Физики Томского государственного университета и ИФПМ СО РАН разработали инновационный материал для пищевой упаковки. Новая полипропиленовая пленка, модифицированная двухкомпонентными наночастицами оксида цинка и серебра (ZnO/Ag), способна эффективно подавлять рост патогенных бактерий и грибков на своей поверхности, уничтожая практически 100% микроорганизмов. Это позволит значительно увеличить срок годности продуктов и снизить риск пищевых отравлений. Аналогов такой упаковки на отечественном рынке нет. Технология томских физиков уже запатентована и вызвала интерес у крупных российских производителей.
Полимерные материалы, например, полипропилен, идеальны для упаковки: они прочные, гибкие, дешевые и надежно защищают продукты от влаги и кислорода. Однако у них есть серьезный недостаток – на поверхности обычного пластика бактерии могут выживать неделями, что сокращает срок годности и создает риски для потребителей. Решением стало внедрение в материал антимикробных наночастиц.
Наиболее эффективными в этом отношении считаются частицы серебра, но они могут попасть в пищу. Безопасной альтернативой является оксид цинка (ZnO), однако ему требуется высокая концентрация или ультрафиолетовый свет. Томские ученые объединили эти материалы, создав двухкомпонентные наночастицы ZnO/Ag.
Их разработка является уникальной для России.
– На сегодняшний день у отечественной промышленности нет серийного многотоннажного производства антимикробных упаковочных материалов для пищевой отрасли. При этом производители очень заинтересованы в такой упаковке, так как увеличение срока хранения продуктов даже на сутки приведет к существенному снижению экономических потерь. Разработанная нами технология уже запатентована и готова к передаче от лаборатории в реальное производство. На данный момент интерес к ней проявили такие крупные промышленные компании, как «СИБУР ПолиЛаб» и НПП «Тасма», – комментирует старший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Ольга Бакина.
Уникальность разработки – в фотохимической активности двухкомпонентных наночастиц ZnO/Ag. Под действием солнечного света и/или искусственного освещения (к примеру, от ламп в магазине) они работают как микроскопические «чистильщики»: генерируют активные формы кислорода, которые разрушают компоненты бактерий и грибков. Это позволяет добиться сильного антимикробного действия при небольшой концентрации наполнителя, сохранив безопасность пищевой упаковки для потребителей и окружающей среды.
– Ключевым элементом разработки стали двухкомпонентные наночастицы, синтезированные особым методом – электрическим взрывом двух скрученных проволок в среде смеси аргона и кислорода. Электрический взрыв обладает достаточной производительностью (не менее 120 наночастиц в час), высокой чистотой и возможностью варьировать химический состав порошков. В свою очередь, состав смеси исключает наличие примесей на границе раздела фаз. В результате формируются частицы, состоящие из двух четко разделенных материалов – антибактериального оксида цинка и усиливающего его действие серебра, – рассказывает Ольга Бакина.
Для изготовления композитных пленок ученые использовали гранулированный полипропилен. После плавления гранул в полученный расплав вводили определенную концентрацию наночастиц, а затем методом горячего прессования получали композитные пленки толщиной от 70 до 140 мкм.
Важной задачей было не только придать полимеру антимикробные свойства, но и сохранить его основные характеристики: прочность, гибкость, скорость экструзии и безопасность. Как показали эксперименты, ключевым параметром стала концентрация наночастиц в полимерной матрице.
– При добавлении более 0,5 мас.% наночастицы начинали слипаться в крупные агломераты, что ухудшало механические свойства пленки, делая ее хрупкой. При меньшей концентрации антимикробный эффект был недостаточным. Так что оптимальной «дозой» стали 0,5 мас.% наночастиц. При таком содержании достигается максимальная эффективность: пленка подавляет практически 100% рост микроорганизмов, сохраняя при этом все необходимые для упаковки прочностные и эксплуатационные свойства, – отмечает Ольга Бакина.
Эффективность материала подтверждена в ходе тестов, рекомендованных стандартами. Пленку испытали против бактерий Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк) и дрожжеподобных грибов Candida albicans, которые являются тестовыми организмами для оценки эффективности антимикробных материалов. Бактерии и грибки, нанесенные на композитные пленки, были накрыты поверх стерильной пленкой и выдержаны в таком положении определенное время. Затем исследователи проверяли количество микроорганизмов на испытуемой поверхности. Выяснилось, что композиты с содержанием наночастиц 0,5 мас.% и выше удовлетворяют требуемому стандарту по снижению микробного роста (99,99%).
Отдельно оценили безопасность материала для человека с помощью тестов на цитотоксичность. Эти испытания проводились с использованием клеток подкожно-соединительной ткани мыши – стандартной высокочувствительной модели. Результаты показали полное отсутствие токсического эффекта: жизнеспособность клеток оставалась на высоком уровне даже после длительного контакта с композитом, независимо от массовой доли наночастиц.
Исследование поддержано грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ 075-15-2025-676). Исполнителями проекта стал научный коллектив лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ, Научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» и Института физики прочности и материаловедения СО РАН.
Результаты проведенных научных работ легли в основу статьи, опубликованной в «Российском физическом журнале».
Источник: Минобрнауки РФ
