توقيت وسرعة إطلاق العوامل المضادة للميكروبات، يتم تصميم وتطوير أنظمة تغليف نشطة تلبي متطلبات حفظ الأغذية المختلفة.