Development of biodegradable polymers and natural fillers-based nanocomposites for potential applications in active food packaging
Amélioration des propriétés barrières et antibactériennes de polyesters par formation de matériaux composites à base de produits naturels
Résumé
Bacterial food contaminations are a major challenge to the food industry due to their impact both on the health and economic sectors, causing millions of illnesses and billions of dollars in losses each year. Thus, in an attempt to mitigate and fight against these contaminations, multiple techniques have been developed, including food packaging. Indeed, traditional food packaging using fossil-based polymers is widely used as a physical barrier between the food and the external environment, limiting to some extent microbial contaminations. However, using traditional food packaging materials raises two concerns. First, they are not sufficient to limit bacterial contaminations and second, they use non-biodegradable plastics. In this thesis, we aim to develop new antibacterial nanobiocomposite materials based on biodegradable polymers for potential applications in antibacterial active food packaging.The first nanocomposites developed are PCL-CTAB-modified bentonite using a grafting from ring opening polymerization by exploiting the hydroxyl groups of bentonite. The second nanocomposites are PLA-Fluorphlogopite-Silver nanoparticles (AgNPs) films prepared using melt extrusion, and the third and last nanocomposites are Chitosan-AgNPs films. All these nanocomposites were characterized using multiple characterization techniques with a special focus on their thermal, mechanical, barrier, and antibacterial properties. The nanocomposites showed excellent properties and exerted important antibacterial activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. These results demonstrate the potential use of these nanocomposites as antibacterial food packaging materials.Finally, the excellent potential of AgNPs as nanofillers led us to dedicate a chapter to the optimization and stability of biogenic AgNPs. AgNPs synthesis using rosemary extract as a reducing and a stabilizing agent (R-AgNPs) was optimized in terms of size and production. These R-AgNPs were characterized using multiple techniques, and their stability was monitored and enhanced using three surfactants, CTAB, SDS, and Tween 80. Moreover, these R-AgNPs showed an excellent antibacterial activity against Gram-positive and Gram-negative bacteria at concentrations that are non-cytotoxic to mammalian cells. Finally, the surfactant capping of R-AgNPs enhanced their antibacterial activity without inducing any cytotoxic effect on mammalian fibroblasts.
Les contaminations alimentaires constituent l’un des problèmes majeurs de l’industrie alimentaire à cause des pertes énormes qu’elles posent, que ce soit sur le plan sanitaire que sur le plan économique, causant des millions de maladies et des milliards de dollars de pertes chaque année. Ainsi, afin d'atténuer et de lutter contre ces contaminations, de multiples techniques sont développées dont l'emballage alimentaire. En effet, les emballages alimentaires classiques utilisent des polymères d'origine fossile qui sont largement utilisés comme des barrières physiques entre l'aliment et le milieu extérieur. Cependant, ces matériaux soulèvent deux problèmes. Premièrement, ils ne limitent pas les contaminations bactériennes, et deuxièmement, ils sont non biodégradables. Ainsi, dans cette thèse, nous tentons de développer de nouveaux matériaux nanobiocomposites antibactériens à base de polymères biodégradables pour des applications potentielles dans les emballages alimentaires actifs antibactériens.Les premiers matériaux développés sont des nanocomposites de PCL-Bentonite modifiée par le CTAB préparées via une polymérisation par ouverture de cycle en utilisant une approche « Grafting from » qui exploitent les groupements hydroxyles de la bentonite qui comportent comme co-initiateurs de la polymérisation. Les deuxièmes nanocomposites sont des films de PLA-Fluorphlogopite-Nanoparticules d’argent (AgNPs) préparés par une simple méthode d’extrusion à l'état fondu, et les troisièmes nanocomposites sont des films de Chitosan-AgNPs. Ces nanocomposites ont été caractérisés en utilisant plusieurs techniques et en focalisant sur leur propriétés thermiques, mécaniques, barrières et antibactériennes. Tous ces systèmes ont montré des propriétés améliorées et ont montré une activité antibactérienne importante contre les bactéries à Gram-positif et à Gram-négatif. Ces résultats montrent le potentiel important de ces matériaux pour des applications en emballage alimentaire actif.L'excellent potentiel des AgNPs en tant que nanocharges nous a conduit à consacrer un chapitre sur l'optimisation et l’étude de la stabilité des AgNPs préparées biologiquement. A cet égard, la synthèse des AgNPs a été optimisée en termes de taille et de production en utilisant l’extrait du romarin comme agent réducteur et stabilisateur (R-AgNPs). Ces AgNPs ont également été caractérisées par plusieurs techniques et leur stabilité a été suivie et améliorée en utilisant trois tensioactifs, CTAB, SDS et Tween 80. R-AgNPs ont montré une activité antibactérienne importante à des concentrations qui ne sont pas cytotoxiques contre des fibroblastes mammaliens. Finalement, les R-AgNPs stabilisées par les tensioactifs ont montré une activité antibactérienne améliorée sans induire un effet cytotoxique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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