Упаковочное покрытие на основе крахмала

При упаковке различных продуктов питания важную роль играет безопасность упаковочных материалов и их свойства, которые в первую очередь влияют на срок годности продуктов при хранении и транспортировке. В современном пищевом производстве используются, в основном, упаковочные моно-либо многослойные материалы Для цитирования

из синтетических полимеров, которые за счет барьерных свойств могут продлевать сроки хранения продуктов питания. Однако из-за длительных сроков разложения синтетических полимерных материалов экологическая обстановка ухудшается в связи с загрязнением основных компонентов природной среды: атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод.

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Использование упаковочных материалов из природных полимеров, которые обладают способностью к биоразложению в короткие сроки, является перспективным, так как ведет к значительному улучшению экологии, уменьшив гигантский поток плохо перерабатываемого упаковочного материала [1, 2]. Таким образом, упаковка из природных полимеров, в том числе с антимикробными свойствами, набирает большую популярность и практическую применимость [3, 4]. В большинстве случаев в состав таких материалов и покрытий входит несколько природных полимеров, пластификатор в виде глицерина [5], а также добавки, в виде экстрактов и эфирных масел. В связи с этим разработка покрытий из природных полимеров с антимикробным эффектом является актуальным и перспективным направлением в пищевой отрасли, так как способствует увеличению сроков годности продуктов при хранении и транспортировке.

Для придания упаковочным пленкам и покрытиям на основе природных полимеров антимикробных свойств одним из перспективных способов является введение в состав натуральных антимикробных компонентов, таких как эфирные масла и различные экстракты. Эфирные масла содержат компоненты, которые являются противомикробными [6, 7]. По литературным данным, введение эфирных масел или экстрактов на основе природных полимеров в состав упаковочных пленок и покрытий позволяет улучшить физико-механические свойства [8], а также усовершенствовать упаковочный материал путем придания антимикробного действия [9], в результате увеличивается срок годности упакованных в данный материал продуктов за счет подавления патогенных микроорганизмов.

К достоинствам антимикробных покрытий можно отнести способность к предотвращению роста и размножения микроорганизмов на поверхности пищевых продуктов; обеспечение безопасности и увеличение сроков хранения продуктов; повышение качества продуктов, а к недостаткам – дополнительные затраты на производство и использование специальных добавок; возможное влияние на вкусовые качества продуктов; необходимость соблюдения определенных условий хранения и транспортировки для сохранения структуры упаковки, а также эффективности антимикробных свойств.

Одним из недорогих препаратов, используемых в фармацевтике растений, является корень аира. По литературным данным экстракт из корня аира имеет антимикробную активность по отношению к микроорганизмам Lactobacillus

В фармацевтике корень аира применяется для изготовления лекарственных средств, например такого препарата, как «Стоматофит» (АО «Фитофарм Кленка», Польша) в состав которого входят различные растительные экстракты [16]. Также корень аира применяется для лечения широкого спектра воспалительных заболеваний различной этиологии [18,19].

В пищевой промышленности эфирное масло аира используют в качестве антимикробной добавки с бактерицидными свойствами в рецептуре хлебобулочных изделий для улучшения пищевой ценности и физико-химических свойств хлеба [20].

Цель работы – разработка упаковочного покрытия на основе крахмала с использованием антимикробной добавки – экстракта корня аира (КА) для пролонгации сроков хранения пищевых продуктов.

Материалы и методы

Для получения образцов упаковочных покрытий были использованы следующие компоненты: картофельный крахмал, производитель ООО «ПЕЦ-ХААС» Россия, ГОСТР 53876–2010; глицерин, производитель ООО «ГЛИЦЕРИН СОЛЮШЕН» Россия, ГОСТ 6824–96; уксус столовый 9%, производитель ООО «БАСТИОН» Россия, ТУ 10.84.11–015–46896390–2005; аир корень ( Ácorus cálamus ), производитель ООО «Русские Корни» Россия, г. Бийск, ТУ 10.89.19. – 001– 49786532–2021.

Определение антимикробных свойств экстракта корня аира и упаковочного покрытия проводили методом дисков (МУК 4.2.1890–04 Определение чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам). В качестве тест-культур использовались микроорганизмы кандида альбиканс ( Candida albicans ), сенная палочка ( Bacillus subtilis ), кишечная палочка ( Escherichia coli ) и аспергиллус нигер ( A. Niger ).

Получение экстракта корня аира. Высушенный корень аира измельчали в порошок, помещали в фильтровальный пакет и проводили экстракцию в лабораторном аппарате Сокслета. Экстракция проводилась в течение 6 ч при температуре кипения растворителя, в качестве растворителя был использован этанол. Полученный экстракт корня аира сушили в сушильном шкафу при 40 °C до постоянной массы.

Изготовление покрытия с антимикробными свойствами. В дистиллированную воду вводили крахмал, глицерин, уксус и полученный экстракт КА с концентрацией 0,5–3%. Механически перемешивали исходные компоненты и нагревали полученный раствор на водяной бане при температуре 98 ± 2 °С 5 минут. После нагревания раствор разливали в стеклянные формы и сушили пленки при комнатной температуре в течение 3 суток.

На первом этапе эксперимента проводили исследования по выделению экстракта из корня аира и оценку его антимикробных свойств. Определение антимикробных свойств материалов проводили методом дисков. Антимикробную активность оценивали по зоне подавления тест-культур.

Время инкубирования составляло 24 часа, при температуре 36 °С. Полученные результаты представлены на (рисунке 1).

(a)                                         (b)                                         (c)

Рисунок 1. Определение антимикробных свойств экстракта корня аира, зона подавления по отношению к микроорганизмам: а) Candida albicans – среднее значение зоны подавления 5,8 мм; б) Escherichia coli – среднее значение зоны подавления 3,7 мм; в) Bacillus subtilis среднее значение зоны подавления 3,6 мм.

Figure 1. Determination of antimicrobial properties of calamus root extract, inhibition zone in relation to microorganisms: a) Candida albicans has an average suppression zone of 5.8 mm; b) Escherichia coli has an average suppression zone of 3.7 mm; c) Bacillus subtilis has an average suppression zone of 3.6 mm

На представленном рисунке 1 видно, что максимальная средняя зона подавления (5,8 мм) у экстракта корня аира по отношению к Candida albicans , по отношению к Escherichia coli и Bacillus subtilis средняя зона подавления составила 3,7 и 3,6 мм соответственно.

На следующем этапе были получены биополимерные пленки на основе крахмала, контрольные и с экстрактом КА с концентрацией 0,5–3% (рисунок 2).

Рисунок 2. Биополимерные пленки на основе крахмала

Figure 2. Starch-based biopolymer films

Антимикробную активность оценивали визуально по степени развития тест-культур относительно поверхности контрольных и модифицированных материалов.

При визуальной оценке полученных пленок установлено, что с увеличением концентрации КА, пленка становится более интенсивного желтого цвета, а также на поверхности контрольных образцов происходит постепенный рост бактерий и грибов. При этом на поверхности образцов с экстрактом КА рост тест-культур незначительный, либо не наблюдается (рисунок 3, 4, 5).

Рисунок 3. Внешний вид пленок инокулированных с Bacillus subtilis в течение 24–72 ч: 1 – контроль, 2 – пленка с экстрактом КА 0,5%, 3 – пленка с экстрактом КА 1%, 4 – пленка с экстрактом КА 3%

Figure 3. Appearance of films inoculated with Bacillus subtilis for 24–72 hours: 1 – control, 2 – film with 0.5% KA extract, 3 – film with 1% KA extract, 4 – film with 3% KA extract

Рисунок 4. Внешний вид пленок инокулированных с Candida albicans в течение 24–72 ч: 1 – контроль, 2 – пленка с экстрактом КА 0,5%, 3 – пленка с экстрактом КА 1%, 4 – пленка с экстрактом КА 3% Figure 4. Appearance of films inoculated with Candida albicans for 24–72 hours: 1 – control, 2 – film with 0.5% KA extract, 3 – film with 1% KA extract, 4 – film with 3% KA extract

24ч 48ч 72ч

Рисунок 5. Внешний вид пленок инокулированных с Escherichia coli в течение 24–72 ч: 1 – контроль, 2 – пленка с экстрактом КА 0,5%, 3 – пленка с экстрактом КА 1%, 4 – пленка с экстрактом КА 3%

Figure 5. Appearance of films inoculated with Escherichia coli for 24–72 hours: 1 – control, 2 – film with 0.5% KA extract, 3 – film with 1% KA extract, 4 – film with 3% KA extract%

(a)

(b)

(c)

Рисунок 6. Антимикробная активность образцов материала с концентрацией 3% экстракта корня аира в течение 24 ч: а) Candida albicans – среднее значение зоны подавления 0,57 мм; б) Escherichia coli – среднее значение зоны подавления 0,21 мм; в) Bacillus subtilis среднее значение зоны подавления 0,48 мм

Figure 6. Antimicrobial activity of material samples with a concentration of 3% calamus root extract for 24 hours: a) Candida albicans – the average value of the suppression zone is 0.57mm; b) Escherichia coli – the average value of the suppression zone is 0.21mm; c) Bacillus subtilis – the average value of the suppression zone is 0.48mm

Проведенные исследования показали, что контрольные образцы без экстракта КА не обладают антимикробными свойствами; повышение концентрации экстракта КА в материале повышает его антимикробные свойства, образцы материала с концентрацией 3% экстракта КА, показали наилучшую антимикробную активность в течение 24 ч (рисунок 6).

При визуальной оценке установлено, что на поверхности контрольных образцов происходит рост бактерий, на поверхности образцов с экстрактом КА рост тест-культур замедляется, а при повышении концентрации экстракта КА до 3% роста тест-культуры не наблюдается, то есть указанные модифицированные образцы проявляют бактериостатические и фунгистати-ческие свойства.

На (рисунке 7) представлены фото образцов пленок инкубированных A. Niger в течение 72 ч и 168 ч.

Рисунок 7. Внешний вид пленок инкубированных с Aspergillus niger в течение 72 ч и 168 ч: 1 – контрольный образец без антимикробной добавки; 2 – образец с концентрацией экстракта корня аира 0,5%; 3 – образец с концентрацией экстракта корня аира 1%; 4 – образец с концентрацией экстракта корня аира 3%

Figure 7. Appearance of films incubated with Aspergillus niger for 72 hours and 168 hours: 1 – control sample without antimicrobial additive; 2 – sample with 0.5% calamus root extract concentration; 3 – sample with 1% calamus root extract concentration; 4 – sample with 3% calamus root extract concentration

На представленном рисунке 7 видно, что на поверхности контрольных образцов материалов наблюдается наиболее интенсивный рост тест-культуры. У образцов с концентрацией экстракта КА 0,5 и 1% интенсивность роста тест-культуры ниже по сравнению с контрольным образцом. У образца с концентрацией экстракта КА 3% рост тест-культуры на поверхности полностью отсутствует через 72 часа. Через 168 часов у контрольного образца и у образцов с концентрацией экстракта КА 0,5 и 1% наблюдается полное зарастание поверхности тест-культурой, а у образца материала с концентрацией экстракта 3% поверхность заросла тест-культурой на 50–60%.

Заключение

Исследование доказало, что полученный экстракт корня аира проявляет антимикробную активность, а также придает образцам на основе крахмала бактериостатические и фунги-статические свойства. Данный экстракт показал