Sliced apple coating with mushroom chitosan

Fresh-cut apples are one of the most commercially important minimally processed fruits, yet they are also among the most fragile. From the moment a knife touches the flesh, a cascade of enzymatic and microbial processes begins that can render a slice unappealing — or unsafe — within hours. Moisture evaporates, polyphenol oxidase drives rapid browning, and microbial populations expand steadily, even under refrigeration. The food industry has long searched for solutions that are effective, safe, and compatible with growing consumer demand for natural, clean-label products. Edible coatings based on chitosan, a biopolymer derived from deacetylated chitin, offer a particularly compelling answer: they are biodegradable, intrinsically antimicrobial, and capable of forming semi-permeable barriers that slow the very processes driving quality loss. This thesis investigates chitosan sourced from mushrooms (fungal origin) as an allergen-free, sustainably produced alternative to the more common crustacean-derived material. Six film-forming solutions were developed and characterised: chitosan dissolved in acetic acid (CA), lactic acid (CL), and carbonic acid (CC), each with and without 30% glycerol as a plasticiser (CAG, CLG, CCG). The carbonic acid system is entirely acid-free after drying, as CO₂ evaporates, making it particularly attractive for fresh produce where residual acid odour is a concern. Films cast from all six formulations were evaluated for thickness, water vapour transmission rate (WVTR), oxygen transmission rate (OTR), mechanical properties (tensile strength, elongation at break, Young’s modulus), swelling behaviour in phosphate buffer, and optical transparency by UV-Vis spectroscopy. Film characterisation revealed that glycerol addition consistently improved flexibility (elongation at break increased substantially in all acid systems) but reduced oxygen barrier performance, as the plasticiser disrupts the tight hydrogen-bond network that makes chitosan an effective gas barrier. Among the acid systems, lactic acid produced the strongest and most reproducible films, while carbonic acid yielded the softest and most flexible material after glycerolisation. Optical transparency was highest for the CL formulation (89.64% at 600 nm), confirming that mushroom chitosan films are clear enough for commercial fresh-produce packaging where visual inspection is essential. The glycerolised coating solutions (CAG, CLG, CCG) were then applied to fresh-cut ‘Green Delicious’ apple slices by a controlled dip-coating method (three successive immersion cycles) and stored at 4°C for ten days. Weight loss and Browning Index (BI, calculated from CIELab colour measurements via digital image analysis) were monitored at Days 1, 2, 3, 4, 7, 8, and 10. All three coatings reduced weight loss dramatically in the first 24 hours compared to uncoated controls (approximately 9% versus 28%), with the acid-free CCG formulation showing the most consistent early-stage moisture retention and CAG providing the best sustained protection through Day 10. For browning, however, the picture was more nuanced: the uncoated control ended the trial with the lowest Browning Index, suggesting that the coating formulations as currently designed create a microenvironment — excessive CO₂ accumulation or trapped moisture at the tissue interface — that inadvertently accelerates enzymatic browning over multi-day storage. These findings highlight that moisture control and browning inhibition require different, sometimes conflicting, design criteria, and that future formulations must explicitly balance barrier performance with adequate gas permeability. The incorporation of active anti-browning agents — natural antioxidants or polyphenol oxidase inhibitors — into the chitosan matrix is identified as the most promising direction for improvement. Overall, this work demonstrates that mushroom-derived chitosan is a viable, allergen-free material for fresh-cut apple coatings, and that the carbonic acid dissolution route in particular merits further development as a clean, acid-free platform for edible coating applications.

Le mele a fette rappresentano uno dei frutti minimamente processati di maggiore rilevanza commerciale, eppure sono anche tra i più fragili. Dal momento in cui il coltello tocca la polpa, ha inizio una cascata di processi enzimatici e microbici che può rendere una fetta poco appetibile — o addirittura non sicura — nel giro di poche ore. L'umidità evapora, la polifenolo ossidasi innesca un rapido imbrunimento e le popolazioni microbiche si moltiplicano costantemente, anche in condizioni di refrigerazione. L'industria alimentare cerca da tempo soluzioni efficaci, sicure e compatibili con la crescente domanda dei consumatori di prodotti naturali a etichetta pulita. I rivestimenti commestibili a base di chitosano, un biopolimero derivato dalla chitina deacetilata, offrono una risposta particolarmente convincente: sono biodegradabili, intrinsecamente antimicrobici e capaci di formare barriere semi-permeabili che rallentano proprio i processi responsabili della perdita di qualità. Questa tesi indaga il chitosano estratto da funghi (origine fungina) come alternativa priva di allergeni e prodotta in modo sostenibile rispetto al materiale più comune di derivazione crostacei. Sono state sviluppate e caratterizzate sei soluzioni filmogene: chitosano disciolto in acido acetico (CA), acido lattico (CL) e acido carbonico (CC), ciascuna con e senza glicerolo al 30% come plastificante (CAG, CLG, CCG). Il sistema a base di acido carbonico è completamente privo di acido dopo l'essiccazione, poiché la CO₂ evapora, rendendolo particolarmente interessante per i prodotti freschi dove i residui di odore acido rappresentano un problema. I film ottenuti da tutte e sei le formulazioni sono stati valutati per spessore, tasso di trasmissione del vapore acqueo (WVTR), tasso di trasmissione dell'ossigeno (OTR), proprietà meccaniche (resistenza a trazione, allungamento a rottura, modulo di Young), comportamento di rigonfiamento in tampone fosfato e trasparenza ottica tramite spettroscopia UV-Vis. La caratterizzazione dei film ha rivelato che l'aggiunta di glicerolo ha migliorato costantemente la flessibilità (l'allungamento a rottura è aumentato significativamente in tutti i sistemi acidi) ma ha ridotto le prestazioni come barriera all'ossigeno, poiché il plastificante interrompe la fitta rete di legami idrogeno che rende il chitosano un'efficace barriera ai gas. Tra i sistemi acidi, l'acido lattico ha prodotto i film più resistenti e riproducibili, mentre l'acido carbonico ha generato il materiale più morbido e flessibile dopo la glicerolizzazione. La trasparenza ottica è risultata massima per la formulazione CL (89,64% a 600 nm), confermando che i film di chitosano fungino sono sufficientemente trasparenti per il confezionamento commerciale di prodotti freschi, dove l'ispezione visiva è essenziale. Le soluzioni di rivestimento glicerolizzate (CAG, CLG, CCG) sono state poi applicate su fette di mela 'Green Delicious' mediante un metodo di dip-coating controllato (tre cicli successivi di immersione) e conservate a 4°C per dieci giorni. La perdita di peso e l'Indice di Imbrunimento (BI, calcolato dalle misurazioni del colore CIELab tramite analisi digitale delle immagini) sono stati monitorati nei Giorni 1, 2, 3, 4, 7, 8 e 10. Tutti e tre i rivestimenti hanno ridotto drasticamente la perdita di peso nelle prime 24 ore rispetto ai campioni di controllo non rivestiti (circa 9% contro 28%), con la formulazione CCG priva di acido che ha mostrato la ritenzione di umidità iniziale più costante e CAG che ha fornito la protezione più duratura fino al Giorno 10. Per quanto riguarda l'imbrunimento, tuttavia, il quadro è risultato più articolato: il campione di controllo non rivestito ha concluso la prova con l'Indice di Imbrunimento più basso, suggerendo che le formulazioni di rivestimento, così come attualmente progettate, creano un microambiente — con accumulo eccessivo di CO₂ o umidità intrappolata all'interfaccia tessuto-rivestimento — che accelera involontariamente l'imbrunimento enzimatico nel corso di una conservazione prolungata. Questi risultati evidenziano che il controllo dell'umidità e l'inibizione dell'imbrunimento richiedono criteri di progettazione diversi e talvolta in conflitto tra loro, e che le future formulazioni devono bilanciare esplicitamente le prestazioni di barriera con un'adeguata permeabilità ai gas. L'incorporazione di agenti attivi anti-imbrunimento — antiossidanti naturali o inibitori della polifenolo ossidasi — nella matrice di chitosano è identificata come la direzione più promettente per il miglioramento. Nel complesso, questo lavoro dimostra che il chitosano di origine fungina è un materiale valido e privo di allergeni per i rivestimenti di mele a fette, e che il processo di dissoluzione in acido carbonico merita in particolare un ulteriore sviluppo come piattaforma pulita e priva di acidi per applicazioni di rivestimento commestibile.