Биоразлагаемые экопленки на основе органического сырья с активными компонентами

Текущее состояние в решении экологических проблем территорий промышленных городов неуклонно сопряжено с количеством бытовых отходов и поиском практической возможности их сокращения за счет создания альтернативных полимерам биоразлагаемых материалов. Наполнение потребительского рынка большим предложением продуктов питания при снижении уровня их потребления порождает еще одну серьезную проблему при переработке бытовых отходов - присутствие фракции пищевых отходов. Следует понимать, что значительные объемы товарных по- терь и порча продуктов питания являются не только материальным ущербом, но и бесцельным растрачиванием земельных и водных ресурсов, не оправданным загрязнением окружающей среды. Одним из способов решения данных проблем является разработка биоразлагаемых материалов для упаковки пищевых продуктов на основе органического сырья с активными компонентами.

Упаковки, обладающие полной биодеградацией в компосте, фрагментируются на безопасные вещества, такие как биомасса, углекислый газ, вода. Относительно пищевой индустрии просматривается реальная необхо- димость разработки нового типа активных биоразлагаемых материалов, способных решать множественные задачи, в числе которых эффективное использование вторичного сырья АПК и сохранение продовольствия. Биоразлагаемая активная упаковка - это усовершенствованная система материалов, контактирующих с пищевым продуктом, способных продлить сроки годности, контролировать свежесть, обеспечивать безопасность и удобство, 100 % биоразлагаемая в компостных системах. В качестве научных подходов для получения таких упаковочных систем в большинстве научных исследований предлагается использование методов поэтапного смешивания ингредиентов с последующим термическим воздействием, экструзией, применение электрофизических методов воздействия и т. д.

Весьма перспективным сырьем для разработок новых экоматериалов являются возобновляемые природные биополимеры, в том числе вторичные ресурсы агропромышленного перерабатывающего комплекса. Так, для формирования матрицы биоразлагаемых материалов широкое применение находят полисахариды (крахмал, пектин и т. д.). В качестве активного компонента, обладающего антимикробных эффектом, предлагается внесение куркумина, оксида цинка, эфирных масел и других, известных компонентов с доказанной активностью. Следует отметить, что активные добавки могут быть использованы как в исходном состоянии, так и в модифицированной форме [1, 2].

Для обеспечения функциональных свойств биоразлагаемой активной упаковки учеными предлагается вносить в матрицу материала диспергированные с помощью ультразвука комплексы в виде эмульсий. Перспективны для этих целей эмульсии Пикеренга (ЭП), так как в их составе могут присутствовать разные виды частиц, что определяет возможность целенаправленно регулировать показатель водопоглощения и обеспечивать антимикробные свойств готового пленочного материала. В эмульсиях, полученных по технологии Пикеринга, частицы сосредоточены на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей, обычно обозначаемых как «масляная» и «водная» фазы, предотвращают коалесценцию эмульсии [6]. В качестве активных частиц для получения эмульсии Пикеринга, применимой для биоразлагаемой упаковки, в числе преимущественных могут использоваться антиоксиданты и антисептики, в том числе предлагаются твердые частицы оксида цинка (ZnO). Оксид цинка – аморфное органическое соединение, состоящее из атомов цинка и кислорода, по внешнему виду белый порошок, не имеющий запаха и вкуса. Плотность оксида цинка составляет 5,6 г/см³, а температура плавления на уровне 1975 °C.

Оксид цинка обладает комплексом доказанных биологических свойств, важных для организма человека. Прежде всего цинк участвует во многих биохимических процессах, включая рост и развитие организма, укрепление иммунной системы, синтез гормонов и белков, а также обладает антисептическими, противовоспалительными, адсорбирующими и защитными свойствами [5]. Наночастицы оксида цинка обладают более высокой стабильностью и соотношением поверхности к объему по сравнению с органическими антибактериальными средствами. Например, композиция наночастиц оксида цинка и эвгенол в крахмальных пленках оказывают синергетический антибактериальный эффект [4, 7, 13].

Наночастицы оксида цинка (НЧ ZnO) традиционно синтезируют как физическими, так и химическими методами, такие как реакция цинка, со спиртом, перенос паров, гидро термальный синтез, метод осаждения и т. д. Однако эти методы имеют различные недостатки из-за использования условий высокой температуры и давления, а также использования токсичных химических веществ [11].

Имеются данные о применении НЧ ZnO в материалах для упаковки пищевых продуктов, и сообщалось о различных матрицах и способах включения ZnO в эти матрицы. ZnO включен в матрицу упаковки и может взаимодействовать с пищевыми материалами, обеспечивая эффект консервирования [6].

По данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, ZnO вместе с другими четырьмя соединениями цинка внесены в список общепризнанных безопасных (GRAS) материалов [14]. В этой связи применение данных частиц в технологии пленочных материалов для упаковки пищевых систем весьма перспективно.

Цель данного исследования - изучение влияния эмульсии Пикеринга, стабилизированной наночастицами оксида цинка, на функциональные свойства биоразлагаемой активной пленки.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являлись пленочные материалы, полученные при внесении эмульсии Пикеринга (ЭП), стабилизированной ZnO в количестве 0,5; 1,0 % к объему.

Для получения пленочных материалов в качестве основного сырья использованы нативный картофельный крахмал (КК) и альгината натрия (Alg-Na) в соотношении КК:Alg-Na – 5,0:0,5, установленное опытным опытом в ходе рекогносцировочных исследований.

Для наполнителя матрицы пленок использовали эмульсии Пикеринга, стабилизированные наночастицами оксида цинка (НЧ ZnO), полученные на основе применения в качестве воздействующего фактора низкочастотного ультразвука в режимах, установленных экспериментально. Размерные характеристики и микроскопия эмульсии Пикеринга с НЧ ZnO, применяемые в рецептуре образцов биоразлагаемых активных пленок, представлены на рис. 1.

Для основной части исследования были получены наливным методом следующие образцы пленочных материалов:

Контроль – пленка на основе КК и Alg-Na без наполнителя;

Образец 1 – пленка на основе КК и Alg-Na с НЧ ZnO (0,5 %);

Образец 2 – пленка на основе КК и Alg-Na с НЧ ZnO (1,0 %).

Для исследования влияния эмульсии Пикеринга, стабилизированной наночастицами оксида цинка, на свойства биоразлагаемых активных пленок и оценки их характеристик в качестве критериев были определены следующие показатели:

– толщина;

– содержание массовой доли влаги;

– растворимость в воде;

– непрозрачность;

– антиоксидантная активность.

Определение толщины. Толщину пленок измеряли с помощью механического микрометра «TOPEX 31с629». Для каждой пленки выполняли по 4 измерения. Затем определяли средний показатель толщины пленки.

Определение содержание массовой доли влаги. Пленки высушивали до постоянной массы при помощи анализатора влажности ЭЛВИЗ-2С. Для каждой пленки выполняли по 4 измерения. Затем определяли среднее ариф- метическое значение.

Исследование растворимости. Подготов- ленные высушенные пленки по отдельности помещали в пробирки объемом 10 мл и заполняли 9 мл воды дистиллированной. Пробирки закрывали крышками и хранили при 25 °C в течение 24 ч, после чего пленки вынимали и снова сушили при 110 °C в течение 5 ч, чтобы определить конечную массу сухого вещества.

Определение непрозрачности. Прозрачность (в терминах непрозрачности) пленок определяли с помощью спектрофотометра СФ-56 при длине волны 600 нм в соответствии с процедурой, используемой другими исследователями. Непрозрачность (Opacity) рассчитывается по формуле:

Opacity =

Abs^oo

, X

где x – толщина, мм, а Abs₆₀₀ – коэффициент поглощения, измеренный при 600 нм. Более низкие значения параметра Opacity, как определено в уравнении, подразумевают большую прозрачность [3].

а)

119.00

б)

в)

Рис. 1. Размерные характеристики эмульсии Пикеринга с НЧ ZnO: а) микроскопия (увеличение x100); б) и в) nanoParticles Size Analysis

Определение антиоксидантной активности. Антиоксидантную активность определяли спектрофотометрически при 515 нм путем определения поглощающей способности свободного радикала 1,1-дифенил-2-пикрилгид-разила (DPPH).

Результаты и обсуждения

В ходе исследования был получен массив данных в соответствии с установленной выше номенклатурой показателей. По внешнему виду пленки не имели значительных различий: однородные по структуре, слегка матовые, эластичные при натяжении, так как легко восстанавливали исходное состояние. Визуальное восприятие было дополнено оптическим исследованием (микроскопией) (табл. 1).

Представленные микрофотографии поверхности исследуемых образцов биоразлагаемых активных пленок с добавлением ЭП с наполнителем НЧ ZnO свидетельствуют о том, что у образца 2 (концентрация НЧ ZnO

1,0 %) поверхность более однородная, без видимых дефектов поверхности, наблюдается в матрице материала встроенная эмульсия, стабилизированная твёрдыми частицами оксида цинка.

Результаты исследования показывают, что у образца 1 (концентрация НЧ ZnO 0,5 %) наблюдаются на поверхности, помимо встроенных частиц эмульсии, крахмальные частицы в виде уплотнений. Повышение в составе ЭП количества НЧ ZnO позволяет cкорректировать структуру будущей активной упаковки, делая ее более однородной по структуре.

На втором этапе исследования были комплексно оценены образцы биоразлагаемых активных пленок (БАП) на основе ЭП с наполнителем НЧ ZnO по расширенной номенклатуре показателей (толщина, содержание воды, растворимость, непрозрачность). Результаты исследований образцов биоразлагаемых

Таблица 1

Внешний вид и микрофотографии поверхности исследуемых образцов биоразлагаемых активных пленок на основе эмульсии Пикеринга наполненной НЧ ZnO

Внешний вид	Наименование образца
	Контроль	Образец 1	Образец 2
	к	1	2

Оптическая микроскопия

Увеличение ×40				;
Увеличение ×100				-м^ч Й:?1Й4* №.		1

Таблица 2

Результаты исследования свойств образцов БАП с включением ЭП, наполненных НЧ ZnO

Объект исследования Толщина (мм) Содержание воды (%) Растворимость в воде (%) Непрозрачность (A600/mm) Контроль 0,20 ± 0,1 12,30 ± 0,2 41,87 ± 0,2 0,2594 Образец 1 0,19 ± 0,1 10,19 ± 0,1 45,70 ± 0,4 0,2609 Образец 2 0,22 ± 0,1 9,49 ± 0,2 41,15 ± 0,3 0,2650 активных пленок представлены в табл. 2.

Полученные результаты исследований позволяют говорить о том, что толщина пленочного материала варьирует незначительно от (0,19 ± 0,1) мм до (0,22 ± 0,1) мм, что обусловлено несовершенством используемого наливного метода. Наибольшее содержание воды было установлено у контрольного образца и составило 12,30 %, в то время как наименьшее содержание воды было выявлено у образца 2 в присутствии ЭП с НЧ ZnO (1,0 %).

В исследованиях установлено, что высокая растворимость наблюдается у образца 1 с НЧ ZnO (0,5 %) и составляла 45,70 %, в то же время растворимость у образца 2 значительно ниже и составляет 41,15 %. Показатель растворимость показывает влияние вносимых компонентов на барьерные свойства материала. При инкубации в водной среде, нагретой до температуры 80 °C, наблюдается полное растворение всех образцов пленок. Наибольшая непрозрачность фиксируется у образцов, содержащих ЭП, в сравнении с контролем. Необходимо отметить, что прозрачность пленочных материалов является важным показателем, поскольку предлагается их применение в качестве упаковки для пищевых продуктов и возможно некоторое искажение визуального облика продукта. Однако пленочный материал с низкой прозрачностью (НЧ ZnO 1,0 %)

может быть применен для пролонгирования сроков годности благодаря антимикробной активности.

На заключительном этапе исследования у образцов биоразлагаемых активных пленок оценивалась антиоксидантная активность методом DPPH. Под антиоксидантной активностью понимается способность веществ частично или полностью ингибировать процессы окисления. Результаты исследования представлены на рис. 2.

Результаты показывают, что встраивание ЭП, наполненных НЧ ZnO, в матрицу БАП позволяет повысить их антиоксидантную активность. Наибольшая антиоксидантная активность была выявлена у образца 2 при встраивании ЭП с НЧ ZnO (1,0 %) [8, 10, 12].

Для раскрытия механизмов влияния ЭП на основе наночастиц оксида цинка на процессы биодеградации необходимо продолжить исследования опытных образцов активных пленок по расширенной номенклатуре показателей.

Выводы по результатам работы

Таким образом, результаты исследования доказали, что использование эмульсии Пикеринга на основе наночастиц оксида цинка в матрице биоразлагаемой активной упаковки позволяет регулировать показатели: растворимость, антиоксидантная активность и т. д.

и

s о к о S н к

к CQ

и

Q

Контроль         Образец 1        Образец 2

Рис. 2. Результаты определения антиоксидантной активности (DPPH) образцов БАП с включением ЭП, наполненных НЧ ZnO

При использовании ЭП на основе наночастиц оксида цинка у образов пленок наблюдается улучшение барьерных свойств и высокая антиоксидантная активность. Применение эмульсий Пикеринга с активными стабилизи- рующими частицами в матрице активных пленок и покрытий на их основе позволит получить экоматериалы нового типа для упаковки пищевых продуктов.