Cellulose nanofiber film coating for enhancing fruit preservation

Abstract

Cellulose pulp is nanofibrillated through carboxymethylation (CM) and grinding process, and the prepared cellulose nanofiber (CNF) is applied to the surface of fruits to enhance their storage period and freshness. CM-CNF forms ionic crosslinks through electrostatic interaction with divalent cations. The networked film structure improves mechanical properties and exhibits a gas barrier effect. As the CM time is increased, the diameter of CNFs is decreased, the surface area is increased, and the degree of substitution is increased. As the degree of substitution increased, the negative charge at the CM-CNF surface is increased, and an electrostatic repulsive force is formed between the CM-CNFs. For this reason, the dispersibility and colloidal stability of the CM-CNF suspension solution are improved. The high dispersibility of CM-CNF is crucial in improving transparency and physical properties of the film during production process. The addition of magnesium and calcium ions improves the tensile strength of the CM-CNF film by cross-linking, and reduces the hydrophilicity of the film by reducing the ionic carboxyl groups. The CM-CNF film with reduced hydrophilicity decreases water vapor permeability in a high-humidity environment. The improvement of fruit storability with CM-CNF film is confirmed by applying it to strawberries which are non-climacteric fruits, and bananas which are climacteric fruits. Because ripening of fruit proceeds through respiration, it is important to prevent the inflow of oxygen required for respiration and the evaporation of moisture inside the fruit. The CM-CNF film significantly reduces the amount of carbon dioxide generated in the respiration process by blocking the inflow of oxygen required for respiration of fruits, and suppresses weight loss by preventing moisture evaporation of fruits. The improvement of fruit storability can be confirmed by observing the delayed firmness, and the change of total soluble solids and acidity of the fruit. Fruits coated with CM-CNF film have a reduced ripening rate and remain fresh for a relatively long time.

카르복시메틸화 (Carboxymethylation, CM) 및 그라인딩을 통하여 셀룰로오스 펄프를 나노섬유화 (Cellulose nanofiber, CNF)하며, 제조된 CNF를 과일 표면에 도포하여 저장성의 향상을 모색한다. CM-CNF 는 2가 양이온과 정전기적 상호작용으로 이온성 가교를 형성하며 이로 인하여 재료의 물성이 향상되고 기체 차단 효과를 보이게 된다. CM 시간이 증가함에 따라 CNF 의 직경이 감소하고 표면적이 증가하며, CM 치환도가 증가한다. CM 치환도의 증가는 CM-CNF 표면의 음전하를 높이고 CM-CNF 간에 정전기적 반발력을 형성하여 현탁 용액의 분산성 및 콜로이드 안정성을 향상시킨다. 우수한 CM-CNF의 분산성은 필름 제조시에 투명성 및 물성을 향상시키는 주요 요인이 된다. 마그네슘과 칼슘 이온의 첨가는 가교 형성으로 CM-CNF 필름의 인장강도를 향상시키고, 카르복실기의 이온성을 낮추어 필름의 친수성을 감소시킨다. 친수성이 감소된 CM-CNF 필름은 고습도 환경에서 투습도의 감소를 보인다. CM-CNF 필름의 과일 저장성 향상은 호흡 비급등형 과일인 딸기와 호흡 급등형인 바나나에 적용하여 확인한다. 과일은 호흡을 통하여 숙성이 진행되기 때문에 호흡에 필요한 산소의 유입을 막고, 이와 함께 과일 내부의 수분 증발을 방지하는 것이 중요하다. CM-CNF 필름은 과일의 호흡에 필요한 산소의 유입을 차단하여 호흡과정에서 발생하는 이산화탄소의 양을 현저히 감소시키고 과일의 수분 증발을 방지하여 중량 감소를 억제한다. 과일 저장성의 향상은 과일의 경도 하강 시점이 늦춰지고 당도 및 산도의 변화 속도가 지연되는 것을 관찰함으로써 확인할 수 있다. CM-CNF 필름으로 코팅된 과일은 숙성 속도가 감소하고, 신선도가 상대적으로 유지된다. 이와 더불어, 보관 온도의 변화에 대한 과일 표면의 민감도, 항산화 물질의 첨가에 따른 과일의 숙성도 변화를 통하여 과일 코팅 소재로서 CM-CNF의 응용 가능성을 평가하고자 한다.