JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

פוטולומינסנציה משופרת של תמציות Curcuma longa באמצעות העברת אנרגיה בתיווך Chitosan עבור יישומי אימות טקסטיל

Published: December 22, 2023
doi:
10.3791/66035
, , ,
1Department of Science and Technology,Smart Colorants R&D Program, Philippine Textile Research Institute

Summary

פוטולומינסנציה היא אחד ממנגנוני האימות היעילים ביותר הנמצאים בשימוש כיום. ניצול והשבחה של חומרים ממקור טבעי בעלי תכונות פוטולומינסנטיות מובנות ושילובם במצעי בד יכולים להוביל לפיתוח טקסטיל ירוק, בר-קיימא ופונקציונלי ליישומים חכמים.

Abstract

צבעים לסימוני אבטחה ממלאים תפקיד מרכזי בשמירה על שלמות המוצרים בתחומים שונים, כגון טקסטיל, תרופות, מזון וייצור בין היתר. עם זאת, רוב הצבעים המסחריים המשמשים כסימוני אבטחה הם יקרים ועלולים להכיל חומרים רעילים ומזיקים המהווים סיכון לבריאות האדם. כורכומין, תרכובת פנולית טבעית המצויה בכורכום, הוא בעל תכונות פוטולומינסנטיות מובהקות לצד צבעו הצהוב התוסס, מה שהופך אותו לחומר מועמד פוטנציאלי ליישומי אימות. מחקר זה מדגים גישה חסכונית וידידותית לסביבה לפיתוח פליטות פוטולומינסנטיות משופרות מצבעי כורכומין לאימות טקסטיל. כורכומין הופק מ-C. longa בשיטת מיצוי בסיוע סוניקציה. התמצית צופתה בטבילה ונצבעה במצעי הטקסטיל. צ’יטוזן הוצג כחומר לאחר המוות כדי לייצב את הכורכומין וכרגיש שותף. רגישות משותפת של כורכומין עם צ’יטוזן מעוררת העברת אנרגיה כדי להגביר את עוצמת הזוהר שלו. שיא הספיגה הנראה לעין UV ב-424 ננומטר קשור לספיגה האופיינית של כורכומין. מדידות הפוטולומינסנציה הראו פליטה רחבה שהגיעה לשיא של 545 ננומטר עם שיפור משמעותי המיוחס להעברת האנרגיה הנגרמת על ידי צ’יטוזן, ובכך הראו פוטנציאל גדול כצבע פוטולומינסנטי טבעי עבור יישומי אימות.

Introduction

זיופים נחשבים לנגע בתעשיות נרחבות ברחבי העולם. הזינוק המהיר של מוצרים מזויפים בשוק גורם להרס כלכלי, אשר פוגע בפרנסתו של הממציא הראשי 1,2,3,4,5,6. הדבר בא לידי ביטוי בשנת 20207 על החשש המתמשך מפני מוצרים מזויפים מתפתחים, כפי שמעידה המגמה הגוברת של פרסומים הכוללים את מילת המפתח נגד זיופים או זיופים בכותרותיהם. ניתן לראות עלייה משמעותית בפרסומים הקשורים לזיופים מאז שדווח לאחרונה בשנת 2019, דבר המצביע על כך שנעשים מאמצים ניכרים להילחם בייצור והפצה של מוצרים מזויפים. מצד שני, זה יכול להיות גם די מדאיג, בהתחשב בכך שזה מסמל את ההתקדמות של תעשיית הזיופים, אשר צפוי להימשך אם לא מטופל ביעילות. תעשיית הטקסטיל אינה מבודדת מבעיה זו, שכן נוכחותם של מוצרי טקסטיל מזויפים פגעה קשות בפרנסתם של מוכרים, יצרנים ואורגים אמיתיים, בין היתר 3,8. כך למשל, תעשיית הטקסטיל במערב אפריקה נחשבה במשך זמן רב לאחד משוקי היצוא המובילים בעולם. עם זאת, דווח9 כי כ-85% מנתח השוק מוחזק על ידי טקסטיל מוברח המפר סימני מסחר של טקסטיל מערב אפריקאי. השפעות הזיופים דווחו גם ביבשות אחרות כמו אסיה, אמריקה ואירופה, מה שמצביע על כך שמשבר זה הגיע לרמה בלתי נשלטת ומהווה איום משמעותי על תעשיית הטקסטילהנאבקת ממילא 2,3,4,10,11,12.

עם ההתקדמות המהירה של המדע, הטכנולוגיה והחדשנות, החוקרים לקחו על עצמם את התפקיד של פיתוח חומרים פונקציונליים לצורך יישומים נגד זיופים. השימוש בטכנולוגיה סמויה הוא אחת הגישות הנפוצות והיעילות ביותר כדי לנטרל את הייצור של סחורות הונאה. זה כרוך בשימוש בחומרים פוטולומינסנטיים כצבעי ביטחון המציגים פליטת אור ספציפית כאשר הם מוקרנים באורכי גל שונים13,14. עם זאת, חלק מהצבעים הפוטולומינסנטיים הזמינים בשוק עלולים להטיל רעילות בריכוזים גבוהים, ובכך להוות איומים על בריאות האדם והסביבה15,16.

כורכום (Curcuma longa) הוא צמח חיוני המשמש במגוון יישומים כגון צבעים, חומרי טעם, תרופות, קוסמטיקה וצבעי בד17. קני השורש נמצאים באופן טבעי תרכובות כימיות פנוליות הנקראות כורכומינואידים. כורכומינואידים אלה כוללים כורכומין, דמתוקסיכורכומין וביסדמתוקסיכורכומין, ביניהם כורכומין הוא המרכיב העיקרי האחראי לצבע הצהוב עד כתום התוסס ולתכונות כורכום18. כורכומין, הידוע גם בשם 1,7-bis(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1,6-heptadiene-3,5-dione19,20 עם נוסחה אמפירית של C21H20O6, משך כמות משמעותית של תשומת לב בתחום הביו-רפואי והפרמצבטי בשל תכונותיו האנטיספטיות, האנטי דלקתיות, האנטי-בקטריאליות ונוגדות החמצון 17,18,21,22,23. באופן מעניין, יש לכורכומין גם מאפיינים ספקטרליים ופוטוכימיים. ראוי לציון במיוחד הוא התכונות הפוטולומינסנטיות האינטנסיביות שלו כאשר הוא נתון לעירורים אולטרה סגולים (UV) אשר נחקרו רק על ידי מחקרים מעטים 19,24,25. בהתחשב במאפיינים אלה, יחד עם אופיו ההידרופובי ותכונותיו הלא רעילות, כורכומין מתגלה כצבע אידיאלי לסימון אימות.

הפקת כורכומין מכורכום דווחה לראשונה בתחילת המאה ה-19. במהלך מאות השנים האחרונות, מתודולוגיות וטכניקות מיצוי רבות פותחו ושופרו כדי להשיג תפוקה גבוהה יותר 26,27,28,29,30,31,32,33. מיצוי ממסים קונבנציונלי הוא גישה נפוצה שכן הוא משתמש בממסים אורגניים כמו אתנול, מתנול, אצטון והקסאן בין היתר, כדי לבודד כורכומין מכורכום34,35. שיטה זו התפתחה באמצעות שינויים, יחד עם טכניקות מתקדמות יותר כגון מיצוי בסיוע מיקרוגל (MAE) 18,36,37, מיצוי Soxhlet38,39, מיצוי בעזרת אנזימים (EAE) 39,40, ומיצוי קולי36בין היתר כדי להגדיל את התשואה., באופן כללי, שיטת מיצוי הממס יושמה למיצוי צבע טבעי בשל הרבגוניות שלה, דרישת האנרגיה הנמוכה והחסכוניות שלה מה שהופך אותה לאידיאלית עבור תעשיות מדרגיות כגון טקסטיל.

כורכומין שולב כצבעים טבעיים לטקסטיל בזכות הגוון הצהוב המובהק שלו. עם זאת, הספיגה הדלה של צבעים טבעיים לסיבי טקסטיל מהווה אתגר המעכב את כדאיותו המסחרית41 . מורדנטים, כגון מתכות, רב-סוכרים ותרכובות אורגניות אחרות, משמשים כחומרים מקשרים נפוצים לחיזוק הזיקה של צבעים טבעיים אל הבד. צ’יטוזן, רב-סוכר המופק מסרטנים, נמצא בשימוש נרחב כחומר מורדנציה חלופי בשל השפע שלו בטבע, תאימות ביולוגית ועמידות לשטיפה42. מחקר זה מדווח על גישה קלה וישירה להכנת סימון אימות מבוסס כורכומין. תמציות כורכומין גולמי הושגו בשיטת מיצוי ממס בסיוע סוניקציה. התכונות הפוטולומינסנטיות של הכורכומין המופק נחקרו באופן מקיף על מצעי טקסטיל ושופרו עוד יותר עם הצגת הצ’יטוזן כחומר מורדנציה. זה מדגים את הפוטנציאל המשמעותי כצבע פוטולומינסנטי טבעי עבור יישומי אימות.

Protocol

1. מיצוי כורכומין שוקלים 3 גרם אבקת C. longa בצינור צנטריפוגה של 50 מ”ל.הערה: צינור צנטריפוגה של 50 מ”ל שימש כדי להקל על תהליך הצנטריפוגה ולעבד את החילוץ על מיכל יחיד. הוסף 38 מ”ל אתנול (AR, 99%) לצינור הצנטריפוגה. נערו את הצינורית בעדינות כדי להבטיח ערבוב יסודי של אתנול עם אבק?…

Representative Results

ניתוחי FTIR של סיבים קובעים את המבנה הכימי של כל סיב המיוצג בבדים מרובי בודקים #1. ספקטרוסקופיית FTIR שימשה לאפיון הקבוצות הפונקציונליות הקיימות בכל רכיב של הבדים מרובי הבדיקות. כפי שניתן לראות באיור 1 המשלים, ההבחנה מתרחשת עקב נוכחות של קבוצות פונקציונליות N-H, מה שמוביל לכך ש…

Discussion

גימור טקסטיל הוא פרקטיקה נפוצה בתעשייה על מנת לשלב תכונות פונקציונליות נוספות על הבדים, מה שהופך אותם מתאימים יותר ליישומים ספציפיים 45,47,48. במחקר זה, הכורכומין המופק שימש כצבע טבעי כדי לשמש כמנגנוני אימות עבור יישומי טקסטיל. הפרוטוקולים ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי המחלקה למדע וטכנולוגיה – המכון הפיליפיני לחקר טקסטיל תחת פרויקט DOST Grants-in-Aid (DOST-GIA) שכותרתו טכנולוגיה סמויה לקראת קיימות והגנה על מגזרי הטקסטיל הפיליפיניים תחת הדיגיטליזציה של תוכנית תעשיית אריגת הנול הפיליפינית.

Materials

(Curcumin) C. longa, spray dried  N/A N/A Naturally Sourced
100 mL Graduated Cylinder n/a
10 mL Serological Pipette n/a
200 mL Beaker n/a
365 nm UV Light AloneFire SV004 LG
50 mL Centeifuge Tube n/a
AATCC Multitester Fabric Testfabrics, Inc. 401002 AATCC Multifiber test fabric # 1 precut pieces of 2 X 2 inches, Heat Sealed
Analytical Balance Satorius BSA 224S-CW
Aspirator n/a
ATR- FTIR Bruker Bruker Tensor II
Centrifuge Hermle Labortechnik GmbH Z 206 A
Chitosan Tokyo Chemical Industries 9012-76-4
Digital  Camera ToupTek XCAM1080PHB
Drying Rack n/a
Ethanol Chem-Supply 64-17-5 Undenatured, 99.9% purity
Glacial Acetic Acid RCI-Labscan 64-19-7 AR Grade, 99.8% purity
Glass Slide n/a
Iron Clamp n/a
Iron Stand n/a
Magnetic Stirrer Corning PC-620D
Pasteur Pipette n/a
Propan-2-ol RCI-Labscan 67-63-0 AR Grade, 99.8% purity
Sonicator Jeio Tech Inc. UCS-20
Spectrofluorometer  Horiba (Jovin Yvon) Horiba Fluoromax Plus
Stirring Bar n/a
UV-Vis Spectrophotometer Agilent Cary UV 100
Wash bottle n/a
Zoom Stereo Microscope Olympus SZ61
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Eisend, M., Hartmann, P., Apaolaza, V. Who buys counterfeit luxury brands? A meta-analytic synthesis of consumers in developing and developed markets. J Int Market. 25 (4), 89-111 (2017).
  2. Agrawal, T. K., Koehl, L., Campagne, C. Uncertainty modelling in knowledge engineering and decision making. World Scientific Procedings Series. , (2012).
  3. Cakin, M. B., Dincer, A. T. A. . Turkish studies-comparative religious studies. , (2023).
  4. Albarq, A. N. Counterfeit products and the role of the consumer in Saudi Arabia. Am J Indust Busi Manag. 5 (12), 819-827 (2015).
  5. Boamah, F., Ayesu, S. M., Crentsil, T., Pardie, S. P. The effect of academic textiles studies on the Ghana textile industry. Africa J Appl Res. 8 (2), 186-196 (2022).
  6. Bruce-Amarty, E. J., Amissah, E. R. K., Safo-Ankama, K. The decline of Ghana’s textile industry: Its effects on textile education in Ghana. Art Design Studies. 22, 36-44 (2014).
  7. Abdollahi, A., Roghani-Mamaqani, H., Razavi, B., Salami-Kalajahi, M. Photoluminescent and chromic nanomaterials for anticounterfeiting technologies: Recent advances and future challenges. ACS Nano. 14 (11), 14417-14492 (2020).
  8. Norum, P. S., Cuno, A. Analysis of the demand for counterfeit goods. J Fashion Market Manage: An Int J. 15 (1), 27-40 (2011).
  9. Okonkwo, I. E., Abiala, W. Justification of counterfeits a microscopic view from a trademark perspective. Mayne Quart Law Rev. 6 (4), 1-7 (2021).
  10. Quoquab, F., Pahlevan, S., Mohammad, J., Thurasamy, R. Factors affecting consumers’ intention to purchase counterfeit product. Asia Pac J Market Log. 29 (4), 837-853 (2017).
  11. Dalal, H. Challenges: A study of Textile Industry in India. Pramana Res J. 9 (5), 423-429 (2019).
  12. Mushi, H. M., Mohd Noor, N. A. Consumer behaviour and counterfeit purchase in the Tanzanian mainland. Global Bus Manage Rev (GBMR). 8 (1), 49-64 (2022).
  13. Ren, S., et al. Highly bright carbon quantum dots for flexible anti-counterfeiting. J Mat Chem C. 10 (31), 11338-11346 (2022).
  14. Liu, R. S. . Phosphors, Up Conversion Nano Particles, Quantum Dots and Their Applications. , (2017).
  15. Chang, K., et al. Conjugated polymer dots for ultra-stable full-color fluorescence patterning. Small. 10 (21), 4270-4275 (2014).
  16. Fatahi, Z., Esfandiari, N., Ranjbar, Z. A New anti-counterfeiting feature relying on invisible non-toxic fluorescent carbon dots. J Anal Test. 4 (4), 307-315 (2020).
  17. Abd El-Hack, M. E., et al. Curcumin, the active substance of turmeric: its effects on health and ways to improve its bioavailability. J Sci Food Agri. 101 (14), 5747-5762 (2021).
  18. Bener, M., Özyürek, M., Güçlü, K., Apak, R. Optimization of microwave-assisted extraction of curcumin from Curcuma longa L. (Turmeric) and evaluation of antioxidant activity in multi-test systems. Rec. Nat. Prod. 10 (5), 542-554 (2016).
  19. Van Nong, H., et al. Fabrication and vibration characterization of curcumin extracted from turmeric (Curcuma longa) rhizomes of the northern Vietnam. Springerplus. 5 (1), 1147 (2016).
  20. Kolev, T. M., Velcheva, E. A., Stamboliyska, B. A., Spiteller, M. DFT and experimental studies of the structure and vibrational spectra of curcumin. Int J Quantum Chem. 102 (6), 1069-1079 (2005).
  21. Mohajeri, M., Behnam, B., Tasbandi, A., Jamialahmadi, T., Sahebkar, A. . Studies on biomarkers and new targets in aging research in Iran: Focus on turmeric and curcumin. , (2021).
  22. Hay, E., et al. Therapeutic effects of turmeric in several diseases: An overview. Chem Biol Interact. 310, 108729 (2019).
  23. Ahmad, R. S., et al. Biochemistry, safety, pharmacological activities, and clinical applications of turmeric: A mechanistic review. Evid Based Complement Alternat Med. 2020, 7656919 (2020).
  24. Tsaplev, Y. B., Lapina, V. A., Trofimov, A. V. Curcumin in dimethyl sulfoxide: Stability, spectral, luminescent and acid-base properties. Dyes Pigments. 177, 108327 (2020).
  25. Chignell, C. F., et al. Spectral and photochemical properties of curcumin. Photochem Photobiol. 59 (3), 295-302 (1994).
  26. Sun, X., Gao, C., Cao, W., Yang, X., Wang, E. Capillary electrophoresis with amperometric detection of curcumin in Chinese herbal medicine pretreated by solid-phase extraction. J Chromatogr A. 962 (1-2), 117-125 (2002).
  27. Takenaka, M., et al. Effective extraction of curcuminoids by grinding turmeric (Curcuma longa) with medium-chain triacylglycerols. Food Sci Technol Res. 19 (4), 655-659 (2013).
  28. Heffernan, C., Ukrainczyk, M., Gamidi, R. K., Hodnett, B. K., Rasmuson, &. #. 1. 9. 7. ;. C. Extraction and purification of curcuminoids from crude curcumin by a combination of crystallization and chromatography. Org Process Res Dev. 21 (6), 821-826 (2017).
  29. Paramasivam, M., Poi, R., Banerjee, H., Bandyopadhyay, A. High-performance thin layer chromatographic method for quantitative determination of curcuminoids in Curcuma longa germplasm. Food Chem. 113 (2), 640-644 (2009).
  30. Priyadarsini, K. I. The chemistry of curcumin: from extraction to therapeutic agent. Molecules. 19 (12), 20091-20112 (2014).
  31. Nhujak, T., Saisuwan, W., Srisa-art, M., Petsom, A. Microemulsion electrokinetic chromatography for separation and analysis of curcuminoids in turmeric samples. J Sep Sci. 29 (5), 666-676 (2006).
  32. Kim, Y. J., Lee, H. J., Shin, Y. Optimization and validation of high-performance liquid chromatography method for individual curcuminoids in turmeric by heat-refluxed extraction. J Agri Food Chem. 61 (46), 10911-10918 (2013).
  33. Patel, K., Krishna, G., Sokoloski, E., Ito, Y. Preparative separation of curcuminoids from crude curcumin and turemric powder by pH-zone refining countercurrent chromatography. J Liq Chrom Rel Tech. 23 (14), 2209-2218 (2007).
  34. Paulucci, V. P., Couto, R. O., Teixeira, C. C. C., Freitas, L. A. P. Optimization of the extraction of curcumin from Curcuma longa rhizomes. Rev Bras Farmacogn. 23 (1), 94-100 (2013).
  35. Ali, I., Haque, A., Saleem, K. Separation and identification of curcuminoids in turmeric powder by HPLC using phenyl column. Anal. Methods. 6 (8), 2526-2536 (2014).
  36. Li, M., Ngadi, M. O., Ma, Y. Optimisation of pulsed ultrasonic and microwave-assisted extraction for curcuminoids by response surface methodology and kinetic study. Food Chem. 165, 29-34 (2014).
  37. Mandal, V., Mohan, Y., Hemalatha, S. Microwave assisted extraction of curcumin by sample-solvent dual heating mechanism using Taguchi L9 orthogonal design. J Pharm Biomed Anal. 46 (2), 322-327 (2008).
  38. Shankar, M., Palani, S., Nivedha, D. Extraction of Curcumin from Raw Turmeric (Curcuma longa.)-A Comparative Study, Using Soxhlet, Chemical, Chromatographic, and Spectroscopic Methods and Determining its Bioavailability. Int J Mod Dev in Eng Sci. 1 (6), 67-72 (2022).
  39. Kurmudle, N., Kagliwal, L. D., Bankar, S. B., Singhal, R. S. Enzyme-assisted extraction for enhanced yields of turmeric oleoresin and its constituents. Food Biosci. 3, 36-41 (2013).
  40. Chassagnez-Méndez, A. L., Corrêa, N. C. F., França, L. F. d., Machado, N. T. d., Araújo, M. E. A mass transfer model applied to the supercritical extraction with CO2 of curcumins from turmeric rhizomes (Curcuma longa L). Brazil J Chem Eng. 17, 315-322 (2000).
  41. Ghoreishian, S. M., Maleknia, L., Mirzapour, H., Norouzi, M. Antibacterial properties and color fastness of silk fabric dyed with turmeric extract. Fibers Poly. 14 (2), 201-207 (2013).
  42. Safapour, S., Sadeghi-Kiakhani, M., Doustmohammadi, S. Chitosan-cyanuric chloride hybrid as an efficient novel bio-mordant for improvement of cochineal natural dye absorption on wool yarns. J Textile Inst. 110 (1), 81-88 (2018).
  43. Vahur, S., Teearu, A., Peets, P., Joosu, L., Leito, I. ATR-FT-IR spectral collection of conservation materials in the extended region of 4000-80 cm(-)(1). Anal Bioanal Chem. 408 (13), 3373-3379 (2016).
  44. Gunasekaran, S., Natarajan, R., Natarajan, S., Rathikha, R. Structural investigation on curcumin. Asian J Chem. 20 (4), 2903 (2008).
  45. Kim, H. J., et al. Curcumin dye extracted from Curcuma longa L. used as sensitizers for efficient dye-sensitized solar cells. Int J Electrochem Sci. 8 (6), 8320-8328 (2013).
  46. Singh, P. K., Wani, K., Kaul-Ghanekar, R., Prabhune, A., Ogale, S. From micron to nano-curcumin by sophorolipid co-processing: highly enhanced bioavailability, fluorescence, and anti-cancer efficacy. RSC Adv. 4 (104), 60334-60341 (2014).
  47. Holmquist, H., et al. Properties, performance and associated hazards of state-of-the-art durable water repellent (DWR) chemistry for textile finishing. Environ Int. 91, 251-264 (2016).
  48. Berradi, M., et al. Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon. 5 (11), e02711 (2019).
  49. Behera, M., Nayak, J., Banerjee, S., Chakrabortty, S., Tripathy, S. K. A review on the treatment of textile industry waste effluents towards the development of efficient mitigation strategy: An integrated system design approach. J Environ Chem Eng. 9 (4), 105277 (2021).
  50. Massella, D., Giraud, S., Guan, J., Ferri, A., Salaün, F. Textiles for health: a review of textile fabrics treated with chitosan microcapsules. Environ Chem Lett. 17 (4), 1787-1800 (2019).
  51. Wang, F., Huang, W., Jiang, L., Tang, B. Quantitative determination of proteins based on strong fluorescence enhancement in curcumin-chitosan-proteins system. J Fluoresc. 22 (2), 615-622 (2012).
  52. Yang, M., Wu, Y., Li, J., Zhou, H., Wang, X. Binding of curcumin with bovine serum albumin in the presence of iota-carrageenan and implications on the stability and antioxidant activity of curcumin. J Agric Food Chem. 61 (29), 7150-7155 (2013).
  53. Sneharani, A. H., Karakkat, J. V., Singh, S. A., Rao, A. G. Interaction of curcumin with beta-lactoglobulin-stability, spectroscopic analysis, and molecular modeling of the complex. J Agric Food Chem. 58 (20), 11130-11139 (2010).

Tags

CurcuminPhotoluminescenceChitosanTextile AuthenticationAnti-counterfeitingEco-friendlyCost-effective

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
De Guzman, G. N. A., Magalong, J. R. S., Bantang, J. P. O., Leaño, Jr., J. L. Enhanced Photoluminescence of Curcuma longa Extracts via Chitosan-Mediated Energy Transfer for Textile Authentication Applications. J. Vis. Exp. (202), e66035, doi:10.3791/66035 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image