Разработка "активной упаковки" с наночастицами серебра для сохранения качества молока

Введение. Сегодняшний потребитель требует натуральных молочных продуктов, но при этом желает, чтобы они оставались свежими длительное время. Главной задачей является поиск новых экономичных, практичных и доступных технологий, помогающих сохранить все полезные свойства пищевых продуктов. За последние годы в мире появилось несколько разработок, претендующих на решение данной задачи. Одной из быстро развивающихся областей современной нанотехнологии является создание и использование наноразмерных частиц различных материалов. Использование наночастиц в пищевой упаковке позволяет придать ей новые уникальные свойства, включая антибактериальную активность [1–6].

Проведенные фундаментальные исследования показали, что наночастицы серебра обладают уникальными оптическими свойствами, обусловленными поверхностным плазмонным резонансом, высокоразвитой поверхностью, каталитической активностью и др. Новой областью развития упаковочной отрасли являются «активные упаковки». Для успешного функционирования «активной упаковки», замедления порчи продукта и продления срока его хранения необходима специальная среда внутри упаковки. В последние годы существенно возрос интерес к получению упаковочных материалов, содержащих наночастицы серебра, которые обладают противомикробным эффектом и позволяют увеличить сроки хранения пищевых продуктов [1, 7–8].

При этом важное значение имеет стабилизация наночастиц серебра, так как они подвергаются быстрому окислению и легко агрегируют в растворах. К способам управления размерами наночастиц, применяемым в научной практике, относятся: использование полимерных матриц, позволяющих управлять размерами нанокластеров, полимерной защиты; физические методы управления размерами (обработка ультразвуком, облучение рентгеновским излучением, использование токов высокой чистоты). Изменения размера нанокластеров металлов добиваются также варьированием природы восстановителя: глюкозы, аскорбиновой кислоты, гидразина, боргидрида натрия и др. [1, 6, 9–12].

Цель исследования: разработка способа изготовления пищевой упаковки для молока с антисептическими свойствами на основе наночастиц серебра.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи :

– определение оптимальных условий синтеза агрегативно-устойчивых наночастиц серебра в присутствии разных восстановителей;

– изучение физико-химических свойств золей и морфологии наночастиц серебра;

– исследование влияния упаковки, содержащей наночастицы серебра, на кислотность молока.

Методы исследования . Для исследования свойств и состава золей, пленок и нанокомпозитов использовался комплекс физико-химических методов: оптическая спектроскопия в видимой и УФ-областях (спектрофотометр СФ-26), электронная микроскопия (микроскоп JSM 6490 LV), микрорентгеноспектральный анализ (специальная приставка к сканирующему микроскопу системы INCA Energy), синхронный термический анализ (термоанализатор STA 449 F3 Jupiter ). Кислотность молока определяли титриметрическим методом в соответствии с ГОСТ 3624-92.

Результаты исследования и их обсуждение. Способ изготовления пищевой упаковки с антисептическими свойствами на основе наночастиц серебра включал в себя следующие стадии: синтез золя наночастиц серебра; нанесение золя на упаковочный материал (контейнер); высушивание при комнатной температуре в течение нескольких часов.

Приготовление золя с глюкозой. Наночастицы серебра получали путем восстановления 0,0001–0,005 М водных растворов нитрата серебра (хч). В качестве восстановителя использовали 0,001–0,05 М растворы глюкозы (хч). Гидрозоль наночастиц серебра готовили смешением растворов нитрата серебра и глюкозы в соотношении объемов 1:1. Обработку смеси проводили раствором гидроксида аммония (1,25 %) до рН 8–9, так как размеры наночастиц серебра зависят от рН среды [1]. После экспозиции при температуре 96–98 °С в течение 120 минут полученный золь стабилизировали с использованием токов высокой частоты (СВЧ) и ультразвуком в диспергаторе УЗДН–2Т.

Приготовление золя с ПВС. Синтез наночастиц серебра проводили путем восстановления водного раствора нитрата серебра. В качестве восстановителя и полимерной матрицы был использован поливиниловый спирт (ПВС). Золь наночастиц серебра готовили смешением 0,0001–0,0025 М раствора нитрата серебра и раствора ПВС (0,5–2,5 %) в соотношении объемов 1:1, экспонировали при комнатной температуре в течение 30 минут, затем полученную смесь нагревали до 90 °С в течение 15 минут и фильтровали после охлаждения. Для определения влияния рН среды на размеры наночастиц золи получали в кислой (рН 4,5) и щелочной

(рН 11,5) средах. Для создания щелочной среды использовали гидроксид аммония (1,25 %).

Нанесение антисептического покрытия. На дно упаковочных контейнеров из полипропилена методом полива наносили золи наночастиц серебра, высушивали в течение 3 часов при комнатной температуре.

Свойства коллоидного раствора, в том числе и наночастиц серебра, определяются возможностью коагуляции и перекресталлизации, т. е. агрегативной устойчивостью, а также седиментационной устойчивостью и возможностью их окисления кислородом воздуха. Для описания агрегативной устойчивости нанодисперсии серебра во времени был использован метод визуального наблюдения: отмечалось изменение окраски растворов и/или образования осадка.

Цвет получаемых золей менялся от бледножелтого до коричневого и серо-зеленого. При восстановлении глюкозой золь имел желтую окраску, что указывает на наличие более мелких частиц серебра. После стабилизации СВЧ золь приобретал ярко-желтую окраску. При обработке ультразвуком цвет золя серебра переходил от желтого к серому, что свидетельствует об агрегации частиц. Таким образом, наиболее оптимальными условиями восстановления наночастиц серебра являются следующие: концентрация раствора AgNO 3 – 0,0001 М, эффективный восстановитель – 0,05 М раствор глюкозы (C 6 H 12 O 6 ), стабилизация золя – СВЧ в течение 5 минут.

При использовании в качестве восстановителя ПВС золи имели окраску от бледно-желтой до коричневой. Наличие желтой окраски золя свидетельствует об образовании наночастиц серебра. Коричневая окраска золя указывает на процессы агрегирования. Таким образом, наиболее оптимальными условиями восстановления наночастиц серебра являются следующие: концентрация раствора AgNO 3 – 0,0001 М, концентрация ПВС – 0,5 %.

Известно, что ПВС одновременно играет роль восстановителя и стабилизатора. Взаимодействие защитного полимера с НРЧ может осуществляться за счет прикрепления макромолекул полимера к поверхности частиц путем физической адсорбции [11, 14].

Характерной чертой наночастиц является сильное и специфическое взаимодействие с электромагнитным излучением. Особенностью спектров поглощения наночастиц размером более 2 нм является присутствие широкой полосы поверхностно-плазмонного резонанса (ППР) в видимой области или в прилегающей к ней ближней УФ-области. Спектральный максимум вблизи 400 нм соответствует ППР изолированных и слабо взаимодействующих наночастиц серебра [1, 7, 13, 15]. Спектры поглощения гидрозоля регистрировали при комнатной температуре в области 300–600 нм.

На спектре поглощения (рис. 1) золя (восстановитель – глюкоза) фиксируется выраженный максимум при длине волны 430 нм.

Рис. 1. Спектры поглощения золя с глюкозой:

1 – нестабилизированный золь; 2 – свежеприготовленный золь;

3 – золь (5 суток); 4 – золь (13 суток)

Образующиеся наночастицы способны существовать продолжительное время: после экспозиции в течение 5, 13 суток спектр поглоще- ния золя практически не изменяется, что свидетельствует об отсутствии активной агрегации частиц. Максимум при длине волны 430 нм со- ответствует частицам серебра размерами до 50 нм [1].

На спектре поглощения золя (восстановитель – ПВС) фиксируется менее выраженный максимум при длине волны 460 нм (рис. 2), ко- торый соответствует частицам серебра размерами до 70 нм [1]. Смещение максимума спектра поглощения в область более высоких значений длин волн свидетельствует об образовании крупных частиц.

Рис. 2. Спектры поглощения золей:

1 – восстановитель ПВС; 2 – восстановитель глюкоза

Методом сканирующей электронной микроскопии получены фотографии наночастиц серебра (рис. 3, а). Наряду с размерами наночастиц до 50 нм встречаются более крупные агрегаты размерами до 160 нм.

Составы золей исследовали с использованием микрорентгеноспектрального анализа. На рисунке 3, б и в таблице 1 представлены результаты качественного и количественного исследования золя, содержащего наночастицы серебра, полученного восстановлением глюкозой.

а                                           б

Рис. 3. Изображение (а) и спектр (б) микрорентгеноспектрального анализа золя серебра (восстановитель – глюкоза)

Результаты спектрального анализа

Таблица 1

Элемент	Весовой, %	Атомный, %
С	45,44	83,74
О	4,30	5,94
Ag	50,26	10,31

Итого

100,00

Как видно из рисунка 3, на спектрах присутствуют углерод и кислород, относящиеся к исходному углеводороду – глюкозе, и серебро.

На кривой синхронного термического анализа (ТГ/ДСК) золя (восстановитель – глюкоза) пик при температуре 961 °C, соответствующий температуре плавления металлического серебра, отсутствует [13]. Поскольку у нанокристалличе-ских (аморфных) структур нет ярко выраженного решетки, то можно предположить, что в растворе присутствуют именно наночастицы серебра.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа золя на основе ПВС представлены на рисунках 4, 5. В исследуемых образцах присутствуют углерод и кислород, относящиеся к ПВС, и серебро (рис. 4, 5, б; табл. 2). В щелочной среде образуются частицы преимущественно размерами до 100 нм, а в кислой среде образу- ются высокодисперсные частицы размерами до 100–500 нм.

пика плавления, так как им практически не требуется энергии на разрушение кристаллической

б

а

Рис. 4. Изображение (а) и спектр (б) микрорентгеноспектрального анализа золя серебра (×3000, щелочная среда)

б

а

Рис. 5. Изображение (а) и спектр (б) микрорентгеноспектрального анализа золя серебра (×3000, кислая среда)

Результаты спектрального анализа золей на основе ПВС

Таблица 2

Элемент	Кислая среда		Щелочная среда
	Весовой, %	Атомный, %	Весовой, %	Атомный, %
C	72,52	91,36	59,23	86,24
O	5,94	5,61	7,68	8,40
Ag	21.55	3,02	33,08	5,36

Итого	100,00		100,00

Образование крупных агрегатов кристаллической структуры подтверждается результатами синхронного термического анализа (рис. 6). На кривой ДСК фиксируется пик при температуре 963 °C, который соответствует температуре плавления серебра.

Рис. 6. Кривая синхронного термического анализа золя с ПВС

Известно, что ионы серебра и соединения на его основе обладают высокой токсичностью для микроорганизмов, демонстрируя сильное биоцидное действие на 12 видов бактерий [16–18]. Типичные наночастицы серебра (размеры до 25 нм) имеют чрезвычайно большую удельную площадь поверхности, что увеличивает область контакта серебра с бактериями или вирусами, значительно увеличивая его бактерицидные свойства. Таким образом, применение серебра в виде наночастиц позволяет в сотни раз снизить его концентрацию с сохранением всех бактерицидных свойств. Бактерицидные добавки на основе наночастиц серебра, обладающие комплексом свойств (дезинфицирующее свойство, отсутствие резистентности микроорганизмов к нему и безопасность по отношению к организму человека), могут использоваться в различных видах продукции.

В работе исследовали влияние наночастиц серебра на срок хранения молока на основе показателя кислотности молока [19, 20]. В свеже-выдоенном молоке кислотность обусловлена фосфорнокислыми солями, кислыми казеинатами, амфотерными свойствами белков и составляет 16–19 °Т. Повышение кислотности связано с расщеплением лактозы, накоплением молочной и других органических кислот. Молочнокислое брожение вызывается анаэробными гомоферментативными и гетероферментатив-ными бактериями.

Для исследования качества свежее молоко помещалось в полипропиленовые контейнеры, на дно которых предварительно наносили пленки золей. Контейнеры экспонировали при температуре 4–6 °С, что соответствует условиям хранения в торговых сетях. После экспозиции определяли кислотность молока. Результаты приведены на рисунке 7.

□1

□2

□3

Рис. 7. Диаграмма определения кислотности молока по Тернеру: 1 – контейнер; 2 – контейнер + золь (восстановитель – глюкоза);

3 – контейнер + золь (восстановитель – ПВС)

Начальная кислотность молока составила 16 °Т. Результаты эксперимента показали, что на 10 сутки кислотность молока в контейнере без серебра выросла на 5 °Т, кислотность молока в контейнере с серебром – 3 °Т. Так как несвежее молоко имеет кислотность 23 °Т и более, то можно заключить, что срок хранения молока увеличился на 4 суток. Таким образом, кислотность молока в контейнерах, содержащих наночастицы серебра, нарастает медленнее, чем у контрольной пробы.

Выводы . В работе определены основные параметры синтеза золей наночастиц серебра (температура, концентрации растворов нитрата серебра, глюкозы, ПВС) и получены золи восстановлением раствора нитрата серебра глюкозой и ПВС. Методом оптической спектроскопии на спектрах поглощения фиксируются максимумы при длинах волн 430–450 нм, что подтверждает образование наночастиц серебра. Методом сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа исследованы составы полученных золей и размеры частиц серебра.

Показано, что частицы серебра в золях (восстановитель – глюкоза) имеют наноразмеры в отличие от золей (восстановитель – ПВС), размеры которых зависят от условий синтеза (рН). Установлено, что в пластиковом контейнере с покрытием, содержащим наночастицы серебра, кислотность молока нарастала медленнее, при этом срок хранения молока увеличился на 4 суток.