BADANIA STERYLIZACYJNEGO WPŁYWU WYŁADOWAŃ KORONOWYCH NA FOLIĘ OPAKOWANIOWĄ Z POLILAKTYDU

Transkrypt

1 Magdalena STEPCZYŃSKA 1), Marian ŻENKIEWICZ 2) 1) Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Bydgoszcz 2) Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Toruń m.stepczynska@ukw.edu.pl, marzenk@ukw.edu.pl BADANIA STERYLIZACYJNEGO WPŁYWU WYŁADOWAŃ KORONOWYCH NA FOLIĘ OPAKOWANIOWĄ Z POLILAKTYDU Streszczenie. Przedstawiono wyniki niektórych badań sterylizacyjnego wpływu modyfikowania warstwy wierzchniej (WW) folii opakowaniowej z polilaktydu (PLA) z naniesionymi na nią bakteriami Escherichia coli, Bacillus subtilis oraz Salmonella enteritidis, prowadzonych metodą wyładowań koronowych (WK). SOME STERILIZATION EFFECTS OF CORONA TREATMENT ON THE POLYLACTIDE PACKAGING FILM Summary. There are presented some results of investigations of corona treatment sterilization effects on the surface layer (WW) of polylactide (PLA) packaging film with bacteria Escherichia coli, Bacillus subtilis and Salmonella enteritidis deposited on the surface of this film. 1. WSTĘP Niemodyfikowana warstwa wierzchnia (WW) materiałów polimerowych różni się znacznie od głębiej położonych warstw materiału i jest na ogół bardziej zróżnicowana pod względem fizycznym oraz chemicznym. Na powierzchni tych materiałów osadzają się zanieczyszczenia, w tym zaadsorbowana jest para wodna, a ponadto do WW migrują cząsteczki składników dodatkowych, głównie plastyfikatorów, środków smarnych oraz środków ślizgowych [1]. Modyfikowanie WW materiałów polimerowych prowadzi się głównie w celu zmiany właściwości tej warstwy z hydrofobowych na hydrofilowe, poprawy właściwości

2 Badania sterylizacyjnego wpływu 483 adhezyjnych, zwiększenia czystości powierzchni oraz poprawy zwilżalności [2]. Modyfikowanie to jest powszechnie stosowane w przemyśle opakowań tworzywowych, jako przygotowanie wytworu do procesów takich jak: drukowanie, klejenie, zdobienie, metalizowanie. Jest również stosowane na szeroką skalę w przemyśle samochodowym oraz w przemyśle sprzętu gospodarstwa domowego [3]. Obecnie rozwijane są prace naukowe nad zastosowaniem wyładowań koronowych (WK), jako metody służącej do sterylizowania materiałów opakowaniowych i medycznych [4-7]. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań zdolności przetrwania niektórych bakterii znajdujących się na powierzchni folii z polilaktydu (PLA), poddanego wyładowaniom koronowym i oceny tych wyładowań, jako potencjalnego środka biobójczego. Wybór PLA do tych badań jest uzasadniony dynamicznym wzrostem produkcji tego polimeru, co obserwuje się w kilku ostatnich latach, a także optymistycznymi prognozami szerokich jego zastosowań, jako materiału przeznaczonego na opakowania żywności i przedmioty jednorazowego użytku. 2. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 2.1. Materiały Do badań użyto następujących kolonii bakterii: Escherichia coli, Bacillus subtilis oraz Salmonella enteritidis. Są to najbardziej popularne kolonie, będące źródłem częstych zakażeń produktów spożywczych. Bakterie te zostały naniesione na folię z PLA 2002 D (Cargill Down LLC, USA) o grubości 100 µm, wytworzoną metodą wytłaczania na stanowisku badawczym wyposażonym w wytłaczarkę jednoślimakową typu PlastiCorder PLV 151 (Brabender, Niemcy) Aparatura Do modyfikowania WW folii PLA z naniesionymi na jej powierzchnię bakteriami zastosowano aktywator folii AF2 (IPTS Metalchem, Toruń). Schemat stanowiska badawczego służącego do tego modyfikowania przedstawiono na rysunku 1.

3 484 M. Stepczyńska, M. Żenkiewicz Rys.1. Schemat stanowiska badawczego aktywatora folii: 1 generator, 2 transformator wysokiego napięcia, 3 wysokonapięciowa elektroda wyładowcza, 4 elektroda uziemiona, 5 próbka folii, 6 taśma nośna, 7 silnik napędu taśmy nośnej, 8 przemiennik częstotliwości do sterowania prędkością obrotową silnika (7), 9 rolka napinająca taśmę (6) [1] Fig.1. Diagram of the laboratory stand for surface corona treatment of polymer films: 1 generator, 2 high voltage transformer, 3 high voltage discharge electrode, 4 grounded electrode, 5 film sample, 6 support band, 7 motor driving the support band, 8 frequency converter controlling the rotational speed of the motor (7), 9 support roll of the band (6) Głównymi zespołami aktywatora są generator o mocy 2 kw, transformator wysokiego napięcia oraz stacja wyładowcza. Napięcie, przy którym zachodzą wyładowania koronowe modyfikujące badaną folię wynosi około 15 kv, a jego częstotliwość osiąga w przybliżeniu 30 khz Metodyka badań Hodowlę wyjściową każdego szczepu bakterii przygotowano w pożywce bulion odżywczy. Po zaszczepieniu pożywki hodowlę prowadzono w temperaturze 37 ºC przez 24 godziny. Po tym czasie przygotowano drugą hodowlę w podobny sposób, z której pobierano próbkę o objętości 10 ml, a następnie odwirowywano ją w wirówce o prędkości obrotowej równej min -1, w temperaturze 10ºC, przez 20 minut. Po tym czasie supernatant (górna płynna warstwa znad osadu) usuwano, a bakterie pozostające w probówce wirówkowej zawieszano w sterylnej wodzie destylowanej. Przed naniesieniem komórek bakterii na powierzchnię próbek folii PLA, były one dwukrotnie dezynfekowane alkoholem etylowym o stężeniu 80%. Następnie nanoszono na nie po 20 µl przygotowanej zawiesiny bakteryjnej. Po naniesieniu materiału mikrobiologicznego, próbki te zostały zmodyfikowane metodą WK. Następnie wykonano oznaczenia liczby żywych i zdolnych do wzrostu komórek tych bakterii metodą wysiewu powierzchniowego na podłoże agar odżywczy. Przygotowane zostały również próbki kontrolne, na które naniesiono komórki bakterii, ale które nie zostały poddane dalszemu

4 Badania sterylizacyjnego wpływu 485 modyfikowaniu. Miało to na celu zbadanie wpływu czasu (bez modyfikowania) na zmiany ilości komórek bakterii zaadsorbowanych na tych próbkach. Próbki z naniesionymi komórkami bakterii modyfikowano metodą wyładowań koronowych. Prowadzono je w temperaturze otoczenia (ok. 23ºC), pod ciśnieniem atmosferycznym, z jednostkową energią (E j ) wyładowań koronowych określoną na podstawie wzoru: E j P = (1) L v gdzie: P moc WK w szczelinie międzyelektrodowej aktywatora (0,4 kw); L długość elektrody wyładowczej (L = const = 0,25 m); v prędkość przesuwu modyfikowanego tworzywa (od 0,48 do 96 m/min). Symbole poszczególnych próbek oraz warunki ich modyfikowania przedstawiono w tabeli 1. Symbole próbek i warunki modyfikowania Symbole próbek E j, kj/m 2 v, m/min L L3.5 3,5 27,4 L7 7 13,7 L ,48 L ,48 Tabela Wyniki badań Liczba komórek bakterii Esterichia coli, po upływie godziny od momentu ich naniesienia na folię PLA wynosiła około , natomiast po około 36 godzinach liczba ich obniżyła się do poziomu 0, Przy tak niskiej liczebności wyjściowej, która wynika z naturalnej śmiertelności (np. z wysychania komórek bakterii), trudno było odnotować spadek liczby żywych komórek tych bakterii, zachodzący pod wpływem WK. W przypadku komórek bakterii Bacillus subtilis stopień redukcji (R), który jest liczbą naturalną w postaci wykładnika potęgi o podstawie 10, będącej przybliżeniem ilorazu liczby komórek bakterii naniesionych na badane próbki PLA i liczby komórek bakterii zdolnych do dalszego wzrostu po poddaniu tych próbek działaniu WK, był mniejszy niż trzy (R < 3). Wynik ten nie pozwala uznać WK (w zakresie stosowanych E j ) za czynnik biobójczy, który musi spełniać warunek: R > 4 [9-11]. W przypadku komórek bakterii Salmonella enteritidis można zauważyć wyraźną tendencję wzrostu śmiertelności tych komórek, zwiększająca się wraz ze wzrostem wartości E j. Z badań wynika, że gdy zachodzi: E j = 7 kj/m 2 to WK działają z podobną skutecznością

5 486 M. Stepczyńska, M. Żenkiewicz jak tzw. nanosrebro, stosowane, jako środek bakteriobójczy [12,13]. Wraz ze wzrostem wartości E j następuje wzrost śmiertelności komórek bakterii Salmonella enteritidis. Zatem w tym przypadku zaobserwowano wyraźnie biobójcze działanie WK, chociaż jest ono zbyt małe w stosunku do wymagań określonych w [Błąd! Nie zdefiniowano zakładki.]. W tabeli 3 przedstawiono zbiorcze zestawienie wyników badań zmniejszenia liczby komórek poszczególnych rodzajów bakterii, jaka nastąpiła pod wpływem WK. Zmniejszenie to wyrażone jest w procentach. Tabela 3 Zmniejszenie liczby komórek bakterii pod wpływem wyładowań koronowych [%] Symbole próbek Rodzaj bakterii E. coli Bacillus Salmonella L1 42,8 24,8 62,3 L3.5 85,74 22,4 84,9 L7 85,75 28,6 95,1 L20 85,73 51,6 95,9 L100 71,4 24,4 98,3 Jak wynika z danych zawartych w tabeli 3, zmniejszenie liczby komórek bakterii Escherichia coli mieści się w granicach od około 43 do 86 %, bakterii Bacillus subtilis utrzymuje się na poziomie od około 22 do 52 %, a bakterii Salmonella enteritidis zawiera się w granicach od 62 do 98 %. W przypadku tego ostatniego rodzaju bakterii widać wyraźne zmniejszenie ich liczby, postępujące wraz ze wzrostem wartości E j. Dalszych badań wymagają przyczyny odstępstw od ogólnie występujących kierunków zmian redukcji, jakie występują w próbkach L100 (E. coli) i L20 (Bacillus). 3. WNIOSKI Zmniejszenie, pod wpływem wyładowań koronowych, liczby bakterii Escherichia coli mieści się w granicach od około 43 do 86 %, a bakterii Bacillus subtilis od około 22 do 52 %. W obu przypadkach, nie zaobserwowano istotnego wpływu zwiększania wartości E j powyżej 1kJ/m 2. Wraz ze wzrostem wartości E j w całym badanym zakresie wyraźnie maleje liczba bakterii Salmonella enteritidis (od 62 do 98 %), co świadczy o bakteriobójczym działaniu wyładowań koronowych w stosunku do tych bakterii.

6 Badania sterylizacyjnego wpływu 487 Wyładowania koronowe, stosowane jako metoda modyfikowania warstwy wierzchniej folii polilaktydowych przeznaczonych na opakowania żywności, z różną skutecznością niszczą różne rodzaje bakterii. Powodują one częściową sterylizację tych folii, która jednak nie spełnia wymagań określonych w obowiązujących przepisach. Stanowi zatem jedynie czynnik wspomagający procesy sterylizacji prowadzone innymi metodami fizycznymi lub chemicznymi. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy nr N N Autorzy składają serdeczne podziękowania dr hab. Maciejowi Walczakowi za pomoc w wykonaniu badań prezentowanych w niniejszym artykule. BIBLIOGRAFIA 1. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, WNT, Warszawa Stepczyńska M., Żenkiewicz M.: Przetwórstwo Tworzyw 2009, nr 1, s Ozdemir M., Yurteri C. U., Sadikoglu H.: Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 1999, nr 5, s Scholtz V., Julák J., Kříha V.: Plasma Process. Polym. 2010, nr 2, s Radetić M., Ilić V., Vodnik V., Dimitrijević S., Jovančić P., Šaponjić Z., Nedeljković J. M.: Polym. Adv. Technol. 2008, nr 12, s Khattak K. F., Simpson T. J.: Rad. Phys. Chem. 2010, nr 4, s Tallentire A., Miller A., Helt-Hansen J.: Rad. Phys. Chem. 2010, nr 6, s Brzeziński S., Żenkiewicz M., Połowiński S., Kowalczyk D., Karbownik I., Lutomirski S., Malinowska G.: Polimery 2009, nr 6, s Ustawa z dnia 13 września 2002 r. o produktach bakteriobójczych, Dz. z 2002 r. Nr 175, poz. 1433, z 2003 r. Nr 189, poz. 1852, z 2004 r. Nr 173, poz. 1808, z 2005 r. Nr 180, poz Dyrektywa 98/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 lutego 1998 r. dotycząca wprowadzania do obrotu produktów bakteriobójczych (Dz. Urz. WE L 123 z ). 11. PN-EN 1040:2006 Chemiczne środki dezynfekcyjne i antyseptyczne - Ilościowa zawiesinowa metoda określania podstawowego działania bakteriobójczego chemicznych środków dezynfekcyjnych i antyseptycznych - Metoda badania i wymagania (faza 1). 12. Wzorek Z., Konopka M.: Nanosrebro - nowy środek bakteriobójczy, Czasopismo techniczne. Chemia 2007, nr 1-Ch, s Banach M., Kowalski Z., Wzorek Z.: Nanosrebro: wytwarzanie, właściwości bakteriobójcze, zastosowanie, Chemik 2007, nr 9, s