Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 10
1.1 Кластерное серебро: характеристика, особенности, действие на микроорганизмы, токсичность 10
1.2 Механизмы воздействия коллоидного серебра на микроорганизмы и возможности бактериальной устойчивости
1.3 Способы получения нанодисперсных частиц серебра, нанокомпозиций и упаковок на их основе 19
1.3.1 Физико-химические методы получения нанодисперсных частиц 19
1.3.2 Способы получения нанокомпозиций серебра 23
1.3.3 Создание антимикробных, биоцидных упаковок и/или покрытий на основе наночастиц серебра
1.4 Обзор веществ, обладающих способностью подавлять развитие микроскопических грибов
1.5 Заключение по литературному обзору 41
ГЛАВА 2. Организация, объекты и методы исследований 44
2.1 Организация выполнения работы 44
2.2 Объекты исследований 47
2.3 Методы исследований
2.3.1 Методы синтеза кластерного серебра 49
2.3.2 Методы сушки коллоидных растворов кластерного серебра 51
2.3.3 Физико-химические методы исследования 51
2.3.4 Микробиологические методы исследования 51
2.3.5 Методы оценки качества мучных кондитерских изделий 56
2.3.6 Методы оценки безопасности антимикробной упаковки 57
ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований 59
3.1 Получение кластерного серебра в жидкой и твердой фазе, разработка биоцидных композиций на его основе 59
3.1.1 Синтез коллоидного раствора кластерного серебра 60
3.1.2 Получение порошкового кластерного серебра 61
3.1.3 Разработка биоцидных композиций на основе кластерного серебра 68
3.2 Изучение показателей качества кластерного серебра в жидкой и твердой фазе и биоцидных композиций на его основе 69
3.2.1 Показатели качества синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра 69
3.2.2 Показатели качества порошкового кластерного серебра, полученного методом распылительной сушки 72
3.2.3 Показатели качества биоцидных композиций на основе кластерного серебра 75
3.2.4 Оптические свойства кластерного серебра в жидкой и твердой фазе и биоцидных композиций на его основе 76
3.3 Исследование микробиологических свойств синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра и биоцидных композиций на его основе 79
3.3.1 Исследование антибактериальных свойств синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра 80
3.3.2 Исследование фунгицидных свойств биоцидных композиций на основе кластерного серебра 88
ГЛАВА 4. Разработка технологии получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок 97
4.1 Разработка составов и технологии получения биоцидных композиций на основе кластерного серебра 97
4.2 Разработка технологии получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона 101
4.3 Исследование действия антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона 103
4.3.1 Оценка показателей качества и безопасности мучных кондитерских изделий в процессе хранения с использованием антимикробной упаковки 104
4.3.2 Микробиологический контроль антимикробной упаковки с использованием петрифильмов 110
4.3.3 Оценка безопасности антимикробной упаковки, предназначенной для хранения мучных кондитерских изделий 113
4.4 Расчет себестоимости биоцидной композиции на основе кластерного серебра 115
Выводы и результаты 120
Список использованных источников
- Способы получения нанодисперсных частиц серебра, нанокомпозиций и упаковок на их основе
- Физико-химические методы исследования
- Получение порошкового кластерного серебра
- Разработка технологии получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона
Введение к работе
Актуальность работы. В XXI веке обеспечение безопасности пищевых продуктов – одно из основных направлений, определяющих здоровье населения и сохранение его генофонда. И в сложившейся ситуации микробиологическая порча пищевых продуктов, в том числе образование плесени, стала одной из основополагающих проблем продовольственной безопасности.
Ситуация усугубляется тем, что при неблагоприятных условиях, таких как высокая влажность и благоприятная для микрофлоры температура, в процессе транспортировки, хранения и реализации в самом упакованном продукте может происходить накопление токсинов, в том числе микотоксинов, при употреблении наносящих существенный вред организму человека.
Введение в упаковку или нанесение на нее специальных биоцидных композиций, активный агент которых сохраняет свои свойства, медленно диффундируя при последующей эксплуатации в объем упаковки – позволяет продолжительное время предотвращать развитие патогенной микрофлоры и образование микотоксинов.
У производителей пищевых продуктов имеется существенный интерес к упаковочным материалам, обладающим биоцидным действием, поскольку они могут значительно продлить сохранность упакованной в них продукции, обеспечивая асептические условия. Также стоит отметить, что использование антимикробной упаковки в условиях российского рынка особенно актуально: пищевая продукция транспортируется на большие расстояния, что требует увеличения сроков сохранности продукции, а также гарантий ее безопасности.
Особый интерес представляет использование в составе антимикробных упаковочных материалов именно наночастиц серебра, противомикробный эффект которых хорошо изучен многими авторами в ходе проведенных исследований.
Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, что использование коллоидного серебра и нанокомпозиций на его основе при создании антимикробной упаковки является наиболее перспективным направлением.
Степень проработки темы исследований. Вклад в исследование
антимикробного действия наночастиц серебра внесли такие ученые, как
С.С. Боткин, А.П. Виноградов, П.А. Кульский, Е.М. Благитко, М.Н. Дулин,
К.И. Попов, В.А. Тутелян, А.Н. Филиппов, А.В. Жердев, В.В. Смирнова,
Р.В. Распопов, А.А. Кочеткова, А.П. Нечаев, Л.Ф. Абаева, А.В. Артемов,
Г.А. Горенкова, J. R. Morones, C. Baker, H. Cao, O. Choi, N. Durn, R. Hall
Sedlak, Y.K. Jo, L. Karam, S.W. Kim, Y.K. Kim, S. Pal, A. Panacek, B. Reidy,
M.E. Samberg и другие отечественные и зарубежные ученые. Проблемам
инновационных упаковок, а также проблемам длительного хранения пищевых
продуктов в своих исследованиях уделяли большое внимание: О.Б. Федотова,
К.М. Ефимов, Е.В. Климова, А.Ю. Крыницкая, Л.С. Кузнецова, В.В. Насонова,
М.Ю. Нагорный, Д.О. Подкопаев, А.Г. Снежко, А.В. Шалаева, M. Das,
M.R. Taylor, J.J. Wu, J. Dingman, A.L. Brody, P. Simon.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и разработка технологии получения антимикробного покрытия на основе кластерного серебра для пищевых упаковок из бумаги/картона для мучных кондитерских изделий.
Для достижения поставленной цели сформулированы задачи
исследований:
1) получить кластерное серебро в жидкой и твердой фазе, разработать биоцидные композиции на его основе;
-
изучить показатели качества кластерного серебра в жидкой и твердой фазе и биоцидных композиций на его основе;
-
исследовать микробиологические свойства синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра и биоцидных композиций на его основе;
-
разработать составы и технологию получения биоцидных композиций на основе кластерного серебра;
-
разработать технологию получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона;
-
исследовать действие антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона в процессе хранения мучных кондитерских изделий с целью увеличения срока годности;
-
рассчитать себестоимость предложенной биоцидной композиции на основе кластерного серебра.
Научная новизна работы. Установлены и исследованы закономерности влияния технологических параметров распылительной сушки на выход порошкового кластерного серебра (температура, скорость подачи раствора, скорость воздушного потока). Подобраны оптимальные параметры сушки коллоидного раствора кластерного серебра на стендовой установке Mini Spray Dryer B-290: температура сушки (140 ± 1) С, скорость воздушного потока 35 м3/ч, скорость подачи раствора 4–5 мл/мин.
Выявлены различия в воздействии коллоидного раствора кластерного серебра на рост и размножение штаммов микроорганизмов Escherichia coli, Bacillus subtilis, Candida albicans, Aspergillus niger. Сравнительный анализ результатов исследования влияния коллоидного раствора кластерного серебра на выживаемость клеток данных культур в концентрации от 0 до 500 мкг/мл выявил антимикробную активность, начиная с концентрации 0,001 мкг/мл для Escherichia coli и Bacillus subtilis, 0,01 мкг/мл для плесневых грибов Aspergillus niger и дрожжей Candida albicans. Доказано, что разработанные биоцидные композиции на основе кластерного серебра обладают фунгицидным действием в отношении исследуемых штаммов плесневых грибов: Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Alternaria radicina, Penicillium glaucum и Penicillium citrinum.
Установлено, что срок годности мучных кондитерских изделий, помещенных в упаковку, обработанную биоцидной композицией с разработанными составами, увеличился на 33 % и составил 20 суток по сравнению с исходным сроком годности, установленным производителем (15 суток) при температуре (18 ± 3) С.
Теоретическая и практическая значимость работы. В связи с тем, что
работа в большей степени носит научный характер, полученные результаты
могут быть использованы для дальнейших исследований, связанных с
использованием биоцидных композиций на основе кластерного серебра, а
также антимикробного покрытия для пищевых упаковок для обеспечения
качества и безопасности продовольственных товаров на всех этапах их
жизненного цикла. Практическая значимость работы состоит в разработке
технологии получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на
основе бумаги/картона для мучных кондитерских изделий и может быть
апробирована для других однородных групп пищевых продуктов.
Использование полученной антимикробной упаковки позволяет увеличить срок годности упакованных в нее мучных кондитерских изделий на 33 % по сравнению с обычной упаковкой.
Теоретические и практические аспекты работы используются в учебном
процессе кафедры «Бионанотехнология» ФГБОУ ВО «Кемеровский
технологический институт пищевой промышленности (университет)».
Применяются при проведении лекционных и практических занятий для бакалавров и магистров по направлению подготовки «Биотехнология». Проведена апробация упаковки с нанесенным антимикробным покрытием в компании ЗАО «Современные производственные технологии», г. Кемерово.
Методология и методы исследования. В работе использованы общепринятые, стандартные и оригинальные методы физико-химического, микробиологического анализа с использованием последних достижений науки и техники. Работа выполнена на достаточно высоком научном и методическом уровне проведенных исследований.
Положения, выносимые на защиту. Закономерности влияния параметров технологического процесса распылительной сушки на выход порошкового кластерного серебра.
Различие в воздействии коллоидного раствора кластерного серебра на рост и размножение штаммов микроорганизмов Escherichia coli, Bacillus subtilis, Candida albicans, Aspergillus niger; влияние различных концентрации коллоидного раствора кластерного серебра на выживаемость клеток данных культур; а также фунгицидное действие разработанных биоцидных композиций на основе кластерного серебра в отношении исследуемых штаммов плесневых грибов: Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Alternaria radicina, Penicillium glau-cum и Penicillium citrinum.
Разработанные составы биоцидных композиций на основе кластерного серебра, способствуют увеличению срока годности мучных кондитерских изделий, помещенных в упаковку, обработанную биоцидной композицией на 33 % по сравнению с исходным сроком годности, установленным производителем.
Степень достоверности и апробации работы. Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на семинарах различного уровня, научно-практических конференциях, в том числе: шести международных конференциях («Пищевые продукты и здоровье человека», г. Кемерово, 2012 г.; «Биотехнология. Взгляд в будущее», г. Казань, 2014 г.; «Пищевые инновации и биотехнологии», г. Кемерово, 2014, 2015, 2016 г.; «Образование, наука, инновации: вклад молодых исследователей», г. Кемерово, 2016 г.); выставке-конкурсе молодежных проектов и разработок-2013 I Городской молодежной научно-практической конференции «Молодежь в науке – инновационное будущее города Кемерово», г. Кемерово, 2013 г.; а также на инновационном конвенте «Кузбасс: Образование, Наука, Инновации», г. Кемерово, 2014 г.
Диссертационная работа обсуждена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Бионанотехнология» и «Товароведение и управление качеством» ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ («Техника и технология пищевых производств»).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из следующих основных разделов: введения, 4 глав, выводов и результатов, списка использованных источников и приложений. Основной текст работы изложен на 122 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 31 рисунок. Список использованных источников включает 201 источник, в том числе 51 публикацию зарубежных авторов.
Способы получения нанодисперсных частиц серебра, нанокомпозиций и упаковок на их основе
Антимикробное воздействие серебра вообще, и наночастиц серебра в частности в современном мире вызывает существенный интерес у исследователей, потому что это воздействие проявляется вне зависимости от штамма бактерий [147, 164, 171, 195]. Особенно сильно серебро влияет на устойчивые к антибиотикам штаммы: MRSA (митицилин, или множественно-устойчивый Staphylococcus aureus), E. coli O157, и др. Причины этого пока еще не вполне ясны, но могут быть связаны с механизмами действия ионов серебра на бактерии, трипаносомы и дрожжи, все из которых могут поглощать и концентрировать серебро (и медь) из разбавленных растворов в достаточном количестве, для насыщения всех фермент-белковых молекул в клетке. Другие наблюдаемые воздействия включают структурные изменения в бактериальных клеточных стенках [76, 172] и внутриклеточных и ядерных мембранах, а также денатурацию бактериальной ДНК и РНК, препятствуя репликации. Возможно, эти воздействия на бактериальную РНК и ДНК связаны с (или дополнение к) наблюдаемым действиям на митохондриальное дыхание и цитозольный белок, которые приводят к некрозу бактериальных клеток. До настоящего времени не была понята заметно выраженная активность не столько серебряных ионов, сколько наночастиц, порождающая сильные воздействия [192].
В своем исследовании Ли [174] указывает на три возможные антибактериальные механизмы действия наночастиц серебра:
(1) Адгезия наночастиц на поверхности бактерий, изменяющая мембранные свойства. Небольшой размер и чрезвычайно большая площадь поверхности наночастиц позволяет им установить сильный контакт с поверхностью микроорганизма [198]. Как указывает Цao [153], изучивший антибактериальные свойства наночастиц серебра, введенных в титан (поверхность, созданная плазменным иммерсионным внедрением иона серебра (Ag-PIII)), прилипание бактерий к таким поверхностям коррелирует с поверхностным дзета-потенциалом наночастиц. Все изученные поверхности Ag-PIII снижали разрастание обоих типов изученных бактерий (Грамположительный – Staphylococcus aureus, и Грамотрицательный – Escherichia coli).
(2) Наночастицы серебра, проникая в бактериальную клетку, приводят к повреждению ДНК. В исследовании Чоя и Ху [157] подавление азотирующих организмов было взаимосвязано с фракцией наночастиц серебра меньше чем 5 нм, которые более ядовиты, чем любая другая форма серебра (серебряные ионы, коллоиды AgCl). Авторы предполагают, что это может произойти из-за более легкого (активного) переноса незаряженных наночастиц серебра через клеточную мембрану, чем заряженных серебряных ионов.
(3) Распад наночастиц серебра высвобождает антибактериальные Ag+ ионы, которые могут взаимодействовать с серосодержащими белками в бактериальной клеточной стенке и могут поставить под угрозу выполняемые функции. Это явление часто рассматривают как главный механизм антибактериальной деятельности наночастиц, таким образом, можно предположить, что обширное знание антибактериальных свойств серебряных ионов может быть применено и к наносеребру. В то же самое время проблема бактериальной устойчивости к ионам серебра остается значимой, по крайней мере, для некоторых применений наночастиц серебра. Взаимодействие распавшихся Ag+ ионов с клеточной стенкой и цитоплазматическими белками были также предложены Цao [154], который также выдвигает на первый план факт, что взаимодействие ионов серебра с тиол группой жизненных ферментов может привести к ослаблению их функции, или подавлению активности. Обмен ионами серебра между неорганическими сернистыми комплексами и тиолами был также предложен [184] и другими. В своем исследовании Хоул Седлак также утверждает о нарушении дыхания и образовании «протонной движущей силы» как эффекта взаимодействия с тиол группами ферментов и других белков [165]. Согласно работе Ли [173], серебряные ионы тормозят ферменты азотирующих бактерий, участвующие в круговороте фосфора, серы и азот. Серебряные ионы могут поступать из окружающей среды или возникать из устойчивого распада наночастиц серебра, поглощенных бактериями.
Согласно проведенному исследованию [193], антибактериальная деятельность серебряных ионов вызвана синергетическим эффектом между закреплением серебряных ионов на клеточной стенке, их поглощением и последующим накоплением в клетке, и их взаимодействием с критическими биомолекулами в пределах клетки. По мнению авторов данного исследования, устойчивый распад серебряных ионов с высвобождением наночастиц серебра является критической функцией наночастиц серебра, которая должна быть рассмотрена до синтеза (поскольку зависит от покрытия и метода синтеза).
Согласно работе [198] серебряные ионы могут также взаимодействовать с фосфорсодержащими компонентами (например, ДНК). Нарушение процессов репликации ДНК, которые ограничивает быстрое размножение бактерий и со временем сокращает число клеток, упомянуто также другими авторами как следствие подвергания воздействию серебряных ионов, полученных путем растворения наночастиц серебра [154].
Напротив, некоторые авторы утверждают, что серебряные ионы не играют важной роли в антибактериальном механизме металлических пленок, модифицированных наночастицами серебра, нанесенных на титановую или диоксид титановую основу [153, 154]. Образование свободных радикалов и вызывание оксидативного стресса должно быть также принято во внимание после ввода серебряных наночастиц/ионов – отмечают многие авторы [154, 198]. Активные формы кислорода (АФК) могут быть сгенерированы вне клетки, в среде, или в клетке, а также в результате повреждения/разрушения клетки [175]. Согласно исследованиям Чою и Ху [157], торможение бактериального роста, вызываемое всеми изученными формами серебра коррелируется с внутриклеточными уровнями АФК. Фотокаталитическая фракция АФК не показывала такой взаимосвязи. Поскольку концентрации АФК были различны для каждой из изученных форм серебра, авторы в данном исследовании пришли к выводу, что другие источники токсичности также должны учитываться. Хотя существует некоторая взаимосвязь между торможением бактериального роста и концентрацией ионов серебра, наночастицы серебра оказались более токсичны, чем эквивалентная концентрация серебряных ионов, возможно из-за повышенной строго определенной концентрации ионов, окружающих наночастицы, и характерной локализации, в результате чего наночастицы серебра активно транспортируются в клетки с помощью опосредованных рецептором процессов. Количество АФК, произведенного коллоидом AgCl, было сопоставимо с произведенными наночастицами серебра, и эквивалентные концентрации ионов серебра произвели меньше АФК.
Физико-химические методы исследования
Теоретические и экспериментальные исследования проводились в соответствии с поставленными задачами в период с 2013 по 2016 гг. на базе кафедры «Бионанотехнология» ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)».
Общая схема проведения исследований представлена на рисунке 2.1.1. Весь цикл исследований состоял из нескольких взаимосвязанных этапов.
Первый этап диссертационной работы для обоснования цели и формулировки задач собственных исследований посвящен анализу результатов отечественных и зарубежных исследований по направлению диссертационной работы. В ходе анализа изучали понятие кластерного серебра, его характеристику, особенности, действие на микроорганизмы, токсичность. Отдельно рассматривали механизмы воздействия коллоидного серебра на патогенные микроорганизмы. Изучали способы получения ультрадисперсных частиц серебра, нанокомпозиций, а также создания антимикробных, биоцидных упаковок и/или покрытий на их основе. Кроме того, осуществляли обзор научной литературы по веществам, обладающим способностью подавлять развитие микроскопических грибов. Сформулировали цель и задачи собственных исследований.
На втором этапе получали кластерное серебро в жидкой и твердой фазе, разрабатывали биоцидные композиции на его основе. Осуществляли синтез коллоидного раствора кластерного серебра, а также получали кластерное серебро в твердой фазе (далее – порошковое кластерное серебро) из синтезированного коллоидного раствора, используя метод распылительной сушки.
Анализ отечественной и зарубежной литературы, обоснование цели и формулировка задач исследований
Рассматривали влияние таких параметров, как температура сушки, скорость подачи раствора и скорость воздушного потока. В процессе регулировки параметров сушки на стендовой установке Mini Spray Dryer B-290 варьировали такие настройки, как: «Inlet» (температура воздуха на входе, С), «Aspirator» (выход аспиратора в % от максимальной величины аспиратора), а также «Pump» (производительность насоса в % от максимальной скорости нагнетания насоса).
На третьем этапе изучали показатели качества кластерного серебра в жидкой и твердой фазе и биоцидных композиций на его основе. В ходе эксперимента изучили органолептические показатели: внешний вид, цвет, запах, однородность, опалесценция; физико-химические показатели: pH (водородный показатель), Eh (ОВП – окислительно-восстановительный потенциал), плотность при 20 С, вязкость при 20 С, средний размер частиц серебра, устойчивость растворов во времени, спектры оптического поглощения.
На четвертом этапе проводили исследования микробиологических (антибактериальных и фунгицидных) свойств синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра, а также биоцидных композиций на его основе. Устанавливали минимальную ингибирующую (бактериостатическую) концентрацию для различных штаммов микроорганизмов. На пятом этапе разрабатывали составы и технологию получения биоцидных композиций на основе кластерного серебра. Разрабатывали технологию получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона. Кроме того, исследовали действие антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона в процессе хранения мучных кондитерских изделий с целью увеличения срока годности. Исследовали показатели безопасности полученной антимикробной упаковки с точки зрения миграции наночастиц серебра. Также осуществили расчет себестоимости предложенной биоцидной композиции на основе кластерного серебра. Заключительный этап работы связан с практической реализацией результатов: проводили апробацию разработанной упаковки с нанесенным антимикробным покрытием в компании ЗАО «Современные производственные технологии», г. Кемерово.
На разных этапах работы объектами исследований являлись: – синтезированный коллоидный раствор кластерного серебра; – порошковое кластерное серебро, полученное методом распылительной сушки коллоидного раствора кластерного серебра; – биоцидные композиции, разработанные на основе коллоидного раствора кластерного серебра; – мучные кондитерские изделия (печенье сдобное «Колечко ореховое» ГОСТ 24901-2014); – подпергамент (ГОСТ 1760-2014); – кондитерский лоток (ГОСТ Р 52901-2007); – штаммы микроорганизмов: Escherichia coli, Bacillus subtilis, Candida albicans, Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Alternaria radicina, Penicillium glaucum и Penicillium citrinum – предоставленные ФГУП «ГосНИИгенетика». Для выращивания культур микроорганизмов использовались различные среды: агар «Сабуро» (ТУ 9385-024-39484474-2012); мясо-пептонный агар (ГОСТ 20730-75); агар «Макконки-ГРМ» (ТУ 9385-078-78095326-2009); солодовый агар (ФСЗ 2009/03709); и другие в зависимости от используемого штамма микроорганизма. На разных этапах исследования использовали следующее оборудование: – тест-пластины для проведения микробиологического контроля: ЗМ Petrifilm Aerobic Count Plate (AC), ЗМ Petrifilm E. coli and Coliform Count Plate (EC), ЗМ Petrifilm Staph Exspress Count Plate (STX) + ЗМ Petrifilm Staph Exspress Disk (3M Health Care, США);
Получение порошкового кластерного серебра
Итак, на основании вышерассмотренных закономерностей, далее проводили исследование влияния технологических параметров распылительной сушки на выход порошкового кластерного серебра (температура, скорость подачи раствора, скорость воздушного потока). В ходе исследования подбирали оптимальные технологические параметры сушки коллоидного раствора кластерного серебра, варьируя настройки: «Inlet», «Aspirator» и «Pump».
Одним из основополагающих факторов, определяющих процесс распылительной сушки, является температура сушки, которая варьируется изменением настройки «Inlet».
Стоит отметить, что оптимальный выбор разности температур на входе и на выходе, является одним из наиболее важных моментов, которые необходимо учитывать при распылительной сушке. Естественно, кроме этого, необходимо учитывать и другие факторы, такие как температура плавления и температура разложения.
Температурой на входе – это температура нагретого сушильного воздуха, т.е. температура сушки. Воздух на нужды сушки подсасывается или выдувается аспиратором через нагреватель. Температура догретого воздуха предварительно измеряется и только затем поступает в сушильную камеру. Температура воздушного потока не должна превышать точки кипения воды, чтобы отдельные капли испарялись в ходе короткого промежутка времени, в течение которого те находятся в камере. Градиент между влажной поверхностью и ненасыщенным газом ведет к испарению при низких температурах. Конечный продукт отделяется и более не несет термической нагрузки.
Температура на выходе – это температура воздуха с взвешенными твердыми частицами до попадания в циклон. Это результирующая температура теплового и массового баланса в сушильном цилиндре и, таким образом, не подлежит регулированию. В связи с интенсивным теплопереносом и массопереносом, а также потерей влаги частицы могут считаться имеющими такую же температуру, что и газ.
Таким образом, эмпирическое правило гласит: температура на выходе равна максимальной температуре продукта. В связи с этим, сушка распылением и считается чрезвычайно щадящим методом получения вещества в порошковом состоянии. Для конечного продукта с очень небольшим содержанием остаточной влаги, температура на входе должна быть как можно выше, а разница между температурами должна быть как можно меньше. Повышение разности температур повышает содержание остаточной влажности в конечном продукте.
Изменение выхода порошкового кластерного серебра (%) в зависимости от температуры сушки (С) Выход порошкового кластерного серебра – количество продукта на выходе, в процентах от массовой доли кластерного серебра в исходном коллоидном растворе.
Анализ кривой, представленной на рисунке 3.1.2.1, показывает, что выход порошкового кластерного серебра увеличивался в диапазоне температур от 0 до 140 С. При температуре сушки выше (140 ± 1) С, происходило снижение выхода готового продукта, что связано с приближением к температуре плавления повидона (150–180 С). При значениях температур (150 ± 1) С и выше высушенные кристаллы кластерного серебра сильно налипали на стенки аппарата, образуя при этом слой, препятствующий накоплению готового продукта. В связи с этим выход порошкового кластерного серебра резко снижался.
Следующим, не менее важным фактором, который влияет на протекание процесса сушки коллоидных растворов кластерного серебра, является скорость воздушного потока. Данный показатель находится в прямопропорциональной зависимости от настройки «Asparator». Именно с помощью аспиратора воздух на нужды сушки подсасывается или выдувается через нагреватель.
Кривая, приведенная на рисунке 3.1.2.2, показывает увеличение выхода порошкового кластерного серебра с возрастанием скорости воздушного потока от 0 до 35 м3/ч. Данное явление связано с тем, что частицы, захваченные воздушным потоком, тем быстрее попадали в уловитель, чем выше была его скорость.
Значение скорости воздушного потока 35 м3/ч является оптимальным для распылительной сушки коллоидного раствора кластерного серебра и соответствует настройке «Aspirator» на уровне 100 %.
Следующим фактором, влияющим на выход порошкового кластерного серебра, является скорость подачи раствора, которая находится в прямой зависимости от скорости подачи насоса (скорость нагнетания или откачивания). Данный показатель находится в прямопропорциональной зависимости от настройки «Pump».
Разработка технологии получения антимикробного покрытия для пищевых упаковок на основе бумаги/картона
Стадии технологического процесса. Получение биоцидных композиций на основе кластерного серебра можно разделить на следующие этапы: – синтез и приемочный контроль коллоидного раствора кластерного серебра; – разбавление коллоидного раствора кластерного серебра до нужной концентрации; – добавление водорода перекиси; – добавление компонентов в соответствии с составом (таблица 4.1.1); – перемешивание имеющихся компонентов в смеси; – добавление пропиленгликоля/глицерина в соответствии с составом; – смешивание имеющихся компонентов в смеси; – хранение перед дальнейшим использованием при получении антимикробного покрытия для пищевых упаковок.
Основным и единственным оборудованием в процессе получения биоцидных композиций является дезинтегратор (смеситель). Весь процесс получения биоцидной композиции проходит при температуре (25 ± 2) С.
На начальном этапе технологического процесса производства синтезируют коллоидный раствор кластерного серебра. Процесс осуществляют партиями.
Каждая партия синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра проходит приемочный контроль по физико-химическим показателям.
Следующий этап технологического процесса – разбавление бидистиллятом. На этом этапе происходит разбавление синтезированного коллоидного раствора кластерного серебра концентрацией 10 000 мкг/мл в соответствии с составом. Для разбавления используют бидистиллят – дистиллированную воду температурой не выше (30 ± 2) C.
Затем в коллоидный раствор кластерного серебра полученной концентрации добавляют водорода перекись 30 % концентрации.
Далее добавляют компоненты в соответствии с составом: лимонную кислоту/натрия бензоат/уротропин.
После добавления этих компонентов проводят перемешивание смеси в течение 10 мин для получения равномерной консистенции.
Затем в полученную смесь добавляют компоненты в соответствии с составом: пропиленгликоль/глицерин.
После добавление всех компонентов проводят финальное перемешивание смеси в течение 10 мин для получения равномерной консистенции.
На финальном этапе готовая биоцидная композиция отправляется на хранение с целью дальнейшего использования при получении антимикробного покрытия для пищевых упаковок.
Особенность разработанных составов биоцидных композиций состоит в том, что на бумажный/картонный упаковочный материал они могут наноситься любым способом (например, распылением/валиком), быстро высыхая после нанесения и образуя прочное антимикробное покрытие, которое способно обеспечивать антисептику в упаковке в течение длительного времени [110].
В современном мире микробиологическая порча пищевых продуктов, в том числе образование плесени, стала одной из основополагающих проблем продовольственной безопасности [117, 119].
Ситуация усугубляется тем, что при неблагоприятных условиях, таких как высокая влажность и благоприятная для микрофлоры температура, в процессе транспортировки, хранения и реализации в самом упакованном продукте может происходить накопление токсинов, в том числе микотоксинов, при употреблении наносящих существенный вред организму человека [112].
В связи с этим поиск путей антимикробной защиты упакованного пищевого продукта становится актуальным как для производителя, так и, в конечном итоге, для потребителя. Одним из путей решения проблемы становится нанесение на упаковку специальных биоцидных покрытий (композиций), активный агент которых сохраняет свои свойства, медленно диффундируя в объем при последующей эксплуатации [118]. Такие меры позволят предотвратить развитие в упакованном продукте патогенной микрофлоры, а также плесеней [113].
Отличительная черта разработанных биоцидных композиций – размерный эффект используемого кластерного серебра (удельной площади поверхности серебряных частиц достигает 100 м2/гр), а также тонкий (менее 1 мкм) слой нанесения биоцидной композиции на упаковку, который позволяет использовать в композиции серебро в очень низких концентрациях [111, 108].
Поэтому основополагающим преимуществом такого покрытия становится очень низкий уровень токсичности при использовании к прямому контакту с пищевыми продуктами, поскольку кластерное серебро за счет его закрепления на носителе не может свободно отделиться от него, отдавая при этом свободно ионы серебра, которые ингибируют патогенную микрофлору [109].
Также возможно дополнение имеющихся различных полимерных или картонных упаковок пищевыми подложками/вкладышами, выполненными из бумаги/картона, пропитанными биоцидными композициями на основе кластерного серебра. При этом стоимость упакованной в такую упаковку продукции возрастет в незначительных пределах [118].