Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы разработки упаковочных материалов для продовольственных целей, полученных с применением нанотехнологий . 9
1.1. Материалы, используемые при производстве наноупаковки, их основные свойства и контроль качества 10
1.1.1. Основные методы синтеза наноматериалов 11
1.1.2. Методы входного контроля качества материалов, используемых при производстве нанокомпозитов 13
1.2. Способы изготовления нанокомпозиционных упаковочных материалов с бактерицидными свойствами на основе наночастиц серебра 31
1.3. Физико-химические и биологические свойства наноупаковки, контроль качества готовой продукции 35
1.4. Проблема безопасности использования нанокомпозиционных упаковочных материалов 37
1.4.1 Процедура оценки безопасности упаковки, применяемая в США 37
1.4.2. Процедура оценки безопасности упаковки, применяемая в России 40
1.5. Оценка эффективности применения наноупаковки для увеличения сроков хранения продуктов питания 50
1.5.1 Методы определения сроков хранения 51
1.5.2 Метод органолептической оценки 52
1.5.3 Метод спектроскопии ионной подвижности (СИП, электронный нос) 55
1.6. Экономические аспекты применения нанотехнологий в пищевой промышленности.
Наноупаковка, как инновационный продукт 56
1.6.1. Основные потребители упаковки, полученной с использованием нанотехнологий 56
1.6.2. Сущность экономически востребованной упаковки, ее цена, способы поставки и продвижения 57
1.7. Выводы к главе 1 60
Глава 2. Разработка технологии получения наночастиц для производства упаковки с биоцидными свойствами и исследование их свойств 61
2.1. Получение наночастиц 61
2.1.1. Получение наночастиц серебра по методу восстановления ионов серебра цитратом натрия 61
2.1.2. Получение наночастиц серебра восстановлением ионов серебра глюкозой в щелочной среде 62
2.1.3. Получение коллоидных частиц оксида цинка 63
2.1.4. Получение наночастиц закиси меди сонохимическим синтезом 64
2.2. Физико-химические свойства растворов наночастиц и методы их идентификации 65
2.2.1. Цвет растворов наночастиц 65
2.2.2. Оптические свойства растворов наночастиц 66
2.2.3. Определение размеров наночастиц 69
2.2.4. Методика производственного контроля наночастиц 71
2.2.5. Исследование технологических факторов и факторов внешней среды влияющих на агрегативную устойчивость растворов наночастиц 72
2.3. Исследование биоцидного действия растворов наночастиц 77
2.3.1. Разработка методики оценки бактерицидной активности наночастиц 77
2.3.2. Биологические свойства наночастиц 79
2.4. Выводы к главе 2 83
Глава 3. Разработка способов изготовления нанокомпозиционных упаковочных материалов с бактерицидными свойствами на основе наночастиц серебра и исследование их свойств 85
3.1. Разработка способов изготовления нанокомпозиционных упаковочных материалов с бактерицидными свойствами 86
3.1.1.Метод нанесения на упаковку растворов наночастиц с использованием ультразвука с последующим облучением ультрафиолетом 89
3.1.2. Метод, основанный на размещении наночастиц в порах поверхностного слоя модифицированного полимера 91
3.1.3. Метод, основанный на синтезе наночастиц с их одновременным закреплением в порах поверхностного слоя модифицированного полимера 92
3.1.4. Получение полипропиленовых контейнеров с наночастицами серебра 93
3.2. Исследование физико-химических и биологических свойств полученных упаковочных наноматериалов 94
3.2.1.Упаковка, полученная нанесением на полиэтиленовую пленку растворов наночастиц с использованием ультразвука с последующим облучением ультрафиолетом 94
3.2.2.Упаковка, полученная размещением наночастиц в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом 101
3.2.3.Упаковка, полученная путем синтеза наночастиц с их одновременным закреплением в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом 102
3.2.4. Контейнеры для хранения продуктов питания с наночастицами серебра 104
3.3. Исследование миграции серебра с поверхности упаковочных материалов и оценка безопасности их использования 107
3.3.1. Исследование миграции серебра с поверхности упаковки в различные модельные среды 107
3.3.2. Оценка безопасности применения разработанной наноупаковки согласно МУ 1.2.2638-10 110
3.3.3. Разработка методики производственного контроля выпускаемой наноупаковки. 111
3.4. Выводы к главе 3 113
Глава 4. Практическая оценка эффективности и разработка рациональных технологий применения наноупаковки для увеличения сроков хранения продуктов питания 115
4.1. Разработка методов сенсорного анализа и спектроскопии ионной подвижности для определения сроков хранения охлажденного мяса 115
4.1.1.Разработка методики сенсорного анализа 116
4.1.2.Разработка методики СИП-анализа 121
4.1.3.Разработка методики хранения и отбора проб 121
4.2.Разработка методики анализа данных, полученных в результате эксперимента 122
4.2.1.Использование метода главных компонент для анализа экспериментальных данных 123
4.2.2.Использование метода выбора основных сенсоров для анализа экспериментальных данных 126
4.3.Нахождение взаимосвязи между данными СИП анализа и методом сенсорного анализа 127
4.4.Определение эффективности применения упаковочных материалов с наночастицами серебра 134
4.5. Разработка рациональных подходов к созданию и применению упаковочных материалов с биоцидными свойствами на основе нанотехнологий 135
4.6. Выводы к главе 4 138
Заключение 139
Список использованной литературы 142
- Основные методы синтеза наноматериалов
- Процедура оценки безопасности упаковки, применяемая в США
- Получение наночастиц серебра восстановлением ионов серебра глюкозой в щелочной среде
- Контейнеры для хранения продуктов питания с наночастицами серебра
Введение к работе
Актуальность темы исследований
Проблемаrздорового и качественного питания имеет глобальный характер.
В развивающихся странах даннаяrпроблема связана с недостаточно развитым
сельским хозяйством и перерабатывающей промышленностью. В экономически
развитых странах широкоеrраспространение получило производство суррогатов за
счет использования дешевого и низкокачественного сырья, а также пищевых
добавок, значительно удешевляющих конечныйrпродукт, одновременно
снижающих его потребительские характеристики.
Высокие темпы урбанизацииrвынуждают переходить население крупных городов на индустриальные методы обеспеченияrпродовольствием. Такие методы требуют примененияrразличных мер, направленных на значительное увеличение срока хранения продовольствия. Данная ситуацияrнеизменно приводит к снижению пищевой ценности продовольственных товаров.
Ввиду постоянного роста численности населения данные проблемы будут оказывать все болееrсильное влияние на глобальную систему распределения продовольственных ресурсов, создавая дисбаланс междуrрегионами с различным уровнем экономического развития.
Существуют различные пути решения вышеперечисленных проблем: развитие сельского хозяйства, улучшениеrлогистических цепочек поставок продуктов питания, рациональное производство и потребление. Важным фактором обеспечения продовольственнойrбезопасности является разработка методов увеличения срока хранения продовольственных товаров без существенного снижения их качества. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
На сохранностьrпродовольственных товаров при их длительном хранении влияют широкий спектр факторов: неблагоприятноеrвлияние внешней среды, процессы естественнойrпорчи за счет естественных биохимических и химических реакций, развития rмикроорганизмов. Микробиологическая порча является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на сохранение качества продовольственных товаров, как растительного, так и животногоrпроисхождения.
Микробиологическаяrстабильность может быть обеспечена различными
путями: добавлением в продукт консервантов, использование специальных
технологий хранения, использованиеrспециальной упаковки и др. Зачастую
многие методы предотвращенияrмикробиологической порчи связаны с влиянием на биохимические процессы жизнедеятельности живых организмов. Наряду с воздействием на микроорганизмы, эти методы могутrоказывать существенное воздействие и на человека, организм которого функционирует поrаналогичным
биохимическим схемам. Так, применение консервантов снижает качество
продукта, использованиеrспециальных технологий (технология глубокой
заморозки, использование ионизирующего излучения) можетrтакже приводить к
существенной потереrпищевой ценности и значительно повышать стоимость
продуктов. Одним из наиболее перспективных направлений повышения сроков
хранения продовольственных товаровrсчитают использование специальных
упаковочных материалов, способных защитить продукт от негативных факторов внешней среды, а также снизитьrскорость микробиологической порчи. Одним из примеров такой упаковки является упаковка с модифицированной газовой средой (МГС). Существенным недостатком МГС-упаковкиrявляется сложности при ее использовании (необходимоrспециальное оборудование и газы-наполнители), что делает ее достаточно дорогостоящей. Кроме того подобная упаковка часто одноразовая, чтоrограничивает область ее применения.
Современное развитиеrтехнологий, в том числе нанотехнологий, позволило получить материалы, обладающие уникальнымиrсвойствами и, на первый взгляд, идеально подходящими на роль упаковочных материалов XXI века, способных значительно увеличить сроки хранения продуктов. При этом подобные упаковочные материалыrмогут быть использованы многократно и для их применения нет необходимости в специальномrоборудовании. В частности, для придания упаковочным материалам биоцидных свойствrмогут быть использованы различные наночастицы: серебра оксида цинка, меди. Такая упаковкаrпрепятствует микробиологической порче товаров.
Степень разработанности
Вопросами продления сроковrгодности продуктов питания, а также физико-химии и токсикологии наноматериалов занимались многие исследователи: Попов К.И., Филиппов А.Н., Гмошинский И.В., Жердев А.В., Дзантиев Б.Б., Распопов Р.В., Кочеткова А.А., Нечаев А.П., Елисеева Л.Г., Криштафович В.И. Следует отметить, что большинствоrисследований было посвящено проблемам длительного хранения продуктов питания с использованиемrтрадиционных технологий. Кроме того существуют работы посвященныеrбезопасности наноматериалов и их аналитической химии. К сожалению, производству упаковочныхrматериалов на основе наноматериалов и исследованию их свойствrуделялось недостаточное внимание. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
Цели и задачи исследования
Целью исследованияrявляется разработка способов производства и исследование свойств инновационной упаковки сrбиоцидными свойствами на основе наночастиц серебра и разработкаrспособов увеличения потребительских
характеристик и сроков храненияrпродовольственных товаров, находящихся в такой упаковке.
Для достижения поставленной целиrнеобходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методыrполучения и изучить основные свойства коллоидных растворов наночастиц, обладающих целевымиrбиоцидными свойствами.
-
Создать упаковочныеrматериалы целевого назначения с биоцидными свойствами. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
-
Исследоватьrфизико-химические свойстваrполученной упаковки.
-
Разработатьrоптимальный способ применения полученных упаковочных материалов для сохранения потребительскихrсвойств продовольственных товаров и продления их сроков годности.
Научная новизна
Определен эффектrцелевого биоцидного воздействияrразличных видов наночастиц на различные виды микроорганизмов.
Выявлен эффектrбиоцидного воздействия наночастиц, зафиксированных в поверхностном слое полимерной матрицыrпутем миграции серебра в смежную среду.
Предложен механизмrбактерицидного воздействия зафиксированных в упаковке наночастиц серебра путем саморегулирующейсяrреакции кислотного растворения наночастиц.
Теоретическая и практическая значимость
Разработан способrполучения коллоидных растворов наночастиц на основе серебра, окиси цинка и закиси меди. Изученоrвлияние различных факторов на стабильность полученных и исследованных коллоидных растворов наночастиц.
Разработанаrметодика физико-химической оценки качества основного сырья для производства композиционныхrупаковочных материалов – наночастиц.
Разработан методrопределения бактерицидной активности наночастиц, определена их биоциднаяrактивность.
Разработанrспособ получения полимернойrупаковки, содержащей в
поверхностном слое оптимизированноеrпоrэффективности бактерицидного
воздействия количество наночастиц.
Разработан новыйrспособ закрепления наночастиц в поверхностном слое
полимерной упаковочного материала, с возможностьюrконтролируемого
высвобождения серебра. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
Разработанаrметодика физико-химическойrоценки качества готовой
наноупаковки.
Разработана методикаrоценки качества охлажденногоrмяса, хранящегося в
инновационной наноупаковке, методомrсенсорного анализа и методом
«электронного носа».
Определена взаимосвязьrмежду данными сенсорного анализа охлажденного мяса и данными, полученными методом спектроскопииrионной подвижности (СИП, электронный нос).
Методология и методы исследования
В качестве методов исследования наноматериалов и упаковки
использовались следующие методы:
В части разработкиrпрепаратов наночастиц - визуальная оценка, оптическая спектроскопия (UV-VIS), динамическое лазерное светорассеяние (ДЛРС, DLS), методы микробиологического анализа. В части разработки и исследования свойств композиционных упаковочных материалов - инфракрасная спектроскопия (FTIR), спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР, ESR), сканирующая электронная микроскопия (SEM), атомно-силовая микроскопия (АСМ, AFM), атомно-абсорбционный спектральный анализ (ААС, AAS). В части исследования эффективности действия по отношению к продуктам питания - спектроскопия ионной подвижности (СИП, электронный нос), методы сенсорного анализа.
Положения, выносимые на защиту
-
Теоретическоеrиrэкспериментальное обоснование новогоrметода создания композиционных упаковочных материалов
-
Совокупностьrэкспериментальных данных, характеризующих безопасность полученныхrупаковочных материалов
-
Целевой характер примененияrполученных упаковочных материалов
-
Возможностьrсохранения потребительских характеристик продуктов питания в результате их хранения в инновационнойrупаковке на примере охлажденного мяса Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
Степень достоверности и апробация результатов работы
Достоверность экспериментальных данных оценивали методами
математической статистики с помощью программы Microsoft Excel с вероятностью Р=0,95. Достоверностьrполученных данных также подтверждается апробацией работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на Х международной научно-практической конференции «Экспертиза, оценка качества, подлинности и безопасности пищевых продуктов» (МГУПП, г. Москва, 2012г.); V межведомственной научно-практической конференции «Товароведение
и вопросы длительного хранения продовольственных товаров» (МГУПП, г. Москва, 2013г.). Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
Публикации
По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах из Перечня ВАК, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Диссертационный материал изложен на 141 страницах основного текста, включает 82 рисунка и 32 таблицы. Список литературы состоит из 132 источников российских и зарубежных авторов и 5 приложений. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация
Основные методы синтеза наноматериалов
Физические методы основаны на протекании физических процессов, как правило, не сопровождающихся одновременным протеканием химических реакций. Основным преимуществом физических методов синтеза наночастиц является частое отсутствие протекания химических процессов, что обеспечивает получение частиц из того материала, из которого они сделаны, т.е. в составе готового продукта будут отсутствовать посторонние химические вещества.
Не менее распространенными являются физико-химические методы синтеза наночастиц и наноструктур. Их особенностью является одновременное протекание физических и химических процессов, в результате чего может быть получен продукт с новым химическим составом. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Одними из самых старых и проверенных методов синтеза наноматериалов являются химические методы. Особенностью данных методов является то, что образование наноструктур происходит благодаря протеканию различных химических реакций. Отличительной особенностью от физических и физико-химических методов синтеза является наличие в составе готового продукта большого количества веществ: стабилизаторов, компонентов реакционной смеси, побочных продуктов. Как следствие, для получения «чистых» наночастиц необходимо проводить дополнительную очистку смеси.
Биосинтез наночастиц может происходить и в различных микроорганизмах. Исследователями [27,28] было обнаружено, что синтез коллоидных частиц серебра может осуществляться бактериями Pseudomonas stutzeri AG259. Для осуществления синтеза в питательную среду добавляются ионы серебра (обычно в виде нитрата серебра), а сам синтез происходит в периплазматическом пространстве бактериальной клетки. Также для синтеза наночастиц могут использоваться дрожжевые клетки [29]. Рост наночастиц в данном случае происходит на поверхности клетки. В результате работы [19] было обнаружено, что мицелиальные грибы вида Fusarium oxysporum способны к внеклеточному синтезу наночастиц при помощи фермента нитратредуктазы. В целом микробиологический синтез наночастиц видится весьма перспективным, т.к. для его осуществления не требуются специальные восстановители и стабилизаторы, а используются лишь питательные среды для роста микроорганизмов. Еще одним серьезным преимуществом такого синтеза является возможность получения комбинированных антибиотических препаратов, содержащих одновременно и традиционный для того или иного штамма бактерицидный или фунгицидный агент и наночастицы, также обладающие бактерицидными и фунгицидными свойствами. Основными недостатками подобных синтезов является сложность контроля размеров получаемых наночастиц, сложность выделения полученных частиц из культуральной жидкости и отделения их от биомассы, а также невозможность смены стабилизирующих агентов. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Для определения химического состава пластиков, а также толщины изделий может использоваться метод ИК-спектроскопии, как наиболее простой и экспрессный. Данный метод основан на избирательном поглощении частицами вещества (в данном случае полимером) электромагнитного излучения инфракрасного диапазона. Поглощение в ИК-области любого вещества обусловлено колебаниями атомов, которые связаны с изменением межатомных расстояний (валентные колебания) и углов между связями (деформационные колебания). ИК-спектр является качественной характеристикой вещества. Для идентификации полимеров необходимо снять спектр полимера (в виде пленки, в таблетках с KBr, в виде раствора) на ИК-спектрометре в виде зависимости относительной интенсивности проходящего света, а следовательно, и поглощаемого света от длины волны или волнового числа. Спектр полимера должен быть хорошо разрешимым. При идентификации полимерных материалов, как правило, сначала анализируют наличие полос поглощения в области валентных колебаний двойной связи (3000 и 1680….1640 см-1) и области деформационных колебаний этих связей (990..660 см-1). Если они есть в ИК-спектре, то полимер можно отнести к классу ненасыщенных полимеров. Далее, используя таблицы характеристических частот, делают полное отнесение других полос поглощения к определенным атомным группировкам, составляющим звено макромолекулы. Интерпретацию спектра осложняет тот факт, что полосы поглощения различных групп могут перекрываться, или смещаться в результате ряда факторов [31].Современные ИК-спектрометры, как правило, снабжены специальным программным обеспечением, позволяющим проводить сравнение экспериментальных спектров с имеющимися в библиотеке спектрометра и, таким образом, значительно ускорять процесс анализа. В результате анализа можно установить качественный состав полимера, его тип, а также установить толщину слоя полимера (что актуально для непрерывного контроля полимерных пленок на производственной линии) поскольку последняя прямо пропорциональна оптическому поглощению.
Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация. Механический анализ позволяет определить прочностные характеристики изделий из полимеров, модуль Юнга и модуль сдвига, данные о структуре и морфологии полимеров, релаксационные характеристики и вязкоупругие свойства, а также проанализировать разрушение полимеров. Метод основан на снятии кривой растяжения в зависимости от нагрузки при различных температурах.
Определение барьерных свойств полимерных материалов возможно при помощи измерения их газо- и паропроницаемости. Газопроницаемость - свойство материалов пропускать воздух и другие газы при наличии перепада давления [32]. Она зависит от типа материала, его хим. природы и структурных характеристик, а также от природы газа и температуры. Коэффициент газопроницаемости выражается количеством газа, прошедшего при нормальных условиях в единицу времени и перепаде давления, равном единице, через единицу поверхности материала единичной толщины. Наиболее высокой газопроницаемостью обладают каучукоподобные полимеры, пониженной кристаллические и структурированные полимеры. Коэффициент газопроницаемости полимеров увеличивается с повышением гибкости макромолекул и уменьшением межмолекулярного взаимодействия, а также при введении в линейные полимеры пластификаторов и других добавок. Газопроницаемость сетчатых полимеров уменьшается с увеличением числа поперечных химических связей между макромолекулами (т.е. степени сшивания).
Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация. Фотографирование, а также съемка быстродвижущейся ленты высокоскоростной камерой позволяет быстро определять изделия с различными дефектами типа пузырей, царапин, трещин. Данный метод можно встраивать в технологические линии для осуществления непрерывного контроля качества.
Методы атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) позволяют изучать микроструктуру и характеристики поверхности полимеров.
Метод АСМ основан на сканировании образца игольчатым зондом – кантилевером, который в свою очередь изменяет свое положение из-за сил межмолекулярного взаимодействия между ним и поверхностью. Изменение положения зонда регистрируется благодаря изменению положения лазерного луча, который падает на зонд и отражается в детектор. Перемещаясь по поверхности, зонд описывает все ее неровности и таким образом получается топографическое изображение поверхности.
Процедура оценки безопасности упаковки, применяемая в США
Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки. Метод микробиологического тестирования – наиболее подходящий в случае, если причиной порчи является в основном развитие микроорганизмов продукте. В этом случае может измеряться как общее количество микроорганизмов (КОЕ), так и дифференцированно в зависимости от вида микроорганизма. Преимуществом данного метода является возможность определить основной источник (микроорганизм) вызывающий порчу продукта. Существенным недостатком данного метода является его трудоемкость. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Метод химического анализа хорошо подходит в случае, если порча обусловлена протекающими химическими и биохимическими реакциями. С помощью данного метода хорошо оценивается порча, связанная с развитием посторонних микроорганизмов за счет выделяемых ими веществ. Таким образом, метод является наиболее универсальным. К недостаткам данного метода можно отнести сложность аппаратурного оформления.
Метод тестирования физических показателей отлично подходит для продуктов, порча которых приводит к существенному изменению их реологических свойств. Преимуществом метода является возможность связи анализируемых характеристик с технологическим процессом. Недостатком данного метода является низкая чувствительность. Метод органолептической оценки является наиболее популярным и эффективным. Совокупность сенсорных систем человеческого организма, включающая химические и реологические сенсоры, является наисложнейшим и одновременно наиболее универсальным для определения качества продуктов питания. Преимуществом данного метода является его простота, основным недостатком – субъективная оценка качества продуктов различными людьми.
В настоящей работе в качестве основных методов анализа использовались методы органолептической оценки и метод спектроскопии ионной подвижности («электронный нос») в качестве метода химического анализа.
Органолептическая оценка качества пищевых и вкусовых продуктов — оценка, при которой информация о качестве продукта воспринимается органами чувств человека. Органолептический (сенсорный) анализ пищевых и вкусовых продуктов проводится посредством дегустаций, т. е. исследований, осуществляемых только с помощью органов чувств специалиста-дегустатора без применения измерительных приборов. С помощью зрения определяют внешний вид — зрительное ощущение, производимое продуктом; форму — геометрические размеры (пропорции) продукта; цвет — впечатление, вызванное световым импульсом, определенное доминирующей частотой световой волны и его интенсивностью; блеск — способность продукта отражать большую часть световых лучей, падающих на ее поверхность, в зависимости от ее гладкости; прозрачность — свойство жидких продуктов пропускать свет через слой жидкости определенной толщины. Текстура — термин относящийся к макроструктуре пищевого продукта. Характеризуется рядом зрительных, слуховых и осязательных ощущений, возникающих при разжевывании продукта. Текстура бывает твердая, упругая, волокнистая, пористая, слоистая, мягкая, жесткая, нежная, хрупкая, клейкая, липкая и др. Показатели качества продукта, оцениваемые тактильно с помощью глубокого осязания (нажима): консистенция — характеристика текстуры, характеризующая совокупность реологических свойств продуктов питания; плотность — свойство продукта сопротивляться при нажиме; эластичность — способность продукта питания возвращать первоначальную форму после прекращения деформирующего воздействия, не превышающего критической величины (предела эластичности); упругость — свойство продукта, обусловленное скоростью и степенью восстановления его исходных размеров после прекращения деформирующего воздействия; липкость — усилие, необходимое для преодоления силы притяжения между поверхностью продукта и языком, нёбом, зубами или руками; пластичность — свойство продукта не разрушаться в процессе и после прекращения деформирующего воздействия; хрупкость — свойство продукта разрушаться при незначительных резких деформациях. Показатели качества продукта, определяемые обонянием: запах — ощущение, возникающее при возбуждении рецепторов обоняния, определяемое качественно и количественно; аромат — приятный гармонический запах, который характерен для данного пищевого продукта (вина, чая, напитков, фруктов, специй и др.); букет — приятный изменяющийся во времени запах, формирующийся под влиянием сложных процессов, происходящих во время созревания, брожения и ферментации (например, букет выдержанного вина). С помощью органов чувств ротовой полости определяют следующие параметры качества продукта: сочность — впечатление осязания, которое производят соки продукта во время разжёвывания (например, продукт сочный, малосочный, суховатый, сухой); однородность — впечатление осязания, которое производят частицы продукта (однородность шоколадной массы, конфетных начинок); консистенция — осязание, характеризующее густоту, клейкость продукта, силу нажима; она чувствуется при распределении продукта на языке (консистенция жидкая, сиропообразная, густая, плотная); волокнистость — впечатление, которое вызывают волокна, оказывающие сопротивление при разжевывании продукта, которое можно ощущать качественно и количественно (например, мясо с тонкими волокнами); крошливость — свойство твердых продуктов раскрашиваться при раскусывании и разжевывании, возникающее из-за слабой степени сцепления между частицами; нежность —оценивается как сопротивление, которое оказывает продукт при разжевывании (например, мягкое яблоко, хрустящий огурец, нежное мясо); терпкость — ощущение осязания, связанное с возникновением сухости во рту, вызванное стягиванием ротовой полости; вкус - ощущение, возникающее при возбуждении вкусовых рецепторов и определяемое как качественно (сладкий, соленый, кислый, горький), так и количественно (интенсивность); флевор (флейвор или вкусность), — комплексное ощущение вкуса, запаха и осязания при распределении продукта в ротовой полости — определяется качественно и количественно [69].
На этапе формирования экспертной группы необходимо привлекать специалистов, обладающих высокой компетентностью, деловитостью, объективностью и по психофизиологическим особенностям. Важно чтобы сформированная группа экспертов была однородной. Составление перечня характерных признаков продукта проводится путем опроса экспертов. Процесс построения оценочной шкалы состоит из следующих действий: выбор диапазона шкалы, составление таблиц характеристик уровней качества, назначение коэффициентов весомости, определение граничных значений показателей, обсуждение разработанной балловой шкалы.
В ходе проведения дегустации эксперты присваивают тому или иному продукту баллы в зависимости от свойств продукта и в соответствие с таблицами характеристик уровней качества. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Получение наночастиц серебра восстановлением ионов серебра глюкозой в щелочной среде
Анализ данных графика (рис 3.18) и уравнения (3.1), позволяет заключить, что эффективной концентрацией раствора наночастиц при получении композитов является концентрация 0,1 г/л т.к. при более низких концентрациях покрытие неравномерно и не может обеспечить эффективного бактерицидного действия. При больших концентрациях происходит коагуляция частиц, что значительно снижает потребительские характеристики и практически не приводит к улучшению бактерицидного действия готовой упаковки.
Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Оценка бактерицидной активности проводилась путем помещения пленок с наночастицами серебра на поверхность твердой питательной среды, засеянной культурой E.colli. Культивирование чашек Петри проводилось в течение 24 часов при 37 0С. При этом бактерицидный эффект пленок на основе «Арговита» с концентрацией исходного раствора 0.1 г/л выявлен не был. Исследование проводилось как с облученными, так и с необлученными ультрафиолетом пленками.
Исследование процессов образования свободных радикалов проводилось при температуре 22 0С, при облучении пленок ультрафиолетом в течение 20 минут методом спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В результате проведенного исследования ЭПР сигналы свободных радикалов обнаружены не были, что, вероятно, связано с их малым сроком жизни при данной температуре.
Упаковка, полученная размещением наночастиц в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом
Упаковка, полученная размещением наночастиц в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом, исследовалась методами визуальной оценки, ИК-спектроскопии, ААС, АСМ, СЭМ, проводилась оценка бактерицидной активности. Для изготовления пленки использовался модифицированный полиэтилен и раствор наночастиц серебра AgБион-1.
В результате использования ИК-спектроскопии наличие наночастиц не было установлено, что, вероятно, связано с их низкой концентрацией в готовом композите. Полученные спектры композитов были абсолютно идентичны спектрам исходного полиэтилена. Методом ААС было установлено содержание серебра в композите (таблица 3.2). Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Исследование поверхности композита проводилось с помощью метода АСМ и СЭМ высокого разрешения. Метод АСМ не позволил селективно обнаружить наночастицы серебра на поверхности полимера, кроме того данный метод не позволяет определять наночастицы внутри пор готового композита. Использование метода СЭМ высокого разрешения оказалось более эффективным т.к. он позволяет обнаруживать часть наночастиц не спрятанных в порах полимерной основы. Ниже приведены изображения пленок с наночастицами препарата AgБион-1(рисунок 3.19). Изображение поверхности пленок модифицированного ПЭ с наночастицами серебра (AgБион-1), полученное с помощью метода СЭМ высокого разрешения
Оценка бактерицидной активности проводилась путем помещения пленок с наночастицами серебра на поверхность твердой питательной среды, засеянной культурами B.mycoides и P.fluorescens, . Культивирование чашек Петри проводилось в течение 24 часов при 37 0С. При этом был обнаружен слабый бактерицидный эффект пленок на основе «AgБион-1» с концентрацией исходного раствора 0.1 г/л. Исследование проводилось как с облученными, так и с необлученными ультрафиолетом пленками. Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Упаковка, полученная путем синтеза наночастиц с их одновременным закреплением в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом Упаковка, полученная путем синтеза наночастиц с их одновременным закреплением в порах поверхностного слоя модифицированного полиэтилена с последующим облучением ультрафиолетом исследовалась методами визуальной оценки, ИК-спектроскопии, ААС, АСМ, СЭМ.
В результате использования ИК-спектроскопии наличие наночастиц не было установлено, что, вероятно, связано с их низкой концентрацией в готовом композите. Полученные спектры композитов были абсолютно идентичны спектрам исходного полиэтилена. Методом ААС было установлено содержание серебра в композите (таблица 3.3). Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
Контейнеры для хранения продуктов питания с наночастицами серебра Контейнеры были получены методами, аналогичными методам получения полиэтиленовых пленок с наночастицами серебра. Готовые контейнеры исследовались методами визуальной оценки, ААС, АСМ, СЭМ.
Заметное изменение цвета характерно только для контейнеров, полученных с помощью синтеза наночастиц с их одновременным закреплением в порах поверхностного слоя модифицированного пластика с последующим облучением ультрафиолетом (ПВП-ДСН).
Определение наночастиц серебра на поверхности пластика методом АСМ оказалось возможным только для контейнеров полученных методом нанесения на поверхность растворов наночастиц с использованием ультразвука с последующим облучением ультрафиолетом (Арговит). На рисунке 3.22 представлено АСМ изображение контейнера «Арговит» полученное методом фазового контраста.
Контейнеры для хранения продуктов питания с наночастицами серебра
Проблема здорового и качественного питания, наравне с проблемой достаточности такого питания является актуальной для современного человечества. Одним из способов решения данной проблемы, рассмотренным в данной работе, является сохранение продуктов свежими и годными к употреблению значительное время. К счастью, современные технологии позволяют получить и исследовать новейшие материалы, которые могут быть использованы для решения вышеперечисленных проблем. В результате проведенных и изложенных в данной работе исследований можно сделать следующие выводы: Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация.
1. В ходе проведенной работы проведен синтез двух видов наночастиц серебра, наночастиц закиси меди и коллоидных частиц оксида цинка по различным технологиям.
2. В результате выполнения работы были исследованы физико-химические свойства наночастиц, характеризующие их стабильность. Изученные растворы являются достаточно стабильными для их применения в производстве упаковочных материалов.
3. Полученные и изученные в результате работы препараты наночастиц имеют широкий спектр биоцидного действия с характерными максимумами действия. Наиболее эффективным бактерицидным и фунгицидным действием обладают препараты AgБион-1 и AgБион-2.
4. Полученные на основе наночастиц упаковочные материалы будут иметь целевой характер, т.е. защищать продукты питания от тех или иных микроорганизмов в различной степени в зависимости от типа используемых наночастиц. В связи с этим, необходимым условием создания целевых упаковочных материалов с биоцидными свойствами является постоянный скрининг вновь получаемых препаратов наночастиц на предмет биоцидной активности и определение наиболее эффективных по отношению к проблемным микроорганизмам.
5. Используемые для изготовления упаковочных материалов наночастицы должны обладать высоким сродством к поверхности полимера для их начального закрепления. При этом наиболее эффективным методом нанесения является метод, основанный на помещении пластиков в растворы наночастиц с последующей обработкой ультразвуком, разработанный в процессе выполнения работы.
6. Для эффективного закрепления наночастиц на поверхности полимера может быть использована технология, основанная на воздействии ультрафиолетового излучения, разработанная в процессе выполнения работы.
7. Методы атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения возможно использовать не только для обнаружения наночастиц на поверхности полимерных материалов, но и для определения их размеров и оптимизации методов получения композитов. Оптимальным методом определения концентрации наночастиц на поверхности упаковки является метод атомно-абсорбционного спектрального анализа (ААС).
8. Анализ миграции серебра в различные среды позволяет сделать вывод, что серебро мигрирует с пленок и контейнеров тем сильнее, чем сильнее присутствует кислота в среде и чем выше ее концентрация, т.е. напрямую связана с агрессивностью среды и таким образом характеризует полученные материалы, как материалы целевого назначения.
9. Проведено исследование безопасности использования полученных нанокомпозиционных упаковочных материалов согласно МУ 1.2.2638-10. Полученная упаковка является безопасной и может быть применена для различных продуктов питания.
10. Определен тестовый продукт для оценки эффективности действия упаковки и основной вид его порчи. В качестве тестового продукта было использовано охлажденное мясо, основным видом порчи которого является микробиологическая порча.
11. Определены методы и созданы методики исследования порчи охлажденного мяса. В качестве основного метода оценки порчи был выбран метод сенсорного анализа, в качестве дополнительного метода был выбран метод спектроскопии ионной подвижности (СИП, электронный нос).
12. Корреляция между выбранными методами является достаточно высокой (R=0,96), что характеризует методы как взаимно дополняемые и взаимозаменяемые.
13. Определен эффективный способ хранения охлажденного мяса. Мясо, хранимое в контейнерах с наночастицами серебра, имело более высокие потребительские характеристики (от 12,1 до 25,7 %) по сравнению с контрольными образцами, что характеризует подобные упаковочные материалы как эффективно действующие. Данный эффект подтвержден дополнительным методом - методом спектроскопии ионной подвижности.
14. Сформулированы основные требования, предъявляемые к наноупаковке, и определена наиболее эффективная технология использования подобных материалов. Основными требованиями являются: безопасность применения и предсказуемость последствий применения, эффективность применения и удобство использования, технологичность производства и конкурентоспособность продукции. Наиболее эффективным способом применения подобных материалов является способ, основанный на создании максимально плотного контакта материала упаковки с продуктом с одновременным отведением от продукта излишней влаги.
Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация. Данные полученные в результате проведенной работы могут быть положены в качестве основы для исследований взаимодействия продуктов питания, нанокомпонентов и окружающей среды, а также могут быть полезны для разработчиков, занимающихся созданием перспективных упаковочных материалов.
Документ защищен. Автор - Подкопаев Д.О. Диссертация. Работа выполнена в рамках государственных заданий: Госконтракт: № 01.648.12.3023 от 11 ноября 2008 г. «Разработка нормативно-методического обеспечения и средств контроля содержания и безопасности наночастиц в продукции сельского хозяйства, пищевых продуктах и упаковочных материалах».
Государственное задание Минобрнауки России. Тема № 4.8611.2013. «Разработка, исследование и анализ эффективности использования наноматериалов с биоцидными свойствами в хлебопекарной промышленности».
Автор данной работы благодарит за помощь в проведении исследований Шабурову Л.Н., Крайневу О.В., Баландина Г.В., Мастихину А.Л., а также Попова К.И., Котову Н.Н. за конструктивную критику и профессиональное консультирование.
