автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка технологии комплексного антимикробного препарата на основе наночастиц серебра для защиты поверхности варено-копченых колбасных изделий

4841ЬЬи

На правах рукописи Шевченко Ирина Михайловна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО АНТИМИКРОБНОГО ПРЕПАРАТА НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТИ ВАРЕНО-КОПЧЕНЫХ КОЛБАСНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь - 2011

4841560

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» (СевКавГТУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Серов Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емельянов Сергей Александрович доктор технических наук, старший научный сотрудник Запорожский Алексей Александрович

Ведущая организация: ГОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, г. Саратов

Защита состоится 14 апреля 2011г. в Ю00ч. на заседании диссертационного Совета Д 212.245.05 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355028 г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2, ауд. К308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технического университета Автореферат разослан « » ¿¿¿¿^¿¿¿¿>2011 г. Ц

Ученый секретарь / /[

диссертационного совета, д.т.н., профессор (шА/п / Шипулин В. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в целях восстановления престижа российских продуктов питания производители уделяют повышенное внимание качеству колбасных изделий, расширению их ассортимента, росту объемов выработки продукции, пользующейся повышенным спросом у населения.

Одной из главных причин резкого снижения качества и пищевой ценности колбасных изделий и мясных продуктов является поражение их поверхности плесневыми грибами, дрожжами и другими микроорганизмами. Контамннирующие микроорганизмы не только ухудшают товарный вид продукции и снижают ее вкусовые качества, но и вызывают пищевые отравления, дисбактериозы, аллергические реакции и нарушения обмена веществ у людей в связи со способностью продуцировать разнообразные токхины. Поэтому производство полноценных продуктов питания тесно связано с соблюдением технологий, обеспечивающих защиту < от микробиологической порчи, сохраняющих питательную ценность продуктов в течение длительного времени за счет использования эффективных антимикробных средств с полифункциональными свойствами.

Особенно остро стоит вопрос защиты дорогостоящей продукции (сырокопченых, варено-копченых колбас, а также деликатесной продукции в натуральной оболочке) на стадии производства и реализации.

В настоящее время, в качестве антимикробных препаратов рекомендуется использовать природные консерванты - чеснок, горчицу, хрен, кору дуба, берёзы, поваренную соль, а так же растворы уксусной, бензойной и пропноповой кислоты. Однако при использовании этих средств можно добиться лишь слабого торможения развития плесневых грибов. Сорбиновая кислота и се производные, используемые для замачивания колбасных оболочек, также не обеспечивают необходимого пролонгированного защитного эффекта. На сегодняшний день в России сорбиновая кислота и сорбагы не производятся.

Во многих странах для защиты поверхности пищевых продуктов от ллесневения применяют препарат «Дельвоцид», имеющий токсико-гигиенические ограничения, поскольку относится к антибиотическим

препаратам, которые не рекомендуется применять в пищевой промышленности.

Поэтому важной задачей, стоящей перед мясоперерабатывающей промышленностью, является поиск новых альтернативных препаратов для антимикробной защиты поверхностей мясопродуктов. При этом одним из перспективных направлений в этой области является разработка комбинированных антимикробных препаратов нового поколения с использованием наночастиц серебра.

Исследованиями антимикробного действия нано-размерных частиц серебра занимаются целый ряд отечественных и зарубежных ученых: Егорова Е.М., Ревина A.A., Оленин АЛО., Копейкин В.В., Сергеев Б.М., Танасюк Д.А., Jose Ruben Morones, Jose Luis Elechiguerra, Juan В Kouri, Jose Tapia Ramnrez, Ping Li, Juan Li, Changzhu Wu, H.Y Song, K.K Ko, LH Oh, B.T Lee, Ales Panarcek. Наночастицы серебра благодаря малому размеру чрезвычайно активны и могут вызывать гибель бактерий, вирусов, грибков на больших поверхностях. Наночастицы имеют большую удельную поверхность, что увеличивает область контакта серебра с бактериями или вирусами, значительно повышая его бактерицидные свойства. Таким образом, применение серебра в виде наночастиц позволяет в сотни раз снизить концентрацию металла при сохранении всех его бактерицидных свойств.

На сегодняшний день существуют различные способы получения наночастиц серебра, при этом от условий проведения процесса синтеза наночастиц серебра зависят медико-биологические и технологические свойства препаратов на его основе.

В связи с этим разработка научно-обоснованной технологии комплексного антимикробного препарата на основе наночастиц серебра и рекомендации по его применению при обработке поверхности варено-копченых колбасных изделий в натуральной оболочке является актуальной и востребованной.

Цель и задачи исследований.

Целыо настоящей работы является разработка технологии комплексного антимикробного препарата на основе наночастиц серебра для защиты поверхности варено-копченых колбасных изделий в натуральной оболочке и обеспечения ее доброкачественности при длительном хранении.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить закономерности синтеза наночастиц серебра в присутствии полшшнилпирролидона (ПВП);

оптимизировать режимы синтеза концентрата агрегативно-устойчнвых наночастиц серебра;

- исследовать влияние условий дисперсионной среды на размеры наночастиц серебра в биологически активной фракции;

- изучить физико-химические, токсикологические свойства, а также морфологию наночастиц Ае;

- провести исследования. антимикробной активности наночастиц серебра в сравнении с известными антимикробными препаратами;

- провести апробацию разработанного комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А§» в условиях промышленного производства и дать оценку экономической эффективности его использования;

- провести сравнительный анализ опытных и контрольных образцов варено-копченых колбас по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям;

- на основании полученных данных разработать проект нормативной документации на комплексный антимикробный препарат «Аллюзин4^^».

Научная новизна. Изучены закономерности и оптимизированы режимы синтеза агрегативно устойчивых наночастиц серебра, стабилизированного поливииилгшролидоном (ПВП). Исследованы физико-химические свойства и морфология наночастиц серебра. Теоретически обоснован и экспериментально доказан синергетический антимикробный эффект комплексного антимикробного препарата «AллIOЗин+Ag». Показана целесообразность его использования для защиты поверхности варено-копченых колбасных изделий и натуральной оболочке.

На комплексный антимикробный препарат «Aллюзин+Ag» подана заявка на изобретения.

Практическая значимость.

Разработана рецептура комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А£» на основе наночастиц серебра, стабилизироваЕШых ПВП, и антимикробного состава «Аллюзин-Нео», позволяющая защитить поверхность колбасных изделий от микробиологической порчи и продлить сроки хранения готовой продукции.

Разработаны практические рекомендации по использованию комплексного антимикробного препарата «Аллюзип+А£» для обработки поверхности колбасных изделий, прошедшие апробацию в условиях ООО Комбинат готовой продукции «Ресурс» г. Невинномысска Ставропольского края.

Разработан проект технической документации на комплексный антимикробный препарат «Аллюзин+А§».

Апробация работы. Основные положения, изложенные в работе, докладывались и обсуждались на VII международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нано-технологии» (Кисловодск, 2007); школе - семинаре «Современные наукоемкие технологии: от идеи к внедрению» (Белгород, 2007); 11-ой международной научной конференции памяти В.М. Горбатова «Тенденции и перспективы развития инновационных и информационных технологий перерабатывающей промышленности» (Москва, 2008); научно-практическом семинаре «Реальные мембранные нанобиотехнологии в молочной промышленности» (Ставрополь, 2009); XI международной научной конференции «Химия твердого тела: монокристаллы, наноматериалы, наногехнологии» (Кисловодск, 2009 г).

Публикации. По материалам научных исследований в рамках диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рекомендуемом ВАК РФ журнале.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы, содержащего 195 наименований источников и

20 приложений. Основная часть работы изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 30 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор патентной и научно-технической литературы по проблеме повышения качества, безопасности и пролонгирования сроков хранения мясных продуктов за счет обработки их антимикробными препаратами. Проведен анализ антимикробных препаратов, используемых в пищевой промышленности.

Дано теоретическое обоснование целесообразности использования наночастиц серебра в качестве высокоэффективной компоненты при разработке комплексных антимикробных препаратов. Рассмотрены способы синтеза агрегативно устойчивых наночастиц серебра. По результатам анализа литературных данных сформулированы цель и задачи данного исследования.

Во второй главе представлена схема проведения исследований (рис. 1), дана характеристика объектов исследования и условий проведения опытов, приведены методы исследований и обработки экспериментальных данных.

В качестве объектов исследования использовали: колбасные оболочки, по ГОСТ 16402; серебро азотнокислое, х.ч., по ГОСТ 1277-75; поливинилпирролидон марки «Plasdone С-15» по ФСП 42-0384-2668-02; состав антимикробный «Аллюзин-Нео» фирмы ООО «Интел-Экстра» (г.Москва) по ТУ 9154-010-22701039-09.

Для комплексной оценки состапа и свойств синтезированного концентрата наночастиц серебра использовались следующие методы исследования и определялись показатели:

- массовая доля серебра - титрометрическим методом по ГФ СССР IX, а так же методом фотометрии дитизопового комплекса;

- размеры наночастиц серебра - методом фотонной корреляционной спектроскопии на спектрофотометре динамического рассеивания свела Photocor Complex;

Рисунок 1 - Схема проведения эксперимента

- морфология наночастиц серебра - методом просвечивающей электронной микроскопии на установке JEM 100В фирмы JEOL;

- спектральные характеристики водных растворов наночастиц серебра были изучены на спектрофотометре СФ-46.

Антимикробная активность полученного концентрата наночастиц серебра, а также комплексного антимикробного препарата изучалась методом диффузии в агаровый диск в соответствии с ГОСТ 9.049-91, а также МУК 4.1.1955-05.

Токсикологические испытания концентрата наночастиц серебра проводили па лабораторных белых мышах согласно «Методических указаний по токсикологической оценке новых препаратов для лечения и профилактики незаразных болезней животных». При определении острой токсичности препарат животным вводили внугрижелудочно в возрастающих дозах с равным интервалом и, учитывая количество павших и выживших животных, процент летальности и ее выражение в пробитах. По классу опасности препарат классифицировали согласно ГОСТ 12.1.007-76.

В дальнейшем, при проведении экспериментальной части работы к опытно-промышленной выработке образцов варено-копченых колбасных изделий использовали общепринятые методы исследований для определения органолептических, физико-химических и микробиологических показателей сырья и готовой продукции.

Анализ полученных экспериментальных данных проводили с использованием методов математической статистики, регрессионного и корреляционного методов анализа. Повторность опытов 3 - 5-кратная. Обработка экспериментальных данных выполнялась на ПЭВМ с использованием пакета прикладных программ Neural Networks v.4.0e и Statistica 8.0.

В третьей главе представлены данные по изучению закономерностей процесса синтеза наночастиц серебра. Сравнительный анализ разнообразных способов получения наночастиц серебра (восстановление ионов металла в системе обратных мицелл, синтез гидрофильных наночастиц серебра, стабилизированных солями четвертичных аммониевых оснований и т.д.) дает основание предположить, что одним из перспективных способов получения

агрегативио-устойчивых напочастиц серебра является восстановление нитрата серебра в присутствие высокомолекулярного водорастворимого стабилизатора.

Проведение синтеза в однофазных системах, как правило, приводит к образованию напочастиц серебра с различным уровнем полидисперсносности, при этом антимикробная активность напочастиц серебра является размерно-зависимой функцией. С уменьшением размеров напочастиц серебра их антимикробная активность увеличивается и достигает максимума в интервале 1 - 10 нм (так называемая биологически-активная фракция). Таким образом, в диссертационной работе особое внимание было уделено получению агрегативио-устойчивых напочастиц серебра с диаметром < 10 нм.

В соответствии с методологией априорного ранжирования, учитывая литературные данные и результаты предварительных экспериментов, был проведен отбор основных переменных параметров, оказывающих значимое влияние на размеры наночастиц серебра и выход биологически активной фракциинаночастиц серебра (не более 10 нм).

В качестве переменных параметров были выбраны следующие факторы представленные в таблице 1:

1. Массовая доля нитрата серебра в системе, %

2. Массовая доля поливинилпирролидона, %

3. Температура проведения синтеза, (°С),

4. Массовая доля этилового спирта,% Функцией отклика (выходным параметром) является:

У6аф - массовая доля биологически активной фракции наночастиц серебра (< 10 нм) по данным фотокорреляционного анализа, %.

Для исследования четырех факторов при их изменении на четырех уровнях был применен ортогональный план из 16 опытов в 3-х кратной повторности.

Таблица 1 — Параметры плана

Наименование параметров, обозначения Уровни варьирования переменных

Массовая доля Ag^lOэ, %, (а) 1 1,5 2 2.5

Массовая доля ПВП, %, (Ь) 5 10 15 20

Температура, "С, (с) 50 60 70 80

Массовая доля этилового спирта, %, (<1) г 3 4 5

Матрица планирования эксперимента была (табл. 2) получена методом греко-латинских квадратов.

Таблица 2 - Матрица планирования эксперимента, полученная методом греко-латинских квадратов

№ опыта параметры № опыта параметры

1 aibiC,di 9 aibjCid4

2 Э]Ь2с^2 10 a3b2c4dj

3 aibj&idi II a.1b1c:d3

4 ajbjc.jd, 12

5 a2b|C2d3 13 atb,c4d;

6 "2b2c,di 14 a>b2c.,d,

7 1 a3bjCjd[ 15 a4bic2dj

8 a?b,c,d2 16 ajbjCid,

Обработка полученных экспериментальных данных была проведена с использованием пакета прикладных программ Statistica Neural Networks v.4.0e.

На начальном этапе анализа полученных экспериментальных данных была создана нейронная сеть, т.е. многослойный персептрон с четырьмя входными переменными и одной выходной переменной - функцией (рис.2.).

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ НЕЙРОНЫ

процесса получения низкоразмерных агрегативно устойчивых наночастиц серебра

С помощью обучающих алгоритмов нейронную сеть приводили в соответствие с экспериментальными данными. Определение условий адаптации вели с использованием генетического алгоритма путем создания массива данных с учетом всех возможных вариантов хода технологического процесса получения низкоразмерных агрегативно-устойчивых наночастиц серебра.

На следующем этапе осуществлялась обработка массива нейронной сетью, и полученные результаты оптимизировались, в частности, оптимизация, проведенная по максимально возможному значению функции отклика дала возможность выбрать интервалы оптимальных параметров процесса синтеза агрегативно устойчивых низкоразмерных наночастиц серебра.

Показано, что оптимальными условиями получения агрегативно устойчивых наночастиц серебра с размерами не более 10 нм являются следующие:

Массовая доля нитрата серебра 0,75±0,05%

Выход биологически активной фракции наночастиц серебра при этих режимах составляет 22±2%.

Апробация оптимальных параметров, проведенная в лабораторных условиях, показала практически полную адекватность расчетным данным, воспроизводимость результатов, а также возможность получения концентрата агрегативно-устойчивых наночастиц серебра.

Фотокорреляционная спектрофотомстрия полученного концентрата (рис.3,табл. 3) свидетельствует не только об эффективности разработанного процесса синтеза агрегативно устойчивых наночастиц серебра, но и о его достаточно хорошей агрегативной устойчивости, т.к. скорость укрупнения нано-частиц серебра в течение срока наблюдения была пренебрежимо мала, а содержание биологически активной фракции наночастиц серебра составляет не менее 20%.

Массовая доля ПВП Температура Массовая доля спирта

25±1% 50±5°С 7,5±0,2%

Рисунок 3 - Гистограмма распределения наночастиц серебра по размерам в концентрате

Таблица 3 — Анализ распределения наночастиц серебра

Фракция Массовая доля, % гс„,им

1 21,8 0,703

2 ' 78,2 26,50

Программа Statistica Neural Networks v.4,0e дает возможность получить и проанализировать результаты в 3D-пространстве при изменяющихся значениях визуально невидимых факторов, что позволяет учесть наличие всех межфакторных взаимодействий и провести интерполяцию и экстраполяцию полученных данных

При проведении технологического процесса целесообразно учитывать граничные условия действия факторов с целью получения максимального выхода биологически активной фракции наночастиц серебра. В работе было изучено попарное влияние параметров при прочих оптимальных на протекание процесса синтеза наночастиц серебра, в частности, на выход биологически активной фракции.

Для изучения влияния граничных условий действующих факторов данные из приложения Neural Networks были экспортированы в пакет прикладных программ Statistica 8.0.

На рисунке 4 представлена поверхность отклика выходного параметра (массовая долю биологически активной фракции наночастиц серебра) в

зависимости от концентрации нитрата серебра и поливинилпирролидона при прочих оптимальных условиях, позволяющая выполнять анализ действия конкретных технологических параметров.

Рисунок 4 - Поверхность отклика выходного параметра УВАФ (массовая долю биологически активной фракции наночастиц серебра) в зависимости от

а) концентрации нитрата серебра и поливинилпирролидона;

б) концентрации нитрата серебра и спирта

Хорошо видно (рис. 4а), что при увеличении массовой доли ПВГ! при низких концентрациях нитрата серебра происходит увеличение выхода биологически активной фракции наночастиц серебра. Это происходит вследствие того, что повышение концентрации Г1ВП способствует стабилизации низкоразмерных наночастиц. Повышение концентрации ионов серебра в системе приводит к снижению доли БАФ вследствие выхода за рамки эквивалентных соотношений Ag:ПBП.

Анализ графической зависимости рисунок 4(6) свидетельствует о том, что повышение концентрации спирта в системе, т.е. восстановителя, приводит к повышению выхода БАФ наночастиц серебра. Однако, одновременное повышение концентрации ионов серебра в системе приводит к снижению выхода БАФ. По всей вероятности, в этом случае происходит дестабилизация и укрупнение наночастиц серебра за счет изменеиия гидрофильных свойств высокомолекулярного полимера, вследствие воздействия на него молекул спирта.

На рисунке 5 представлена поверхность отклика выходного параметра (массовая долю биологически активной фракции наночастиц серебра) в зависимости от массовой доли ПВП и температуры.

а

б

Рисунок 5 - Поверхность отклика выходного параметра УКЛФ (массовая доля биологически активной фракции наночастиц серебра) в зависимости от массовой доли поливинилпирролидона и температуры

Исходя из представленных графических данных, возможно, сделать вывод, что в изученных интервалах температур реологические характеристики ПВП, а, следовательно, и стабилизация им нано-кластеров серебра, определяются содержанием поливинилпирролидона в системе.

При дальнейшей обработке экспериментальных данных в пакете прикладных программ вЫ^са 8.0 была получена регрессионная зависимость выхода БАФ (УБаф), учитывающая линейные, парные и квадратичные эффекты

Адекватность полученного уравнения была проверена по критериям Фишера. Вероятность составила 0,95 при уровне значимости 0,05.

В четвертой главе представлены исследования по физико-химическим свойствам, морфологии, а также токсикологическим и антимикробным свойствам наносеребра.

Спектр поглощения водного раствора полученного образца наносеребра (рис. 6) в УФ и видимой областях с - 440 нм свидетельствует о том, что в системе присутствуют ультрадисперсные частицы серебра с размерами менее 10 нм.

зоо

400

5 ОО

6 СЮ

ТОО

Рисунок 6 - Спектр оптического поглощения водной системы наночастицы серебра - поливинилпирролидон

Дополнительно, размеры кластеров серебра в металл-полимерной композиции были определены методом фотонной корреляционной спектроскопии на спектрометре динамического рассеяния света Photocor Complex. Анализ полученной гистограммы (рис.3) распределения наночастиц по размерам показывает, что в состав препарата входит фракция наночастиц серебра с размерами до 10 им в количестве 21,8%,

Кроме этого, размеры и форму наночастиц серебра определяли методами микроскопии с использованием просвечивающей электронной микроскопии па установке JEM 100В фирмы JEOL, (рис. 7).

Ijgg

Рисунок 7 - Электронная микрофотография наночастиц серебра

На электронной микрофотографии хорошо видны наночастицы серебра в форме сфер, треугольников, а также стержней, при этом антимикробные и антивирусные свойства наночастиц серебра проявляются п первую очередь за счет наличия их в сферической форме.

В результате проведенных токсикологических исследований на лабораторных белых мышах установлено, что максимально переносимая доза (МИД) концентрата наночастиц серебра при »нутрижелудочпом введении составляет ОД мг/кг массы тела, a LD5o- 15 мг/кг массы тела. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 концентрат наночастиц серебра относится ко 2 классу опасности.

Для оценки антимикробной активности наночастиц серебра были проведены микробиологические тссты на чувствительность микроорганизмов диско-диффузионным методом по ГОСТ 17.2.4.02-81 и МУК 42 1840-04. Для сравнения использовался антимикробный состав «Аллюзин-Нео», широко применяемый в промышленности.

В опытах использовали следующие бактериальные культуры: Escherichia coli, микроскопические грибы Aspergillus niger, Mucor heterosporum, Pénicillium expansum, а также молочная плесень Endomyces lactis. Тест-штаммы культивировали на питательной среде Сабуро соответствующую ТУ 9229-014-00419789-95. Споровую суспензию грибов в концентрации 1-2 млн/мл наносили шпателем на поверхность питательной среды в чашки Петри. Затем ка диски фильтровальной бумаги наносили по 50 мкл бактерицидной композиции в исследуемых концентрациях и выкладывали на газоны с культурами микроорганизмов. Чашки помещали в термостат при t"-28°C и определяли зону подавления роста микроорганизмов в течение 7 суток инкубации. Полученные результаты обрабатывали по ГОСТ Р.8.563.- 96.

Исходя из результатов предварительных экспериментов и литературных данных (5-10 мкг Ag/мл) интервалы варьирования концентрации наночастиц серебра, подавляющие развитие микроорганизмов, были установлены в пределах 0,001 - 0,010% в пересчете на серебро. Повышенные антимикробные концентрации разработанного концентрата наночастиц ссрсбра обусловлены, по всей вероятности, массовой долей ЬАФ.

Результаты определения диаметра зоны подавления роста исследуемых микроорганизмов раствором наночастиц серебра различных концентраций представлены в таблице 4 и на рисунке 8.

Анализ полученных данных свидетельствует о том. что повышение массовой доли наночастиц серебра в системе выше 0,007% лишь незначительно увеличивает диаметр зоны подавления роста микроорганизмов.

Таблица 4 - Диаметр зоны подавления роста микроорганизмов рас твором наночастиц серебра различных концентраций (на 7 сутки), мм

Исследуемые микроорганизмы Концентрации наносерсбра,%

0,001(1) 0,003 (2) 0,005(3) | 0,007(4) 0,0! 0(5)

Диаметр зоны подавления, мм

Aspergillus niger 0 14±2 2IA-2 30±3 31±3

Penicillium expansura 0 16±2 18±2 23±2 25±2

Escherichia coli 2|±2 24±2 26±2 34±3 36±3

Elndoinyces lactis 0 17±2 ]9± 2 28±3 30±3

С другой стороны, уменьшение массовой доли наночастиц серебра до 0,005% и ниже приводит к существенному уменьшению диаметра зоны подавления роста микроорганизмов (на 5-9 мм). Таким образом, исходя из полученных результатов, целесообразно проведение дальнейших исследований антимикробных свойств наночастиц серебра в системе не выше 0,007%.

Рисунок 8 - Влияние массовой доли наночастиц серебра на диаметр зоны подавления роста микроорганизмов Escherichia coli и микроскопических грибов рода Aspergillus niger через 7 суток инкубации

Па основании анализа отечественных и зарубежных публикаций, посвященных взаимодействию ионов серебра, которые генерируются с

поверхности наночастиц ссрсбра, с клетками про- и эукариотных микроорганизмов, следует, что токсический эффект ионов серебра обусловлен его связыванием с мембранно-ассоциированными белками и липидной стромой мембран, вследствие чего происходит изменение трансмембранного потенциала и. в некоторых случаях, пробой клетки.

Основной причиной антимикробного действия консервантов, использующихся в настоящее время в промышленности (бензойная, сорбиновая, дегидрацетовая и др.) считается их действие на клеточную оболочку и мембраны, в частности, липофильные вещества, каковыми являются большинство пищевых консервантов, атакуют клеточную мембрану и разрушают её или нарушают её целостность. Учитывая примерно схожий механизм действия наночастиц серебра и липофильнмх консервантов, было сделано предположение о принципиальной возможности получение комплексного антимикробного препарата на основе наночастиц серебра и антимикробного состава «Аллюзин-Нео», действующим началом которого является натриевая соль дегидрацеговой кислоты. Поэтому, на следующем этапе эксперимента был проведен сравнительный анализ антимикробного действия водных растворов наночастиц серебра, антимикробного состава «Аллюзип-Мео» и комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А§», в рабочем растворе которого содержалось 3,5% «Аллюзина-Нео» и 0,007% наночастиц серебра в пересчете на серебро.

Результаты определения диаметров зон подавления роста исследуемых микроорганизмов растворами антимикробных препаратов «Аллюзин-Нео», нано-размерных частиц серебра и комплекса «Аллюзин+А§» представлены на рисунке 9 и в таблице 5.

Таблица 5 - Диаметр зон подавления роста микроорганизмов водными растворами антимикробных препаратов, мм

Исследуемые микроорганизмы Диаметр зоны подавления роста микроорганизма, мм

«Аллюзим-Нсо» (3,5%) Наносерсбро (0,007%) «Аллюзин+Ag»

Mu cor fiercrosporum 18*2 2412 зил

Aspergillus niger 2012 2!±2 2613

PeniciHium expausum 2S±3 321-3 59J4

Escherichia coli 25±3 3013 3613

Enöomvces laciis 191-2 2713 2813

Рисунок 9 - Влияние природы антимикробного препарата на диаметр зоны подавления роста микроскопических грибов рода Aspergillus niger и Pénicillium expansum через 7 суток инкубации:

1. «Аллюзин-Нео» 3,5%-ный водный раствор

2. Нано-серебро 0,007%-ный водный раствор

3. «Аллюзин+Ag»

Полученные результаты свидетельствуют о выраженном синергетическом антимикробном действии разработанного комплексного препарата «Аллюзин+Ag» по отношению к Pénicillium expansum (в 1,8 раза), Mucor heterosporum (в 1,3 раза), Aspergillus niger и Escherichia coli (в 1,2 раза) относительно антимикробного действия наночастиц серебра.

На следующем этапе проводилось исследование структурно-механических свойств натуральных колбасных оболочек после обработки их комплексным антимикробным препаратом «Аллюзин+Ag». Для сравнения использовался антимикробный состав «Аллюзин-Нео». Сравнительное изучение относительного удлинения при разрыве (ер,%) в продольном и поперечном направлениях, а также прочности при разрыве (ар, МПа) показало, что значения определяемых параметров различаются на величину погрешности измерения. Таким образом, структурно-механические свойства натуральных колбасных оболочек после обработки их комплексным антимикробным препаратом «Аллюзин+Ag» практически не изменяются.

В пятой главе приведены результаты изучение возможности использования комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+Ag» в технологии варено-копченых колбасных изделий. Апробация проводилась в условиях ООО Комбинат готовой продукции «Ресурс» г. Невинномысска.

Раг'кШЬип .'ÏJieHSUfT

Рецептурный состав образцов варено-коичепих колбасных изделий соответствовал ТУ 9213-018-50249087-00 Колбаса варено-копченая «Казачья». Все образцы колбасных изделий формовались в натуральную кишечную оболочку (черева свиная).

Поверхность колбасной оболочки контрольной партии №1 антимикробным препаратом не обрабатывалась. 1$ партии №2 поверхность колбасной оболочки была обработана 3,5%-пым раствором «Аллюзин-Нео», а в партии №3 - рабочим раствором комплексного препарата «Ал.чюзип+Лд» в составе которого было 3,5% «Лллюзипа-Нсо» и 0,07% нано-Ац. Поверхности колбасных оболочек в опытных партиях обрабатывались методом орошения.

После обработки поверхности колбасных изделий все партии продукции (контрольный и опытные образцы) хранились при температуре 6-8°С. и относительной влажности воздуха 75-78% в течение 25 суток.

При исследовании физико-химических свойств контрольного и опытных образцов варено-копченых колбасных изделий определяли показатели активности воды (А„), атак же массовую долю влаги в продукте.

В ходе проведения экспериментальных исследований были проведены измерения А„ в контрольном и опытных образцах при хранении в течение 25 суток криоскопическнм методом с помощью прибора АВК-4. Результаты проведенных исследований представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Показатель активности воды (Л„) в контрольном и опытных образцах

Показатель акташгосто воды, Л„

Образец Продолжительность хранения, сутки

0 5 10 15 20 25

Контроль, №1 0,956 0,944 0,946 0,936 0,931 0,911

«Лллюзин- 0,956 0,940 0,944 0,935 0,929 0,908

Нео», М-2

«Аллюзчн+ 0,955 0,946 0.94 0,926 0,921 0,898

Ас», №3

Динамика изменения показателя активности воды корреллирует с показателями свободной влаги контрольного и опытных образцов в течение всего периода хранения. График зависимости активности воды от массовой доли воды влаги представлен нарпсункс 10.

а б в

Рисунок 10 - Графики зависимости активности воды от массовой доли влаги в варено-копченых колбасных изделиях, (а) контрольный образец, (б) .опытный образец с использованием антимикробного препарата «Аллюзип-Нео», (в) опытный образец с использованием комплексного антимикробного препарата «Aллюзин+Ag»

Результаты микробиологических исследований варено-копченых колбасных изделий показали, что плесневые грибы на поверхности контрольного образца, не обработанного антимикробными препаратами, появились па 10 сутки храпения, у опытного образца с применением антимикробного препарата. «А ллюзин-Нсо» рост наблюдался на 15 сутки хранения, в опытном образце с применением комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+Ац» плесени не были обнаружены в течение всего срока хранения, данные представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Микробиологические показатели варено-копченых колбасных изделий в процессе хранения

Микробиологические пок:пглелп Допустимые уровни Значение покупатели при хранении

контрольный образец №1, су г. опытный образец «Аллюзин-Нео» №2, сут. опытный образец «Аллюзин+Л^» №3, сут.

5 -1 _10 .1 15 ' 20 0 | 5 | 10 | 15 | 20 0 I 5 1 10 1 15 1 20

БГКП (колифермы) в 1 г Сульфит])сду пирующие югостридии в 0,01 г в 1,0 г не доп. В 0,1 Г 1 гс лоп. в 1,0 г не обнаружено в 1,0 г не обнаружено в 1,0 г не обнаружено

в 0,1 г не обнаружено в 0,1 г не обнаружено в 0,1 г иг обнаружено

Пяюгспныс, в т.ч. сальмонеллы в 25г Staph, aureus и 1г в 25 г не лоп. в 25 г не обнаружено в 25 г не обнаружено в 25 г не обнаружено

в 1,0 г не лоп. в 1,0 г не обнаружено о ] .0 г не обнаружено в 1,0 г не обнаружено

L monocytogenes 25г в 23 г не аоп. в 25 г не обнаружено б 25 г не обнаружено в 25 г не обнаружено

Плесени, КОН/г • | <10 | 10 | 15 - | - |<10 | 10 не обнаружено

Качественные показатели колбасных изделий в процессе хранения в существенной степени зависят от состояния липидной фракции, поэтому в процессе храпения регулярно определялось перекиснос число липидной фракции. Результаты исследований приведены ка рисунке 11.

■■ Контрольный o6p4snuNül

- Опытный образец NS2

—Лг~ Опытный оОраэец N9.3

Продолжительность хранения, сутки

Рисунок 11 - Изменение перекисного чисела в процессе хранения варено-копченых колбас

Проведенные испытания свидетельствуют о проявлении антиокислительиых свойств антимикробного состава «Аллюзин-Нео» и антимикробного комплексного препарата «Аллюзин+Ag». Вероятно, это обусловлено подавлением липолитических микроорганизмов в частности рода Pseudomones, атак же плесеней и грибов.

В процессе хранения контрольного и опытных образцов определялась антимикробная эффективность препаратов по относительной площади поражения колбасной оболочки кантами пирующими микроорганизмами. Результаты эксперимента приведены на рисунке 12.

Рисунок 12 — Влияние природы антимикробного препарата на величину относительной площади поражения колбасной оболочки контаминирующими микроорганизмами, %:

Ц- контроль; | - «Аллюзин-Нео»; о - «Аллюзин+т4^»

Результаты исследований, приведенные на рисунке 12, показывают, что использование комплексного антимикробного препарата «Лллюзин+Ag» для обработки поверхности колбасных оболочек дает возможность продлить сроки хранения колбасной продукции до 20 суток.

На основании экспериментальных исследований и данных, полученных при опытно-промышленной выработке, разработана техническая документация СТО 02067965-014-2010 «Комплексный антимикробный препарат «Лллюзин+Ag». Экономический эффект, обусловленный снижением себестоимости процесса обработки поверхности колбасной оболочки по сравнению с «Аллюзином-Нсо» составляет 450 руб. на 1 тонну готовой продукции.

ВЫВОДЫ

1. Изучены закономерности и оптимизированы режимы синтеза концентрата агрегативно-усгойчивых наночастиц серебра в присутствии поливинилпирролидона (ПВГТ) т.е со (ПВГ1)-25%;. (о (AgN03)-0,75%; со (С2Н5ОН)-7,5%; температура 50°С.

2. Исследовано влияние условий дисперсионной среды (со (ПВП), %;. о) (AgNO,), %; о) (С2Н5ОН), %; температура °С) на выход натючастиц серебра (<10нм) в составе биологически активной фракции.

3. Изучены физико-химические свойства и морфология наночастиц серебра в составе биологически активной фракции.

4. Изучены токсикологические свойства наночастиц серебра. Определены максимально переносимая Доза (МГЩ) концентрата наночастиц серебра - 0,1 мг/кг массы тела, 1Л)50 - 15 мг/кг массы тела. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 концентрат наночастиц серебра отнесен ко второму классу опасности.

5. Теоретически обоснован и экспериментально доказан синергетический антимикробный эффект наночастиц серебра и антимикробной композиции «Аллюзип-Нео» в составе комплексного антимикробного препарата «Лллюзин+Ag».

6. Проведена апробация разработанного комплексного антимикробного препарата «Лллюзин+Ag» в условиях промышленного производства и

показана целесообразность его использования для защиты поверхности варено-копченых колбасных изделий.

7. Проведен сравнительный анализ опытных и контрольных образцов варено-копченых колбас по органолептичсским, физико-химическим и микробиологическим показателям.

8. Экспериментально доказано, что использование комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+Ag» для обработки поверхности колбасных оболочек даст возможность продлить сроки храпения колбасной продукции до 20 суток.

8. IIa основании проведенных исследований разработана техническая документация СТО 02067965-014-2010 на «Комплексный антимикробный препарат «Аллюзин+Ag».

9. Определен экономический эффект, обусловленный снижением себестоимости процесса обработки поверхности колбасной оболочки но сравнению с «Аллюзин-Нсо», который составляет 450 руб. на I тонну готовой продукции.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Шевченко И.М., Серов A.B., Шипулин В.И., Лайкова Е.П. Синтез наночастиц серебра. Тезисы докладов VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и наногехпологии». Кисловодск2007. с. 238-239

2. Шипулин В.И., Серов A.B., Шевченко И.М. Синтез и использование бактсриостатиков на основе наночастиц серебра для повышения срока хранения колбасных изделий. Сб. докладов 11 Международной научной конференции памяти В.М.Горбатова «Тенденции и перспективы развития инновационных и информационных технологий перерабатывающей промышленности» М.: РАСХН, 2008, стр.191-192.

3. Шипулин В.И., CepoR A.B., Шевченко И.М. Бактериостатики н обработке колбасных оболочек. Мясные технологии, № 3 стр. 44-46,2009.

4. Шевченко И.М., Серов A.B., Воронков ГЛ. Влияние режимов сушки на агрегативную устойчивость регидратировапных наночастиц серебра в водных растворах. Химия твердого тела: монокристалл].), пано-материалы,

наночехнологии. IX Международная научная конференция. Кисловодск-Ставрополь: СевКавГТУ, 2009 - стр. 61

5. Серов A.B., Шипулин В.И., Шевченко И.М. Некоторые перспективы использования наночастиц в пищевой промышленности. Реальные мембранные нанобиотехнологии в молочной промышленности. Международный научно-практический семинар. 27-28 октября 2009 года Ставрополь, СевКавГТУ, РАСХН, - стр. 10-12.

6. Серов A.B., Шипулин В.И., Шевченко И.М. Антимикробный препарат на основе наносеребра для защиты колбас. Мясная индустрия. (2), стр. 29-32,2010

7. Шевченко И.М. Синтез и использования наночастиц серебра в пищевой промышленности. Сборник научных трудов СевкавГТУ. Серия «Продовольствие» №6. стр. 80-84,2010

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 09.03.2011 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,2 Уч.- изд. л. - 1,0 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ №87. Тираж 100 экз. ГОУ НПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета Отпечатано в типографии СевКавГТУ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Анализ использования колбасной оболочки в технологии производства колбасных изделий.1.б

1.1.1 Классификация натуральных и искусственных колбасных оболочек.б

1.1.2 Натуральные (естественные) колбасные оболочки и их использование.

1.2 Микробиологические аспекты колбасных изделий в процессе хранения.

1.3 Методы антимикробной обработки поверхности колбасных изделий.

1.3.1 Действие облучения на подавления жизнедеятельности микроорганизмов находящихся на поверхности колбасных изделий.

1.3.2 Облучение ультрафиолетовыми лучами.

1.3.3 Электрический ток высокого напряжения для поверхностной обработки пищевых продуктов.

1.3.4 Использование консервантов для обработки поверхности колбасных изделий.

1.4 Медико-биологические аспекты воздействйя ¿еребра на человека и животных.

1.5 Антимикробные свойства наночастиц серебра и механизм его действия на микроорганизмы.

1.6 Способы получения наночастиц серебра.

В настоящее время в целях восстановления престижа российских продуктов питания производители уделяют повышенное внимание качеству колбасных изделий; расширению их ассортимента, росту объемов выработки продукции пользующейся повышенным спросом у населения.

Одной из главных причин резкого снижения качества и пищевой ценности колбасных изделий и мясных продуктов является поражение их поверхности плесневыми грибами, дрожжами и другими микроорганизмами. Контаминирующие микроорганизмы не только ухудшают товарный вид продукции и снижают ее вкусовые качества, но и вызывают пищевые отравления, дисбактериозы, аллергические реакции и нарушения обмена веществ у людей в связи со способностью 'продуцировать разнообразные токсины. Поэтому производство полноценных продуктов питания тесно связано с соблюдением технологий, 1 обеспечивающих защиту от микробиологической порчи, сохраняющих питательную ценность продуктов в течение длительного времени за счет использования эффективных антимикробных средств е полифункциональкь!ми свойствами.

Особенно остро стоит вопрос защиты 'дорогостоящих варено-копченых колбасных изделий в натуральной оболочк'е на стадии производства и реализации. :

В настоящее время, в качестве антимикробных препаратов рекомендуется использовать природные консерванты - чеснок, горчицу, хрен, кору дуба; берёзы, растворы уксусной, бензойной, пропионовой кислот, поваренную соль. Однако" при использовании' этих средств можно добиться лишь слабого торможения развития плесневый грибов. Сорбиновая кислота и ее производные, используемые для замачивания колбасных оболочек, также не обеспечивают необходимого пролонгированного защитного эффекта. На сегодняшний день в России сорбиновая кислота и сорбаты не производятся.

Во многих странах"для защиты поверхности пищевых продуктов от плесневения во многих странах применяют препарат «Дельвоцид», имеющий токсико-гигиенические ограничения, поскольку относится к ! • 4 i антибиотическим препаратам, которые не ¡ рекомендуется применять в пищевой промышленности.

Поэтому важной задачей, стоящей перед мясоперерабатывающей промышленностью, является поиск новых ¡альтернативных препаратов для антимикробной защиты, поверхностей мясопродуктов. При этом одним из перспективных направлений в этой области является разработка комбинированных антимикробных препаратов нового поколения с использованием наночастиц • серебра, т.к. серебро в нано-размерном состоянии проявляет уникальные антимикробные свойства.

Исследованиями антимикробного действия нано-размерных частиц серебра занимается целый ряд отечественных и зарубежных ученых: Егорова

Е.М., Ревина A.A., Оленин А.Ю., Копейкин В.В., Сергеев Б.М., Танасюк

-- . i J

Д.А., Jose Ruben Morones, Jose Luis Elechiguerra, Juan В Kouri, Jose Tapia i

Ramnrez, Ping Li, Juan Li, Changzhu Wu, H.Y Song, K.K Ko, I.H Oh, B.T Lee, Ales Panarcek. Наночастицы серебра благодаря малому размеру чрезвычайно активны и могут вызывать гибель бактерий, • вирусов, грибков на больших поверхностях. Наночастицы • имеют больщую .удельную поверхность, что увеличивает область контакта серебра с ¡ бактериями или вирусами, значительно повышая его бактерицидные' свойства. Таким образом, применение серебра в виде наночастиц позволяет в сотни раз снизить концентрацию металла при сохранении всех его бактерицидных свойств.

На сегодняшний" день существуют различные способы получения наночастиц серебра, при этом от условии проведения процесса синтеза наночастиц серебра и используемых стабилизаторов зависят медико-биологические и технологические свойства препаратов на его основе.

В связи с этим изучение закономерностей синтеза и стабилизации наночастиц серебра в водных средах с целью получения высокоэффективных биологически активных препаратов, а также разработка научно-обоснованной технологии получения комплексного антимикробного препарата на основе наночастиц серебра и рекомендации по его применению в пищевой промышленности с целью увеличения сроков хранения пищевой продукции является актуальной и востребованной.

ВЫВОДЫ

1. Изучены закономерности и оптимизированы режимы синтеза

I I концентрата агрегативно-устойчивых наночастиц серебра в присутствии поливинилпирролидона (ПВП) т.е со (ПВП) -'25%;. ю - 0,75%; ю (С2Н5ОН) - 7,5%; температура 50°С. '

2. Исследовано влияние условий дисперсионной среды (со (ПВП), %;.

I ■ ■ со (AgNOз), %', со (С2Н5ОН), %; температура °С) на выход наночастиц серебра (<10 нм) в составе биологически активной фракции.

3. Изучены физико-химические свойства и морфология наночастиц серебра в составе биологически активной фракции.

4. Изучены "токсикологические- свойства наночастиц серебра. Определены максимально переносимая доза (МПД) концентрата наночастиц серебра - 0,1 мг/кг массы тела, ЬБ50 - 15 мг/кг массы тела. В соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 концентрат наночастиц серебра отнесен ко второму классу опасности.

5. Теоретически обоснован и экспериментально доказан синергетический антимикробный эффект 1 наночастиц серебра и антимикробной композиции «Аллюзин-Нео» в составе комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А§». '

6. Проведена апробация разработанного-комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А§» в условиях промышленного производства и показана целесообразность его использования для защиты поверхности варено-копченых колбасных изделий.

7. Проведен сравнительный анализ опытных и контрольных образцов варено-копченых колбас по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

8. Экспериментально доказано, что использование комплексного антимикробного препарата «Аллюзин+А§» для обработки поверхности колбасных оболочек дает возможность продлить сроки хранения колбасной продукции до 20 суток.

8. На основании проведенных исследований 'разработана техническая документация СТО 02067965-014-2010 на «Комплексный антимикробный препарат «Aллюзин+Ag».

9. Определен экономический эффект,- обусловленный снижением себестоимости процесса обработки поверхности колбасной оболочки по сравнению с 1 «Аллюзин-Нео», который составляет 450 руб. на 1 тонну готовой продукции.

1. ГОСТ 9.049 91. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов.

2. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.

3. ГОСТ 1277 75. Реактивы. Серебро азотнокислое. Технические условия.

4. ГОСТ 16402 70. Кишки свиные обработанные. Чрева свиные. Технические условия.

5. ГОСТ 51448 99. Мясо и мясные продукты. Методы подготовки проб для ¡микробиологических исследований. ,

6. ГОСТ 5962 67. Спирт этиловый ректификованный. Технические условия.

7. ГОСТ Р 8.563- 96. Методика выполнения измерений.• I I

8. ГОСТ Р 10444.12. Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов.

9. ГОСТ Р 29185. Продукты пищевые. Методы вьшвления и определения количества сульфитредуцирующих клостридий.

10. ГОСТ Р 50457-92. Жиры и масла животные и растительные. Определение1.|кислотного числа и кислотности.

11. ГОСТ Р 51487-99. Масла растительные и жиры животные. Метод определенияг перекисного числа.

12. ГОСТ Р 51921. Продукты пищевые. Методы выявления и определения бактерий Listeria monocytogenes.

13. ГОСТ Р 52814. Продукты пищевые. Метод выявления бактерий рода Salmonela.

14. ГОСТ Р 52815. Продукты пищевые. Методы выявления и определенияIколичества коагулазоположительных стафилококков и Staphylococcus aureus.

15. ГОСТ Р 52816. Продукты пищевые. Методы выявления количества бактерийIгруппы кишечных палочек.

16. Государственная фармакопея Союза Советских Социалистических республик / Министерство здравоохранения СССР. 9-е изд. - М. : Государственное издательство медицинской литературы, 1961. - С. 387. '

17. СанПИН 2.3.2. 560-96. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. Санитарные правила и нормы.I

18. СанПИН 2.3.4. 050-96. Производство и реализация рыбной продукции.I

19. Санитарные правила и нормы.

20. Автолитические изменения облученного мяса при хранении / М. Фрумкин и др. . //Консервная и овощесушильная промышленность, 1962. №2.1.i