Fabrication of colorimetric pH indicator films by electrospinning

Abstract

The trend in the food packaging industry evolves towards innovative packaging materials as biosensors, which record the status of the product and can warn the consumer. The logic behind the colorimetric pH biosensor is that they provide the essential information about food visually by detecting change in pH. Anthocyanins are natural color pigments susceptible to pH change. Purple basil is rich in anthocyanins. In this study, ultrasound-assisted extraction was used for the extraction of dry purple basil. The processing conditions were optimized by response surface methodology (RSM) in terms of the total monomeric anthocyanin content and the increase in green intensity with pH. Electrospinning is a nanofiber fabrication operation used to encapsulate sensitive bioactive compounds for the production of intelligent sensing system. Polycaprolactone (PCL) films incorporating different purple basil extract (PBE) concentrations were fabricated by electrospinning procedure for the usage of colorimetric pH-indicator films as intelligent packaging. The most beadles and uniform nanofibrous mats were obtained when the spinning conditions were V=20 kV and Q=0.4 mL h-1for 10% (w v-1) PCLsolutions containing 0.4% and 0.6% (w v-1) PBE. The average fiber diameters in these films were 178.59±52.92 nm and 235.39±92.46 nm, respectively. The films gave promising results with regards to their use as colorimetric pH-indicator films. The time required to observe a visible color change (ΔE) in these films was only 4-5 s. The ΔE values between all successive pH’s were higher than 2, which is detectable by an inexperienced observer. Keywords: Anthocyanin, Purple Basil, Ultrasound-Assisted Extraction, Response Surface Methodology (RSM), Electrospinning, Colorimetric pH-indicator Films.

Gıda paketleme endüstrisindeki eğilim, ürünün durumunu kaydeden ve tüketiciyi ürünün tüketiminin güvenli olup olmadığı konusunda uyarabilen gelişmiş özelliklere sahip biyosensörler olarak yenilikçi ambalaj malzemelerine doğru evrilmektedir. Kolorimetrik pH biyosensörünün ardındaki mantık, pH değişimini tespit ederek gıda hakkında temel bilgileri görsel olarak sağlamalarıdır. Antosiyaninler, pH değişimine duyarlı doğal renk pigmentleridir. Ortam pH’ının değişmesi ile renk değişimi gösterirler. Mor reyhan antosiyaninler açısından zengindir. Bu çalışmada kuru mor reyhan özütü eldesi için ultrason destekli ekstraksiyon kullanılmıştır. Ekstraksiyon koşulları toplam monomerik antosiyanin miktarı ve pH’a bağlı yeşil renk yoğunluğundaki artış bazında yüzey yanıt metodolojisi kullanılarak optimize edilmiştir. Elektro-eğirme yöntemi, akıllı paketleme malzemelerinin üretimi için gerekli hassas biyoaktif bileşikleri enkapsüle etmek için kullanılan nanofiber üretim işlemidir. Bu çalışmada elektro-eğirme yöntemi kullanılarak kolorimetrik pH göstergesi filmler olarak kullanılabilecek farklı konsantrasyonlarda mor reyhan özü içeren polikaprolakton filmler üretilmiştir. En eşit dağılımlı ve boncuksuz morfolojiye sahip filmler %0.4 ve %0.6 (w v-1) mor reyhan özütü içeren % 10 (w v-1) polikaprolakton çözeltileri ile voltajın 20 kV ve akış hızının 0.4 mL h-1 olduğu koşullarda elde edilmiştir. Bu filmlerde ortalama fiber çapı, sırasıyla 178.59±52.92 nm and 235.39±92.46 nm olarak tespit edilmiştir. Elde edilen filmlerin kolorimetrik pH göstergesi olarak kullanımları açısından umut vaat edici sonuçlar elde edilmiştir. Bu filmlerle görünür bir renk değişikliğini (ΔE) gözlemlemek için gereken süre sadece 4-5 saniye olarak gözlemlenmiştir. Tüm ardışık pH’lar arasındaki ΔE değerleri, deneyimsiz bir gözlemci tarafından tespit edilebilecek şekilde 2’den yüksek bulunmuştur.