Ученые разработали композитную пленку для упаковки продуктов на основе растительных полимеров, которая защищает пищу от ультрафиолетового излучения, бактерий и влаги, при этом позволяя «дышать». Благодаря таким свойствам предложенный материал можно будет использовать в быту и на производствах для увеличения срока хранения продуктов и предотвращения их порчи. Кроме того, композитная пленка полностью биоразлагаема, а потому станет хорошей альтернативой многослойным неперерабатываемым упаковкам. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.
Сегодня существуют различные способы сохранения продуктов свежими: например, асептическая технология Tetra Pak, когда для долговременного хранения содержимое и упаковку стерилизуют отдельно. Но этот и подобные подходы не всегда экологичны: обычно такие упаковки многослойны и не подлежат переработке. В последние годы экологичность выходит на передний план, поэтому материалы для упаковки должны не только иметь хорошие барьерные свойства и предохранять продукты от порчи, но и быть биоразлагаемыми.
Группа ученых из Института элементоорганических соединений РАН имени А. Н. Несмеянова (Москва) с коллегами разработала пленку для упаковки пищи, которая сочетает в себе все эти качества и даже может продлить срок хранения некоторых продуктов. За основу авторы взяли эфирное масло чайного дерева, которое известно своими антимикробными и антиоксидантными свойствами, которые могли бы быть полезными в упаковке пищевых продуктов. Однако такое масло сложно ввести в состав полимерной матрицы (например, полиэтилена), потому что некоторые его компоненты летучи и несовместимы с компонентами пленки.
У этого ограничения есть решение: микрочастицы масла чайного дерева можно инкапсулировать («завернуть») в наноконтейнеры, которые защитят их от улетучивания и разрушения. При этом сохранить биологическую активность вещества позволяет то, что молекулы постепенно высвобождаются из капсул. Примером таких наноконтейнеров служат металлоорганические каркасы — пористые кристаллические материалы, физическими свойствами которых можно управлять, варьируя их структурные компоненты — органические перемычки (линкеры) и металл-содержащие узлы.
Такие материалы уже активно используются в науке и медицине, но практически не изучались в аспекте пищевой промышленности. Для своей разработки ученые выбрали один из наиболее популярных биосовместимых металлорганических каркасов — MIL-100(Fe), — получаемый экологически безопасным способом из солей железа и органической кислоты.
В вакуумных условиях и при температуре 85°С ученые включили активные компоненты масла чайного дерева в состав металлорганического каркаса. Затем заполненные наноконтейнеры ввели в матрицу на основе двух растительных полимеров, которые широко используются в пищевой промышленности в качестве загустителей и влагоудерживающих агентов. После этого авторы экспериментально исследовали механические свойства полученных пленок, а также микроструктуру их поверхности, паропроницаемость, прозрачность и возможные антибактериальные свойства.
Лучшие результаты показали образцы, в которых концентрация наночастиц не превышала 2% от массы. При более высоких значениях однородность полимерной матрицы нарушалась из-за агрегации частиц, вследствие чего пленки приобретали шероховатую поверхность. Эксперименты показали, что разработанные пленки обладают антибактериальной активностью, а также блокируют ультрафиолетовое излучение, которое приводит к ускоренной порче продуктов. Кроме того, у предложенных материалов выявили хорошие показатели износостойкости, прочности и влагонепроницаемости.
«Сочетание металлорганических каркасов с природными полимерами может быть одним из возможных ключей к созданию экологичной и биосовместимой пищевой упаковки нового поколения. Благодаря использованию возобновляемого сырья такая упаковка поможет решить глобальные экологические проблемы, связанные с чрезмерным потреблением синтетических пластиков. В дальнейшем мы планируем совершенствовать механические и водоустойчивые свойства разработанных нами материалов. Что касается стоимости — полиэтилен дешевле любых альтернатив, но есть надежда, что в обозримом будущем стоимость такой пленки станет достаточно низкой для практического применения», — рассказывает Валентин Новиков, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, заведующий кафедрой химической физики функциональных материалов МФТИ.
В работе принимали участие исследователи из Московского физико-технического института (Москва), Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков имени Г. Ф. Гаузе (Москва), НОЦ «Композиты России» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана (Москва) и Университета Сириус (Сочи).