Биомодификаторы (активные антимикробные компоненты)

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Когда антимикробные добавки используются в качестве активных компонентов пластиков, они обеспечивают сохранение их поверхности в санитарно-гигиеничном состоянии, а также придают дополнительную защиту, например, от появления запаха. Изделия из материалов с такими добавками имеют дополнительные преимущества для потребителя.

Основное различие между этими двумя группами состоит в профиле требуемой антимикробной активности.

Биостабилизаторы действуют против микроорганизмов, которые атакуют вещество полимера, приводя к нежелательным изменениям химических или физических свойств или внешнего вида материала.

В зависимости от требуемого эффекта, биомодификаторы (активные компоненты) должны иметь профиль активности, направленный против определенной группы нежелательных микроорганизмов, часто образующихся в организме человека — например, против бактерий и грибков, вызывающих неприятный запах тела, или же против патогенных или условно-патогенных микроорганизмов для обеспечения эффективной санитарно-гигиенической защиты.

В некоторых случаях антимикробные добавки проявляют такой профиль активности, который делает их подходящими для использования как в качестве консервантов, так и в качестве активных компонентов с определенными дополнительными эффектами.

Типы антимикробных добавок

Первыми биостабилизаторами были соединения мышьяка, серы, ртути или меди, например, Бордоская жидкость (раствор медного купороса CuSO₄ · 5H₂O в известковом молоке Ca(OH)₂. Это был основной биостабилизатор, используемый в США до 30-х годов прошлого века. Затем, во время второй мировой войны, были начаты исследования, приведшие к получению органических антимикробных соединений.

Органические системы представляют собой низкомолекулярные, легкомигрирующие соединения, иногда содержащие ион металла. Они несовместимы с полимером, поэтому мигрируют на поверхность изделия и вступают во взаимодействие с микроорганизмами. Добавки постепенно вымываются с поверхности изделия и защитный слой восстанавливается за счёт запаса в массе изделия.

Номенклатура применяемых добавок довольно широка, около 20-и производителей выпускают порядка 80-и наименований антимикробных добавок. Среди основных соединений можно назвать:

• 10,10–оксибисфеноксиарсин (ОВРА)

• Трихлоргидроксидифенилэфир (Triclosan)

• n-октил-изотиазолинон (OIT)

• 4,5-дихлор-2-n-октил-4-изотриазолин-3-он (DCOIT)

• Меркаптопиридина оксид (Рyrithione)

• Бутил-бензтиазолинон (Butyl-BIT)

• N-фтордихлорметилтиофталимид (Sanitized PL)

• Металлсодержащие биостабилизаторы - оловоорганические соединения и соединения серебра

• Полимеры, обладающие антимикробным действием (полифосфонаты, поли-N-галогенпиридин, поли (стирол-дивинилбензол) сульфамид)

В настоящий момент на рынке биостабилизаторов бесспорное лидерство за соединениями мышьяка, а точнее 10,10–оксибисфеноксиарсином (ОВРА). За этим соединением остаётся около 70% рынка, что обусловлено оптимальным соотношением цена/качество. Тем не менее, в настоящее время появляется тенденция к использованию минимально токсичных соединений, и всё больше применяются антимикробные агенты, не содержащие мышьяка – например, изотиазолины (более эффективны, чем ОВРА), трихлорметилфталамиды или неорганические соединения серебра и цинка (в основном, цеолиты).

В качестве неорганических антимикробных систем в настоящий момент используются в основном соединения серебра и цинка. Такие соединения практически инертны и начинают выделять ионы серебра (которые с древних времен известны как прекрасное антибактериальное средство) только при взаимодействии с влагой. Ионы серебра способны изменять метаболизм микроорганизмов, в основном взаимодействуя с энзимами. Основными преимуществами таких соединений является высокая термостабильность (до 500^оС) и очень низкий уровень токсичности – допущены к использованию в косметических продуктах и прямому контакту с пищевыми продуктами. Высокая термостабильность позволяет использовать такие материалы для изготовления изделий из конструкционных термопластов.

В качестве антимикробного агента при создании «умной» упаковки, применяемой в пищевой промышленности, часто используют следующие компоненты:

o природного происхождения;

o металлосодержащие соединения;

o полимерные материалы.

1. Антимикробные добавки природного происхождения

Полимерные материалы, имеющие в своем составе 0,1-1,5% по массе чистого цитраля или эквивалентное количество экстракта (например, СО₂-экстракта флаведо цитрусовых плодов), увеличивают сроки хранения, к примеру, с максимально допустимого – 10 месяцев до 2,5 лет по сравнению с аналогичной упаковкой без антимикробной добавки. При хранении более месяца в таком упаковочном материале у пищевых продуктов отмечалось приобретение запаха с цитрусовым тоном. Поэтому такие модифицированные материалы не рекомендуются для упаковки пищевой продукции, где отрицательно оценивается аромат, например в мясной и рыбной промышленности.

Использование экстракта зерен грейпфрута в различной концентрации (0,5; 1,0 и 1,5% по объему) в пленках препятствует распространению роста грибков. Пленки становятся более аморфными с уменьшением прочности на разрыв, в то время как относительное удлинение при разрыве увеличивалось с ростом содержания данного экстракта.

В качестве экстракта может быть использован экстракт бересты, который содержится в верхнем слое коры березы и представляет собой сумму природных соединений, где основное действующее вещество – бетулин. В количестве не менее 70% бетулин добавляют в полимерную композицию на основе полипропилена и далее производят пленку методом экструзии. В качестве культур заражения были выбраны дрожжи и плесневые грибы. Микробиологические исследования подтвердили высокий уровень бактерицидной эффективности поверхности полимерной упаковки при концентрации экстракта от 0 до 1% методом смыва. Было замечено снижение роста микробиологических культур на два порядка.

2. Антимикробные металлосодержащие добавки

Наиболее часто используемыми добавками являются металлы в виде наноразмерных частиц. К таким металлам относится, например, наносеребро (Ag⁺), его свойства зависят как от характеристик индивидуальных частиц (размера, формы и состава, наличия и структуры адсорбционных слоев), так и от коллоидной системы, в которой он находится.

Технология получения наночастиц сильно влияет на свойства покрытий, придавая им различные эксплуатационнные характеристики. Установлено, что тип и концентрация стабилизирующего вещества оказывает существенное влияние на размер и устойчивость к агрегации синтезируемых наночастиц; для достижения максимальной стабильности нанодисперсий следует оптимизировать соотношение восстановления серебра и сорбции молекул стабилизатора на образующихся металлических наночастицах.

Интересной антимикробной системой является водный раствор желатина с различной концентрацией наночастиц серебра. Увеличенное содержание добавки привело к значительной антимикробной эффективности пленочных материалов к пищевым патогенам – это позволяет продлить срок годности продукции. Кроме того, наблюдалось снижение паропроницаемости и предела прочности пленок на разрыв.

Помимо наносеребра, в качестве антимикробной добавки можно использовать наночастицы меди.

3. Антимикробные добавки – полимерные материалы

Одним из самых распространенных и перспективных полимерных материалов, используемых в качестве антимикробной добавки для модификации пленок, является хитозан. Он может применяться как в качестве добавки, так и в качестве самостоятельного полимерного материала (пленки).

Введение в одно- или многослойные пленки на основе полиолефинов концентрата хитозана на основе полиэтилена высокого давления (марка концентрата ПФ 0028/01-ПЭ) придает им противоплесневую и антидрожжевую активность. Как показали испытания этих пленок на ряде мясной, рыбной, молочной и овощной продукции, можно существенно увеличить срок годности этих видов продуктов. Пленки, модифицированные данным концентратом, отличаются высоким антимикробным действием по отношению к плесневым грибам, бактериям, дрожжам и другой нежелательной микрофлоре. Антимикробные показатели сохраняются в течение длительного времени (1 год).

Требования к антимикробным добавкам

Основные требования к антимикробным добавкам, используемым в качестве биостабилизаторов и активных компонентов, одинаковы:

• низкая токсичность для людей, животных и окружающей среды как в процессе переработки, так и при использовании готовых изделий;

• лёгкость переработки и применения;

• совместимость с другими добавками (стабилизаторы, процессинги и т.д.);

• отсутствие негативного влияния на физико-механические или потребительские свойства изделия;

• длительные сроки хранения готовой продукции и высокая эффективность.

Механизм действия

Как следует из модели Виго (Vigo) для текстильных изделий, действие большинства антимикробных активных компонентов в пластиках может быть охарактеризовано как регулируемое выделение. Активный компонент антимикробной добавки медленно выделяется из полимерной матрицы и мигрирует на поверхность полимера. При идеальных условиях матрица может служить источником антимикробной добавки в течение длительного времени.

Другой режим действия, названный режимом регенерации, характерен для синтетических текстильных волокон, хотя пока он присущ только немногим продуктам. В режиме регенерации активный компонент может восстанавливаться отбеливателем во время стирки или УФ-излучением при сушке. Уорли (Worley) и Сан (Sun) описали использование нерастворимых полимерных N-галаминов в полимерных изделиях, которые действуют в качестве бактерицидных агентов за счет выделения очень небольшого количества хлора. Биоцидные добавки могут легко регенерироваться хлором при обработке пластика раствором отбеливателя.

Методы испытаний

Для общей оценки антимикробного вещества важна минимальная ингибирующая концентрация (МИК) вещества, позволяющая затормозить рост микроорганизмов. МИК определяется как наименьшая концентрация антимикробной добавки (в ppm), полностью ингибирующая рост испытуемых микроорганизмов. В то время как МИК дает только информацию о микробостатическом действии вещества, другие испытания оценивают микробоцидное действие антимикробной добавки.

Минимальную микробоцидную концентрацию (ММК) можно определить путем испытания суспензии. Фенольный коэффициент, другой параметр, оценивающий бактерицидную активность вещества или водорастворимых композиций путем прямого сравнения с фенолом, является стандартным методом Ассоциации аккредитованных химиков-аналитиков.

Данные о МИК и бактерицидной активности антимикробной добавки необходимы для оценки спектра и потенциала антимикробного действия вещества и сравнения этого вещества с другими антимикробными добавками. Однако для оценки эффективности пластиков, содержащих антимикробные добавки, необходимо провести микробиологические испытания in-situ.

Следует отметить, что выбор метода исследования чувствительности пластиков к микроорганизмам и эффективности добавок чрезвычайно важен. Существуют методы, оценивающие стойкость материала к биоразложению и сопротивляемость образованию колоний бактерий на поверхности изделий. Помимо ASTM, Американская Ассоциация Химии и Окрашивания Текстиля (AATCC) также разработала методики оценки антимикробной способности искусственных волокон и тканей. Также, существуют нормативные акты, разработанные AFNOR (Франция), DIN (Германия), IEC (международная электротехническая комиссия), SN (Швейцария).

Испытание на агаровых пластинах

Его так же называют «Ореол» или «Зона подавления». При этом тесте предмет, содержащий антимикробную добавку, помещают в центре агаровой пластинки, на поверхность которой был нанесен штамм микроба. Затем пластинку инкубируют на определенный период времени. Тест измеряет размер круга или «зоны подавления» вокруг образца для испытания, на котором не наблюдается рост микробов после инкубации.

Такие испытания зависят от ограниченной диффузии антимикробной добавки в содержащую воду агаровую среду. Так как агаровая среда содержит много воды, водорастворимые вещества диффундируют лучше жирорастворимых агентов и более эффективны.

Испытания на агаровых пластинках подходят только для исследования микробостатической активности. При этих испытаниях невозможно различить микробостатическую и микробоцидную активность. Но, несмотря на эти ограничения, такие испытания быстрые и простые. В результате получаются достоверные результаты, характеризующие антимикробное действие пластиков во всем диапазоне тестовых организмов.

            Рис.1                                   Рис.2                                 Рис.3

Рис.4

На рис.1 и рис.3 зона подавления роста учитывается по внутреннему диаметру роста единичных колоний; на рис.2 и рис.4 зона подавления роста отсутствует.

Такая программа испытаний известна как метод диффузии в агаре Кирби—Байера.

При измерении зон подавления роста вокруг дисков с любыми АМП следует ориентироваться на зону полного подавления роста микроорганизмов, определяемую невооруженным глазом, при расположении чашки на расстоянии примерно 30 см от глаз. Измерение зон подавления роста необходимо проводить с точностью до миллиметра при помощи линейки, штангенциркуля или специальными автоматическими приборами для учета результатов определения чувствительности диско-диффузионным методом.

Образцы ПЭВП с использованием и без применения противогрибкового агента были уложены на агаровые пластинки, а затем образец для испытания и агар были заражены суспензией спор грибка Aspergillus niger. После 7-дневной инкубации при 30 °С образец без антимикробной добавки весь покрылся плесенью. В опыте с низкой концентрацией фунгистатического агента наблюдался рост Aspergillus niger на агаре, но не на тестируемом образце ПЭВП. В опыте с высокой концентрацией антимикробной добавки наблюдалась зона полного ингибирования роста микроорганизмов вокруг полимерного диска.

Рис. Испытание на агаровых пластинках образцов из ПЭВП, не содержащих антимикробной добавки (а), и содержащих 0,25% (б) и 1% (в) антимикробной добавки (тестовый организм — Aspergillus niger, метод АТСС 6275)

Рис. Испытание на агаровых пластинках образцов из ПЭВП, не содержащих антимикробной добавки (а), и содержащих 0,25% (б) антимикробной добавки (тестовый организм — Staphylococcus aureus, метод АТСС 9144)

Для оценки стабильности антимикробной активности состаренные пластмассовые образцы испытывались с помощью метода диффузии в агаре. Условия хранения для испытываемых пластиков зависели от назначения пластмассового изделия:

• хранение в закрытом помещении;

• экспозиция на открытом воздухе;

• экспозиция на свету (особенно в УФ-лучах);

• увлажнение.

При модифицированном методе диффузии в агаре микробостатическая эффективность полимерного изделия исследуется путем помещения агарового диска, содержащего микроорганизмы, на поверхность испытываемого материала. Как показано на рис., материал с антимикробной добавкой полностью ингибирует рост, а материал без нее не проявляет бактериостатической активности. Для увеличения наглядности роста и размножения бактерий в этих опытах использовался агар, содержащий 0,01% теллурита калия, что обеспечило черную окраску колоний Staphylococcus aureus.

Биолюминесцентный метод оцени развития плесневых грибов на полимерных материалах

Метод распространяется на полимерные материалы (пластмассы, компаунды, резины, клеи, герметики) и их компоненты (полимеры, пластификаторы, наполнители, стабилизаторы, красители, пигменты и т.п.) и позволяет количественно определить степень развития плесневых грибов по 3 методам:

1) Сущность метода заключается в том, что материал заражают спорами плесневых грибов в воде. Плесневые грибы растут только на питательных веществах, содержащихся в материале.

2)  Сущность метода заключается в том, что материал заражают спорами плесневых грибов в водном растворе минеральных солей. Плесневые грибы растут за счет солей минеральной среды и питательных веществ, содержащихся в материале.

3)  Сущность метода заключается в том, что материал заражают спорами плесневых грибов в растворе минеральных солей с добавлением сахара (среда Чапека-Докса).

Сущность метода заключается в получении зависимости количественного показателя развития грибов (концентрации внутриклеточной аденозии-5’-трифосфорной кислоты динатриевой соли (АТФ) на поверхности материала) от времени их культивирования на полимерном материале с последующим определением грибостойкости по кинетическим параметрам развития грибов.

Прямое заражение тестового образца

При таких испытаниях образец непосредственно заражается тестовыми микроорганизмами в отсутствии или в присутствии дополнительной питательной среды (например, белков, липидов и т. д.) для моделирования антимикробной эффективности в условиях реального заражения. Коэффициент выживания микроорганизмов на образце для испытания исследуется после инкубации в течение заданных интервалов времени путем смывания с пластмассы испытуемых микроорганизмов, разбавления их суспензии и последующего нанесения аликвот на агаровые пластинки для подсчета образующихся колоний.

В отличие от испытаний на пластинках агара, испытания, в которых используется прямое заражение тестового образца, почти не зависят от миграции антимикробной добавки. Поэтому эти методы подходят и для испытания образцов с антимикробными добавками, нерастворимыми в воде или веществ, прочно зафиксированных в матрице полимера (например, неорганические антимикробные добавки, основанные на соединениях серебра или цинка, которые вводятся в расплав в процессе экструзии).

Кроме того, эти методы подходят для оценки микробостатической и микробоцидной активности антимикробных добавок. Это второе их преимущество по сравнению с простыми испытаниями на агаровых пластинках.

Антимикробная активность конвейерной ленты из ТПУ, содержащей антимикробные добавки; диски агаровой среды, содержащие Staphylococcus aureus, укладываются на поверхности ленты без антимикробных добавок (а) или с 0,25%-ной бактериостатической антимикробной добавкой (б). Затем пластинки инкубируются 24 ч при 37 °С.

Часто используемым испытанием является посев на образцах пластика суспензии испытуемых микроорганизмов в физиологическом растворе, бульоне или мягком агаре, содержащем 0,3% агар-агара согласно методу ААТСС100-1993, или модифицированному протоколу испытаний. Метод ААТСС 100-1993 был первоначально разработан для испытания текстильного волокна, но он также хорошо подходит для микробиологического испытания и пластиков.

После нанесения на поверхность раствора с микроорганизмами образцы инкубируются в стерильных чашках Петри в идеальных условиях, т. е. при влажности 70% и температуре 25 °С для грибков или 35 °С для бактерий. После заданного времени образцы стерильно перемещаются в колбы, содержащие по 50 мл бульона с нейтрализующими агентами для блокирования действия антимикробной добавки. Колбы энергично встряхиваются для ресуспендирования бактерий. Суспензия последовательно разбавляется бульоном и наносится на агаровые пластинки. После 24 ч инкубации для бактерий и до пяти дней. Для грибков подсчитываются колонии на агаровых пластинках и определяется выживаемость микроорганизмов. Процент уменьшения количества тестовых организмов определяется по разности числа восстановленных клеток в контрольном образце и в пластике с антимикробной добавкой.

На рис. показана динамика роста Staphylococcus aureus на ПЭНП без антимикробной добавки и в ее присутствии.

Бактериостатическая и бактерицидная активность ПЭНП с антимикробной добавкой против Staphylococcus aureus: A — ПЭНП без биоцидной добавки; B — ПЭНП с бактериостатической добавкой; C — ПЭНП с бактерицидной добавкой.

Испытания в процессе эксплуатации

При таких испытаниях обработанный антимикробными добавками материал подвергается условиям реальной эксплуатации. Согласно стандарту ASTM D 3083 пластмассовый материал закапывается на 90 дней для определения его устойчивости к гниению.

При модифицированных методах испытания наряду с микробным заражением исследуются такие физико-химические параметры, как прочность при растяжении и целостность. Для визуализации колоний микроорганизмов можно использовать красители, например, метиленовый синий. При полевых испытаниях в течение года или дольше обычно изучается воздействие на наружные панели. Это позволяет наилучшим образом оценить, насколько хорошо пластик противостоит внешним факторам.

Стойкость к грибкам по ASTM G2190

Образец помещается в стерильный раствор, что позволяет определить, может ли материал служить питательной средой для грибков.

Тест «Встряхиваемая колба»

Тест «Встряхиваемая колба» ASTM E2149-01 – это ещё один метод, демонстрирующий хорошие результаты легкомигрирующих систем; однако только хорошо растворимые неорганические системы продемонстрировали значительные результаты. При этом исследовании, унаследованном от текстильной промышленности, образец, содержащий антимикробную добавку, помещается в колбу, с известным объемом бульона, приготовленного на питательном агаре, с определенным количеством клеток бактерий. Колба инкубируется на аппарат для встряхивания на определенный период времени для размножения бактерий, а затем подсчитывается количество бактерий, оставшихся в питательном бульоне.

Другие полезные методы испытаний

Стандарт ASTM G 21-90 озаглавлен как «Стандартная практика определения устойчивости синтетических полимерных материалов к действию грибков». При таком испытании материал помещается в стерильный агар без питательной среды (минеральные соли агара без источника углерода, т. е. без органической части), на поверхность которого (включая поверхность тестового образца) высевается суспензия грибковых спор. Пластинки инкубируются по крайней мере 21 день при влажности не менее 85% и температуре 28—30 °С. Если поверхность пластика не содержит органических питательных веществ, то рост грибков на ней возможен, только если они метаболизируют компоненты образца, так как питательный агар не содержит органических соединений. После инкубации в течение 21 дня и микробиологической оценки образцы пластика могут использоваться для изучения влияния грибков на их механические, оптические и электрические свойства. Для этого образцы отмываются от грибков, погружаются в водный раствор хлорида ртути, ополаскиваются в воде и высушиваются в течение ночи. Физические параметры могут испытываться в соответствии со специальными методами ASTM. Подобный протокол испытаний ASTM G-22 предназначен для определения устойчивости пластиков к действию бактерий.

Метод комплексного испытания для оценки устойчивости полимерных материалов к действию грибков и бактерий был недавно одобрен Европейским комитетом по стандартизации (CEN). Этот метод, стандарт ENISO 846, является комбинацией испытания на агаровых средах для исследования роста грибков и бактерий на полимерных материалах в средах агара, содержащих и не содержащих питательных веществ, и испытания по закапыванию в землю для определения устойчивости пластика к действию микроорганизмов почвы. Такой метод особенно подходит для испытаний пластиков, эксплуатирующихся на открытом воздухе. В целом стандарт EN ISO 846 включает (табл.):

ü испытание по определению роста грибков на неполноценных пластинках агара, не содержащих источники углерода;

ü оценку фунгистатической активности на питательном агаре;

ü испытание по определению роста бактерий на пластинах агара с неполноценными питательными средами;

ü испытание по закапыванию в землю.

Табл. Стандарт EN ISO 846: интерпретация результатов испытания на пластинках агара.

Тест

Рост микроорганизмов

на образце для испытания

Оценка

А

Отсутствие роста

Материал является питательным веществом для тестовых микроорганизмов. Материал является неразлагаемым или фунгистатичным

Слабый рост

Материал содержит питательные вещества или немного загрязнен, что приводит лишь к незначительному росту грибков

Средний или сильный рост

Материал не является устойчивым к действию грибков и содержит питательные вещества, которые могут использоваться микроорганизмами

В

Отсутствие роста

Сильная фунгистатическая активность

Отсутствие роста и наличие

зоны ингибирования роста

вокруг образца

Сильная фунгистатическая активность и наличие диффузии противогрибкового агента

Слабый рост

Неполная фунгистатическая активность

Средний или сильный рост

Переход к отсутствию фунгистатической активности

С

Отсутствие роста

Материал не может служить питательным веществом для тестовых бактерий. Материал неразлагаем или бактериостатичен

Слабый рост

Материал содержит питательные вещества или немного загрязнен, что приводит лишь к незначительному росту бактерий

Средний или сильный рост

Материал не является стойким к действию бактерий и содержит питательные вещества, которые могут использоваться микроорганизмами

Основные направления развития в области антимикробных добавок

В настоящий момент очевидна тенденция к использованию малотоксичных антимикробных добавок. Соединения на основе мышьяка (OBPA) и тяжёлых металлов всё больше замещаются производными изотиазолинов, которые показывают большую, по сравнению с ОВРА, эффективность или соединениями, содержащими серебро и цинк, даже несмотря на низкую стойкость к окислению и изменению цвета под действием кислорода воздуха.

Также наблюдается возрастание спроса на биомодифицирующие добавки, позволяющие предотвратить появление запаха и способные воздействовать на широкий спектр микроорганизмов.

Другое перспективное направление – это использование полимерных нерастворимые антимикробных соединений. Они гораздо медленнее вымываются из изделия и могут быть регенерированы (например при обработке хлорсодержащими соединениями во время химической чистки одежды).

Для изготовления пластиковых изделий, предназначенных к прямому контакту с пищевыми продуктами разрабатываются натуральные антимикробные добавки (например, энзимы пероксидазы). В большинстве случаев эти натуральные антимикробные агенты комбинируют с добавками, повышающими совместимость с полимером и регулирующими их миграцию.

Рынок антимикробных добавок растет в быстром темпе; известно, что увеличение потребления серебра в качестве биоцида в полимерных соединениях выросло больше чем на 600% во всем мире с 2001 года.

Не зависимо от того, входят ли антимикробные добавки в состав медицинских перчаток, пленки для упаковки, контейнеров для контактных линз, пленки для выстилания дна бассейнов, кухонных рабочих поверхностей для приготовления еды, высококачественной спортивной одежды, плитки для полов или душевой гарнитуры, использование антимикробного пластика дарит настоящие преимущества в разнообразных отраслях, тенденция, которую определенно ждет продолжение.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману