Химия и химические технологии/1.

Пластмассы, полимерные и синтетические материалы

К. т. н. Федотова А.В., Фролова Ю.В.

ФГБОУ ВПО Московский государственный университет пищевых производств, Россия

Наномодифицированные полимерные покрытия для пищевых продуктов

В последние годы покрытия из водных дисперсий полимеров формируемые на поверхности продуктов питания стали промышленно выпускаемой товарной формой защитных полимерных покрытий и успешно используются в технологиях сыроделия, колбасной и другой мясной продукции, овощей, фруктов, птицы[1,2]. Стремительное развитие и распространение защитных покрытий в различных областях промышленности, в частности в упаковке пищевых продуктов, связано с их следующими преимуществами:

· использование биологически безопасных водных систем (например, на основе ПВС, природных полисахаридов, латексов полимеров);

· сравнительная простота технических решений, связанных с нанесением на поверхность продукта полифункциональных покрытий без высокотемпературной обработки;

· обеспечение плотного и повсеместного облегания поверхности продукта, за счет чего гарантируется отсутствие макрополостей – областей потенциального развития нежелательной микрофлоры;

· возможность варьирования функций образуемого покрытия путем введения в сам покровный состав добавок различной природы, обеспечивающих формирование антимикробных, водостойких, съедобных и других видов покрытий;

· характерная особенность покрытий – возможность нанесения покровных материалов на поверхность любой формы.

В настоящее время наблюдается тенденция увеличения спроса на латексные покрытия из водных дисперсий полимеров. Такое покрытие, помимо перечисленных выше преимуществ, создает влагоудерживающую и газопроницаемую пленку, которая обеспечивает создание защитной среды для каждого объекта нанесения в отдельности с учетом его специфических свойств. Модификация латексов наночастицами серебра с учетом последних достижений нанотехнологии, может позволить создать покрытие с новыми свойствами и расширить область применения материала.

Известные уникальные свойства наносеребра обеспечивать комплекс антибактериальных свойств по отношению к различным тест штаммам (Esherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas fluorescens, Shewanella putrefaciens, Salmonella typhi)[3] при относительно малых концентрациях, позволили широко использовать наночастицы в пищевой промышленности и упаковки. Наночастицы серебра используются при производстве барьерных однослойных и многослойных пленок на основе полиэтилена, полиэтилентерефталата, поливинилового спирта, производных целлюлозы, крахмала, поливинилхлорида и т.д.[4]. Несмотря на достоинства наносеребра, обеспечивать антимикробные свойства при малых концентрациях необходимо строго регулировать содержание и выделение наносеребра как в продукт, так и в окружающую среду[5].

Целью данной работы является разработка состава латексного покрытия, модифицированного наночастицами серебра с целью его использования для защиты пищевых продуктов.

При разработки пленкообразующих композиций на основе латексов необходимо учитывать как свойства пленкообразователя так и свойства вносимого модификатора. Порядок введения различных ингредиентов в латекс определяется характером поставленной задачи. Во всех случаях необходимо, чтобы латекс до введения добавок сам был устойчив. При разработке защитного покрытия необходимо учитывать комплекс требований предъявляемых видом упаковываемого продукта[6]. В качестве объектов исследования были использованы: дисперсия сополимера винилацетата с дибутилмалеинатом и модификатор – концентрат коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра.

На начальном этапе работы были составлены композиции с различными концентрациями модифицирующей добавки и исследованы коллоидно-химические свойства полученных систем: вязкость, pH, краевой угол смачивания, поверхностное натяжение.

Одним из важнейших технологических параметров водных дисперсий полимеров является вязкость, во многом определяющим поведение систем при получении материала.

Полученные данные свидетельствуют о том, что с увеличением концентрации модифицирующей добавки вязкость системы увеличивается, что свидетельствует о насыщенности адсорбционного слоя и появлении мицелл в водной фазе.

Также важнейшей характеристикой исследуемых систем является показатель pH, который влияет на их устойчивость, результаты эксперимента показали, что добавка оказывает незначительное влияние на pH. Значения исследуемых систем остается в пределах 5,5±0,5.

Следующим этапом работы было изучение поверхностного натяжения, так как данный параметр, позволяет предположить о распределении добавки в гетерофазной системе. Уменьшение поверхностного натяжения, с увеличением концентрации добавки объясняется тем, что входящий в состав добавки поверхностно – активное вещество встраивается на границу раздела фаз.

Возможность использования состава для обработки поверхностей различной природы, а также качество получаемого материала, зависит от величины краевого угла смачивания.

В ходе эксперимента было получено, что модификатор, с увеличением концентрации в составе композиции, уменьшает краевой угол смачивания, что способствует лучшему нанесению покрытия на поверхность и регулированию толщины получаемого материала.

Анализируя полученные данные, приходим к выводу, что модификатор, с увеличением концентрации в составе композиции, изменяет основные коллоидно – химические показатели, и способствует образованию равномерной пленки на поверхностях различной природы, а так же изменение показателей позволяют предположить о распределении добавки на границе раздела фаз.

Из исследуемых систем были сформированы пленки. Пленкообразование из водных дисперсий полимеров (латексов) рассматривается как процесс ликвидации межфазной границы полимер-среда на поверхности подложки при одновременном удалении дисперсионной среды. Внешними признаками этого процесса является сокращение объема и оптической плотности пленки, а также увеличение объемного сопротивления. Пленкообразование связано с астабилизацией латекса за счет концентрирования дисперсии в результате испарения воды и последующим самопроизвольным сжатием образованного промежуточного геля до состояния монолитной пленки. Опытным путем было установлено, что модификатор не влияет на скорость пленкообразования.

На следующем этапе работы определялись эксплуатационные характеристики полученных пленок: предельные деформационно – прочностные, паропроницаемость, изменение массы образца при контакте с водой.

Введение модифицирующей добавки приводит к незначительному уменьшению предела прочности у исследуемых материалов (5,0±0,5МПа) по сравнению с контролем (6,0±0,5МПа), а также способствует уменьшению относительного удлинения модифицированных материалов (400±10%) по сравнению с контролем (450±10%).

Изучение паропроницаемости полученных материалов показало, что введение добавки не оказывает влияния на этот показатель, для всех плёнок значение паропроницаемости равно 110±0,15 г/м² за 24 ч.

Изучение изменения массы образцов при контакте с водой (набухание) дает возможность сравнить структурные изменения в системе до и после модификации. На основании проведенных испытаний и сравнении динамики изменения массы образцов при контакте с водой модифицированных пленок с контролем, показали что добавка в исследуемых количествах не вызывает изменения структуры.

Модификатор не изменяет эксплуатационных характеристик материала. Возможность использования полимерного материала в контакте с пищевыми продуктами определяется токсичностью мигрирующих в продукт веществ. Вследствие чего проводили биологическую оценку на инфузориях Tetrahymena pyriformis, так как данный тест – организм, как и человек – эукариотические организмы, поэтому их реакция на токсиканты может быть сопоставлена с реакцией человека. В связи с тем, что токсичность развивается во времени, проводили исследования по трем видам токсичности: острую, подострую, хроническую. В ходе испытаний были получены композиции с содержанием добавки, не оказывающие пагубного действия на инфузорий.

Литература.

1. Федотова А.В., Данильчук Т.Н., Сдобникова О.А., Самойлова Л.Г., Фролова Ю.В.,. Упаковочные материалы, модифицированные нанодобавками. – Мясные технологии, 2011, №10. – С. 72-76.

2. Федотова А.В., Снежко А.Г., Сдобникова О.А., Самойлова Л.Г., Смурова Т.А., Ревина А.А., Хайлова Е.Б. Упаковочные материалы из природных полимеров, модифицированных наночастицами серебра. – Пластические массы, 2009, № 7-8. С. 42-47.

3. By Song, Ho-Yeon; Kim, Young-Hee; Ko, Kwang-Kjune; Oh, Ik-Hyun; Lee, Byong-Taek. «Antimicrobial mechanisms of silver nano-particles and their in vivo study for antibiotic alternative» From Taehan Kumsok, Chaeryo Hakhoechi (2006), 44(6), 412-417.

4. By Emamifar, Aryou; Kadivar, Mahdi; Shahedi, Mohammad; Soleimanian-Zad, Sabihe «Preparation and evaluation of nanocomposite LDPE films containing Ag and ZnO for food-packaging applications» From Advanced Materials Research (Zuerich, Switzerland) (2010), 129-131(Pt. 2, Material and Manufacturing Technology), 1228-1232.

5. Хохлявин С.А. Наноматериалы: вопросы безопасности и маркировка. – Наноидустрия, 2010, №6 (24), с. 22 – 24.

6. Аверко-Антонович И.Ю. Синтетические латексы /Москва, 2005.- С. 36-38.