СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОЧНОГО МАТЕРИАЛА ПИЩЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА
METHOD FOR OBTAINING FOOD-GRADE FILM MATERIAL BASED ON CHITOSAN

Изобретение относится к химической и биохимической технологии, а именно к способам получения пленочных биоразлагаемых материалов пищевого назначения на основе хитозана. Пленочный материал на основе хитозана может быть использован, прежде всего, в пищевой или косметической промышленности для изготовления оберточной пищевой пленки, капсул, а также в сельском хозяйстве, медицине, фармакологии.
Известен способ получения биоразлагаемой пленки на основе пектина и хитозана [Патент 2458077 Российская Федерация, МПК C08J 5/18, C08L 5/06, C08L 5/08, C08L 101/16. Биоразлагаемая пленка на основе пектина и хитозана / Перфильева О.О.; заявитель и патентообладатель Перфильева О.О. (RU). - №2010151358/05; заявл. 14.12.2010; опубл. 10.08.2012 Бюл. № 22]. Биоразлагаемую пленку согласно изобретению получают следующим образом. Пектин растворяют в дистиллированной воде. Затем для лучшего растворения компонентов раствор помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Хитозан растворяют в 1 н. (однонормальной) соляной кислоте. Для лучшего растворения компонентов раствор также помещают в термостат на 1 минуту при температуре 37-38°С. Затем полученные растворы пектина и хитозана предпочтительно в равной пропорции сливают и перемешивают до полного растворения образующихся сгустков. Для того чтобы пленка была прочной и равномерно отделялась от подложки, после перемешивания сгустков в полученный раствор добавляют пластификатор и структурообразователь. Получившуюся массу осторожно выливают в чашу Петри. Пленку формируют на стеклянной подложке (в чаше Петри) в течение 20-24 часов при температуре от 0 до 25°С.
Недостатками полученной по этому способу пленки являются недостаточные сроки хранения пищевых продуктов, упакованных в пленочный материал, за счет низких антимикробных свойств пленочных материалов.
Известен способ получения пищевого пленочного покрытия [Патент 2532180 Российская Федерация, МПК C08L 5/00. Биоразлагаемая пленка на основе пектина и хитозана / Денисова М.Н., Жук С.Г., Бухарова Е.Н., Рысмухамбетова Г.Е., Кащенко В.Ф.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" (RU). - №2013134600/05; заявл. 23.07.2013; опубл. 27.10.2014 Бюл. № 30.], в котором пленку готовят следующим образом. Ксантан растворяют в дистиллированной воде при температуре 27-25°C, хитозан растворяют в 3% растворе лимонной кислоты при нагревании до 27-25°C. Затем полученные растворы ксантана и хитозана предпочтительно в пропорции 4:1 сливают и перемешивают до полного растворения образующихся сгустков. Для того чтобы пленка была прочной и равномерно отделялась от подложки, после перемешивания сгустков в полученный раствор добавляют глицерин и 3% раствор метилцеллюлозы. Пленку формируют на подложке в течение 20-24 часов при температуре от 0 до 25°C.
К недостаткам пищевого пленочного покрытия, полученного данным способом, 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).
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, то есть прототипом, является способ получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана, обладающего биосовместимостью, нетоксичностью, биодеградируемостью, влагостойкостью, водонерастворимостью, достаточной прочностью, расширенной и повышенной антибактериальной и антигрибковой активностью, который 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/см. 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. [Патент 2682598 Российская Федерация, МПК C08L 5/00, C08L 5/08, C08B 37/08, C08J 5/18. Пленочный материал пищевого назначения на основе хитозана и способ его получения / Седелкин В.М., Черкасов Д.М., Пачина О.В., Лебедева О.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (RU). - №2017121731; заявл. 20.06.2017; опубл. 19.03.2019 Бюл. № 8.]
+
Недостатками прототипа является недостаточно длительные сроки хранения пищевых продуктов, упакованных в пленочный материал, за счет большого влаго- и водопоглощения и низких антимикробных свойств пленочных материалов, ослабление антимикробных свойств пленок за счет увеличения первоначальных размеров наночастиц и их агрегации в более крупные агломераты. Размер первичных кластерных частиц нанокластерного серебра составляет 1,5-2 нм. Например, как указано в прототипе, в препарате Арговит диапазон распределения 1-4 нм, причем основную долю составляют частицы серебра с размерами 1-1,6 нм. Однако частицы такой степени дисперсности имеют тенденцию к агрегации с образованием более крупных агломератов. Это приводит к увеличению первоначальных размеров наночастиц и к ослаблению антимикробных свойств пленок. Механизм образования наночастиц серебра предложен авторами [Henglein A., Giersig M. Formation of colloidal silver nanoparticles: capping action of citrate. // Journal of Physical Chemistry B - 1999. - V. 103. - P. 9533-9539.]. Согласно этому механизму, в начальный момент времени после добавления восстановителя в систему, содержащую ионы Ag, образуются агрегаты, состоящие из нескольких атомов и ионов серебра. Затем эти кластеры укрупняются до частиц, содержащих около 100-200 атомов Ag, после чего их рост происходит уже за счет преимущественно восстановления ионов серебра на поверхности кластеров. Кроме того, в системе в той или иной степени протекает и агрегация кластеров в более крупные частицы.
3
[Xiong Y., Washio I., Chen J., Sadilek M., Xia Y. Trimeric clusters of silver in aqueous AgNO solutions and their role as nuclei in forming triangular nanoplates of silver. // Angewandte Chemie International Edition - 2007. - V. 46. - P. 4917-4921.]
Техническим результатом изобретения является увеличение сроков хранения пищевых продуктов, упакованных в пленочный материал, за счет снижения влаго- и водопоглощения и усиления антимикробных свойств пленочных материалов.
2
Указанный результат достигается тем, что в способе получения пленочного материала пищевого назначения на основе хитозана, заключающемся в растворении хитозана в 2-4% уксусной кислоте при соотношении компонентов хитозан : уксусная кислота 1:1-1:2 мас.%, введении в раствор хитозана антибактериальной и антигрибковой добавки в виде наносеребра в количестве 1-10 мг/г хитозана, интенсивном механическом перемешивании и нанесении полученной формовочной смеси на подложку в количестве 0,08-0,20 мл/см подложки для получения пленочного материала толщиной 50-150 мкм с последующим его выдерживанием на подложке при температуре 50°С в течение 12 ч до достижения пленочной структуры, обработке полученного пленочного материала нейтрализующим реагентом 1 М раствором NaOH в течение 2 ч с последующей промывкой дистиллированной водой до рН≥8 и сушкой при температуре 20°С в течение 72 ч или при температуре 50°С в течение 24 ч, согласно изобретению, в качестве антибактериальной и антигрибковой добавки используют золь наночастиц серебра концентрацией 1 мг/мл, полученный путем восстановления ионов серебра в водном растворе нитрата серебра, причем в качестве восстановителя используют глюкозу или аскорбиновую кислоту, при этом золь готовят смешением растворов нитрата серебра с глюкозой или аскорбиновой кислотой в соотношении объемов 1:1, в смесь дополнительно вводят полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГГХ) в соотношении хитозан : полигексаметиленгуанидин гидрохлорид 100:1 - 200:1), интенсивно перемешивают 5 мин, добавляют натрия триполифосфат в качестве сшивающего агента и перемешивают в течение 15-30 мин при комнатной температуре до образования однородного геля. При приготовлении формовочного раствора используют хитозан пищевой с молекулярной массой 200 кДа и степенью деацетилирования 88%.
Для полученных образцов пленочных материалов определяют следующие характеристики: толщину (h), влагопоглощение (α), водопоглощение (W) и антимикробные свойства.
Для осуществления заявляемого изобретения используют следующие материалы и реагенты:
- Хитозан. ТУ 9289-067-00472124-03 «Хитозан пищевой»;
Хитозан пищевой (кислоторастворимый) получают в виде порошка из панциря ракообразных (изготовитель - ЗАО «Биопрогресс») с молекулярной массой 200 кДа и степенью деацетилирования 88%.
- Натрия гидроокись. ГОСТ 4328-77 Реактивы. Технические условия (с Изменениями N 1, 2)
- Кислота уксусная для пищевой промышленности. ГОСТ Р 55982-2014. Технические условия.
- Натрия триполифосфат ГОСТ 13493-86. Технические условия (с Изменениями N 1, 2, 3)
7
16
3
n
- Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГГХ), (CHNCl), где n = 4-50, молекулярный вес: 700-10000 а.е.м. CAS: 57029-18-2. ПГМГ- гидрохлорид - твердое кристаллическое прозрачное вещество, не имеет цвета и запаха, полностью растворим в воде, растворим в спирте, не теряет своих свойств при отрицательных температурах, не разлагается и сохраняет свои физико-химические и биоцидные свойства до температуры +120°С, pH 1% водного раствора 7-10.5. [http://polyguanidines.ru - сайт Института эколого-технологических проблем (РОО ИЭТП)], [Пат. № 2489452 РФ, МПК C08G 73/00, A 61L 2/16 (2006.01). Способ получения полигексаметиленгуанидин гидрохлорида / Поповкин В.В., Глухов И.С., Антонов М.И.; патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Компания Вереск" (RU). - № 2012117497/05; заявл. 26.04.2012; опубл. 10.08.2013, Бюл. №22. - 6 с.];
ГОСТ 975-88 Глюкоза кристаллическая гидратная. Технические условия.
ГОСТ Р 55517-2013  Добавки пищевые. Антиокислители пищевых продуктов. Термины и определения.
Изобретение осуществляют следующим образом.
3
6
12
6
6
8
6
Получение наночастиц серебра проводят путем восстановления водного раствора нитрата серебра (AgNO). В качестве восстановителя используют глюкозу (СНО) или аскорбиновую кислоту (СНО). Все растворы готовят на дистиллированной воде. Золь готовят смешением растворов нитрата серебра с глюкозой или аскорбиновой кислотой в соотношении объемов 1:1.
К раствору глюкозы объемом 50 мл и концентрацией 17 мг/мл приливают такой же объем (50 мл) раствора нитрата серебра концентрацией 2 мг/мл, доводят 0,1 н раствором аммиака до pН 8,5, помещают на водяную баню и выдерживают при температуре 70°C в течение 1,5 ч и охлаждают при комнатной температуре. Получают золь наночастиц серебра концентрацией 1 мг/мл.
Глюкоза является одновременно восстановителем и стабилизатором. Продукт окисления глюкозы - глюконовая кислота - может адсорбироваться на поверхности наночастиц и контролировать их рост. В данных условиях образующиеся наночастицы серебра не склонны к агрегации.
К раствору аскорбиновой кислоты объемом 50 мл и концентрацией 1,7 мг/мл приливают такой же объем (50 мл) раствора нитрата серебра концентрацией 2 мг/мл, доводят 0,1 н раствором NaOH до pН 9 и перемешивают при комнатной температуре в течение 1,5 ч. Получают золь наночастиц серебра концентрацией 1 мг/мл.
Для корректного сравнения заявляемого изобретения с прототипом получение и испытание пленок было выполнено в одинаковых условиях.
Пример 1
Взвешивают навеску хитозана пищевого с молекулярной массой 200 кДа и степенью деацетилирования 88% массой 1 г, растворяют в 100 мл 2% уксусной кислоты (соотношение хитозан : уксусная кислота 1:2),  вносят антимикробную добавку - золь наночастиц серебра, полученный с использованием глюкозы в качестве восстановителя, в количестве 10 мл (10 мг серебра на 1 г хитозана) и добавляют 0,01 г полигексаметиленгуанидина гидрохлорида (соотношение хитозан : ПГМГГХ 100:1), при этом добавка ПГМГГХ усиливает действие наносеребра, интенсивно перемешивают 5 мин, добавляют 4 мл раствора натрия триполифосфата (концентрацией 0,1 моль/л) в качестве сшивающего агента и перемешивают в течение 15 мин при комнатной температуре до образования однородного геля.
2
Пленку формируют на стеклянной подложке, для чего на нее наносят гель из расчета 0,08 мл/см и выдерживают в течение 12 часов при температуре 50°С до достижения пленочной структуры.
Затем образец пленочного материала погружают вместе с подложкой в кювету с нейтрализующим 1 М раствором NaOH на 2 часа, после этого   образец промывают дистиллированной водой до достижения в промывных водах рН≥8 и сушат при температуре 20°С в течение 72 ч до воздушно-сухого состояния. После высыхания пленку отделяют от подложки и определяют ее характеристики.
Характеристика образца №1
mах
max
Толщина образца пленочного материала составила h = 50±5 мкм; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α = 51 %; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W= 115 %.
Образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.
Пример 2
Взвешивают навеску хитозана массой 2 г, растворяют в 97 мл 2% уксусной кислоты (соотношение хитозан : уксусная кислота 1:1), вносят антимикробную добавку - золь наночастиц серебра, полученный с использованием аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя, в количестве 8 мл (4 мг на 1 г хитозана) и добавляют 0,013 г полигексаметиленгуанидин гидрохлорида (соотношение хитозан : ПГМГГХ 150:1), при этом добавка ПГМГГХ усиливает действие наносеребра, интенсивно перемешивают 5 мин и добавляют 8 мл раствора натрия триполифосфата (концентрацией 0,1 моль/л) в качестве сшивающего агента и перемешивают в течение 20 мин при комнатной температуре до образования однородного геля.
2
Пленку формируют на стеклянной подложке, для чего на нее наносят гель из расчета 0,1 мл/см и выдерживают в течение 12 часов при температуре 50°С до достижения пленочной структуры.
Затем образец пленочного материала погружают вместе с подложкой в кювету с нейтрализующим 1 М раствором NaOH на 2 часа, после этого образец промывают дистиллированной водой до достижения в промывных водах рН≥8 и сушат при температуре 50°С в течение 24 ч до воздушно-сухого состояния. После высыхания пленки ее отделяют от подложки и определяют ее характеристики.
Характеристика образца №2
mах
max
Толщина образца пленочного материала составила h = 75±5 мкм; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α = 46 %; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W= 112 %.
Образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.
Пример 3
Взвешивают навеску хитозана массой 2 г, растворяют в 100 мл 3% уксусной кислоты (соотношение хитозан : уксусная кислота 1:1,5), вносят антимикробную добавку - золь наночастиц серебра, полученный с использованием глюкозы в качестве восстановителя, в количестве 6 мл (3 мг на 1 г хитозана) и добавляют 0,01 г полигексаметиленгуанидин гидрохлорида (соотношение хитозан : ПГМГГХ 200:1), при этом добавка ПГМГГХ усиливает действие наносеребра, интенсивно перемешивают 5 мин и добавляют 8 мл раствора натрия триполифосфата (концентрацией 0,1 моль/л) в качестве сшивающего агента и перемешивают в течение 25 мин при комнатной температуре до образования однородного геля,
2
Пленку формируют на стеклянной подложке, для чего на нее наносят гель из расчета 0,15 мл/см и выдерживают в течение 12 часов при температуре 50°С до достижения пленочной структуры.
Затем образец пленочного материала погружают вместе с подложкой в кювету с нейтрализующим 1 М раствором NaOH на 2 часа, после этого образец промывают дистиллированной водой до достижения в промывных водах рН≥8 и сушат при температуре 20°С в течение 72 ч до воздушно-сухого состояния. После высыхания пленки ее отделяют от подложки и определяют ее характеристики.
Характеристика образца №3
mах
max
Толщина образца пленочного материала составила h = 110±5 мкм; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α = 43 %; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W= 111 %.
Образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.
Пример 4
2
Взвешивают навеску хитозана массой 4 г, растворяют в 100 мл 4% уксусной кислоты (соотношение хитозан : уксусная кислота 1:1), вносят антимикробную добавку - золь наночастиц серебра, полученный с использованием аскорбиновой кислоты в качестве восстановителя, в количестве 4 мл (1 мг на 1 г хитозана) и добавляют 0,02 г полигексаметиленгуанидина гидрохлорида ПГМГГХ (соотношение хитозан : ПГМГГХ 200:1), при этом добавка ПГМГГХ усиливает действие наносеребра, интенсивно перемешивают 5 мин и добавляют 16 мл раствора натрия триполифосфата (концентрацией 0,1 моль/л) в качестве сшивающего агента и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре до образования однородного геля. Пленку формируют на стеклянной подложке, для чего на нее наносят гель из расчета 0,2 мл/см и выдерживают в течение 12 часов при температуре 50°С до достижения пленочной структуры.
Затем образец пленочного материала погружают вместе с подложкой в кювету с нейтрализующим 1 М раствором NaOH на 2 часа, после этого образец промывают дистиллированной водой до достижения в промывных водах рН≥8 и сушат при температуре 50°С в течение 24 ч до воздушно-сухого состояния. После высыхания пленки ее отделяют от подложки и определяют ее характеристики.
Характеристика образца №4
mах
max
Толщина образца пленочного материала составила h = 145±5 мкм; максимальная (равновесная) степень поглощения водяных паров за 24 ч (влагопоглощение) α = 44 %; максимальная (равновесная) степень водопоглощения за 24 ч W= 110%.
Образец пленочного материала не растворялся и оставался водостойким.
Образцы полученных пленочных материалов были испытаны аналогично тому, как это было сделано в прототипе, при хранении твердого сыра марки «Российский», варено-копченой колбасы высшего сорта, производимой в натуральной кишечной оболочке, сладкого перца и клубники.
Примеры применения пленочного материала на основе хитозана для хранения пищевых продуктов.
Пример 1
. Пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 1 (образец №1) имел толщину h = 50±5 мкм, содержал 10 мг наносеребра на 1 г хитозана. Испытуемый образец сыра массой 100 г, упакованный в пленочный материал, и контрольный образец такой же массы сыра без упаковки хранились при комнатной температуре. На контрольном образце сыра появление плесени отмечалось на 7 день хранения. Испытуемый образец сыра, упакованный в пленочный материал, в течение 35 дней не проявлял признаков порчи.
Пример 2.
Пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 2 (образец №2), имел толщину h=75±5 мкм, содержал 4 мг серебра на 1 г хитозана. Испытуемый образец варено-копченой колбасы высшего сорта, производимой в натуральной кишечной оболочке, массой 100 г, упакованный в пленочный материал, и контрольный образец такой же массы колбасы без упаковки хранились в холодильнике при температуре 5°С. Испытуемый образец колбасы, упакованный в пленочный материал, сохранил запах и вкус свежего продукта в течение 20 суток хранения в холодильнике при гарантированном сроке годности 8 суток.
Пример 3.
Пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 3 (образец №3) имел толщину h = 110±5 мкм, содержал в своем составе 3 мг серебра на 1 г хитозана. Сладкий перец массой 100 г закладывали в пакет из заявляемого пленочного материала на основе хитозана, и в пакет из стандартной полиэтиленовой пленки, запаивали и хранили при температуре +8°С в течение 3,5 месяцев. Потери перца от микробиологической порчи составили: в пакете из пленочного материала на основе хитозана, - 0%, а в полиэтиленовом пакете - 85%.
Пленочный материал на основе хитозана, полученный в соответствии с примером 4 (образец №4) имел толщину h = 145±5 мкм, содержал в своем составе 1 мг серебра на 1 г хитозана. Одна порция клубники массой 100 г закладывалась в контейнер из пленочного материала на основе хитозана, вторая порция клубники такой же массы закладывалась в стандартный контейнер из поливинилхлорида. Оба контейнера с клубникой хранили при температуре 8°С в течение 17 дней. Через 17 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 17 дней хранения испорченных ягод не обнаружено, то есть потери от порчи отсутствовали. Клубника сохранила цвет, запах и вкус свежих ягод.
Результаты испытаний полученных пленочных упаковочных материалов на основе хитозана по прототипу и по заявляемому изобретению представлены в таблице.
Таблица
ПРИМЕРЫ
Характеристики упаковочных материалов
Толщина образца пленочного материала, мкм
Влагопоглощение за 24 ч,α<sub>maх</sub>, %
Водопоглощене за 24 ч,W<sub>max</sub>,<sub></sub>%
Срок хранения пищевых продуктов, дни
1
50±5
51
115
35 дней
2
75±5
46
112
20 дней
3
110±5
43
111
3,5 месяца
4
145±5
44
110
17 дней
ПРОТОТИП
1
50±5
52
124
32 дня
2
75±5
48
119
17 дней
3
110±5
45
115
3 месяца
4
145±5
46
117
14 дней
Таким образом, из приведенных в таблице и в примерах данных следует, что предлагаемый способ позволяет увеличить сроки хранения пищевых продуктов, упакованных в пленочный материал, на 3÷15 дней, за счет снижения влаго- и водопоглощения и усиления антимикробных свойств пленочных материалов.