Способ получения биоцидной пленки из коллагена с пектином Российский патент 2025 года по МПК C08J5/18 A61L15/18 A61L15/28 A61L15/32 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области получения материалов на основе природных полимеров. Отрасль потребления пленочных материалов стала быстрорастущей частью промышленности во всем мире. Традиционный упаковочный материал в основном изготавливается на нефтехимической основе. Однако эти материалы вызывают серьезные опасения по отношению к окружающей среде после их утилизации, поскольку они не разлагаются. В качестве альтернативы используются биополимеры, такие как полисахариды (крахмал, целлюлоза, хитозан, натуральные камеди и т.д.), белки (коллаген, его денатурированный аналог - желатин, соевый белок) и т.п., но их использование ограничено присущими им свойствами, такими как подверженность биопоражению.

Уровень техники

Значительную популярность получили пленочные материалы на основе по меньшей мере двух природных полимеров, чаще всего белков и полисахаридов. Это связано с тем, что взаимодополнение важных характеристик биополимеров этих двух классов приводит к получению пленок с хорошими характеристиками. Так, пленки на основе смеси пектина и желатина, который является денатурированным аналогом коллагена, проявляют хорошую механическую прочность, паропроницаемость и гидрофобность [Parya Ezati, Swamp Roy, Jong-Whan Rhim.Pectin/gelatin-based bioactive composite films reinforced with sulfur functionalized carbon dots. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 636 (2022) 128123. Liu Liu, Cheng-Kung Liu en all. Composite Films from Pectin and Fish Skin Gelatin or Soybean Flour Protein. J. Agric. Food Chem. 2007, 55, 6, 2349-2355. Патент RU 2789304 С1].

Разработка не только биоразлагаемых упаковочных материалов, но и устойчивых к действию плесневых грибов и бактерий является актуальной и востребованной. Изделия из полимерных материалов, особенно с включением природных высокомолекулярных соединений, подвергаются серьезному повреждению или даже практически полному разрушению плесневыми грибами, а также бактериями, которые способны использовать их в качестве источников питания. Любые известные добавки для получения биостойких пленок на основе природных полимеров или их смесей предполагают в технологии изготовления введение значительных концентраций добавки (до 3-5%) и затем равномерное распределение ее в смеси или на поверхности [Patents WO 2019229495 A1, PL 433243 A1, KR 20200094717 A, US 2020223179 A1, CN 111218532 A, CN 109486211 A, CN 112501910, CN 112341646 (А) и др.].

Известны пленки, полученные из порошков пектина и крахмала, модифицированные этилгаллатом и октадецилтриметоксисиланом, соответственно, с последующим использованием ацилированного пектина и алкилированного крахмала в качестве биоактивных реагентов в составе пленок, которые проявляли антибактериальную активность в отношении Escherichia coli и Staphylococcus aureus [Хатко З.Н., Каратабан М.М., Якубова О.С. Высокотехнологичные структуры медицинского назначения на основе биополимеров // Здоровье нации в XXI веке. 2021. №2.]. Пленки из хитозана с полисахаридами и гликопротеинами, с добавками алоэ вера, либо масло копайбы, либо и того, и другого, проявляли антимикробную активность [Mourad Jridi, Ola Abdelhedi et all. Physicochemical, antioxidant and antibacterial properties of fish gelatin-based edible films enriched with orange peel pectin: Wrapping application. Food Hydrocolloids 103 (2020) 105688]. Полимерные пленки с биоактивными покрытиями или биофункциональными поверхностями, такими как растительные вещества, нано-серебро и плазма, обеспечивали желаемые антимикробные свойства поверхности материала [Debasis Das, Tararmum Ara en all. New water-resistant biomaterial biocide film based on guar gum Bioresource Technology 102 (2011) 5878-5883]. Недостатками перечисленных способов являются: высокая концентрация специальной добавки в пленке, использование сложного оборудования и многостадийность при осуществлении получения добавки, биоцидная активность к узкому кругу бактерий или спор микромицетов.

Наиболее близким уровнем техники (прототипом) к заявленному способу получения пленки на основе коллагена и пектина является способ, описанный в статье, где для изготовления биологически активной пищевой упаковочной пленки на основе пектина/желатина использовали углеродные точки из функционализированной серой куркумы, введенные в раствор природных полимеров [Parya Ezati, Swamp Roy, Jong-Whan Rhim.Pectin/gelatin-based bioactive composite films reinforced with sulfur functionalized carbon dots. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 636 (2022) 128123.]. Углеродные точки предварительно синтезировали одностадийным гидротермальным методом с использованием водного раствора куркумы, содержащего персульфат аммония в качестве источник серы: 1 г куркумы и 0,1 г персульфата аммония растворяли в 60 мл деионизированной воды при перемешивании в емкости из нержавеющей стали, покрытой политетрафторэтиленом (тефлоном) при 200°С в течение 6 часов. После охлаждения, продукт реакции центрифугировали при 10000 об/мин в течение 30 мин для удаления непрореагировавших материалов. Затем надосадочную жидкость фильтровали через мембранный фильтр (нейлоновый фильтр диаметром 25 мм, размер пор 0,20 мкм) для удаления примесей. Фильтрат затем лиофилизировали с получением порошка углеродных точек. Для сравнения, углеродные точки куркумы-1 также были приготовлены с использованием той же процедуры без источника серы. Пленки на основе пектина/желатина получали методом отливки из раствора. Для этого навески пектина, желатина и глицерина смешивали с дистиллированной водой, затем готовили раствор при интенсивном перемешивании при температуре 80°С в течение 30 мин. Затем углеродные точки куркумы (2 мас.% к основе полимера) медленно добавляли к раствору, энергично помешивая в течение часа. Пленкообразующий раствор сразу же наносили на выровненную стеклянную пластину с тефлоновым покрытием (24 см×30 см) и сушили при 25°С в течение двух дней. Высохшую пленку снимали с пластины и кондиционировали при температуре 25°С и относительной влажности 50% в течение не менее двух дней. Пленка пектина/желатина с добавлением углеродных точек куркумы показала свойства с антибактериальной активностью против пищевых патогенных бактерий Escherichia coli и Listeria monocytogenes.

Недостатками этого способа являются высокая концентрация специальной добавки (2 мас.% к основе полимера), использование специального оборудования для осуществления синтеза добавки - емкости из нержавеющей стали, покрытой политетрафторэтиленом, проявление антибактериальной активности против двух пищевых патогенных бактерий Е. coli и L. monocytogenes.

В задачу настоящего изобретения положено создание способа получения пленки на основе коллагена и пектина с биоцидными свойствами, содержащего частицы оксида RbTe_1,5W_0,5O₆ в количествах менее 10^-2%, имеющего размеры менее 10 нм, и проявление антибактериальной активности по отношению к трем тест-культурам бактерий: Escherichia coli; Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, а также антигрибковых свойств по отношению к тест-культурам микромицетов - активных деструкторов полимерных материалов: Aspergillus oryzae F-2096, Aspergillus niger F-1119, Aspergillus terreus F-1025, Chaetomium globosum F-109, Paecilomyces variotii F-378, Penicillium funiculosum F-1115, Penicillium chrysogenum F-245, Penicillium cyclopium F-245, Trichoderma viride A-1117.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлены образцы пленки коллаген-пектин, смешанных в присутствии оксид RbTe1.5W0.5O6 по примеру 1, 2, соответственно.

На фиг. 2 представлена микроструктура образцов коллаген-пектин, смешанных в присутствии оксида RbTe1.5W0.5O6 по примеру 1.

На фиг. 3 представлена микроструктура образцов коллаген-пектин, смешанных в присутствии оксида RbTe1.5W0.5O6 по примеру 2.

Сущность изобретения

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является упрощение производства получения биостойкого материала за счет несложного оборудования, уменьшение стоимости процесса за счет уменьшения концентрации частиц специальной добавки, расширения зоны действия биоцидных свойств и зоны действия против бактерий, а также против спор микромицетов в сравнении с прототипом.

Поставленная задача достигается тем, что перемешивание пектина, коллагена в водном растворе проводят в присутствии оксида RbTe1.5W0.5O6, микроколичества которого адсорбируются на поверхности сополимера, остаются на нем после декантации раствора от оксида RbTe1.5W0.5O6 с размерами частиц менее 10 нм и выполняют функции специальной добавки. Порошок оксида RbTe1.5W0.5O6 фактически может быть использован многократно. Пленкообразующий раствор наносят на выровненную стеклянную пластину и сушат при комнатной температуре до постоянного веса.

Предлагаемый способ получения биоцидной пленки из коллагена с пектином с биоцидными свойствами осуществляют следующим образом.

Предварительно получают из реагентов: нитрат рубидия RbNO3, оксид теллура TeO2 и вольфрама WO3 марки х.ч., смешивая в стехиометрическом соотношении (Rb:Te:W=1:1.5:0.5) и диспергируя в агатовой ступке. Полученную смесь нагревают в платиновом тигле до 7000С, выдерживают при этой температуре 1 сутки. Полученный расплав резко охлаждают, после чего образец перетирают в планетарной мельнице в течение 18 часов со скоростью 300 оборотов/мин (Fukina D. G., Suleimanov Е. V. et all, J. Solid State Chem. 2020. V. 286. P. 121276).

Используемый тресковый коллаген получают следующим образом: очищают рыбные шкуры, измельчают, троекратно промывают водопроводной водой и выдерживают при комнатной температуре в 3%-ном растворе уксусной кислоты при жидкостном коэффициенте 5 при периодическом помешивании в течение 15-18 часов. Затем фильтруют через капроновую ткань, затем фильтруют через бумажный фильтр. Порошок коллагена получают после удаления жидких реагентов в вакууме при 400°С (патент RU 2567171 С 1, опубл. 10.11.2015). Коммерческий яблочный пектин «Пудовъ» используют без дополнительной очистки.

Дисперсию для получения пленки готовят следующим образом: смешивают порошок RbTe1.5W0.5O6, воду, коллаген, пектин, барботируют аргоном в течение 15-20 мин и при перемешивании со скоростью ~ 200 об/мин облучают дисперсию с помощью светодиодной лампы видимого излучения (LED, 30 Вт) при следующем соотношении компонентов, %: вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72) - 89,53-89,50, коллаген тресковый - 4,80-5,00, пектин - 4,80-5,00, порошок RbTe1.5W0.5O6 - 0,67-0,70 к общей массе реагентов. После окончания перемешивания для отделения твердого порошка эмульсию центрифугируют в течение 30 мин, декантируют водную фазу, летучие компоненты отделяют высушиванием при комнатной температуре до постоянного веса. Для пленок образцов анализируют биоцидную активность и морфологию лиофильно высушенных образцов методом СЭМ.

Размеры частиц оксида RbTe1.5W0.5O6 в полимере определяют на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JSM-IT300 (JEOLLtd, Japan) с диаметром электронного зонда до 5 нм (рабочее напряжение 20 кВ) и с использованием низкоэнергетичных вторичных электронов. Полученные пленки содержат частицы оксида RbTe1.5W0.5O6 в микроколичествах, имеющего размеры менее 10 нм и выполняют функции биоцидной добавки.

Полученные пленки испытывали на грибостойкость по ГОСТ 9.049-91 «Материалы полимерные и их компоненты. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов», метод 1. В качестве тест-культур использовались микроскопические грибы - активные деструкторы полимерных материалов: Aspergillus niger, Aspergillus terreus, Aspergillus oryzae, Chaetomium globosum, Paecilomyces variotii, Penicillium funiculosum, Penicillium chrysogenum, Penicillium cyclopium, Trichoderma viride. Образцы помещались в чашки Петри, поверхность образцов инокулировалась суспензией спор микромицетов. Затем образцы подвергались воздействию света в течение 5 ч в течение всего времени экспозиции - 28 суток при 29±20 С.

Бактерицидную активность определяли по отношению к ассоциации тест-культур бактерий: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis. Образцы помещали в чашки Петри на мясопептонный агар на газон суспензии бактерий и подвергали воздействию света мощностью 50 Вт в течение 5 ч. Затем все образцы помещали в термостат. Условия культивирования в термостате при 370°С. Время экспозиции 24 ч. Наличие бактерицидных свойств оценивалось по величине зоны ингибирования роста бактерий вокруг образцов пленок. Зона ингибирования роста бактерий вокруг образца (D - мм) составила на свету - 14 (бактерициден).

Контрольными служили образцы без введенных в их состав субмикронных частиц RbTe1.5W0.5O6.

В качестве источника света использовали светодиодный пылевлагозащищенный прожектор JAZZWAY PFL-C3 мощностью 50 Вт. Поверхностная плотность потока излучения светодиодного прожектора, воздействующая на поверхность образцов соединений, составляла 524 Вт/м².

Ниже приведены примеры конкретного исполнения получения биоцидной пленки.

Пример 1

Предварительно смешивают компоненты при следующем соотношении, %: вода - 89,53; коллаген - 4,80, пектин 5,00, порошок RbTe1.5W0.5O6 - 0,67 в токе аргона в течение 15 мин. Затем перемешивание осуществляют при комнатной температуре в течение 5,0 ч при облучении с помощью светодиодной лампы видимого излучения (LED, 30 Вт). После окончания перемешивания для отделения твердого порошка эмульсию центрифугируют в течение 30 мин, декантируют водную фазу, наносят пленкообразующий раствор на стеклянную пластину и сушат до постоянного веса.

Для полученных пленок образцов анализировали биоцидную активность и морфологию лиофильно высушенных образцов методом СЭМ.

Результаты анализа:

- полимер грибостоек (по ГОСТ 9.049-91, метод 1-1 балл) по отношению к тест-культурам микромицетов - активных деструкторов полимерных материалов: Aspergillus oryzae F-2096, Aspergillus niger F-1119, Aspergillus terreus F-1025, Chaetomium globosum F-109, Paecilomyces variotii F-378, Penicillium funiculosum F-1115, Penicillium chrysogenum F-245, Penicillium cyclopium F-245, Trichoderma viride A-1117;

- бактерициден по отношению к асоциации тест-культур бактерий: Escherichia coli; Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis (по величине зоны ингибирования роста бактерий вокруг образцов пленок. Зона ингибирования роста бактерий вокруг образца составила - 14 мм);

- полимер без введенных в его состав субмикронных частиц RbTe1.5W0.5O6 не проявил ни грибостойкости, ни бактерицидности по отношению к используемым тест-культурам микроорганизмов;

- размеры частиц оксида RbTe1.5W0.5O6 ≤2 нм (фиг. 2).

Пример 2

Предварительно смешивают компоненты при следующем соотношении, %: вода - 89,50, коллаген - 5,00, пектин - 4,80, порошок RbTe_1,5W_0.5O₆ - 0,70 в токе аргона в течение 20 мин. Затем перемешивание осуществляют при комнатной температуре в течение 5,5 ч при облучении с помощью светодиодной лампы видимого излучения (LED, 30 Вт). После окончания перемешивания для отделения твердого порошка эмульсию центрифугируют в течение 30 мин, декантируют водную фазу, летучие компоненты отделяют высушиванием при комнатной температуре до постоянного веса, наносят пленкообразующий раствор на стеклянную пластину и сушат до постоянного веса.

Для полученных пленок образцов анализировали биоцидную активность и морфологию лиофильно высушенных образцов методом СЭМ.

Результаты анализа:

- полимер грибостоек (по ГОСТ 9.049-91, метод 1-1 балл) по отношению к тест-культурам микромицетов - активных деструкторов полимерных материалов: Aspergillus oryzae F-2096, Aspergillus niger F-1119, Aspergillus terreus F-1025, Chaetomium globosum F-109, Paecilomyces variotii F-378, Penicillium funiculosum F-1115, Penicillium chrysogenum F-245, Penicillium cyclopium F-245, Trichoderma viride A-1117;

- бактерициден по отношению к трем тест-культурам бактерий: Escherichia coli; Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis (по величине зоны ингибирования роста бактерий вокруг образцов пленок. Диаметр зоны ингибирования роста бактерий вокруг образца составила 14 мм).

- размеры частиц оксида RbTe_1.5W_0,5O₆ ≤2 нм (фиг. 3).

Представленные примеры подтверждают достижение технического результата заявленного изобретения, обеспечивающего:

упрощение производства получения биостойкого материала за счет несложного оборудования, уменьшения стоимости процесса за счет уменьшения концентрации частиц специальной добавки (размеры частиц оксида RbTe_1.5W_0.5O₆ менее 10 нм), расширения зоны действия биоцидных свойств и зоны действия против бактерий, а также против спор микромицетов в сравнении с прототипом.

Изобретение относится к области получения материалов на основе природных полимеров. Способ получения пленки с биоцидными свойствами включает перемешивание воды, коллагена, пектина и порошка RbTe_1.5W_0.5O₆ в токе аргона в течение 15-20 мин, а затем в токе аргона в течение 5,0-5,5 ч при облучении с помощью светодиодной лампы видимого излучения LED, 30 Вт, затем отделяют твердый порошок путем центрифугирования в течение 30 мин, декантируют водную фазу, наносят полученный пленкообразующий раствор на выровненную стеклянную пластину и сушат до постоянного веса. Смешивание компонентов производят при следующем соотношении, мас.%: вода дистиллированная - 89,53-89,50, коллаген - 4,80-5,00, пектин - 4,80-5,00, порошок RbTe_1.5W_0.5O₆ - 0,67-0,70. Способ позволяет упростить получение биостойкого материала за счет несложного оборудования, уменьшить стоимость процесса за счет уменьшения концентрации частиц специальной добавки, а также обеспечивает расширение биоцидных свойств, антибактериальных свойств и эффективность против спор микромицетов полученной пленки. 3 ил., 2 пр.

Способ получения пленки с биоцидными свойствами, включающий перемешивание воды, коллагена, пектина и порошка RbTe_1.5W_0.5O₆ в токе аргона в течение 15-20 мин, а затем в токе аргона в течение 5,0-5,5 ч при облучении с помощью светодиодной лампы видимого излучения LED, 30 Вт, причем смешивание компонентов производят при следующем соотношении, мас.%: вода дистиллированная - 89,53-89,50, коллаген - 4,80-5,00, пектин - 4,80-5,00, порошок RbTe_1.5W_0.5O₆ - 0,67-0,70; затем отделяют твердый порошок путем центрифугирования в течение 30 мин, декантируют водную фазу, наносят полученный пленкообразующий раствор на выровненную стеклянную пластину и сушат до постоянного веса.