eng
Выпуск #3/2018
Б.Таусарова, К.Саменова
Разработка упаковочных материалов для пищевой промышленности на основе наночастиц серебра
Разработка упаковочных материалов для пищевой промышленности на основе наночастиц серебра
Просмотры: 2632
В работе рассматривается метод получения наночастиц серебра в водных растворах. Изучено влияние условий протекания реакций, таких как концентрация восстановителя и серебра, а также рН среды, найдены оптимальные условия синтеза. Определены параметры обработки водными растворами наночастиц серебра для придания упаковочным материалам антимикробных свойств.
УДК 541.64, 677.21.154; ВАК 05.16.09; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.268.273
УДК 541.64, 677.21.154; ВАК 05.16.09; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.268.273
Теги: antimicrobial properties packaging materials silver nanoparticles антимикробные свойства наночастицы серебра упаковочные материалы
В
число приоритетных направлений пищевых технологий входят предотвращение потерь, сохранение качества и обеспечение биологической безопасности продуктов питания на всех стадиях производства и последующего хранения. Одним из инновационных способов повышения безопасности продуктов питания является ввод в упаковочный материал добавок, обладающих антимикробной и антиоксидантной активностью. Это позволяет обеспечить дополнительное снижение микробиологического риска за счет замедления роста поверхностной микрофлоры. Основными требованиями, предъявляемыми к антимикробным добавкам, является их санитарно-гигиеническая безопасность при контакте с пищевыми продуктами, полифункциональность и стабильность на всех стадиях переработки упаковки. Эксплуатационные характеристики упаковочных материалов после введения добавок должны сохраняться.
Развитие нанотехнологий позволило получать материалы, которые обладают уникальными свойствами и дают возможность значительно увеличить сроки хранения пищевых продуктов [1–4]. Интерес к наночастицам серебра и материалам, полученным с их использованием, растет в основном из-за необычных физических характеристик этого металла [5–10]. Важными свойствами наночастиц серебра являются бактерицидная и антивирусная активности, поэтому они могут быть использованы для придания упаковочным материалам биоцидных свойств. Основным условием применимости наночастиц серебра в производстве упаковки является их способность к закреплению на поверхности и в порах упаковочного материала. Данное условие может быть обеспечено использованием различных вариантов основы, а также разных технологий нанесения наночастиц на поверхность материала.
Целью настоящей работы является разработка антимикробной композиции на основе наночастиц серебра для пищевой упаковки из бумаги.
Синтез наночастиц проводился путем восстановления водного раствора нитрата серебра. Строение и размер наночастиц зависит от условий реакции и концентрации нитрата серебра. К раствору нитрата серебра с концентрацией от 0,0001 до 0,005 М добавляли такой же объем раствора восстановителя (0,001–0,15 М) и доводили рН до заданного значения с помощью раствора гидроксида натрия. Полученные растворы обрабатывали в микроволновой печи в течение 20 мин при температуре 80 °С и мощности 700 Вт. Как показала электронная сканирующая микроскопия (рис.1), образующиеся частицы имеют сферическую форму диаметром от 1 до 200 нм. На их сферическую форму указывает и желтая окраска раствора. Образующиеся частицы стабильны, не осаждаются и не меняют окраску в течение нескольких недель.
Разработанная композиция наносилась на упаковочную бумагу методом распыления. Выбор бумаги основывался на том, что по сравнению с другими материалами для пищевой упаковки такая основа экологически безопасна, гигиенична и быстро разлагается естественным путем, что особенно важно при переработке отходов. Образцы упаковочной бумаги, обработанные различными концентрациями наночастиц серебра, исследовались на низковакуумном растровом электронном микроскопе в комплекте с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром. Согласно данным электронно-сканирующей микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (рис.2, табл.1), необработанная упаковочная бумага содержит 64,69% углерода и 35,31% кислорода. После модификации раствором наночастиц на поверхности обработанной бумаги образуется от 7,88 до 21,21% частиц серебра, которые распределены достаточно неравномерно (табл.1).
Антимикробное действие оценивали по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами. Результаты исследований (рис.3а) показали, что в контрольных образцах наблюдается высокий рост микроорганизмов. В образцах, обработанных растворами наночастиц серебра (рис.3b–e) с концентрацией 0,001–0,005 М, рост микроорганизмов уменьшается. С повышением концентрации наночастиц серебра антибактериальные свойства упаковочных материалов улучшаются. Антимикробные свойства модифицированных образцов сохранялись в течение всех пяти суток исследований (табл. 2, рис.4).
Из рис.4 видно, что мезофильные аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы (Staphylococcus aureus) успешно размножаются на контрольном образце, но их рост замедляется у образцов, обработанных наночастицами серебра, причем с увеличением концентрации наночастиц антибактериальные свойства возрастают. Антимикробные свойства модифицированных образцов устойчивы в течение исследованного периода (пять суток).
Таким образом, был успешно разработан состав на основе наночастиц серебра для обработки упаковочных материалов для пищевой промышленности. Показано, что упаковочный материал, модифицированный наночастицами серебра, обладает антибактериальными свойствами и подавляет развитие микроорганизмов. Применение разработанной антимикробной упаковки позволит предотвратить порчу пищевых продуктов, увеличить срок хранения, снизить потери и обеспечить сохранение качества и безопасности пищевых продуктов в процессе транспортировки, хранения и реализации.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Souza V.G.L., Fernando A.L. Nanoparticles in food packaging: Biodegradability and potential migration to food – A review. Food Packaging and Shelf Life. 2016. 8. P. 63–70.
2. Samyn P., Barhoum A., Ohlund T., Dufresne A. Review: nanoparticles and nanostructured materials in papermaking // J Mater Sci. 2018. 53. P. 146–184.
3. Xiaojia H., Huey-Min H. Nanotechnology in food science: functionality, applicability, and safety assessment // Journal of Food and Drug Analysis. 2016. V. 24. P. 671–681.
4. Hannon J.C. Kerry J., Cruz-Romero M., Morris M., Cummins E. Advances and challenges for the use of engineered nanoparticles in food contact materials // Trends in food science & technology. 2015. 43. P. 43–62.
5. Amini E., Azadfallah M., Layegh M. Silver-nanoparticle-impregnated cellulose nanofiber coating for packaging paper // Cellulose. 2016. 23. P. 557–570.
6. Kratofil Krehula L., Papic A., Krehula S., Gilja V., Lucija Foglar L., Hrnjak-Murgic Z. Properties of UV protective films of poly(vinylchloride) / TiO2 nanocomposites for food packaging. Polym. Bull. 2017. 74. P. 1387–1404.
7. Youssef A.M., Kamel S. El-Samahy M.A. Morphological and antibacterial properties of modified paper by P. nanocomposites for packaging applications // CarbohydratePolymers. 2013. V. 98. P. 1166–1172.
8. Подкопаев Д.О., Лабутина Н.В., Суворов О.А., Грекова А.В., Сидоренко Ю.И. Особенности применения наночастиц в пищевой промышленности // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2013. № 5. С. 5–8.
Podkopaev D.O., Labutina N.V., Suvorov O.A., Grekova A.V., Sidorenko Yu.I. Features of the application of nanoparticles in food industry. Izvestia vuzov // Pishevaya tekhnologia. 2013. No. 5. P. 5–8.
9. Крутяков Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008. № 77. С. 242–269.
Krutyakov Yu.A., Kudrinskiy A.A., Olenin A.Yu., Lisichkin G.V. Synthesis and properties of silver nanoparticles: advances and prospects // Russian Chemical Reviews. 2008. No. 77. No. 3. P. 233–258.
10. Таусарова Б.Р. Кутжанова А.Ж. Сулейменова М.Ш. Применение наночастиц серебра для модификации целлюлозных материалов // Химический журнал Казахстана. 2016. № 1. С. 116–129.
Taussarova B.R., Kutzhanova A.Zh., Suleimenova M.Sh. Application of silver nanoparticles for modification of cellulosic materials // Chemical Journal of Kazakhstan. 2016. No. 1. P. 116–129.
число приоритетных направлений пищевых технологий входят предотвращение потерь, сохранение качества и обеспечение биологической безопасности продуктов питания на всех стадиях производства и последующего хранения. Одним из инновационных способов повышения безопасности продуктов питания является ввод в упаковочный материал добавок, обладающих антимикробной и антиоксидантной активностью. Это позволяет обеспечить дополнительное снижение микробиологического риска за счет замедления роста поверхностной микрофлоры. Основными требованиями, предъявляемыми к антимикробным добавкам, является их санитарно-гигиеническая безопасность при контакте с пищевыми продуктами, полифункциональность и стабильность на всех стадиях переработки упаковки. Эксплуатационные характеристики упаковочных материалов после введения добавок должны сохраняться.
Развитие нанотехнологий позволило получать материалы, которые обладают уникальными свойствами и дают возможность значительно увеличить сроки хранения пищевых продуктов [1–4]. Интерес к наночастицам серебра и материалам, полученным с их использованием, растет в основном из-за необычных физических характеристик этого металла [5–10]. Важными свойствами наночастиц серебра являются бактерицидная и антивирусная активности, поэтому они могут быть использованы для придания упаковочным материалам биоцидных свойств. Основным условием применимости наночастиц серебра в производстве упаковки является их способность к закреплению на поверхности и в порах упаковочного материала. Данное условие может быть обеспечено использованием различных вариантов основы, а также разных технологий нанесения наночастиц на поверхность материала.
Целью настоящей работы является разработка антимикробной композиции на основе наночастиц серебра для пищевой упаковки из бумаги.
Синтез наночастиц проводился путем восстановления водного раствора нитрата серебра. Строение и размер наночастиц зависит от условий реакции и концентрации нитрата серебра. К раствору нитрата серебра с концентрацией от 0,0001 до 0,005 М добавляли такой же объем раствора восстановителя (0,001–0,15 М) и доводили рН до заданного значения с помощью раствора гидроксида натрия. Полученные растворы обрабатывали в микроволновой печи в течение 20 мин при температуре 80 °С и мощности 700 Вт. Как показала электронная сканирующая микроскопия (рис.1), образующиеся частицы имеют сферическую форму диаметром от 1 до 200 нм. На их сферическую форму указывает и желтая окраска раствора. Образующиеся частицы стабильны, не осаждаются и не меняют окраску в течение нескольких недель.
Разработанная композиция наносилась на упаковочную бумагу методом распыления. Выбор бумаги основывался на том, что по сравнению с другими материалами для пищевой упаковки такая основа экологически безопасна, гигиенична и быстро разлагается естественным путем, что особенно важно при переработке отходов. Образцы упаковочной бумаги, обработанные различными концентрациями наночастиц серебра, исследовались на низковакуумном растровом электронном микроскопе в комплекте с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром. Согласно данным электронно-сканирующей микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (рис.2, табл.1), необработанная упаковочная бумага содержит 64,69% углерода и 35,31% кислорода. После модификации раствором наночастиц на поверхности обработанной бумаги образуется от 7,88 до 21,21% частиц серебра, которые распределены достаточно неравномерно (табл.1).
Антимикробное действие оценивали по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами. Результаты исследований (рис.3а) показали, что в контрольных образцах наблюдается высокий рост микроорганизмов. В образцах, обработанных растворами наночастиц серебра (рис.3b–e) с концентрацией 0,001–0,005 М, рост микроорганизмов уменьшается. С повышением концентрации наночастиц серебра антибактериальные свойства упаковочных материалов улучшаются. Антимикробные свойства модифицированных образцов сохранялись в течение всех пяти суток исследований (табл. 2, рис.4).
Из рис.4 видно, что мезофильные аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы (Staphylococcus aureus) успешно размножаются на контрольном образце, но их рост замедляется у образцов, обработанных наночастицами серебра, причем с увеличением концентрации наночастиц антибактериальные свойства возрастают. Антимикробные свойства модифицированных образцов устойчивы в течение исследованного периода (пять суток).
Таким образом, был успешно разработан состав на основе наночастиц серебра для обработки упаковочных материалов для пищевой промышленности. Показано, что упаковочный материал, модифицированный наночастицами серебра, обладает антибактериальными свойствами и подавляет развитие микроорганизмов. Применение разработанной антимикробной упаковки позволит предотвратить порчу пищевых продуктов, увеличить срок хранения, снизить потери и обеспечить сохранение качества и безопасности пищевых продуктов в процессе транспортировки, хранения и реализации.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Souza V.G.L., Fernando A.L. Nanoparticles in food packaging: Biodegradability and potential migration to food – A review. Food Packaging and Shelf Life. 2016. 8. P. 63–70.
2. Samyn P., Barhoum A., Ohlund T., Dufresne A. Review: nanoparticles and nanostructured materials in papermaking // J Mater Sci. 2018. 53. P. 146–184.
3. Xiaojia H., Huey-Min H. Nanotechnology in food science: functionality, applicability, and safety assessment // Journal of Food and Drug Analysis. 2016. V. 24. P. 671–681.
4. Hannon J.C. Kerry J., Cruz-Romero M., Morris M., Cummins E. Advances and challenges for the use of engineered nanoparticles in food contact materials // Trends in food science & technology. 2015. 43. P. 43–62.
5. Amini E., Azadfallah M., Layegh M. Silver-nanoparticle-impregnated cellulose nanofiber coating for packaging paper // Cellulose. 2016. 23. P. 557–570.
6. Kratofil Krehula L., Papic A., Krehula S., Gilja V., Lucija Foglar L., Hrnjak-Murgic Z. Properties of UV protective films of poly(vinylchloride) / TiO2 nanocomposites for food packaging. Polym. Bull. 2017. 74. P. 1387–1404.
7. Youssef A.M., Kamel S. El-Samahy M.A. Morphological and antibacterial properties of modified paper by P. nanocomposites for packaging applications // CarbohydratePolymers. 2013. V. 98. P. 1166–1172.
8. Подкопаев Д.О., Лабутина Н.В., Суворов О.А., Грекова А.В., Сидоренко Ю.И. Особенности применения наночастиц в пищевой промышленности // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 2013. № 5. С. 5–8.
Podkopaev D.O., Labutina N.V., Suvorov O.A., Grekova A.V., Sidorenko Yu.I. Features of the application of nanoparticles in food industry. Izvestia vuzov // Pishevaya tekhnologia. 2013. No. 5. P. 5–8.
9. Крутяков Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008. № 77. С. 242–269.
Krutyakov Yu.A., Kudrinskiy A.A., Olenin A.Yu., Lisichkin G.V. Synthesis and properties of silver nanoparticles: advances and prospects // Russian Chemical Reviews. 2008. No. 77. No. 3. P. 233–258.
10. Таусарова Б.Р. Кутжанова А.Ж. Сулейменова М.Ш. Применение наночастиц серебра для модификации целлюлозных материалов // Химический журнал Казахстана. 2016. № 1. С. 116–129.
Taussarova B.R., Kutzhanova A.Zh., Suleimenova M.Sh. Application of silver nanoparticles for modification of cellulosic materials // Chemical Journal of Kazakhstan. 2016. No. 1. P. 116–129.
Отзывы читателей
