Skema yang menunjukkan lapisan fungsi ganda Dr. Mustafa Akbulut yang bersifat superhidrofobik dan antimikroba. Kredit: Fakultas Teknik Universitas Texas A&M
Peneliti Texas A&M telah menciptakan lapisan yang dapat diterapkan pada permukaan seperti sabuk konveyor dan ember pengumpul.
Selama perjalanan mereka dari ladang terbuka ke pajangan hasil bumi di toko bahan makanan, sayuran dan buah-buahan segar terkadang dapat terkontaminasi oleh mikroorganisme. Barang-barang ini kemudian dapat merusak produk lain, menyebarkan kontaminasi lebih jauh dan meningkatkan jumlah makanan yang dapat menyebabkan penyakit.
Untuk mencegah kontaminasi silang antara produk segar, para peneliti di Texas A&M University telah menciptakan lapisan yang dapat diterapkan pada permukaan yang bersentuhan dengan makanan seperti sabuk konveyor, rol, dan ember pengumpul. Selain menjadi kuman, para peneliti telah merancang lapisan mereka menjadi sangat anti air. Para peneliti mengatakan tanpa air, bakteri tidak dapat menempel atau berkembang biak di permukaan, sehingga secara drastis mengurangi kontaminasi dari satu produk ke produk lainnya.
“Mengkonsumsi makanan mentah yang terkontaminasi menyebabkan ratusan orang sakit setiap tahun, sehingga kontaminasi makanan tidak hanya menjadi masalah kesehatan yang besar tetapi juga beban ekonomi yang signifikan,” kata Mustafa Akbulut, profesor di Departemen Teknik Kimia Artie McFerrin. “Dalam penelitian kami, kami menunjukkan bahwa pelapis fungsi ganda kami yang baru – yang dapat mengusir dan membunuh bakteri – dapat sangat mengurangi penyebaran bakteri, mencegah kontaminasi silang.”
Hasil penelitian tersebut dimuat dalam jurnal ACS Applied Materials & Interfaces edisi Februari.
Penyakit bawaan makanan dapat disebabkan oleh segerombolan patogen yang meliputi berbagai jenis virus dan bakteri . Untuk menyembuhkan infeksi apa pun setelah panen, produk segar umumnya dicuci dan kemudian disanitasi dengan antimikroba yang kuat, seperti hidrogen peroksida atau asetat Zat apa pun yang bila dilarutkan dalam air, menghasilkan pH kurang dari 7,0, atau mendonorkan ion hidrogen.
acid.
Namun, bakteri masih bisa lolos tanpa cedera jika berhasil bersembunyi di tempat yang sulit dijangkau di kulit buah dan sayuran. Selain itu, jika jumlah bakteri cukup banyak, mereka dapat membentuk selubung pelindung, yang disebut biofilm, yang selanjutnya melindungi mereka dari aksi pembersih.
Produk yang terkontaminasi dapat menyebarkan patogen baik secara langsung, dengan menyentuh bahan makanan lain, atau secara tidak langsung, melalui permukaan yang bersentuhan dengan makanan. Saat ini, ada beberapa cara untuk mencegah penularan tidak langsung mulai dari pelapisan permukaan antimikroba hingga permukaan polimer antifouling yang berfungsi seperti pegas untuk mendorong bakteri menjauh. Tetapi para peneliti mengatakan pendekatan ini, meskipun efisien pada awalnya, dapat kehilangan efeknya seiring waktu karena berbagai alasan.
Untuk mengatasi kendala yang ditimbulkan oleh teknologi saat ini, Akbulut dan timnya mulai membuat lapisan permukaan antimikroba yang juga sangat hidrofobik. Mereka mencatat sifat penolak air lapisan dapat membantu permukaan kontak makanan mempertahankan tindakan kuman mereka lebih lama.
“Kebanyakan bakteri hanya bisa bertahan hidup di lingkungan berair,” kata Akbulut. “Jika permukaannya superhidrofobik, maka air, dan bersamaan dengan itu sebagian besar bakteri akan tersingkir. Dengan lebih sedikit bakteri di sekitarnya, lebih sedikit germisida yang digunakan, meningkatkan masa pakai lapisan secara keseluruhan.”
Untuk membuat pelapis dengan fungsi ganda, Akbulut dan timnya memulai dengan lembaran aluminium, logam yang biasa digunakan dalam industri makanan untuk permukaan kontak. Ke permukaan logam, mereka secara kimia menempelkan lapisan tipis senyawa yang disebut silika menggunakan panas tinggi. Kemudian, dengan lapisan ini sebagai substrat, mereka menambahkan campuran silika dan protein pembunuh kuman alami yang ditemukan dalam air mata dan putih telur yang disebut lisozim.
Bersama-sama, lapisan silika-aluminium yang terikat pada lapisan silika-lisozim membuat lapisan yang memiliki tekstur kasar jika dilihat pada skala mikroskopis. Para peneliti mencatat bahwa kekasaran submikroskopik ini, atau tonjolan kecil dan celah pada lapisan, adalah kunci superhidrofobik.
“Secara umum, jika Anda meningkatkan kekasaran, hidrofobisitas suatu material meningkat, tetapi ada batasnya,” kata Shuhao Liu, seorang mahasiswa pascasarjana di Fakultas Teknik dan penulis utama studi tersebut. “Jika lapisannya terlalu kasar, bakteri dapat kembali bersembunyi di balik celah dan mencemari. Jadi, kami mengubah proporsi silika dan lisozim sehingga kekasaran menghasilkan hidrofobik terbaik tanpa mengurangi fungsi keseluruhan lapisan.”
Ketika lapisan superhidrofobik, yang diinfuskan lisozim disetel dengan baik dan siap, para peneliti menguji apakah itu efektif dalam membatasi pertumbuhan dua jenis bakteri penyebab penyakit, Salmonella typhimurium dan Listeria innocua . Setelah diperiksa, mereka menemukan bahwa jumlah bakteri pada permukaan ini 99,99% lebih sedikit daripada permukaan telanjang.
Terlepas dari kemanjuran lapisan mereka yang tinggi dalam mencegah penyebaran bakteri, para peneliti mengatakan bahwa penyelidikan lebih lanjut diperlukan untuk menentukan apakah lapisan tersebut bekerja dengan baik untuk mengurangi kontaminasi silang virus. Meskipun lebih tahan lama daripada pelapis lainnya, mereka mencatat bahwa pelapis mereka juga perlu diaplikasikan kembali setelah digunakan dalam jumlah tertentu. Oleh karena itu, sebagai langkah selanjutnya, Akbulut dan timnya bekerja untuk mengembangkan pelapis dengan fungsi ganda yang lebih permanen.
“Tujuan kami adalah untuk menciptakan permukaan pintar yang dapat mencegah setiap jenis patogen menempel dan berkembang biak,” kata Akbulut. “Dalam hal ini, kami telah mengembangkan pelapis permukaan yang dapat mencegah bakteri berkumpul di permukaan, yang merupakan salah satu penyebab utama kontaminasi silang. Kami sekarang bekerja dengan para peneliti di bidang pertanian untuk membawa penemuan kami dari bangku ke praktik.”
Referensi: “Pelapisan Superhidrofobik Fungsional Ganda dengan Antikontak Bakteri dan Karakteristik Antimikroba” oleh Shuhao Liu, Jeremy Zheng, Li Hao, Yagmur Yegin, Michael Bae, Beril Ulugun, Thomas Matthew Taylor, Ethan A. Scholar, Luis Cisneros-Zevallos, Jun Kyun Oh dan Mustafa Akbulut, 5 Februari 2020, Bahan & Antarmuka Terapan ACS.
DOI: 10.1021/acsami.9b18928
Kontributor lain untuk penelitian ini termasuk Michael Bae dan Ethan A. Scholar dari Texas A&M Department of Chemical Engineering; Jeremy Zheng dan Beril Ulugun dari Texas A&M Department of Biomedical Engineering; Li Hao dari Universitas Pertanian dan Teknik Zhongkai, Tiongkok; Thomas Matthew Taylor, Luis Cisneros-Zevallos dan Yagmur Yegin dari Texas A&M Department of Nutrition and Food Science; dan Jun Kyun Oh dari Universitas Dankook, Republik Korea.
Pekerjaan ini didukung oleh Program Teknologi Manufaktur Pangan dan Departemen Pertanian Amerika Serikat.
