ПЛЕНОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ПИЩЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК C08L5/00 C08L5/08 C08B37/08 C08J5/18 

Группа изобретений относится к химической и биохимической технологии, точнее к пленочным материалам пищевого назначения на основе хитозана, обладающим биосовместимостью, нетоксичностью, биодеградируемостью, влагостойкостью, водонерастворимостью, достаточной прочностью, расширенной и повышенной антимикробной активностью, и способам их получения.

Пленочный материал на основе хитозана может быть использован, прежде всего, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, а также в медицине, фармакологии, косметологии.

Пленочные материалы широко используются в качестве защитных укрывных и упаковочных изделий пищевого назначения.

Основная функция пищевых пленочных материалов заключается в стабилизации первоначальных органолептических свойств (вкуса, аромата, цвета, запаха и др.), максимальном продлении срока хранения пищевых продуктов с обязательным обеспечением их санитарно-гигиенической безопасности. Поэтому к пленочным материалам пищевого назначения предъявляется целый ряд специфических требований: биосовместимость и отсутствие токсичности к пищевым продуктам; обеспечение максимально эффективной защиты продуктов от микробиальной загрязненности, а также от окислительного воздействия кислорода воздуха; предотвращение или регулирование испарения из продуктов влаги; стабильность структуры, а также приемлемые деформационно-прочностные характеристики в течение всего срока эксплуатации; высокая влагостойкость и водонерастворимость; биодеградируемость и экологичность утилизации; экономическая конкурентоспособность.

Набор специфических требований к типу, структуре и свойствам защитных укрывных и упаковочных пленочных материалов зависит от вида пищевых продуктов. При выборе этих материалов для определенного вида продуктов, прежде всего, должны быть обеспечены оптимальные условия защиты данных продуктов от их поражений теми микроорганизмами, которые являются доминирующими в контаминировании этого вида продуктов.

Так, например, в поражении поверхности твердых сыров ведущая роль принадлежит гифальным мицелиальным грибам (плесни), которые относятся к царству Eucarya (Fungi). При этом доминирующую роль в составе плесневых грибов, контаминирующих поверхность сыров, играет штамм рода Penicillium roqueforti. Именно эти микроорганизмы, развиваясь на поверхности сыров, могут затем поражать продукт по всей его массе, приводя к значительным потерям (15-20%), ухудшают товарный вид продукции, снижают ее вкусовые качества, вызывают изменение состава белков и жиров, продуцируют образование высокотоксичных веществ, представляющих угрозу для здоровья потребителей. Поэтому пленочные материалы, предназначенные для микробиальной защиты сыров, должны обладать ярко выраженными противогрибными (фунгицидными) свойствами.

Пленочные материалы, предназначенные для нанесения на поверхность мясных и колбасных продуктов с целью формирования защитного покрытия, должны обладать пролонгированной противоплесневой активностью не только к штамму Penicillium roquefortii, но и к штамму Eurotium amstelodami.

При создании защитных пленочных покрытий для фруктов и овощей следует обращать особое внимание на придание этим покрытиям защитных бактерицидных, а также антиоксидантных свойств, способствующих подавлению развития патогенных микроорганизмов, прежде всего гнилостных бактерий, предупреждению и снижению ускоренной порчи пищевой продукции, стабилизации ее первоначальных органолептических свойств и позволяющих существенно увеличить сроки хранения сельскохозяйственной продукции. При разработке таких покрытий необходимо учитывать то, что даже в период кратковременного хранения в ягодах, фруктах, овощах продолжают протекать физиологические и биохимические процессы, которые сводятся к обмену продуктов с внешней средой газами (диоксидом углерода, кислородом, азотом), влагой и теплом. Этот обмен может способствовать как сокращению, так и продлению сроков хранения продукции и должен обеспечиваться и регулироваться применяемыми защитными пленочными покрытиями.

В настоящее время до 90% пленочных материалов пищевого назначения изготавливается из синтетических полимеров (полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида и др.), что создает серьезные экологические проблемы, так как срок ассимиляции таких полимеров при их захоронении в почве составляет несколько десятков лет.

В современной индустрии полимерных пленочных материалов особую актуальность приобретает направление, связанное с разработкой биоразлагаемых полимерных пленок, способных полностью разрушаться в естественных метаболических условиях под воздействием природных факторов (влаги, света, температуры), а так же при участии живых микроорганизмов и поддерживать экологическое равновесие в природе.

В качестве сырья для получения полностью биодеградируемых пленочных материалов большой интерес представляет хитозан.

Хитозан, получаемый из природного полимера хитина, входящего в состав панцирей ракообразных, клеточных стенок грибов, водорослей, подмора пчел, обладает целым рядом ценных свойств - биосовместимостью, нетоксичностью, антиоксидантной и антимикробной активностью, способностью к пленкообразованию, химической, термической и другим видам модификации, а также к полной биодеградируемости [Галобрайх Л.С. Хитин - хитозан: строение, свойства, применение // Соросовский образовательный журнал. - 2001. -Т. 7. - С. 51-56; Нудьга Л.А. Производные хитина и хитозана и их свойства // Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение // под. ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, Б.П. Варламова / - 2002 М: Наука. - с. 141-177.].

На сегодняшний день известно более 70 направлений применения хитозана. Одним из наиболее перспективных направлений является его использование для изготовления пленочных материалов различного функционального назначения. Это объясняется тем, что даже высокомолекулярный хитозан сравнительно легко растворяется в смесях воды с большинством органических и неорганических кислот (уксусной, аскорбиновой, молочной, лимонной, янтарной, муравьиной, пропионовой, масляной, валериановой, бензойной, каприловой, соляной) и технологически просто переводится из формовочных водно-кислотных растворов в твердое пленочное состояние по сухому термическому способу [Красавцева В.Е. Хитин и хитозан : сырьевые источники, основные способы получения, выпускаемая продукция/ Е.В. Красавцева, Е.Э. Куприна, Г.В. Маслова, А.И. Албулов // Хитозан. - 2013. - М: Центр «Биоинженерия» РАН - с. 14-48; Вихорева Г.А. Растворимость и свойства растворов хитозана /Г.А. Вихорева, И.С. Тюкова // Хитозан. - 2013. - М.: - Центр «Биоинженерия» РАН - С. 14-48; Вихорева Г.А. Пленки и волокна на основе хитина и его производных/ Г.А. Вихорева, Л.С. Гальбрайх // Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение. - 2012. - М.: Наука. - С. 254-279.]. При этом в свежесформованных пленках, как и в самом растворе, хитозан находится в солевой форме, а тип соли хитозана в пленках зависит от типа кислоты-растворителя.

Основным достоинством свежесформованных солевых хитозановых пленок является их достаточно высокая антибактериальная активность, обусловленная появлением в составе формовочных растворов и пленок положительно заряженных аминогрупп Положительно заряженные макромолекулы хитозана взаимодействуют с отрицательно заряженными поверхностными структурами клеток микроорганизмов и нарушают их нормальный обмен с окружающей средой, а также приводят к дезинтеграции клеточной стенки. Возможно также нарушение нормального функционирования микроорганизмов за счет проникновения заряженных макромолекул хитозана внутрь клеток и взаимодействия с различными компонентами их цитоплазматического содержимого. Однако, проявляя бактерицидное действие на грамотрицательные и грамположительные бактерии, пленки с хитозаном в солевой форме значительно слабее ингибируют мицелиальные дрожжеподобные и плесневые грибы. [Куликов С.Н. Механизм действия и роль химической структуры в антибактериальной и антимикотической активности хитозана // С.Н. Куликов, Р.З. Хайруллин // Хитозан / под ред. К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова /. - 2013. - М. - Центр «Биоинженерия» РАН - С. 363-407; Бондаренко В.М. Воздействие хитозана на ультраструктуру клеток патогенных и условно патогенных микроорганизмов // В.М. Бондаренко, О.В. Рыбальненко, Н.Б. Вербицкая, С.Ф. Антонов // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. Материалы восьмой Международной конференции. - Казань. - 2006. - С. 175-179; Куликов С.Н. Антибактериальная активность хитозана: практика и теория // С.Н. Куликов, Ю.А. Тюрин, А.И. Албулов, С.А. Лопатин, В.П. Варламов // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. Материалы девятой Международной конференции. - Ставрополь. - 2008. - С. 184-187].

Кроме того, при достаточно длительном хранении и эксплуатации солевых хитозановых пленок происходит их старение, что приводит к существенным изменениям в их структуре и свойствах. Установлено, что старение пленок с хитозаном в солевой форме приводит к постепенной амидизации аминогрупп макромолекул хитозана и к их реацилированию. За счет этого снижается степень деацетилирования и протонизации хитозана в солевых пленках, что приводит к существенному снижению или даже к полной утрате ими бактерицидной активности [Нудьга Л.А. Старение хитозановых пленок // Л.А. Нудьга, И.В. Гофман, В.А. Петрова, Е.Н. Власова, Б.З. Волчек, Ю.Г. Баклагина // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. Материалы девятой Международной конференции. - Ставрополь. - 2008. - С. 123-126; Руденко Д.А. Физико-химические основы модификации пленок хитозана: Дис. … канд. хим. наук // Д.А. Руденко. - Саратов. - 2013. - 159 с.].

Основным недостатком солевых хитозановых пленок является неограниченная сорбция ими паровой и жидкой влаги, отсутствие равновесной степени набухания, что приводит к их низкой влагостойкости и к потере прочности. Например, при поглощении паров воды пленками из ацетата хитозана в количестве более 250 мас. % в течении 72 часов, из лактата хитозана более 200 мас. % в течении 2 часов, из цитрата хитозана более 50% в течении 7 часов эти пленки начинают растворяться. При прямом контакте с водой все солевые хитозановые пленки неограниченно набухают и полностью растворяются уже через 20-25 минут [Бузинова Д.А. Свойства пленок из хитозана различных химических форм // Д.А. Бузинова, А.Ю. Абрамов, А.Б. Шиповская // Изв. Саратовского ун-та. Новая серия. Серия химии, биологии, экологии. - 2011. - Т. 11. - №2. - С. 31-38.].

Растворимость солевых хитозановых пленок в водных средах и потеря ими прочности при набухании ограничивает их использование в качестве пленочного материала пищевого назначения.

Известно защитное пленкообразующее покрытие для мяса и мясопродуктов (варианты) [Патент RU 2352126, опубл. 20.04.2009 Бюл. №11], предназначенное для продолжительного хранения продукта в охлажденном и подмороженном видах. Защитный состав содержит взятые в определенной пропорции одно-трехосновную органическую кислоту, хитозан, полимер и воду, где в качестве полимера выступает желатин пищевой, или крахмал, или клетчатка. Нанесение покрытия на поверхность продуктов осуществляется путем орошения или погружения, либо продукт упаковывается в отлитую из состава пленку. Использование покрытия позволяет снизить естественные потери продукта при хранении (усушку), а также избежать микробиологической порчи, так как состав обладает антисептическим действием.

Основными недостатками защитного пленкообразующего покрытия по данному патенту являются:

- хитозан в пленочном покрытии находится в солевой водорастворимой форме, что будет приводить к неограниченному набуханию, потере прочности покрытия и его растворению;

- основным видом микроорганизмов, приводящих к порче мяса и мясопродуктов, являются плесневые грибы (штаммы рода Penicillium roqefortii и Eurotium amstelodame). Пленки с солевой формой хитозана пролонгированной противоплесневой активностью, а, следовательно, и антисептическим действием, не обладают.

Известен состав для защиты поверхности сыров от микробиологической порчи [Патент RU 2012133748, опубл. 20.02.2014 бюл. №5], включающий композицию из природных полимеров и модификатор в виде композиции пробиотических культур в количестве 5-20 мас. % от общей массы состава, отличающийся тем, что в качестве композиции из природных полимеров используют раствор метилцеллюлозы, или смесь метилцеллюлозы с хитозаном с различным соотношением компонентов, или смесь метилцеллюлозы, хитозана и альгината натрия с различным соотношением компонентов.

Основными недостатками состава для защиты поверхности сыров от микробиологической порчи по данному патенту является то, что он растворим в водных средах и из него невозможно изготовить пленки с высокими физико-механическими характеристиками.

Известен способ получения биоразлагаемой пленки [Патент RU 2545293, опубл. 27.03.2015 бюл. №9], который может быть использован в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул и упаковочных материалов. Способ осуществляют путем перемешивания хитозана, пластификатора глицерина и структурообразователя с последующим формированием пленки при комнатной температуре. При этом 2,0 г хитозана растворяют в 100 мл 2% уксусной кислоты при комнатной температуре, к полученному раствору хитозана добавляют 10% водный раствор желатина в соотношении 3:5,смешивают. В смесь вначале добавляют глицерин, а затем 4%-ный водный раствор трансглутаминазы с последующим перемешиванием на магнитной мешалке не более 2 минут при температуре смеси 45-55 градусов. Изобретение позволяет упростить и ускорить процесс изготовления биоразлагаемой пленки.

Основным недостатком способа получения биоразлагаемой пленки по данному изобретению является то, что хитозан в биоразлагаемой пленке находится в солевой химической форме. Поэтому при контакте пленки с влажной средой она будет неограниченно набухать, терять прочность и растворяться.

Известна защитная среда для хранения очищенного картофеля [Патент RU 2436402, опубл. 20.12.2011 бюл. №35], которая включает водный раствор, содержащий основной компонент - полисахарид микробного происхождения ксантан. Ксантан добавляют в дистиллированную воду до достижения массовой концентрации 0,5-1,5%. При этом раствор одновременно подогревают до температуры 50-60°С и перемешивают до получения полной однородности. Далее размещают защитную среду в упаковку с очищенным картофелем таким образом, чтобы раствор полностью закрывал картофель. Затем упаковку подвергают вибрации в течение 30-40 секунд до полного удаления воздуха и затем герметизируют. Изобретение позволяет исключить вымывание крахмала из картофеля при его хранении и произвести экологически чистую утилизацию биодеградируемой защитной среды.

Недостатком защитной среды по данному изобретению является ее водорастворимость, а также высокая трудоемкость технологического процесса и себестоимость приготовления.

Известна биоразлагаемая пленка на основе пектина и хитозана [Патент RU 2458077, опубл. 20.06.2012 бюл. №22] для использования в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул. Биоразлагаемая пленка содержит пектин, хитозан, воду, однонормальную соляную кислоту, пластификатор - глицерин и структурообразователь - трехпроцентный раствор метилцеллюлозы. Технической задачей изобретения является получение однородной биоразлагаемой пленки, близкой по гомогенности, пластичности, прочности к упаковочным полиэтиленовым пленкам бытового назначения.

Недостатками данной пленки являются водорастворимость, отсутствие антимикробных свойств, высокая себестоимость за счет высокой цены пектина, а также сложный и трудоемкий технологический процесс производства.

Известен способ хранения плодов или овощей [Патент RU 2159997, опубл. 10.12.2000 бюл. №34], который предусматривает размещение в термостатируемом хранилище плодов или овощей, которые затем подвергают гидроорошению сатурированным раствором, содержащим воду, пропионовую кислоту и хитозан. При этом количество хитозана в растворе задают не более 0,2% по массе. Это позволяет повысить надежность хранения плодов и овощей за счет стимуляции их естественных иммунных реакций. Технической задачи получения из таких растворов пленочных материалов пищевого назначения в данном изобретении не ставилось.

Известно пищевое пленочное покрытие [Патент RU 2532180, опубл. 27.10.2014 бюл. №30], полученное из загустителя, хитозана, воды, растворителя и глицерина. В качестве загустителя используется полисахарид микробного происхождения ксантан, а в качестве растворителя хитозана используется 3%-ый раствор лимонной кислоты. Изобретение позволяет получить однородную пленку и относится к композициям бактерицидных и биоразлагаемых пленок. Используется в фармацевтике, медицине, ветеринарии, пищевой или косметической промышленности, а также применяется для изготовления пищевой пленки.

К недостаткам данного пищевого пленочного покрытия относятся повышенное влагопоглощение и водорастворимость, а также недостаточная прочность за счет высокого содержания (50-55 мас. %) загустителя - ксантана. Кроме того, пленочное покрытие обладает ограниченным антимикробным действием (только против бактерий).

Известен способ формирования защитного покрытия для хранения рыбной продукции [Патент RU №2297151, опубл. 20.04.2007 Бюл. №11]. Способ предусматривает нанесение пленкообразующего состава на поверхность рыбной продукции. В качестве основного пленкообразующего состава используют раствор хитозана или раствор хитозана с сополимером винилпирролидона и кротоновой кислоты, а в другом варианте перед нанесением основного пленкообразующего состава поверхность рыбной продукции предварительно обрабатывают раствором пектина или раствором альгината натрия.

Недостатками данного способа формирования защитного покрытия являются:

- процесс формирования защитного покрытия требует поддержания температуры наносимого состава не выше 4°±1°С и поверхности продукции не выше (-18°)±1°С, что ограничивает область применимости данного способа только рыбоперерабатывающей промышленностью;

- способ нанесения пленкообразующего состава на основе хитозана на поверхность рыбной продукции является технологически сложным и дорогостоящим, так как требует охлаждения продукции до температуры (-18°)±1°С и защитного состава до температуры не выше 4°±1°С;

- нанесение защитного покрытия осуществляют либо путем погружения рыбопродукции в пленкообразующий состав, либо посредством ее воздушно-капельного орошения этим составом. Задача получения водонерастворимого пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана с расширенной и повышенной антимикробной активностью в рассматриваемом патенте не ставилась.

Известен способ получения пленочного покрытия на основе хитозана и пленочное покрытие на основе хитозана [Патент RU №2461575, опубл. 20.09.2012 Бюл. №26]. Способ получения пленочного покрытия на основе хитозана включает в себя растворение хитозана в органической кислоте: 4-6%-ной лимонной кислоте или 2-8%-ной молочной кислоте, при соотношении компонентов хитозан: органическая кислота 1:2 - 1:4 и получение формовочного раствора. Хитозан используют с молекулярной массой 80-500 кДа. Дополнительно в формовочный раствор вводят витамин В1 в количестве не более 0,5 мас. %. Наносят полученный формовочный раствор на подложку в объеме 0,2-0,25 мл/см² и выдерживают до достижения пленочной структуры. Указанным способом получают пленочное покрытие на основе хитозана толщиной 50-250 мкм и имеющее величину относительного удлинения при разрыве от 42 до 470%.

Основными недостатками технического решения, содержащегося в способе получения пленочного покрытия на основе хитозана, являются:

- хитозан в пленочном покрытии находится в солевой химической форме (в виде соли лимонной или молочной кислоты). Поэтому такое пленочное покрытие обладает повышенной сорбцией влаги и неограниченной степенью набухания, приводящими к его водорастворимости;

- пленочное покрытие, приготовленное из хитозана с молекулярной массой 80-500 кДа, обладает ограниченной биоцидной активностью и ингибирует рост только определенного вида микроорганизмов грамотрицательных и грамположительных бактерий. По отношению к другим патогенным микроорганизмам (плесневым и дрожжеподобным грибам) пленочное покрытие из высокомолекулярного хитозана в солевой форме биологически малоактивно;

- пленочное покрытие, полученное из растворов хитозана в лимонной или молочной кислоте, характеризуется высокими значениями параметра эластичности (величина относительного удлинения при разрыве пленочного покрытия составляет 42-470%), обусловленными повышенным влагосодержанием пленок (18-56 мас. %). В этих условиях пленочное покрытие имеет низкие прочностные характеристики (величина напряжения при разрыве пленочного покрытия составляет 0,4-14,5 МПа), что делает его непригодным для использования в качестве пленочных материалов пищевого назначения.

Наиболее близким к заявляемому пленочному материалу пищевого назначения на основе хитозана и способу его получения является известное техническое решение по повышению бактерицидных свойств пленок хитозана путем их модификации коллоидным серебром [Шиповская А.Б. Влияние наночастиц серебра на сорбционные и бактерицидные свойства пленок хитозана // А.Б. Шиповская, В.И. Фомина, Д.А. Бузинова, М.Н. Киреев, Е.С. Казакова, И.А. Касьян // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана. Материалы девятой Международной конференции. - Ставрополь. - 2008. - С. 118-120] (аналог-прототип).

По этому решению пленки получали из хитозана с молекулярной массой 87 кДа и степенью деацетилирования 83,6 мол. % путем его растворения в водном растворе уксусной кислоты. Формование пленок проводили методом полива растворов на полиэтиленовую подложку с последующим испарением растворителя при комнатной температуре в течение 3-4 суток.

Модификацию пленок коллоидным серебром осуществляли путем введения 0,0125%-ой водной дисперсии серебра с размером частиц 10-12 нм в 4%-ной уксусной кислоте в соотношении компонентов 1:1. Коллоидное серебро получали восстановлением из водного раствора азотнокислого серебра водным раствором боргидрида натрия. Хитозан в свежесформованных пленках с добавкой коллоидного серебра находился в солевой химической форме (в виде ацетата хитозана).

Техническое решение позволяет за счет введения коллоидного серебра в солевые хитозановые пленки повысить их бактерицидную активность.

Основными недостатками технического решения, содержащегося в аналоге-прототипе, являются:

- хитозан в пленках, модифицированных коллоидным серебром, находится в солевой химической форме (в виде соли уксусной кислоты -ацетата хитозана). По данным самих авторов такие пленки имеют высокое сродство к парам воды и после 72 часов их пребывания во влажной среде они поглощают 300-350 мас. % влаги и начинают растворяться. Кроме того, пленки, состоящие из ацетата хитозана, содержат в своем составе остаточную уксусную кислоту и обладают долговременным неприятным запахом и токсичностью;

- для модификации хитозановых пленок используется коллоидное серебро, получаемое восстановлением из водного раствора азотнокислого серебра водным раствором боргидрида натрия. Такое серебро обладает широким фракционным составом (от 10 до 700 нм), а его коллоидные растворы являются нестабильными, агрегационно и седиментационно неустойчивыми, что проявляется в их опалесценции и быстром помутнении;

- бактерицидные свойства хитозановых пленок, модифицированных коллоидным серебром, подтверждены в данном техническом решении только в отношении бактерий грамотрицательных культур - кишечной палочки Е. coli и грамположительных культур - золотистого стафилококка S. aureus. Антимикробная активность хитозаноых пленок с инклюдированными в них наночастицами коллоидного серебра по отношению к другим патогенным микроорганизмам (плесневым и дрожжеподобным грибам и др.) не подтверждена;

- хитозановые пленки по данному техническому решению не пригодны для использования в качестве материалов пищевого назначения, так как при поглощении ими влаги более 20 мас. % они имеют низкие прочностные характеристики (величина разрывного напряжения менее 15 МПа).

Таким образом, технический результат, полученный в проанализированном выше аналоге-прототипе, отличается от заявляемого и не совпадает с ним полностью по совокупности существенных признаков.

Анализ описанных выше аналогов заявляемого изобретения показывает, что на основе хитозана могут быть получены биосовместимые, нетоксичные, биодеградируемые пленочные материалы. Однако существует проблема получения влагостойких, водонерастворимых, достаточно прочных пленочных материалов на основе хитозана, обладающих при этом расширенной и повышенной антимикробной активностью и обеспечивающих пролонгированную защиту разнообразных пищевых продуктов от микробиальной загрязненности бактериями и грибами.

Одним из путей снижения набухаемости и растворимости, а также повышения прочности солевых хитозановых пленок является их термообработка в воздушной среде при температурах 90-120°С.

При термомодифицировании пленок с хитозаном в солевой форме повышается их водостойкость и прочность. Однако путем термообработки достичь полной водонерастворимости солевых хитозановых пленок не удается. К тому же термообработка солевых хитозановых пленок приводит к снижению в 2-3 раза их бактерицидной активности. Резкое снижение бактерицидных свойств термообработанных солевых хитозановых пленок по сравнению с исходными пленками связано с критическим уменьшением количества свободных протонированных аминогрупп за счет частичного их амидирования и обогащения полимерных макромолекул хитиновыми биологически нейтральными фрагментами [Вихорева Г.А. Свойства хитозановых пленок, модифицированных термообработкой // Г.А. Вихорева, М.А. Зоткин, Е.П. Агеев, Н.Н. Матушкина, А.С. Кечекьян // Новые достижения в исследовании хитина и хитозана. Материалы шестой Международной конференции. - Щелково. - 2001. - С. 14-16; Зоткин М.А. Термомодификация хитозановых пленок в форме солей с различными кислотами // М.А. Зоткин, Г.А. Вихорева, А.С. Кечекьян // Высокомолекулярные соединения. - 2004. - Серия Б. - том 46. - №2. - С. 359-363].

Вторым путем снижения набухаемости и растворимости, а также повышения прочности солевых хитозановых пленок является их химическая модификация, которая сводится к переводу хитозана в пленках из формы полисоль в форму полиоснование. При этом для проведения химической реакции в качестве реагентов используют неорганические или органические основания. В результате такой химической модификации удается получить влагостойкие, полностью водонерастворимые и достаточно прочные пленки на основе хитозана, однако их антимикробная активность практически полностью исчезает [Куликов С.Н. Механизм действия и роль химической структуры в антибактериальной и антимикотической активности хитозана // С.Н. Куликов, Р.З. Хайруллин // Хитозан / под ред. К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова / - 2013. - М. - Центр «Биоинженерия» РАН. - С. 363-407; Руденко Д.А. Физико-химические основы модификации пленок хитозана: Дисс. канд. хим. наук// Д.А. Руденко. - Саратов. - 2013. - 159 с.].

Для решения проблемы расширения и повышения антимикробной активности пленочных материалов на основе хитозана против различных бактериальных и грибковых микроорганизмов, контаминирующих пищевую продукцию, перспективным подходом является включение в состав пленочных материалов эффективных антимикробных добавок.

Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание влагостойкого, водонерастворимого, достаточно прочного, с расширенными и повышенными антимикробными свойствами пленочного материала на основе хитозана, пригодного для использования в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, например, в качестве защитных укрывных и упаковочных пленок пищевых продуктов.

Эта проблема решается заявляемой группой из двух изобретений - влагостойким, водонерастворимым, достаточно прочным, антимикробным пленочным материалом пищевого назначения на основе хитозана и способом его получения.

Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в повышении влаговодостойкости и прочности, а также в расширении и повышении антимикробной активности пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана.

Поставленная техническая проблема решалась за счет создания влагостойкого, водонерастворимого, антимикробного пленочного материала пищевого назначения, включающего хитозан в основной химической форме, а также антимикробные добавки; при этом, согласно техническому решению, разрушающее напряжение при разрыве пленочного материала составляет не менее 40 МПа.

Для расширения и повышения антимикробной активности пленочного материала в его состав включались антимикробные добавки в виде нанокластерного серебра из препаратов ряда: Арговит, Аргодез, Аргоника, Ag Бион-2.

Заявляемый пленочный материал отличается от известных пленок хитозана, модифицированных коллоидным серебром (аналога-прототипа), химической формулой хитозана в составе пленки (полиоснование вместо полисоли), отсутствием неприятного запаха и токсичности, влагостойкостью, нерастворимостью в воде, стабильными повышенными прочностными показателями, расширенной и повышенной антимикробной активностью по отношению к патогенным бактериям и грибам.

Также поставленная техническая проблема решалась за счет того, что в способе получения влагостойкого, водонерастворимого, достаточно прочного, антимикробного пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана, включающем в себя растворение хитозана в органической кислоте с получением раствора, добавление в раствор антимикробного вещества, интенсивное механическое перемешивание полученной смеси при температуре 22±2°С в течение 10-20 мин., нанесение полученной формовочной смеси на подложку с последующим ее выдерживанием на подложке до достижения пленочной структуры, обработку полученной пленки нейтрализующим реагентом с последующей ее промывкой дистиллированной водой до рН≥8 и сушкой, в качестве органической кислоты используют 2-4% уксусную кислоту при соотношении компонентов хитозан : уксусная кислота 1:1 - 1:2 мас. %.

Для приготовления формовочного раствора используют высокоочищенный хитозан с молекулярной массой 300-450 кДа и степенью деацетилирования более 80%. Пленочный материал получают толщиной 50-150 мкм, для чего формовочный раствор наносят на подложку в количестве 0,08-0,20 мл/см подложки. Дополнительно в формовочный раствор вводят антимикробные добавки (нанокластерное серебро) в количестве 40-100 мкг/мл раствора.

Заявляемый способ получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана отличается от известного способа-прототипа тем, что для модификации пленочного материала с целью придания ему расширенной и повышенной антимикробной активности в формовочный раствор вводятся добавки в виде не коллоидного, а нанокластерного серебра из препаратов ряда: Арговит, Аргодез, Аргоника, Ag Бион-2. Основное преимущество нанокластерного серебра перед коллоидным заключается в значительно меньшем размере серебряных частиц. Частицы коллоидного серебра в классических препаратах, в том числе и в аналоге-прототипе, имеют размеры в диапазоне 10-700 нм. Частицы нанокластерного серебра, например, в препарате Арговит, имеют диапазон распределения 1-4 нм, причем основную долю составляют частицы серебра с размерами 1-1,6 нм. Частицы такой степени дисперсности имеют значительно большую удельную площадь поверхности и для них число поверхностных атомов Ag и число его атомов внутри наночастицы сопоставимо. Это приводит к снижению потенциала ионизации атомов серебра и к более легкой генерации ионов серебра Ag⁺ с высокоразвитой огромной поверхности частиц нанокластерного серебра. Поэтому частицы нанокластерного серебра являются своеобразным депо ионов серебра, которые постоянно генерируются и элиминируются с поверхности наночастиц по мере их контакта и связывания с патогенными микроорганизмами. Таким путем расширяется и повышается антимикробное действие нанокластерного серебра, возрастает сорбция катионов Ag⁺ патогенными клетками, их проникновение через клеточные мембраны, нарушение нормального функционирования и гибель микроорганизмов. Кроме того, меньшие размеры частиц нанокластерного серебра позволяют получать на его основе значительно более стабильные, агрегативно и седиментационно устойчивые модифицированные серебром формовочные растворы хитозана. Получаемый после формования из раствора пленочный материал подвергается обработке нейтрализующим реагентом и промывается дистиллированной водой, что позволяет удалить из материала остатки растворителя и повысить его токсикологическую безопасность. В заявляемом способе используется хитозан с более узким диапазоном значений молекулярной массы от 300 до 450 к Да, позволяющий получать наиболее прочный пленочный материал. В отличие от способа-прототипа заявляемый способ позволяет получать пленочный материал, обладающий не только бактерицидным, но также и фунгицидным (противогрибным) действием.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Расчетное количество хитозана, необходимое для получения образца пленочного материала заданной толщины, растворяют в водном растворе уксусной кислоты фиксированной концентрации, вводят в водноуксуснокислый раствор хитозана антимикробную добавку в количестве 40-100 мкг/мл раствора, интенсивно перемешивают смесь при температуре 22±2°С в течение 10-20 минут, формуют из смеси на инертной (стеклянной, полимерной, тефлоновой) подложке образец пленочного материала, испаряют растворитель до образования пленочной структуры, погружают образец пленочного материала вместе с подложкой на 2 часа в кювету с раствором 1М NaOH, промывают дистиллированной водой до рН≥8, отделяют от подложки, закрепляют на противоусадочном контуре-подставке и сушат при температуре 20-50°С в течение соответственно 72-24 часов до воздушно-сухого состояния. Затем определяют характеристики образца пленочного материала: толщину (h), влагопоглощение (α), водопоглощение (W), разрушающее напряжение (σ_р) и относительное удлинение (ξ_р) при разрыве, антимикробные свойства.

Для получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана использовались следующие вещества:

1. Высокоочищенный хитозан, полученный из панциря королевского камчатского краба, уровень физико-химических свойств, содержание токсичных элементов и микробиологические показатели которого соответствовали техническим условиям на пищевой хитозан (ТУ 9289-067-00472124-03). Молекулярная масса 300-450 кДа, степень деацетилирования более 80%.

2. Уксусная кислота, хч/ледяная (ГОСТ 61-75).

3. Антимикробные добавки в раствор хитозана:

3.1. Арговит - высокодисперсное нанокластерное серебро в виде концентрированного 20% раствора с содержанием серебра в растворе 1-1,2 мг/мл (1000-1200 ррm). Представляет собой нанокластеры серебра, стабилизированные в растворе полимером поливинилпирролидоном, обладающим антитоксическим действием. Производитель - ООО НПЦ «Вектор-Вита», г. Новосибирск, Россия.

3.2. Аргодез - высокодисперсное нанокластерное серебро. Препарат представляет собой жидкость без цвета и запаха с концентрацией активного действующего вещества - серебра - 0,2 мг/мл (200 ррm). Устойчивый водный раствор серебра стабилизирован природным ПАВом. Производитель - ООО «ВЮТЕС», г. Москва, Россия.

3.3. Аргоника - высоко дисперсное нанокластерное серебро с добавкой хитозана в виде водного раствора с концентрацией серебра 5 мг/мл (5000 ррm). Производитель - ООО НПЦ «Вектор-Про», г. Новосибирск, Россия.

3.4. Ag Бион-2 - водная дисперсия нанокластерного серебра, изготовленная с использованием обратных мицелл. Жидкость коричневого цвета с небольшой опалесценцией. Состав: серебро - 0,045% (450 ррm); стабилизатор - поверхностно-активное вещество (натрия диоктисульфосукцинат) - 2,1%; вода - 97,853%. Производитель - концерн «Наноиндустрия», г. Москва, Россия.

В выбранных антимикробных добавках антимикробным агентом является не коллоидное, как в аналоге-прототипе, а нанокластерное серебро.

4. Гидроксид натрия, хч (ГОСТ 2263-79)

5. Деминерализованная и деионизированная (дистиллированная) вода.

Характеристики образцов пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана определяли с использованием следующих методов и приборов.

Толщину образцов (h) пленочного материала измеряли микрометром с точностью 5 мкм.

Степень поглощения образцами пленочного материала водяных паров (α) (влагопоглощение) и воды (W) (водопоглощение) определяли весовым методом по разности масс пленочного образца после и до его набухания в парах воды или в дистиллированной воде. Взвешивание образцов проводили на электронных весах с точностью 10^-4 г.

Упругопластические свойства образцов пленочного материала (разрушающее напряжение (σ_р) и относительное удлинение (ξ_р) при разрыве) определяли на универсальной электромеханической испытательной машине WDW-5E фирмы «Time Group Inc.».

Для определения антимикробной активности нанокластерного серебра использовали стандартный микрометод серийных разведений в жидкой среде Гаузе, позволяющий зафиксировать минимальные подавляющие концентрации (МПК) данного антимикробного препарата (добавки) в отношении конкретного микроорганизма, а антимикробные свойства образца пленочного материала определяли на твердой питательной среде Гаузе, для чего был использован диско-диффузионный метод (ДДМ). Благодаря технической доступности, гибкости и низкой стоимости тестирования ДДМ является наиболее распространенным методом определения чувствительности микроорганизмов к антимикробным материалам. При тестировании на поверхность чашки Петри наносили питательную среду для микроорганизмов. Затем на поверхность питательной среды методом «газонного посева» наносили суспензию тестируемого микроорганизма. После этого на газон помещали дисковые образцы пленочного материала диаметром 4 мм. Время экспозиции составляло 24-48 ч. Антимикробную активность пленочных образцов определяли по величине диаметра зоны подавления роста микроорганизмов вокруг диска (просветленная зона), измеренного в миллиметрах. Чувствительность бактерий и грибов к образцам пленочного материала на основе хитозана с антимикробной добавкой оценивалась после измерения диаметров просветленных стерильных зон согласно тестов, приведенных в таблице 1.

Тестирование антимикробных свойств различных препаратов нанокластерного серебра, а также образцов пленочных материалов на основе хитозана, модифицированных добавками нанокластерного серебра, проводили на примере следующих микроорганизмов: патогенных бактерий Escherichia coli (E. coli), Staphilococcus aures (S. Aures), Haemolitic staphylococcus (H. Staphylococcus), Bacillus subtilis (B. subtilis), Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae), Leuconostoc mesenteroides (L. mesenteroides), a также дрожжевых грибов Candida albicans (С. albicans), Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) и плесневых грибов Aspergillus niger (A. niger), Penicillium roqefortii (P. roqefortii), Eurotium amstelodame (E. amstelodame).

Достижимость технического результата заявляемой группы изобретений и применимость заявляемого технического решения иллюстрируется следующими примерами.

Примеры определения минимальной подавляющей концентрации (МПК) различных антимикробных добавок в виде нанокластерного серебра.

Пример 1. Определение минимальной подавляющей концентрации (МПК) антимикробных добавок в отношении патогенных бактерий Escherichia coli (Е. coli), Staphilococcus aures (S. Aures), Haemolitic staphylococcus (H. Staphylococcus), Bacillus subtilis (B. subtilis), Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae), Leuconostoc mesenteroides (L. mesenteroides).

Определение МПК сводилось к следующему. Готовили в емкостях водные растворы нанокластерного серебра из выбранного ряда препаратов с различной концентрацией серебра путем разведения исходных водных растворов препаратов. Степень разведения варьировалась от 2 до 100 раз. Затем в приготовленные растворы исследуемых антимикробных добавок вводили бактериальные суспензии в жидкой питательной среде Гаузе и проводили инкубацию при оптимальных для роста данной бактериальной культуры температуре и времени. После завершения инкубации определяли наличие или отсутствие роста бактериальной культуры в каждой емкости с различной концентрацией серебра. При этом за минимальную подавляющую концентрацию серебра принимали ту его концентрацию, при которой не наблюдалось визуального роста бактериальной культуры - раствор не мутнел, не появлялся осадок из бактериальных клеток и т.п.

Результаты определения минимальных подавляющих концентраций нанокластерного серебра из выбранного ряда антимикробных добавок в отношении различных патогенных бактерий приведены в таблице 2.

Пример 2. Определение минимальной подавляющей концентрации (МПК) антимикробных добавок в отношении дрожжевых грибов Candida albicans (С. albicans) и Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae), а также плесневых грибов Aspergillus niger (A. niger), Penicillium roqefortii (P. roqefortii), Eurotium amstelodame (E. amstelodame).

Определение МПК в отношении грибов проводилось так же, как в примере 1, только в приготовленные разбавленные растворы исследуемых антимикробных добавок с нанокластерным серебром вводили грибные суспензии в соответствующей жидкой питательной среде. Инкубацию обсемененных растворов проводили при температуре и времени, оптимальных для роста данной грибной культуры. После завершения инкубации определяли наличие или отсутствие роста культуры дрожжей или плесени в каждой емкости с различной концентрацией серебра, а также МПК в отношении каждой разновидности грибов.

Результаты определения МПК в отношении различных дрожжевых и плесневых грибов приведены в таблице 3.

Анализ полученных результатов (см. табл. 2, 3) по определению минимальной подавляющей концентрации антимикробных добавок - препаратов нанокластерного серебра Арговит, Аргодез, Ag Бион-2, Аргоника - показал, что наибольшею антибактериальной и антигрибной активностью обладает препарат Арговит. Поэтому нанокластерное серебро именно из этого препарата было использовано в качестве антимикробной добавки в образцах пленочного материала на основе хитозана.

Примеры получения пленочного материала на основе хитозана.

Пример 1. Навеску из 1 г хитозана с молекулярной массой 305 кДа и степенью деацетилирования 80,7 мол. % растворяют в 100 мл 2%-ной уксусной кислоте при соотношении компонентов хитозан:уксусная кислота 1:2. В полученный раствор хитозана вносят антимикробную добавку - нанокластерное серебро из препарата Арговит в количестве 100 мкг на 1 мл раствора. Смесь растворенного хитозана и антимикробной добавки подвергают интенсивному механическому перемешиванию при температуре 22±2°С в течение 10-20 минут, наносят полученную формовочную смесь на твердую стеклянную подложку в объеме 0,08 мл/см и выдерживают полученную гелевую заготовку на подложке при температуре 50°С в течение 12 ч до достижения пленочной структуры. Затем погружают образец пленочного материала вместе с подложкой в кювету с нейтрализующим раствором 1 М NaOH на 2 часа, после этого образец промывают дистиллированной водой до достижения в промывочной воде рН≥8, отделяют пленку от подложки, закрепляют на противоусадочном контуре-подставке и сушат при температуре 20°С в течение 72 ч до воздушно-сухого состояния.

Характеристика образца №1

Толщина образца пленочного материала составила h=50±5 мкм; влажность ζ=9,7%; величина разрушающего напряжения при разрыве σ_р=117,3 МПа; величина относительного удлинения при разрыве ξ=4,6%; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α_мах=52%; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W_мax=124%.

Даже при максимальной степени поглощения водяных паров и воды образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.

Пример 2. Образец пленочного материала получен аналогично примеру 1. Отличие состоит в использовании хитозана с молекулярной массой 375 кДа и степенью деацетилирования 82 мол.%, в соотношении хитозан : уксусная кислота 1:1 (2 г хитозана в 2%-ной уксусной кислоте), в количестве вносимой в раствор хитозана антимикробной добавки (80 мкг серебра на 1 мл раствора), а также в режиме сушки пленочного образца при температуре 50°С в течение 24 ч.

Характеристика образца №2.

Толщина образца пленочного материала составила h=75±5 мкм; влажность ζ=10,5%; величина разрушающего напряжения при разрыве σ_р=134,8 МПа; величина относительного удлинения при разрыве ξ=3,5%; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α_мах=48%; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W_мax⁼l19%.

Даже при максимальной степени поглощения водяных паров и воды образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.

Пример 3. Образец пленочного материала получен аналогично примеру 1. Отличие состоит в использовании хитозана с молекулярной массой 447 кДа и степенью деацетилирования 83,5 мол. %, в соотношении хитозан : уксусная кислота 1:1,5 (2 г хитозана в 3%-ной уксусной кислоте), а также в количестве вносимой в раствор хитозана антимикробной добавки (60 мкг серебра на 1 мл раствора).

Характеристика образца №3.

Толщина образца пленочного материала составила h=110±5 мкм; влажность ζ=11,2%; величина разрушающего напряжения при разрыве σ_р=149,2 МПа; величина относительного удлинения при разрыве ξ,=2,7%; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α_мах=45%; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W_мax=l15%.

Даже при максимальной степени поглощения водяных паров и воды образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.

Пример 4. Образец пленочного материала получен аналогично примеру 1. Отличие состоит в использовании хитозана с молекулярной массой 420 кДа и степенью деацетилирования 80 мол. %, в соотношении хитозан : уксусная кислота 1:1 (4 г хитозана в 4%-ной уксусной кислоте), в количестве вносимой в раствор хитозана антимикробной добавки (40 мкг серебра на 1 мл раствора). Отличие также состоит в том, что воздушно-сухой пленочный образец подвергался набуханию в водяных парах до значений степени набухания (α) равных 20, 40, 65, 80, 100% от максимальной (равновесной) степени набухания с определением значений σ_р и ξ_р.

Характеристика образца №4.

Толщина образца пленочного материала составила h=145±5 мкм; влажность воздушно-сухого образца ζ=9,2%; величина разрушающего напряжения при разрыве σ_р=138,3 МПа; величина относительного удлинения при разрыве ξ=3,1%; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α_мах=46%; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W_мax=l17%.

В таблице 4 приведены деформационно-прочностные параметры образцов пленочного материала с различной степенью поглощения водяных паров.

Анализ характеристик образцов пленочного материала на основе хитозана, приведенных в примерах 1-4, показывает, что заявляемый пленочный материал является влагостойким при поглощении водяных паров вплоть до максимальной (равновесной) степени насыщения α_мах=46÷52%, проявляет водостойкость и не растворяется в воде даже при максимальной (равновесной) степени водопоглощения W_мax=117-124%.

Пленочный материал на основе хитозана обладает высокими прочностными характеристиками (величина разрушающего напряжения при разрыве σ_р не менее 40 МПа; величина относительного удлинения при разрыве ξ_р не более 18%), достаточными для его использования по пищевому назначению в качестве защитных укрывных и упаковочных изделий.

Примеры определения антимикробных свойств пленочного материала на основе хитозана.

Пример 1. Определение бактерицидных свойств образцов №1-№4 пленочного материала на основе хитозана в отношении бактерий Escherichia coli (E. Coli), Staphilococcus aures (S. Aures), Leuconostoc mesenteroides (L. mesenteroides).

Определение антимикробных (бактерицидных) свойств образцов №1-№4 пленочного материала на основе хитозана в отношении выбранных для тестирования бактерий проводили диско-диффузионным методом. При тестировании образцов на поверхность чашки Петри наносили питательную среду для бактерий. Затем на поверхность питательной среды методом «газонного посева» наносили суспензию тестируемой бактерии. После этого на «газон» помещали поочередно дисковые образцы пленочного материала на основе хитозана диаметром 4 мм, изготовленные в соответствии с примерами 1-4 (образцы №1-№4) получения пленочного материала на основе хитозана. Время экспозиции образцов на газоне составляло 24-48 ч. Критерием антибактериальной активности образцов пленочного материала служил диаметр, измеренный в миллиметрах, зоны просветления вокруг диска, на котором наблюдалось полное подавление роста бактерий. Степень чувствительности бактерий к тестируемым образцам пленочного материала оценивалась после измерения диаметров просветленной зоны в соответствии с тестами, приведенными в таблице 1.

Результаты определения бактерицидных свойств пленочных образцов №1-№4 в отношении выбранных бактерий приведены в таблице 5.

Пример 2. Определение антимикробных (цитоцидных) свойств образцов №1-№4 пленочного материала на основе хитозана в отношении грибов Candida albicans (С.albicans), Penicillium roqefortii (P. roqefortii), Eurotium amstelodame (E. amstelodame).

Определение цитоцидных свойств образцов №1-№4 пленочного материала на основе хитозана в отношении выбранных для тестирования грибов проводили аналогично примеру 1. Отличие состояло в том, что на поверхность питательной среды методом «газонного посева» наносили суспензию тестируемого гриба, для которого затем, после экспозиции образцов пленочного материала, определялась степень его чувствительности к каждому из четырех образцов пленочного материала на основе хитозана.

Результаты определения цитоцидных свойств пленочных образцов №1 -№4 в отношении выбранных грибов приведены в таблице 6.

Из таблицы 5 видно, что все три вида выбранных бактерий проявили высокую чувствительность ко всем четырем образцам пленочного материала на основе хитозана, содержащим от 1 до 10 мг нанокластерного серебра на 1 г хитозана. Величина диаметра зоны подавления роста бактерий вокруг всех образцов составила 27-45 мм, что больше 25 мм, соответствующих зоне высокой чувствительности (см. таблицу 1).

Для дрожжевых и плесневых грибов (см. таблицу 6) высокочувствительную зону подавления их роста обеспечивают образцы №1 и №2 пленочного материала, в которых содержание серебра составляет соответственно 10 и 4 мг на 1 г хитозана. Образцы №3 и №4, в которых содержание серебра составляет соответственно 3 и 1 мг на 1 г хитозана, оказывают более слабое подавляющее действие на рост грибов. Их ингибирующее влияние на размножение грибов соответствует зоне «чувствительный» (см. таблицу 1).

Примеры применения пленочного материала на основе хитозана для хранения пищевых продуктов.

Пример 1. Практическое применение пленочного материала на основе хитозана изучалось при хранении порционного твердого сыра марки «Российский».

Ведущая роль в поражении поверхности твердых сыров принадлежит штамму плесневых грибов Penicillium roqefortii, которые не только приводят к порче продукции, но продуцируют высокотоксичные вещества и создают благоприятные условия для развития бактерий, в том числе и болезнетворных.

Для защиты сыра от воздействия патогенных микроорганизмов был использован пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 1 (образец №1). Пленочный материал имел толщину h=50±5 мкм, содержал в своем составе 10 мг серебра на 1 г хитозана и обладал самой высокой антимикробной (цитоцидной) активностью (см. таблицу 6).

Одна порция сыра массой 100 г упаковывалась в пленочный материал, а второй образец-контроль такой же массы сыра хранился без упаковки. Упакованный и контрольный образцы сыра хранились при комнатной температуре. На 7 день хранения было замечено появление значительного количества плесени на контрольном образце сыра. Упакованный образец сыра не проявлял признаков порчи грибной плесенью в течение 30 дней. Это подтверждает высокую цитоцидность пленочного материала на основе хитозана с содержанием наночастиц кластерного серебра в количестве 10 мг/г хитозана.

Пример 2. Практическое применение пленочного материала на основе хитозана изучалось при хранении копчено-вареной колбасы высшего сорта, производимой в натуральной кишечной оболочке.

Образец колбасы массой 100 г был упакован в пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 2 (образец №2). Пленочный материал имел толщину h=75±5 мкм, содержал в своем составе 4 мг серебра на 1 г хитозана и обладал высокой цитоцидностью в отношении грибов штаммов Penicillium roqefortii и Eurotium amstelodame (см. таблицу 6), которые активно участвуют в микробиальном поражении мясо-колбасной продукции.

Колбаса, упакованная в пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 2 (образец №2), сохранила запах и вкус свежего продукта в течение 16 суток хранения в холодильнике при гарантированном сроке годности 8 суток. Микробиологические показатели упакованного в пленочный материал продукта после 16 суток хранения соответствовали нормам САНПиН. Это подтверждает высокую цитоцидность пленочного материала на основе хитозана с содержанием наночастиц кластерного серебра в количестве 4 мг/г хитозана.

Пример 3. Практическое применение пленочного материала на основе хитозана изучалось при хранении сладкого перца.

Был использован пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 3 (образец №3). Пленочный материал имел толщину h=110±5 мкм, содержал в своем составе 3 мг серебра на 1 г хитозана и обладал способностью подавлять развитие патогенных микроорганизмов, прежде всего гнилостных бактерий, приводящих к ускоренной порче овощей, в том числе и перца.

В пакеты из заявляемого пленочного материала на основе хитозана, полученного в соответствии с примером 3 (образец №3), закладывали сладкий перец массой 100 г. Такой же перец закладывали в пакет из стандартной полиэтиленовой пленки (контрольный образец). Оба пакета запаивали и хранили при температуре +8°С в течение 3 месяцев. Через 3 месяца хранения потери перца от микробиологической порчи составили: в бактерицидном пакете из пленочного материала на основе хитозана, полученного в соответствии с примером 3 (образец №3), - 0%, а в полиэтиленовом пакете - 80%. Это подтверждает высокую бактерицидность пленочного материала на основе хитозана с содержанием наночастиц кластерного серебра в количестве 3 мг/г хитозана.

Пример 4. Практическое применение пленочного материала на основе хитозана изучалось при хранении клубники.

Был использован пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 4 (образец №4). Пленочный материал имел толщину h=145±5 мкм, содержал в своем составе 1 мг серебра на 1 г хитозана и имел высокие бактерицидные свойства (см. таблицу 5).

Одна порция клубники массой 100 г закладывалась в контейнер из пленочного материала на основе хитозана, полученного в соответствии с примером 4 (образец №4). Вторая порция клубники такой же массы закладывалась в стандартный контейнер из поливинилхлорида (контрольный образец). Оба контейнера с клубникой хранили при температуре 8°С в течение 14 дней. Через 14 дней хранения оба контейнера вскрывали и проводили сравнительную оценку состояния клубники в них. Оценку сохранности и пищевой ценности ягод осуществляли органолептически и подсчетом числа испортившихся ягод. Долю потерь выражали в процентах как отношение числа испортившихся ягод к их общему числу в каждом контейнере.

Сравнительная оценка показала, что через 14 дней хранения все ягоды клубники в контрольном образце были поражены гнилью, то есть потери от порчи составили 100%. В контейнере, изготовленном из пленочного материала на основе хитозана, через 14 дней хранения испорченных ягод не обнаружено, то есть потери от порчи отсутствовали. Органолептическая оценка показала, что клубника, хранившаяся в контейнере из пленочного материала на основе хитозана, сохранила цвет, запах и вкус свежих ягод. Это подтверждает высокую бактерицидность пленочного материала на основе хитозана с содержанием наночастиц кластерного серебра в количестве 1 мг/г хитозана.

Таким образом, данные, приведенные в примерах определения минимальной подавляющей концентрации (МПК) различных антимикробных добавок в виде водных растворов нанокластерного серебра, в примерах получения пленочного материала на основе хитозана, в примерах определения антимикробных свойств пленочного материала на основе хитозана, в примерах применения пленочного материала на основе хитозана для хранения пищевых продуктов, свидетельствуют о том, что в результате реализации заявляемой группы изобретений получен биосовместимый, нетоксичный, биодеградируемый, влагостойкий, водонерастворимый, достаточно прочный, биоцидный в отношении бактерий и грибов пленочный материал на основе хитозана, который перспективен для использования прежде всего в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, а также в медицине, фармакологии, косметологии.

Изобретение относится к химической и биохимической технологии, точнее к пленочным материалам пищевого назначения на основе хитозана и способам их получения. Пленочный материал пищевого назначения на основе хитозана может быть использован, прежде всего, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, а также в медицине, фармакологии, косметологии. Способ получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана, обладающего биосовместимостью, нетоксичностью, биодеградируемостью, влагостойкостью, водонерастворимостью, достаточной прочностью, расширенной и повышенной антибактериальной и антигрибковой активностью, включает в себя растворение хитозана в органической кислоте, в качестве которой используют 2-4%-ную уксусную кислоту, при соотношении компонентов хитозан : уксусная кислота 1:1-1:2 мас.%, с получением раствора, введение в раствор хитозана антибактериальной и антигрибковой добавки в виде препарата нанокластерного серебра, интенсивное механическое перемешивание полученной смеси, нанесение полученной формовочной смеси на подложку с последующим ее выдерживанием на подложке до достижения пленочной структуры, обработку полученной пленки нейтрализующим реагентом с последующей промывкой пленки дистиллированной водой и сушкой. Растворяют хитозан в 2-4%-ной уксусной кислоте при соотношении компонентов хитозан : уксусная кислота 1:1-1:2 мас.% с получением раствора. Используют высокоочищенный хитозан с молекулярной массой 300-450 кДа и степенью деацетилирования 80 мол.% и более. Дополнительно в раствор хитозана вносят антимикробную добавку в виде нанокластерного серебра из препарата Арговит в количестве 40-100 мкг/мл раствора. Смесь растворенного хитозана и антимикробной добавки подвергают интенсивному механическому перемешиванию при температуре 22±2°С в течение 10-20 минут и получают формовочный раствор. Для получения пленочного материала толщиной 50-150 мкм формовочный раствор наносят на подложку в количестве 0,08-0,20 мл/см². Для достижения пленочной структуры нанесенный на подложку формовочный раствор выдерживают при температуре 50°С в течение 12 часов. Затем полученную пленку вместе с подложкой обрабатывают раствором 1М NaOH в течение 2 часов с последующей промывкой дистиллированной водой до рН≥8 для перевода хитозана в пленочном материале в водонерастворимую основную форму. Нейтрализованный и промытый пленочный материал отделяют от подложки и сушат на противоусадочном контуре-подставке или при температуре 20°С в течение 72 часов, или при температуре 50°С в течение 24 часов. Изобретение позволяет получить пленочный материал пищевого назначения на основе хитозана, обладающий влагостойкостью и нерастворимостью в воде, антимикробным действием в отношении патогенных бактерий и грибов, величиной разрушающего напряжения при разрыве не менее 40 МПа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Способ получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана, обладающего биосовместимостью, нетоксичностью, биодеградируемостью, влагостойкостью, водонерастворимостью, достаточной прочностью, расширенной и повышенной антибактериальной и антигрибковой активностью, включающий в себя растворение хитозана в органической кислоте, в качестве которой используют 2-4%-ную уксусную кислоту при соотношении компонентов хитозан : уксусная кислота 1:1-1:2 мас.%, с получением раствора, введение в раствор хитозана антибактериальной и антигрибковой добавки в виде препарата нанокластерного серебра, интенсивное механическое перемешивание полученной смеси, нанесение полученной формовочной смеси на подложку с последующим ее выдерживанием на подложке до достижения пленочной структуры, обработку полученной пленки нейтрализующим реагентом с последующей промывкой пленки дистиллированной водой и сушкой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приготовлении формовочного раствора используют высокоочищенный хитозан с молекулярной массой 300-450 кДа и степенью деацетилирования 80 и более мол.%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно в раствор хитозана вносят антимикробную добавку в количестве 40-100 мкг/мл раствора.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве антибактериальной и антигрибковой добавки используют нанокластерное серебро из препарата Арговит.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь растворенного хитозана и антимикробной добавки подвергают интенсивному механическому перемешиванию при температуре 22±2°С в течение 10-20 мин.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения пленочного материала толщиной 50-150 мкм формовочный раствор наносят на подложку в количестве 0,08-0,20 мл/см² подложки.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для достижения пленочной структуры нанесенный на подложку формовочный раствор выдерживают при температуре 50°С в течение 12 ч.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для перевода хитозана в пленочном материале в водонерастворимую основную форму полученную пленку вместе с подложкой обрабатывают раствором 1 М NaOH в течение 2 ч с последующей промывкой дистиллированной водой до рН≥8.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нейтрализованный и промытый пленочный материал отделяют от подложки и сушат на противоусадочном контуре-подставке или при температуре 20°С в течение 72 ч, или при температуре 50°С в течение 24 ч.

10. Пленочный материал пищевого назначения на основе хитозана, обладающий биосовместимостью, нетоксичностью, биодеградируемостью, влагостойкостью, водонерастворимостью, достаточной прочностью, расширенной и повышенной антимикробной активностью, включающий в себя хитозан в водонерастворимой основной форме и антимикробную добавку, отличающийся тем, что содержит антимикробную добавку в виде нанокластерного серебра из препарата Арговит в количестве 1-10 мг/г хитозана.

11. Пленочный материал пищевого назначения на основе хитозана по п. 10, отличающийся тем, что величина разрушающего напряжения при разрыве пленочного материала составляет не менее 40 МПа.