Получение наночастиц серебра для использования в производстве фиброузных оболочек

УДК 637.5:546.57

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФИБРОУЗНЫХ ОБОЛОЧЕК

Горлов Иван Федорович академик РАСХН, д.с.-х.н., профессор Поволжский научно-исследовательский институт производства и переработки мясомолочной продукции Россельхозакадемии, Волгоград, Россия

Ананян Михаил Арсенович академик РАЕН, д.т.н.

Концерн "Наноиндустрия", Москва, Россия Чмулев Илья Сергеевич

бакалавр техники и технологии продуктов питания

Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия

Приводятся результаты глубокого всестороннего исследования возможности метода мицеллярного коллоидного синтеза для получения наночастиц серебра с заданными характеристиками. Рассмотрена технология производства фиброузных оболочек с наночастицами серебра

Ключевые слова: НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА, ФИБРОУЗНАЯ ОБОЛОЧКА, ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

UDC 637.5:546.23

RECEPTION OF NANOPARTICLES OF SILVER FOR USE IN MANUFACTURE OF FIBROUS COVERS

Gorlov Ivan Fedorovich academician of RAAS, Dr.Sci.Agr., professor Povolzhskiy scientific research institute of manufacture and processing of meat and dairy industry of Russian agricultural academy, Volgograd, Russia

Ananyan Mihail Arsenovich academician of RANS, Dr.Sci.Tech.

Concern "Nanoindustry", Moscow, Russia

Chmulev Ilia Sergeevich

bachelor of techniques and technology of food products

Volgograd State Technical University, Volgograd, Russia

Results of deep comprehensive investigation of possibility of a method of micellar colloidal synthesis for reception nanoparticles of silver with the set characteristics are evaluated.

The production technology of fibrous covers with nanoparticles of silver is considered

Keywords: NANOPARTICLES OF SILVER, FIBROUS COVER, PRODUCTION TECHNOLOGY

Введение. Россия предпринимает беспрецедентные организационные и финансовые усилия, чтобы придать развитию нанотехнологий характер необратимого процесса. В связи с этим в настоящее время наблюдается определенный подъем в области исследования и применения нанотехнологий в пищевой промышленности.

Актуальность использования микроскопических частиц, обладающих новыми свойствами не вызывает сомнения, так как спектр практического применения нанотехнологий в пищевой промышленности весьма и весьма широк. Основные направления исследований нанотехнологий в пищевой промышленности связаны с применением препаратов на основе наночастиц для увеличения срока хранения, защиты продукции на стадии

производства и реализации, использование наночастиц для улучшения функционально-технологических свойств колбасных изделий.

Цель работы - разработка технологии производства фиброузных оболочек с наночастицами серебра. Изучение влияния наночастиц серебра на функционально - технологические свойства колбасных изделий.

Постановка и решение задачи. Специалистами концерна «Наноиндустрия», совместно с Поволжским научно-исследовательским институтом производства и переработки мясомолочной продукции Россельхозакаде-мии, были проведены исследования для установления закономерностей формирования, стабилизации и особенностей поведения наночастиц различного состава, формы и структуры в методе мицеллярного коллоидного синтеза для получения препарата в виде долгоживущей, биологически активной стабильной системы на основе наночастиц серебра в водноорганической среде.

Для решения задачи получения концентрата коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра, был разработан способ, основанный на обработке солей серебра аммиачным раствором с последующим восстановлением комплексных ионов и получения в результате из мицеллярного водно-дисперсионного раствора, включающего (мас.%) наночастицы серебра 0,01-0,11, поверхностно-активного вещества 1,5-5,0, вода 50-55. Полученный раствор содержит набор наночастиц серебра с распределением их по фракциям с определенными размерами следующим образом: частицы размером меньше 5 нм, с размерами 5-16 нм и размером выше 16 нм в отношении 0,5-1:25-30:1-5 соответственно. Активность в растворе проявляют не ионы серебра и не его однородные незаряженные частицы размера порядка 3-4 нм, а полидисперсная система, состоящая из набора

частиц с распределением по размерам с его основной частью в диапазоне 5-16 нм [4].

По составу и спектральным характеристикам раствор соответствует показателям, приведенным в таблицах 1 и 2.

ТАБЛИЦА 1 - СОСТАВ ПРЕПАРАТА

Наименование характеристики Норма по ТУ Метод испытаний

Содержание ПАВ, моль/дм3 0,04-0,08 Г равиметрический

Содержание наночастиц, моль/дм3 (1-5)-10‘3 Спектрофотометрический

Содержание воды, моль/дм3 50-55 Измерение плотности

ТАБЛИЦА 2 - СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕПАРАТА

Наименование характеристики Норма по ТУ Метод измерений

Положение основной полосы поглощения, нм 400-420 Адсорбционная микроскопия

Оптическая плотность, опт. Ед. не менее 1,0

Распределение наночастиц серебра по размерам было получено при помощи программы анализа оптических изображений UTHSCSA Image Tool 3.00 [3].

Для исследования распределения частиц по микрофотографии было обработано 1395 объектов. Средняя удлиненность наночастиц (отношение большого размера частиц к малому) для основного диапазона частиц от 5 до 16 нм составляет величину 1,2-1,4. На гистограммах распределение частиц носило выраженных гаусовский характер (рис.1).

6 8 10 12 14 16 18 20

размер частиц, нм

Рис. 1. Распределение наночастиц серебра в растворе

Определение распределения наночастиц серебра по размерам так же проведено при разбавлении препарата водой в 100 раз. Анализ полученных данных показал, что при переходе с водно-органического раствора в чисто водный, происходит вымывание ионов в воде. При этом часть больших по размерам частиц остается в органической фазе, все это приводит к концентрированию частиц средних размеров с небольшим сдвигом в сторону частиц большего размера.

Раствор может быть разведен до 100 раз и использован в качестве биоцидного препарата при любой концентрации, подобранной для конкретной практической задачи, без потери функциональных свойств.

В дальнейшем проводилось изучение антимикробной активности наночастиц серебра на штаммах микроорганизмов из коллекции ГУ НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи РАМН и Международной коллекции АТСС. Изучено антимикробное действие на следующие микроорганизмы: Staphylococcus aureus (ATCC 6538), E.coli (ATCC 11229), Pseudomonas aeruginisae (ATCC 15442), Klebsiella pneumonia, Candida albicans (ATCC 10231), Salmonella spp., Acinetobacter spp., Enterobacter spp.

Для культивирования микроорганизмов были взяты питательные среды фирмы Becton, Dickinson and Company, USA и Hi Media (Индия):

SS-agar и среда Эндо (для E.coli, Klebsiella pneumonia, Salmonella spp., Enterobacter spp.), Staph-agar (для S.aureus), Saburo и Biggi-agar (для Candida albicans), 5% кровяной агар (для Acinetobacter spp.), Cetrimide agar base (для Pseudomonas aeruginisae). Посевы культивировались при температуре З70С и 250С Candida albicans в течение 24 часов, затем подсчитывали количество выросших микроорганизмов [5]. Результаты определения биоактивности растворов приведены таблице 3 и 4.

ТАБЛИЦА 3 - РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОАКТИВНОСТИ

РАСТВОРОВ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ НА МИКРООРГАНИЗМЫ

Микроорганизмы Зона подавления роста микроорганизмов в мм

Концентрация в КОЕ/мл 108 Концентрация в КОЕ/мл 106 Концентрация в КОЕ/мл 104 Концентрация в КОЕ/мл 102

E.coli 4 5 16 24

S.aureus 2 4 11 16

Klebsiella spp. 4 5 14 18

Enterobacter spp. 6 11 23 30

Acinetobacter spp. 4 7 17 23

Candida albicans 4 9 19 25

Pseudomonas aeruginisae 4 8 13 17

Salmonella spp. 4 6 11 16

Учет результатов производили по отсутствию роста тест - микроорганизмов (в мм от края диска, пропитанного в течение 20 минут раствором, содержащим наночастицы серебра). По методическим указаниям исследуемый препарат обладает бактерицидными свойствами, если зона отсутствия роста составляет 4 и более мм. Зона отсутствия роста от 1 до 3 мм означает бактериостатическое воздействие на тест - микроорганизмы.

ТАБЛИЦА 4 - РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БАКТЕРИЦИДНОЙ

АКТИВНОСТИ ПРЕПАРАТА

Микроорганизмы Зона подавления роста микроорганизмов в мм

Концентрация в КОЕ/мл 108 Концентрация в КОЕ/мл 106 Концентрация в КОЕ/мл 104 Концентрация в КОЕ/мл 102

E.coli 3 больше 4 больше 4 больше 4

S.aureus 2 3 больше 4 больше 4

Klebsiella spp. 3 3 больше 4 больше 4

Enterobacter spp. больше 4 больше 4 больше 4 больше 4

Acinetobacter spp. 3 больше 4 больше 4 больше 4

Candida albicans 2 больше 4 больше 4 больше 4

Pseudomonas aeruginisae 3 больше 4 больше 4 больше 4

Salmonella spp. 2 больше 4 больше 4 больше 4

Таким образом, заявленный раствор с наночастицами серебра обладает бактерицидным действием в отношении концентрации тест -

42

микроорганизмов 10 и 10 КОЕ; бактерицидным действием по отношению

2 8

к энтеробактеру (концентрации с 10 до 10 ); также бактерицидное действие выраженно на все тест - микроорганизмы, кроме S.aureus, взятые в концентрации 106 КОЕ. При использованной концентрации микробов 10 бактерицидное действие оказано на Acinetobacter spp., Pseudomonas aeruginisae. Бактериостатическое воздействие при дозе 10 КОЕ оказано на E.colli, S.aureus, Klebsiella pneumonia, Salmonella spp.

Для более тщательного определения влияния раствора наносеребра

42

на тест-микроорганизмы в дозах 10 и 10 КОЕ применили

культивирование данных микробов непосредственно в растворе наночастиц серебра, поскольку при низких концентрациях бактерий на

плотных питательных средах зоны подавления роста выражены

недостаточно четко [1]. Полученные результаты представлены в таблице 5.

ТАБЛИЦА 5 - РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БАКТЕРИЦИДНОЙ

АКТИВНОСТИ ПРЕПАРАТА

Микроорганизм Концентрация в КОЕ/мл 104 Концентрация в КОЕ/мл 102

E.coli Abs Abs

S. aureus Abs Abs

Klebsiella spp. Abs Abs

Enterobacter spp. Abs Abs

Candida albicans Abs Abs

Pseudomonas aeruginisae Abs Abs

Salmonella spp. Abs Abs

Учет результатов проводился после 18 - часового культивирования тест-микробов в растворе и дальнейшего высева из раствора на плотные питательные среды. Условные обозначения: - (аЬБ) - отсутствие роста; + наличие роста.

Исследованный раствор проявил биологическое действие по отношению ко всем испытуемым тест-микроорганизмам, взятым в дозах 106, 102, 104. Таким образом, разработанный концентрат коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра целесообразно использовать для нанесения покрытия на фиброузную оболочку с внутренней и внешней стороны, для придания фиброузным оболочкам барьерных свойств, увеличения срока хранения продукции и улучшения функционально-технологических свойств колбасных изделий.

Внедрение и оценка эффективности. Разработанный концентрат коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра «AgБион-2» в виде водного раствора был использован в качестве покрытия для фиброузной оболочки при выработке опытно-промышленной партии сырокопченой колбасы, для исследования влияния наночастиц серебра на

функционально-технологические свойства, бактериальную обсеменен-ность и сроки хранения.

Опытно-промышленный образец колбасы сырокопченой был выработан в соответствии с ГОСТ 16131-86. Фиброузная оболочка обрабатывалась либо пропиткой в глубь, либо по площади материала, и исследовалась их антимикробная, бактерицидная и антигрибковая активность.

Так же был выработан контрольный образец сырокопченой колбасы в соответствии с ГОСТ 16131-86 упакованной в фиброузную оболочку без обработки наночастицами серебра. Результаты исследования представлены в таблице 6.

ТАБЛИЦА 6 - ЗАВИСИМОСТЬ ЗОНЫ ПОДАВЛЕНИЯ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ НАНОЧАСТИЦАМИ СЕРЕБРА В ОБРАБОТАННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Микроорганизм конц. КОЕ/мл-104 Зона подавления роста микроорганизмов в мм

Контроль (фиброзная оболочка не обработанная наночастицми) Фиброзная оболочка обработанная наночастицами серебра Антибиоактивность «чистого» раствора наночастиц серебра

1 2

Staphylococcus aureus (ATCC 6538) 0 6 8 18

E.coli (ATCC 11229) 0 7 9 24

Pseudomona saeruginisae (ATCC 15442) 0 6 8 18

Candida albicans (ATCC 10231) 0 8 11 28

1. Содержание наночастиц серебра в расчете на Ag+ - 0,063 мас.%

2. Содержание наночастиц серебра в расчете на Ag+ - 0,097 мас.%

Полученные данные показывают, что по сравнению с не обработанным состоянием (контрольный образец), обработанная фиброузная оболочка приобрела значительную биоцидность, соизмеримую с биоактивно-

стью «чистого» раствора наночастиц серебра.

В качестве материала для обработки наночастицами серебра, была использована фиброузная оболочка марки «КейсТех» (Вальсродер), произведенная в Германии, данный вид оболочки относятся к паро-, газопроницаемому типу колбасных оболочек и изготавливаются из длинноволокнистой фиброузной бумаги с пропиткой 100% целлюлозой. Созданы были специально для использования на скоростном оборудовании и клипсато-рах. Фиброузные (вискозно-армированные) оболочки - наиболее прочные из всех газо-, влагопроницаемых колбасных оболочек, характеризуются одновременно высокой равномерностью диаметра по длине батона и хорошей дымопроницаемостью. Обладают механической прочностью и способностью к усадке при термообработке колбасных изделий.

Технология производства фиброузной оболочки с нанесением покрытия на основе коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра «AgБион-2», заключается в подготовке заготовки, полученной формованием из вискозной массы с последующей сушкой. Стадию формования последовательно осуществляют по следующим операциям: подготовка и обработка сырья, получение из него вискозной массы путем смешения функциональных компонентов с коллоидным раствором наноразмерных частиц серебра, фильтрации, охлаждения и последующего формования на специальном устройстве в виде рукава, сушки, придания товарной формы [2].

Водный раствор наночастиц серебра подготавливают путем разбавления концентрата коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра «AgБион-2» дехлорированной водопроводной в соответствии с расчетами приведенными в таблице 7.

ТАБЛИЦА 7 - ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ВОДНЫХ ______________РАСТВОРОВ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА______________________

Концентрация рабочего раствора Количество препарата и воды, необходимые для приготовления рабочих растворов объемом

по средству, % по ДВ, мг/дм3 1л 10л

средство, мл вода, мл средство, мл вода, мл

10 30 1 900 10 9000

Полученный рабочий раствор используют для замачивания в нем предварительно нарезанной заготовки фиброузной оболочки в течение 20 минут при температуре 20°С, затем вынимают из раствора, выдерживают над емкостью 1 - 3 минуты для стекания остатков водного раствора наночастиц серебра, а затем передают материал на наполнение его фаршем. Наполнение заготовки фаршем проводят на шприц-машинах по стандартным режимам. Перевязанные заполненные батоны навешивают на палки и рамы и подвергают осадке в течение 3-5 суток при температуре 4°С и относительной влажности воздуха 87,3%. После осадки колбасу направляют на копчение, которое проводят в автоматизированных камерах "Бага" дымом в течение 72 часов при 20-22°С. После завершения копчения сырокопченые колбасы сушат в течение 30 суток в сушильной камере при 12°С и относительной влажности воздуха 60-80%, после чего готовую продукцию реализуют.

Разработанное покрытие для фиброузных оболочек обладает уникальными свойствами, сохраняя свою биологическую активность не только при повышенных температурах 70°С в течение месяцев, но, главное при хранении в условиях отрицательных температур от -5° С до -20°С в течение 6 месяцев и дальнейшей работоспособности при возвращении к нормальной температуре (таблица 8).

ТАБЛИЦА - 8 ВИРУЛЕНТНОСТЬ ФИБРОУЗНОЙ ОБОЛОЧКИ, ВЫДЕРЖАННОЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ, ____________В ТЕЧЕНИЕ ШЕСТИ МЕСЯЦЕВ___________

Конц. в К0Е/мл-106 Зона подавления роста микроор зависимости от темпе ганизмов в мм в ратуры

7 о о 5 О о 3 О о 10° 0° -5° -10° -20°

Pseudomonas аег^шБае 8 9 9 9 9 8 8 7

АстеШЬаС;ег Брр. 8 9 9 9 9 8 8 7

Е^егоЬаС;ег Брр. 12 13 13 13 13 11 11 9

В результате проведенного исследования, биоцидность фиброузной оболочки сохранялась практически неизменной при температуре 70° С в течение всего времени опытного наблюдения, т.е. не менее 8 месяцев, что превышает срок хранения сырокопченых колбас в фиброузных оболочках, без обработки наночастицами серебра, в два раза.

Все полученные результаты анализов находились в рамках требований СанПиН 2.3.1078-01. Содержание наночастиц серебра в слое фарша контактирующего с фиброузной оболочкой, обработанной концентратом коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра «AgБион-2» находится ниже допустимого порога по содержанию серебра в пищевых продуктах.

Влияние остаточного содержания наночастиц серебра в слое фарша на функционально-технологические и органолептические свойства готового изделия исследовались методом физико-химического анализа и сенсорной оценки. Результаты исследований представлены в таблицах 9 и 10.

ТАБЛИЦА 9 - ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СЫРОКОПЧЕНЫХ КОЛБАС

Наименование объекта исследования Физико-химические показатели

массовые доли, % плотность, кг/м3

Н2О NaCl NaNO2 белков жиров углеводов

сырокопченая колбаса в фиброузной оболочке без обработки наночастицами серебра 27 6 0,003 22 38 - 1048

сырокопченая колбаса в фиброузной оболочке, обработанной наночастицами серебра 33 6 0,003 22 38 - 1090

Оба образца сырокопченой колбасы в ходе проведенного физикохимического исследования имели схожие показатели содержания хлорида

натрия, нитрита натрия, белков, жиров и углеводов. Показатели плотности фарша и содержания воды заметно отличались. В выработанном образце сырокопченой колбасы в фиброузной оболочке, обработанной раствором наночастиц серебра, показатель плотности фарша и содержания влаги выше, чем в образце без применения обработки фиброузной оболочки наночастицами серебра. Это свидетельствует о способности коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра увеличивать влагосвязывающую способность фарша.

ТАБЛИЦА 10 -СЕНСОРНАЯ ОЦЕНКА СЫРОКОПЧЕНЫХ КОЛБАС

Наименование объекта исследования Характеристика

внешний вид цвет на разрезе аромат консистенция вид на разрезе вкус

сырокопченая колбаса в фиброузной оболочке без обработки наночастицами серебра чистая сухая поверхность без слипов и пятен красный приятный, с выраженным ароматом пряностей зернистая, ближе к плотной фарш равномерно перемешан, без темных пятен, пустот, кусочки шпика размером, кусочки шпика размером 3 мм слегка острый, солоноватый без посторонних привкусов

сырокопченая колбаса в фиброузной оболочке, обработанной наночастицами серебра чистая сухая поверхность без слипов и пятен темно- красный приятный, с выраженным ароматом пряностей плотная фарш равномерно перемешан, без темных пятен, пустот, кусочки шпика размером 3 мм слегка острый, солоноватый без посторонних привкусов

В результате сенсорной оценки было выявлено, что использование фиброузной оболочки, обработанной наночастицами серебра, способствует интенсификации образования окраски и ее стабилизации, увеличению

плотности фарша, повышению потребительских характеристик и гигиенической безопасности продукта.

Выводы. Разработанный препарат в виде долгоживущей биологически активной стабильной системы из наночастиц серебра в водноорганической среде, полученный методом обработки солей серебра аммиачным раствором с последующим восстановлением комплексных ионов и получения в результате мицелярного раствора содержащего наноразмер-ные частицы серебра, обладает высокоэффективными биоцидными свойствами в широком диапазоне температур и сохраняет свою биологичекую активность в течение длительного срока хранения. Полученный препарат был использован в технологии изготовления фиброузной оболочки, как компонент входящий в ее состав, так и в виде покрытия внутренней и внешней стороны оболочки. Выработанные образцы сырокопченых колбас в фиброузной оболочке с наночастицами серебра, характеризуются высокими функционально - технологическими свойствами, органолептическими показателями и увеличенными сроками хранения.

Список литературы

1. Александрова Г.П. Особенности формирования нанобиокомпозитов серебра и золота с антимикробной активностью / Г.П. Александрова [и др.] // Журнал Нанотехника. - 2010. - Т.23, вып.3.

2. Бородин Ю.В., Гусельников М.Э., Сергеев А.Н. Нанокомпозиционные структуры в тонком слое. - Томск: Изд. ТПУ, 2007. - 106с.

3. Калечиц В.И. Приборы для измерения частиц в нанотехнологиях / В.И. Калечиц // Журнал Нанотехника. - 2010. - Т.24, вып.4.

4. Яровая М. С. Бактерицидный раствор и способ его получения: пат. 234129 Российская федерация: МПК А61Ь2/16 / М.С. Яровая; заявитель и патентообладатель Автономная некоммерческая организация «Институт нанотехнологий Международного фонда конверсий». - №2007124505/15; заяв. 29.06.2007; опубл. 20.12.2008.

5. Яровая М.С. Биоцидный раствор и способ его получения: пат. 2333773 Россий-

ская федерация: МПК А61Ь2/16 / М.С. Яровая; заявитель и патентообладатель Автономная некоммерческая организация «Институт нанотехнологий Международного фонда конверсий». - №2007124506/15; заяв. 29.06.2007; опубл.

20.09.2008.