Development of cellulose
\nnanocrystal reinforced
\nantimicrobial nanocomposite films
\nfor food packaging application

Au cours des dernières années, il y a eu une formidable expansion de l'évolution de la recherche \net de la technologie dans le domaine de la nanotechnologie, ce qui a entrainé des développements \nsignificatifs et des applications dans les domaines de l'alimentation et de l'agriculture. En \nparticulier, le domaine de l'emballage alimentaire représente un domaine prometteur et excitant \npour l'utilisation de la nanotechnologie. La cellulose nanocrystalline (CNC), qui est produite à \npartir du bois, représente une occasion en or pour les vastes ressources forestières du Canada. \nDes essais toxicologiques ont également montré que la CNC est moins dommageable pour \nl'environnement que les autres nanomatériaux et sans effets toxiques. Cette thèse porte sur \nl'utilisation de la CNC pour le développement de nouveaux matériaux, respectueux de \nl'environnement, tels des films bionanocomposites antimicrobiens pour l'application dans \nl'emballage alimentaire. Le chitosane, un polymère naturel, non toxique, biocompatible et \nbiodégradable, a été choisi comme matrice pour la fabrication de films bionanocomposites. Des \nfilms de chitosane bionanocomposite renforcés par la CNC ont été fabriqués par un procédé à \npartir de solutions et on a constaté que la CNC a agi comme un bon agent de renforcement dans \nle chitosane. L’incorporation de CNC a amélioré la résistance mécanique, la transmission de la \nvapeur d'eau, la perméabilité et les propriétés de gonflement des films de chitosane. La \nconcentration optimale CNC est de 5% pds/ pds de chitosane. \nAprès la mise au point d'une formulation de chitosane /CNC optimisée, l’attention a été déplacée \nvers le développement de films bionanocomposite capables d'inhiber la croissance, à la surface, \nde bactéries pathogènes dans les produits carnés. La nisine, un agent antimicrobien naturel, a été \nimmobilisé à la surface des films de chitosane/CNC à l'aide de la génipine. Les films \nantimicrobiens développés ont inhibé avec succès la croissance de L. monocytogenes dans des échantillons de viande prête-à-manger (PAM). Une faible concentration de réticulation de \ngenipin (0,05% pds/v) a protégé de l'activité antimicrobienne des films dans un état de stockage \nextrême. La résistance à l'eau et la résistance mécanique des films ont également augmenté en \nraison de la réticulation de la génipine. La spectroscopie à transformée de Fourier (FTIR) a été \neffectuée pour étudier les changements dans les bandes infrarouges liés à la réticulation du film \npar la génipine. La microfluidization, qui est une technique d'homogénéisation à haute pression, \na été utilisé pour distribuer de manière homogène au sein de la matrice de chitosane la CNC et de \ndévelopper des films bionanocomposites de résistance élevée. Une méthodologie statistique, dite \nde ‘surface de réponse’ (RSM), a été adoptée pour optimiser systématiquement le contenu en \nCNC, la pression de la microfluidisation et le nombre de cycles de microfluidisation pour \noptimiser la résistance mécanique des films de chitosane/CNC. La microscopie électronique à \nbalayage (MEB) des films microfluidisées chitosane/CNC a révélé une réduction de 10 à 15 fois \ndans la taille des agrégats par rapport aux films de chitosane/CNC non microfluidisé. La RSM a \négalement été utilisée pour optimiser une nouvelle formulation capable d'inhiber les bactéries \ngramme-négatives (E. coli et S. typhimurium) et les bactéries à Gramme-positives (L. \nmonocytogenes). Une concentration de nisine de 125 à 150 μg/mL avec un \néthylènediaminetétraacétate disodique (Na -EDTA) concentration de 20 à 30 mM et un pH de 5- \n6 a inhibé l'ensemble des trois bactéries. La formulation antimicrobienne développée a été \nimmobilisée sur la surface des films de chitosane /CNC microfluidisées par la genipine par \nréticulation. L’rradiation gamma à faible dose a été appliquée sur les films. On a constaté chez \nles films préparés par la combinaison de la réticulation de génipine et l’irradiation gamma (1,5 \nkGy), la plus haute activité antimicrobienne in vitro contre E. coli et Listeria monocytogenes à la \nfin de 35 jours de stockage. Les films ont augmenté la durée de vie de la viande de porc frais de plus de 5 semaines et ont aussi inhibé la croissance de bactéries pathogènes dans des échantillons \nde viande. In recent years there is a tremendous expansion of research and technology developments in the \nfield of nanotechnology, which resulted in significant application developments in the food and \nagriculture areas. Particularly, the field of food packaging represents a promising and exciting \nfield for the use of nanotechnology. Cellulose nanocrystals (CNC), which are produced from \nwood, represent a glorious opportunity for Canada’s vast forest resources. Toxicological \nexperiments have also shown CNC to be far more environmentally benign than other \nnanomaterials. This thesis examines the use of CNC for the development of novel, environment \nfriendly, antimicrobial bionanocomposite films for food packaging application. Chitosan, a \nnatural, non-toxic, biodegradable, biocompatible polymer was chosen as the matrix for the \nfabrication of bionanocomposite films. CNC reinforced chitosan based bionanocomposite films \nwere fabricated by solution casting method and it was found that CNC acted as a good \nreinforcing agent in chitosan. CNC incorporation improved the mechanical strength, water vapor \npermeability and swelling property of the chitosan films. The optimum CNC concentration was \nfound to be 5% w/w of chitosan. \nAfter the development of an optimized chitosan/CNC formulation, the focus was shifted to the \ndevelopment of bionanocomposite films capable of inhibiting surface growth of pathogenic \nbacteria in meat products. Nisin, a natural antimicrobial agent, was immobilized on the surface \nof the CNC/chitosan films by using genipin as a cross-linking agent. The developed \nantimicrobial films successfully inhibited the growth of L. monocytogenes in ready-to-eat (RTE) \nmeat samples. Low concentration of genipin cross-linking (0.05% w/v) protected the \nantimicrobial activity of the films in extreme storage condition. Water resistance and mechanical \nstrength of the films also increased due to genipin cross-linking. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was performed to investigate the changes in the infrared bands related to \nthe genipin cross-linking of the film. Microfluidization, which is a high-pressure homogenization \ntechnique, was used to homogeneously distributed CNC within the chitosan matrix and develop \nhigh strength bionanocomposite films. Response surface methodology (RSM) was adopted to \nsystematically optimize the CNC content, the microfluidization pressure and the number of \nmicrofluidization cycles by measuring the mechanical strength of the chitosan/CNC films. \nScanning electron microscopy (SEM) analysis of the microfluidized CNC/chitosan films \nrevealed a 10 to 15 times reduction in the size of the aggregates compared to the nonmicrofluidized \nCNC/chitosan films. RSM was also used to develop a novel optimize formulation \ncapable of inhibiting both gram-negative (E. coli and Salmonella spp.) and gram-positive \n(Listeria monocytogenes) bacteria. A nisin concentration of 125-150 μg/mL with a disodium \nethylenediaminetetraacetate (Na-EDTA) concentration of 20-30 mM and a pH of 5-6 inhibited \nall the three bacteria. The developed antimicrobial formulation was immobilized on the surface \nof the microfluidized CNC/chitosan films by genipin cross-linking. Low dose gamma irradiation \nwas applied on the films. It was found that films prepared by the combination of genipin crosslinking \nand gamma irradiation (1.5 kGy) the highest antimicrobial activity in vitro against E. coli \nand Listeria monocytogenes at the end of 35 days of storage. The films increased the \nmicrobiological shelf life of fresh pork meats by more than 5 weeks and also inhibited the \ngrowth of pathogenic bacteria in meat samples.

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