Kaliningrad, Kalinigrad, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
The existing methods of disinfection of containers for fermented milk products proved to be ineffective. The present research featured an antimicrobial preparation based on silver, copper, and zinc nanoparticles as a disinfectant solution. The authors studied the properties of the antimicrobial in order to prove its effectiveness in processing containers to increase the shelf-life of fermented milk products. The size of the silver nanoparticles ranged from 1 to 10 nm. The nanoscale particles of copper were obtained by the method of electric explosion. It was established that the mass fraction of the active substance (active metals) in the antimicrobial was 50.1%; the mass fraction of water was 11.2%; the mass fraction of hydrogen peroxide was 1.0%. To assess the ability of the antimicrobial to increase shelf-life of fermented milk products, the authors analyzed the microbiological properties of cottage cheese. The 50-gram samples were packed in pre-treated polyethylene containers that had been cleaned with the antimicrobial. After that the samples were left for storage at minus 4 ± 1°C. The quality and the microbiological state of the cottage cheese was evaluated on days 3, 5, 7, 9, 11, and 13, which was justified by the experimental conditions and regulatory documentation. Eventually, it was established that the product contained no pathogenic bacteria, such as L. monocytogenes, Salmonella, E. coli, staphylococci, yeast, molds or any viable microbial cells. It was proved that the test sample retained its consumer properties for 13 days, while the control sample was found unusable by day 7. Thus, by using the antimicrobial, it was possible to increase the shelf life of the dairy product by more than 5 days.
Fermented milk products, plastic packaging, antibacterial drug, antimicrobial, colloidal solution, nanoparticles
Введение
Качество выпускаемой молочными предприя- тиями продукции в значительной мере определяется качеством мойки и дезинфекции технологического оборудования, тары, инвентаря, с которыми соприкасаются молоко и молочные продукты [1]. Обеззараживание тары предусматривает ее полное или частичное освобождение от микробиологи- ческого загрязнения [2].
Дезинфекция горячей водой не всегда обеспечивает необходимую температуру прогрева тары для кисломолочных продуктов. Горячие виды дезинфекции неприемлемы, когда тару необходимо сразу использовать в производстве под охлажден- ный продукт.
Свет губительно действует на микроорганизмы и может использоваться для обеззараживания тары для кисломолочных продуктов [3, 4]. Наибольшей бактерицидностью обладают лучи с короткой волной и сильным фотохимическим действием (ультрафиолетовая часть спектра). Высокое бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей широко используют для обеззараживания тары для кисломолочных продуктов, холодильных камер на предприятиях молочной промышленности. Для этого применяют бактерицидные увиолевые лампы разной мощности [5].
К химическим способам обеззараживания тары для кисломолочных продуктов относят дезинфекцию, с применением разнообразных дезинфектантов с помощью распылительных аэрозольных техноло- гий [6] или погружных жидкостных технологий [6].
В современной производственной практике существует реальная потребность совершенство- вания дезинфекционных и стерилизационных технологий, основанных на общих принципах научной дезинфектологии. Основными требова- ниями, предъявляемыми к современным средствам обеззараживания от микробиологических агентов, являются сочетание высокого уровня безопасности, эффективности и универсальности [7].
Целью работы являлось изучение эффективности антибактериального препарата для погружной обработки полиэтиленовой тары в процессе хранения кисломолочных продуктов.
Объекты и методы исследования
Исследования были проведены в период с 2016 по 2018 гг. на базе кафедры «Бионанотехнология»
научно-исследовательского института биотехноло- гии. Использовалось аналитическое оборудование научно-образовательного Центра коллективного пользования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Кемеровский государственный университет».
На разных этапах работы объектами и материалами исследования явились:
- творог по ГОСТ 31453-2013;
- антимикробный препарат, состоящий из следующих компонентов: синтезированный согласно методике [8, 9] коллоидный раствор серебра (50 %), синтезированный коллоидный раствор наночастиц меди (25 %), наноразмерные частицы оксида цинка (25 %);
- серебро азотнокислое по ГОСТ 1277-75;
- физиологический раствор;
- хлорид натрия по ГОСТ 4233-77;
- гидроксид натрия по ГОСТ Р 55064-2012;
- цинк уксуснокислый 2-водный по ГОСТ 5823-78;
- изопропиловый спирт по ГОСТ 9805-84;
- тест-пластины для проведения микробиоло- гического контроля: ЗМ™ Petrifilm™ Aerobic Count Plate (AC), ЗМ™ Petrifilm™ E. coli and Coliform Count Plate (EC), ЗМ™ Petrifilm™ Staph Exspress Count Plate (STX) + ЗМ™ Petrifilm™ Staph Exspress Disk (3M™ Health Care, США);
Другие использованные отечественные и импортные химические реактивы имели степень чистоты не ниже х.ч.
С целью оценки микробиологических свойств творога определяли общую бактериальную обсеме- ненность с применением косвенного метода. Стандартными методиками проводили определение количества мезофильных аэробных и факультативно- анаэробных микроорганизмов и бактерий группы кишечных палочек (по ГОСТ 9225–84 и по ГОСТ 25102–90). Идентификацию микроорганизмов проводили методом сопоставления макроскопи- ческих и микроскопических признаков исследуемой культуры. Микроскопирование осуществляли, используя прямой микроскоп AxioScope A1 (Carl Ziess AG, Германия) и инвертированный микроскоп AxioVert A1 (Carl Ziess AG, Германия).
Наноразмерные частицы серебра для прове- дения исследований получали химическим синтезом с применением азотнокислого серебра
(AGM-синтез) [9]. Наночастицы металла составляли от 1 до 10 нм.
Наноразмерные частицы меди для проведения исследований получали методом электрического взрыва проводников (длина проводника 80 мм, диаметр – 0,3 мм) в среде аргона в присутствии ионов водорода (массовая доля 10 %). Условия проведения эксперимента: давление 1,50 × 105 Па, зарядное напряжение емкостного накопителя
– 24 кВ. Далее проводили медленное окисление наночастиц меди воздухом, выступающего в роли стабилизатора согласно разработанной методике. Размер наночастиц в среднем составил от 30 до 60 нм. По форме наночастицы напоминали сферу, удельная поверхность которых/которой составила в среднем 8,7 м2/г [10, 11].
Коллоидный раствор меди готовили с добавле- нием водного раствора хлорида натрия (массовая доля 9 %) и дистиллированной воды [12, 13]. Для этого порошок наночастиц меди взвешивали на аналитических весах (10 мг) ViBRAHT (ShinkoDenshi, Japan, (точность ± 0,0001 г)), добавляли в предварительно приготовленную
среду для диспергирования, затем суспензию перемешивали с применением гомогенизатора в течение 30 сек с последующей обработкой на ультразвуковом гомогенизаторе в течение 60 сек. Начальная концентрация наночастиц в коллоидных растворах достигала
10 мг/л. Затем готовили суспензии коллоидных раствор меди с концентрацией: 2; 4; 6, 8 и 10 мкг/мл на основе физиологического раствора [14, 15].
Наноразмерные частицы цинка получали щелочным гидролизом в среде изопропилового спирта. Для этого приготовленные растворы гидроксида натрия и уксуснокислого цинка смешивали и выдерживали в течение двух суток при температуре 60 °С [16, 17]. Во время выдерживания постоянно интенсивно смешивали растворы для образования устойчивой взвеси. Получившийся коллоид не расслаивается во времени и является устойчивым.
Для выявления и определения количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов, колиформных бактерий (БГКП), бактерий семейства Enterobacteriaceae, E. Coli,
Таблица 1 – Оценка основных показателей кисломолочного продукта, хранившегося в таре обработанной антибактериальным препаратом и контроль на 3, 5, 7 сутки
Table 1 – Evaluation of the main indicators of the fermented milk product stored in containers treated with the antimicrobial and its control on day 3, 5, and 7
|
Наименование показателя |
72 часа |
120 часов |
168 часов |
|||
|
Контроль |
Проба |
Контроль |
Проба |
Контроль |
Проба |
|
|
Консистенция и внешний вид |
Мягкая, рассыпчатая, однородных размеров |
Мягкая, рассыпчатая, мажущая частично |
Мягкая, рассыпчатая, однородная |
Мягкая, комкующая, мажущая частично |
Мягкая, рассыпчатая, однородная |
|
|
Вкус и запах |
Чистые, кисломолочные, без посторонних привкусов и запахов |
Слабая горечь, выраженный посторонний привкус |
Чистые, кисломолочные, без посторонних привкусов и запахов |
|||
|
Цвет |
Белый, равномерный по всей массе |
Белый с кремовым оттенком |
Белый, равномерный по всей массе |
|||
|
Массовая доля белка, % |
16,8 ± 0,2 |
16,8 ± 0,2 |
16,7 ± 0,2 |
16,8 ± 0,2 |
16,7 ± 0,2 |
16,8 ± 0,2 |
|
Массовая доля влаги, % |
25,71 ± 0,14 |
25,57 ± 0,10 |
25,71 ± 0,14 |
25,64 ± 0,16 |
30,11 ± 0,50 |
26,3 ± 0,20 |
|
Кислотность, ºТ |
180 ± 0,11 |
180 ± 0,11 |
192 ± 1,1 |
181 ± 1,1 |
227 ± 1,1 |
182 ± 1,0 |
|
КМАФАнМ, КОЕ/г |
1 × 105 |
1 × 105 |
1 × 106 |
1 × 106 |
1 × 106 |
1 × 106 |
|
БГКП (коли- формы) |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
|
S. aureus |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
|
Патогенные, в том числе сальмонеллы |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
|
Дрожжи (Др), плесень (Пл), КОЕ/см3 |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Не обнаружено |
Др 1 × 102 |
Не обнаружено |
|
Количество молочнокислых микроорганизмов КОЕ в 1 г |
2 × 108 |
1 × 109 |
2 × 108 |
1 × 109 |
1 × 109 |
1 × 109 |
(а) (б)
Рисунок 1 – Контрольная проба: (а) хранение 24 ч; (б) хранение более 168 ч
Figure 1 – Control sample: (a) after 24 hours; (b) after more than 168 hours
стафилококков (S. aureus), дрожжей и плесневых грибов используют петрифильмы (ЗМ™ Petrifilm™), представляющие собой тест-пластины, которые состоят из подложки и покрывающей прозрачной пленки. Тест содержит питательную среду, водорастворимый гель, хромогенные субстраты, позволяющие выявить специфические биохимические активности соответствующих микроорганизмов, а также индикаторы, которые окрашивают колонии в характерный цвет (согласно методике [18]).
Результаты и их обсуждение
Результаты определения основных компонентов
антибактериального препарата для увеличения продолжительности хранения кисломолочных продуктов показывают, что массовая доля действующего вещества (наночастиц серебра, меди и цинка) составляет 50,1 %, массовая доля воды составляет 11,2 %, массовая доля водорода перекиси составляет 1,0 %.
Для оценки эффективности действия антибактериального препарата с целью увеличения продолжительности хранения кисломолочных продуктов проводили анализ микробиологических свойств творога на ООО ИНПЦ «Иннотех». Творог изготавливали при соблюдении стерильных условий
Таблица 2 – Оценка основных показателей кисломолочного продукта, хранившегося в таре обработанной антибактериальным препаратом и контроль на 9, 11, 13 сутки
Table 2 – Evaluation of the main indicators of the fermented milk product stored in containers treated with the antimicrobial and control on days 9, 11, and 13
по ГОСТ 52096-2003 «Творог. Технические условия». Готовый творог упаковывали по 50 г в заранее обработанную погружением в антибактериальный раствор полиэтиленовую тару и оставляли на хранение при температуре –4 ± 1 °С. Контрольная проба хранилась при таких же условиях [19]. Оценку качества и микробиологического состояния проводили на 3, 5, 7, 9, 11, 13 сутки (период обоснован условиями опыта и в соответствии с МУК 4.2.1847-04 [20]). Результаты исследования представлены в таблице 1.
На 5 сутки хранения контрольный образец приобрел частично мажущую консистенцию. Другие показатели остаются в пределах нормы, как и у экспериментальной пробы. Согласно санитарным требованиям продукт годен к употреблению.
По истечению 7 суток контрольный образец не отвечает требованиям по органолептическим показателям. Консистенция приобрела мажущую структуру, появился несвойственный продукту запах, кислотность приближается к предельному уровню. По микробиологическим показателям: количество полезных молочнокислых микро- организмов уменьшилось, но были обнаружены дрожжи, что не допускается (ГОСТ 31453-2013).
На рисунке 1 представлен образец контроля первоначальный и на 7 сутки.
Далее, исследованиям подвергали только экспери- ментальные образцы на 9, 11, 13 сутки (табл. 2).
Результаты изучения динамики хранения кисломолочного продукта после обработки тары антибактериальным аппаратом на основе наночастиц серебра, меди и цинка показали, что исследуемый образец сохранил свои потребительские свойства в течение 13 суток, в отличие от контрольного образца.
Выводы
Установлено, что исследуемый образец творога сохранял свои потребительские свойства в течение 13 суток, тогда как контрольный образец на 7 сутки был уже непригоден к употреблению. Таким образом, при использовании исследуемого антибактериального препарата для обработки тары для хранения кисломолочных продуктов удалось повысить срок хранения кисломолочного продукта более чем на 5 суток.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Weese J.S. and Prescott J.F. Assessment of laboratory and biosafety practices associated with bacterial culture in veterinaryclinics. Journal of the American Veterinary Medical Association, 2009, vol. 234, no. 3, pp. 252-258.
2. Khmelev V.N., Shalunov A.B., Golykh R.N., and Shalunova K.V. Kompleksnoe issledovanie akusticheskoy koagulyatsii melkodispersnogo aehrozolya [Complex study of acoustic coagulation of fine aerosol]. Polzunovsky vestnik, 2010, no. 3, pp. 303-309. (In Russ.).
3. R 4.2.2643-10. Metody laboratornykh issledovaniy i ispytaniy dezinfektsionnykh sredstv dlya otsenki ikh ehffektivnosti i bezopasnosti: rukovodstvo [R 4.2.2643-10. A guide to the methods of laboratory research and testing of disinfectants to assess their effectiveness and safety]. Moscow: Federal Center of Hygiene and Epidemiology Publ., 2011. 615 p.
4. Igumenshchev P.A. and Zhirikhina M.S. Primenenie nanostrukturirovannykh biotsidov serii “VELT” na obʺektakh vetnadzora [Application of nanostructured biocides of the VELT series on veterinary inspection sites]. Dezinfektsiya. Antiseptika [Disinfection. Antiseptic], 2011, no. 1, pp. 42-47. (In Russ.).
5. Gryazneva T.N., Igumenshchev P.A., and Zhirikhina M.S. Perspektivnye innovatsionnye proekty v veterinarii [Promising innovative projects in veterinary medicine]. Veterinary medicine, 2011, no. 2, pp. 21-24. (In Russ.).
6. Mikhae M.M., Huddleston P.M., Zobitz M.E., et al. Mechanical strength of bone allografts subjected to chemical sterilization and other terminal processing methods. Journal of Biomechanics, 2008, vol. 41, no. 13, pp. 2816-2820. DOI: https://doi.org/10.1016/j. jbiomech.2008.07.012.
7. Afinogenov G.E. Chashechnyy metod otsenki ehffektivnosti dezinfektantov i antiseptikov [Cup method for evaluating the effectiveness of disinfectants and antiseptics]. St. Petersburg: I.P. Pavlov First Saint Petersburg State Medical University Publ., 2000. 5-7 p. (In Russ.).
8. Rozalyonok T.A. and Sidorin Yu.Yu. A comparative study of antimicrobial activity of silver clusters against variousmicroorganisms. Science Evolution, 2016, vol. 1, no. 2, pp. 85-91.
9. Rozalyonok T.A. Comparative assessment of biocidal compositions on the basis of cluster silver. Yu.A. Ovchinnikov bulletin of biotechnology and physical and chemical biology, 2016, vol. 12, no. 2, pp. 5-11. (In Russ.).
10. Naber J. Switching to sodium hypocholorite disinfection 11 Water Environment & Technology. Alexandria, 2003, vol. 15, no. 9, pp. 100.
11. Kimman T.G., Smit E., and Klein M.R. Evidence-based biosafety: a review of principles and effectiveness of microbiological containment measures. Clinical Microbiology Reviews, 2008, vol. 21, no. 3, pp. 403-425. DOI: https://doi.org/10.1128/CMR.00014-08.
12. Rozalyonok T.A. and Sidorin Yu.Yu. The use of cluster composites to give food packaging antimicrobial properties.Technology and merchandising of the innovative foodstuff, 2016, vol. 39, no. 4, pp. 84-88. (In Russ.).
13. Rozalyonok T.A. Ehkologichnye biotsidy na osnove kompozitov klasternogo serebra dlya obrabotki bumagi/kartona [Eco-friendly biocides based on composites of cluster silver for paper and cardboard processing]. Sbornik trudov Mezhdunarodnogo simpoziuma “Innovatsii v pishchevoy biotekhnologii” [Collected Works of the International Symposium “Innovations in Food Biotechnology”]. Kemerovo, 2018, pp. 490-494.
14. Vozmilov A.G., Bakhtyreva N.G., Mikhaylov P.M., et al. Ustroystvo dlya deratizatsii [Device for disinfestation]. Patent RF, no. 95224, 2010.
15. Kashtanov, A. V. Izuchenie fungicidnoy aktivnosti metacida / A. V. Kashtanov // Problemy veterinarnoy sanitarii, gigieny i ekologii. - 2003. - № 115. - C. 237-241.
16. McDonnell G. and Russell A.D. Antiseptics and Disinfectants: Activity, Action and Resistance. Clinical Microbiology Reviews, 1999, vol. 12, no. 1, pp. 147-179.
17. Myalenko D.M. Sovershenstvovanie tekhnologii rasfasovki molochnoy produktsii putem obezzarazhivaniya potrebitelʹskoy tary impulʹsnym ulʹtrafioletovym izlucheniem. Avtoref. diss. kand. tekhn. nauk [Improving the technology of dairy products packaging by disinfecting consumer packaging with pulsed ultraviolet radiation. Cand. eng. sci. thesis]. Moscow, 2009. 177 p.
18. MUK 4.2.2884-11. Metody mikrobiologicheskogo kontrolya obʺektov okruzhayushchey sredy i pishchevykh produktov s ispolʹzovaniem petrifilʹmov: metodicheskie ukazaniya [MUK 4.2.2884-11. Methods of microbiological control of environmental objects and food by using petrilofilms: guidelines]. Moscow: Federal Center of Hygiene and Epidemiology Publ., 2011. 24 p.
19. Niu L., Zhang H., Wei F., et al. Corrosion inhibition of iron in acidic solutions by alkyl quaternary ammonium halides: Correlation between inhibition efficiency and molecular structure. Applied Surface Science, 2005, vol. 252, no. 5, pp. 1634-1642. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.02.134.
20. MUK 4.2.1847-04. Metody kontrolya. Biologicheskie i mikrobiologicheskie faktory. Sanitarno-ehpidemiologicheskaya otsenka obosnovaniya srokov godnosti i usloviy khraneniya pishchevykh produktov: metodicheskie ukazaniya [MUK 4.2.1847-04. Control methods. Biological and microbiological factors. Sanitary-epidemiological assessment of the justification of shelf-life and storage conditions of food products: guidelines]. Moscow, 2004.
21. Kashtanov A.V. Izuchenie fungitsidnoy aktivnosti metatsida. Problemy veterinarnoy sanitarii, gigieny i ehkologii [Study of the fungicidal activity of metacid. Problems of veterinary sanitation, hygiene, and ecology]. Problemy Veterinarnoi Sanitarii, Gigieny i Ecologii, 2003, no. 115, pp. 237-241. (In Russ.).
