КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-26-00056
НазваниеИнтеллектуальный биоразлагаемый упаковочный материал для пищевых продуктов
РуководительЕремеева Наталья Борисовна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-301 - Технология пишевых продуктов
Ключевые словаИнтеллектуальная упаковка, наночастицы металлов, растительные пигменты, сроки годности, антибактериальная активность
Код ГРНТИ62.09.37
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Пищевые продукты очень уязвимы к загрязнению, вызванному микробными патогенами, что может стать причиной заболеваний пищевого происхождения. Ранее пластиковые упаковочные материалы часто использовались для защиты от патогенной инфекции, увеличивая при этом сроки годности пищевых продуктов. Тем не менее, по-прежнему существуют споры об использовании пластика из-за его неразлагаемой природы и экологической токсичности. Материалы на основе биополимеров недавно привлекли внимание в пищевой промышленности в качестве альтернативы из-за их нетоксичной природы. Особенно перспективно сочетание полисахаридов растительного и животного происхождения, например, пектина, альгината и хитозана.
Включение в рецептурный состав упаковки различных компонентов позволяет создавать не только экологичные, но и функциональные материалы. Так, особый интерес представляют собой наночастицы металлов, которые даже при малых количествах обладают бактерицидными и бактериостатическими свойствами.
В качестве компонентов упаковки нового поколения вводят индикаторы качества продукта. Такими компонентами могут быть пигменты, в том числе и растительного происхождения, способные улавливать химические изменения, связанных с ростом микроорганизмов в пищевых продуктах, чтобы предоставить информацию об их качестве и безопасности для принятия решений потребителями. Идентификация таких процессов проста, т.к. происходит изменения цвета упаковочного материала.
Активная упаковка также может высвобождать антиоксидантные соединения и предотвращать окисление в пищевых продуктах.
Таким образом, проект направлен на решение научной проблемы, связанной с разработкой биоразлагаемой, активной, интеллектуальной пленки для пищевых продуктов на основе биопластификаторов, нанокомпонентов и натуральных красителей. Получаемая композитная пленка будет изучена на способность подавлять рост патогенов пищевого происхождения, а также идентифицировать процессы порчи во время хранения пищевых продуктов, что позволит пролонгировать сроков годности их и снизить риски пищевых инфекций и отравлений человека.
Научная новизна исследований обусловлена тем фактом, что в рамках выполнения проекта будут:
- методом «зеленого» синтеза получены наночастицы оксида цинка с использованием экстрактов растений в качестве биореакторов, изучены их физико-химические и антиоксидантные свойства, биологическая активность, в том числе антибактериальная в отношении БГКП, Salmonella, Staphylococcus, E.coli;
- разработаны технологические характеристики и рецептурный состав биоразлагаемых активных интеллектуальных пленочных материалов с включением наночастиц металлов в качестве антибактериального компонента, растительных пигментов как визуального маркера изменения химического состава продукта и натуральных пластификаторов;
- изучены физические и функциональные свойства упаковочных пленок, включая микроморфологическую структуру и механические, барьерные свойства, pH-чувствительность, антибактериальные свойства, что позволит расширить область практического применения;
- исследовано влияние нанокомпозитной интеллектуальной пленки на процесс хранения пищевых продуктов, в том числе мясных полуфабрикатов.
Ожидаемые результаты
Реализация проекта предполагает получение комплекса научных результатов:
- методика «зеленого» синтеза наночастиц металлов в матрице экстрактов из растительного сырья с заданными размерами и формами;
- база данных БАВ экстрактов из растительного сырья, такого как пижмы, астрала перепончатого и донника лекарственного, а также биологически веществ, проявляющих антибактериальное действие в отношении БГКП, Salmonella, Staphylococcus, E.coli;
- параметры ведения синтеза: время, температура, pH и некоторых других факторов на формирование наночастиц оксида цинка;
- закономерности процесса образования биосинтезированных наночастиц путем восстановления и стабилизации химическими компонентами растительного происхождения, а также механизм синтеза наночастиц и его влияние на их форму и размер для различных приложений;
- методика получения биологически активного экстракта пигментов из растительного сырья (черноплодной рябины, свеклы, красного винограда);
- закономерности показателей спектральных характеристик экстрактов из растительного сырья в зависимости от pH, содержания аммиака и температурных показателей;
- технология и рецептурный состав интеллектуальной пленки с включением наночастиц металлов, растительных пигментов и натуральных пластификаторов.
Проект направлен на развитие новой для научного коллектива тематики по созданию интеллектуального биоупаковочного материала с включением в рецептуру компонентов функционального назначения, которые позволят не только увеличить сроки годности пищевых продуктов, но и идентифицировать их порчу в процессе хранения.
Научная значимость для развития новой научной тематики обусловлена следующим:
Решение обозначенной научной проблемы обеспечит создание интеллектуальной активной биоразлагаемой пленки нового типа, способной снижать риск отправления патогенами пищевого происхождения за счет подавления роста микроорганизмов, снижения скорости окислительных процессов и контроля изменения pH-продуктов, которое является следствием необратимых изменений. Разработанные в ходе решения обозначенной научной проблемы методики получения основных компонентов биопленки, технология и рецептура интеллектуальной упаковки с активными компонентами приведут к расширению границ применимости существующих результатов в области контроля безопасности и качества пищевого сырья и готовой продукции.
Развитие научной тематики найдет применение в различных отраслях.
Практическая значимость проекта заключается в разработке и внедрении отечественной конкурентоспособной технологии производства активной интеллектуальной биоупаковки. Социальная значимость проекта обусловлена возможностью снижения риска микробиологической обсемененности пищевых продуктов в процессе хранения, что в конечном итоге позволит обеспечить население безопасным продовольствием. Внедрение в производство композитной биопленки будет способствовать защите окружающей среды.
Наночастицы используются в качестве носителей для введения антибактериальных компонентов, антиоксидантов, средств против потемнения и других биоактивных материалов для увеличения срока годности даже после вскрытия упаковки. Применение композиций из наночастиц в упаковке пищевых продуктов действует также как барьер для газов или влаги и, таким образом, уменьшает порчу и сушку пищевых продуктов, т.е. увеличить их жизненный цикл. Визуальный индикатор в виде натурального пигмента в составе упаковки информирует потребителя о качестве употребляемого продукта, тем самым минимизируя риски пищевых отравлений и, как следствие, затрат, связанных с ними.
Результаты успешного выполнения исследований будут доступны как для крупных компаний, так и для небольших предприятий пищевой промышленности.
Создание упаковочных материалов нового поколения отечественного происхождения, позволит поддержать политику импортозамещения и ресурсосбережения действующей на территории РФ.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На первом году реализации проекта основной задачей стояло получение компонентов упаковки, отвечающих за активные и интеллектуальные свойства, и изучение их свойств. Активные свойства упаковке будут придавать наночастицы оксида цинка. За интеллектуальные свойства пленки будут отвечать пигменты, полученные из растительного сырья.
Наночастицы (НЧ) оксида цинка получены биологическим «зеленым» методом. Выбран способ получения наночастиц оксида цинка в матриксе растительных экстрактов, богатых фенольными соединениями. Таким растительным сырьем является пижма (Tanacetum vulgare L.), астрагал перепончатый (Astragalus mongholicus) и донник лекарственного (Melilotus officinalis).
Проведены анализы по количественному определению содержания фенольных веществ и флавоноидов в экстрактах, полученных из растительного сырья. Изучены антиоксидантная активность по методу DPPH и железовосстанавливающая антиоксидантная способность по методу FRAP.
Изучены различные условия получения НЧ оксида цинка с растительными экстрактами. Получены данные, что изменение сырья для получения растительного экстракта, концентрации соли цинка, pH и температуры влияют на возможность получения и выход НЧ оксида цинка. Результаты исследования показали, что оптимальным являются следующие условия: водный экстракт пижмы, 25 % раствор сульфата цинка, pH 5,7-5,9, температура 55 °C, 1 ч.
Полученные наночастицы оксида цинка охарактеризованы при помощи УФ-видимой спектроскопии (УФ-ВИД), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
У НЧ оксида цинка, полученного методом «зеленой» химии выявлена антимикробная активность, особенно выраженная при концентрации наночастиц оксида цинка в коллоидном растворе 500 мкг/мл. Так же выявлено пролонгированное бактерицидное действие наноразмерных частиц оксида цинка. Установлено, что при диффузии в течение 24-48 ч в питательный агар наночастиц оксида цинка из лунок его антимикробное действие сохраняется длительное время и после удаления образцов из лунок. В зоне задержки роста и на месте удаленных из лунок образца наноразмерных частиц оксида цинка не отмечался рост микробов, что свидетельствует о преимуществах использования полученного в данном исследовании НЧ оксида цинка как антибактериального агента.
Следующим этапом проекта являлось получение натуральных пигментов из плодов черноплодной рябины, свеклы, красного винограда, а также определение условий и сроков его годности. На основании экспериментальных данных выбраны технологические режимы процесса получения пигментов из плодов черноплодной рябины, свеклы, красного: экстрагирование водой при ультразвуковом излучении, температуре 40 °C, 120 мин и дальнейшее концентрирование до содержания сухих веществ 65 %.
Каждый из экстрактов охарактеризован по органолептическим, физико-химическим, антиоксидантным свойствам и микробиологическим показателям. Рекомендуемый срок годности пигментов 12 мес. при температуре 4–7 °С, без доступа света и воздуха.
Изучена и описана зависимость цветового пигментов черноплодной рябины, свеклы и красного винограда на изменение pH окружающей среды, а также наличия аммиака в окружающей среде. Охарактеризованы оптические спектры поглощения экстрактов в УФ и видимой области.
Публикации
1. Фролова К.О., Еремеева Н.Б. Разработка интеллектуальной биоразлагаемой упаковки пищевых продуктов Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО, Т. 2, С. 172-175 (год публикации - 2023)
2. Еремеева Н.Б. Nanoparticles of metals and their compounds in films and coatings: A review Foods and Raw Materials, № 1, Т. 12, С. 60-79 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.21603/2308-4057-2024-1-588