КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 20-73-10200
НазваниеБиосовместимые металл-органические координационные полимеры для функциональной упаковки пищевых продуктов
РуководительАлиев Теймур Мовланович, Кандидат химических наук
Прежний руководитель Новиков Валентин Владимирович, дата замены: 28.11.2022
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2020 - 06.2023 |
Конкурс№50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-203 - Химия координационных соединений
Ключевые словаМеталл-органические координационные полимеры, биосовместимость, композитные материалы, гидроколлоиды, функциональные материалы, рациональный дизайн, функциональная упаковка
Код ГРНТИ31.17.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предлагаемый Проект направлен на решение актуальной для современного общества проблемы создания функциональной («активной» или «умной») упаковки пищевой продукции, задача которой – увеличение срока хранения продуктов питания и их безопасности для потребителя. В настоящее время это достигается внедрением в упаковку разного рода функциональны добавок: природных антиоксидантов, антибактериальных и других аналогичных веществ, а также молекулярных сенсоров, сигнализирующих о вероятном бактериальном загрязнении, протекании процессов гниения или длительном пребывании продуктов питания в неблагоприятных условиях. Указанные добавки должны быть не токсичными и полностью совместимыми с полимерной матрицей, образующей упаковочный материал, с возможностью контролируемого высвобождения веществ с антиоксидантной или антибактериальной активностью в пищевую продукцию и поглощения химических соединений, образующихся при ее деградации.
Одним из последних достижений в данной области является возможность использования в качестве таких добавок металл-органических координационных полимеров, содержащих поры различного размера, который можно контролировать выбором подходящих металл-содержащих узлов и органических линкеров, что придает им непревзойденные сорбционные свойства, а в ряде случаев – биосовместимость. Однако применение подобных добавок в составе функциональной упаковки продуктов питания требует не только полной биосовместимости самих металл-органических координационных полимеров, но и пищевой безопасности полимерной матрицы, в которую они интегрируются для получения готового упаковочного материала. В настоящем Проекте в качестве такой полимерной матрицы предлагается использовать природные гидроколлоиды – безвредные полисахаридные и полипептидные соединения, которые способны образовывать полимерные пленки, пригодные для создания упаковки для продуктов питания. Использование биосовместимых металл-органических координационных полимеров, обладающих антиоксидантными, антибактериальными и сенсорными свойствами, в составе композитных материалов на основе природных гидроколлоидов позволит разработать полностью безопасную функциональную упаковку продуктов питания, характеристиками которой можно управлять выбором подходящих металл-содержащих узлов, органических линкеров и молекул-гостей.
Подобные комплексные исследования ранее не проводились, поскольку они требуют одновременного объединения усилий специалистов в органической химии, координационной химии, химии высокомолекулярных соединений и различных физических методах исследования химических веществ. Такой комплементарный подход позволит не только создать новые функциональные материалы, представляющие практический, экономический и социальный интерес благодаря их предполагаемому использованию для увеличения срока хранения продуктов питания и обеспечения их безопасности, но и заложить научную базу для направленного дизайна биосовместимых металл-органических координационных полимеров и их использования в составе биодеградируемых полимерных матриц.
Ожидаемые результаты
Для достижения основной цели предлагаемого Проекта, заключающейся в создании биосовместимых композитных материалов на основе металл-органических координационных полимеров и природных гидроколлоидов для функциональной упаковки продуктов питания, планируется не только синтезировать новые нетоксичные металл-органические координационные полимеры, в состав которых будут входить только биосовместимые компоненты, но и продемонстрировать их сродство как к различным молекулам-гостям, обеспечивающим функциональность пищевой упаковки (антибактериальные, антиоксидантные или сенсорные свойства), так и к гидроколлоидным матрицам, формирующим саму упаковку.
При выполнении настоящего Проекта соответствующие металл-органические координационные полимеры будут получены при использовании нетоксичных ионов металлов в качестве металл-содержащих узлов и биомолекул, таких как ди- и поликарбоновые кислоты, азотистые основания, аминокислоты и пептиды, в качестве органических линкеров. Как металл-органические координационные полимеры и их соединения включения с молекулами-гостями, проявляющими антибактериальные, антиоксидантные или сенсорные свойства (если они не обусловлены компонентами самих металл-органических координационных полимеров), так и полученные на их основе композитные материалы с природными гидроколлоидами будут детально изучены при помощи широкого набора современных физико-химических методов исследования, включая рентгеновскую дифракцию, оптическую и колебательную спектроскопию, микроскопию, спектроскопию ядерного магнитного резонанса и масс-спектрометрию. Антибактериальные, антиоксидантные и сенсорные свойства композитных пленок будут проверены как в модельных экспериментах, так и при длительном хранении реальных пищевых продуктов. Это позволит определить перспективы практического применения металл-органических координационных полимеров в функциональной упаковке для продуктов питания, обладающей антибактериальными, антиоксидантными или сенсорными свойствами, прототипы которой предполагается создать в ходе выполнения настоящего Проекта.
Научная и общественная значимость ожидаемых результатов определяется тем, что поиск новых материалов для упаковки, способной продлить срок хранения продуктов питания и увеличить их безопасность для употребления в пищу человеком, является важным шагом на пути обеспечения мирового сообщества качественной пищевой продукцией.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствии с заявленным планом работ на 2020 – 2021 гг. за отчетный период проведены исследования, посвященные синтезу биосовместимых металл-органических координационных полимеров и получению пленок из композитных материалов на их основе. Кроме того, дополнительно были выполнены работы по изучению свойств полученных композитных пленок в рамках модельных экспериментов по хранению пищевых продуктов.
При использовании металл-содержащих узлов на основе биосовместимых ионов металлов и органических линкеров на основе биогенных карбоновых кислот синтезирована серия биосовместимых металл-органических координационных полимеров. Подобраны оптимальные составы гидроколлоидных композиций, подходящих для получения композитных материалов на их основе. Путем прямой отливки композиции на основе выбранного гидроколлоида и металл-органического координационного полимера в пленку и при помощи мембрано-наливочной машины ножевого типа изготовлены композитные пленки, содержащие биосовместимые металл-органические координационные полимеры. Как металл-органические координационные полимеры, так и композитные пленки на их основе изучены при помощи широкого набора современных методов материаловедения, которые позволили продемонстрировать хорошие барьерные и механические свойства таких пленок, высокую прозрачность и равномерность распределения частиц металл-органического координационного полимера в гидроколлоидной матрице.
Изучено поведение полученных композитных пленок в симулированных биологических условиях, а также определена их устойчивость в водных средах и скорость их гидролиза. Показано, что, несмотря на хорошую долговременную стабильность во влажной атмосфере, а также при непосредственном контакте с влажными пищевыми продуктами, помещение пленок в водные растворы приводило к их достаточно быстрому растворению. Такое поведение представляет большой интерес при создании покрытий для непосредственного нанесения на продукты питания, такие как фрукты и овощи. В рамках модельных экспериментов по хранению пищевых продуктов на примере яблок продемонстрирована способность полученных композитных пленок увеличивать устойчивость пищевых продуктов к микробному заражению.
По результатам выполнения Проекта в 2020 – 2021 гг. две статьи приняты к печати в журналах, индексируемых системой «Сеть Науки» (Web of Science), и еще одна статья направлена в журнал Food Hydrocolloids (Q1, импакт-фактор 7.053).
Публикации
1. Ищенко А.А., Пак А.М., Нелюбина Ю.В. Исследование распределения электронной плотности в кристалле биосовместимого металл-органического координационного полимера Координационная химия, - (год публикации - 2021)
2. Пак А.М., Захарченко Е.Н., Корлюков А.А., Новиков В.В. Антибактериальные пленки из композитных материалов на основе биосовместимого металл-органического координационного полимера MOF-5 и гидроколлоидов Координационная химия, - (год публикации - 2021)
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с заявленным планом работ на 2021 – 2022 гг. за отчетный период нами проведены исследования, посвященные синтезу биосовместимых металл-органических координационных полимеров и получению пленок из композитных материалов на их основе, а также изучению свойств полученных пленок, в том числе – антиоксидантных, антимикробных и сенсорных, для создания композитных материалов для функциональной упаковки пищевых продуктов.
При использовании металлсодержащих узлов на основе ионов биосовместимых металлов и органических линкеров на основе биогенных кислот получены биосовместимые металл-органические координационные полимеры, в том числе ранее не известные, а также их органические аналоги на основе указанных кислот. На основе ряда природных гидроколлоидов получены композитные пленки, содержащие биосовместимые металл-органические координационные полимеры, в том числе с инкапсулированными соединениями, проявляющими антимикробные, антиоксидантные и сенсорные свойства. Изучена кинетика выделения таких соединений в окружающую среду.
Полученные композитные пленки обладали хорошими барьерными и механическими свойствами, высокой прозрачностью и равномерным распределением частиц металл-органического координационного полимера в гидроколлоидной матрице. Они продемонстрировали сенсорные, антиоксидантные и антимикробные свойства в ходе тестовых экспериментов по хранению пищевых продуктов (яблок).
По результатам выполнения проекта опубликовано и принято к печати три статьи в изданиях, индексированных базой данных «Web-of-Science». Кроме того, на заключительной стадия оформления находится обзор, посвященный применению гидроколлоидов в пищевой химии (предполагается отправка в журнал “Food Chemistry”), и статья, предназначенная для отправки в журнал “Food Hydrocolloids
Публикации
1. Денисов Г.Л., Нелюбина Ю.В. New Co-Crystals/Salts of Gallic Acid and Substituted Pyridines: An Effect of Ortho-Substituents on the Formation of an Acid–Pyridine Heterosynthon Crystals, 12, 4, 497 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/cryst12040497
2. Майорова Е.А., Пак А.М., Нелюбина Ю.В., Новиков В.В, Новый биосовместимый металл-органический координационный полимер, полученный методами "зеленой" химии Координационная химия, - (год публикации - 2022)
3. Пак А.М., Захарченко Е.Н., Майорова Е.А., Новиков В.В. Биосовместимый металл-органический координационный полимер для функциональной упаковки пищевых продуктов Координационная химия, - (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период нами проведены исследования, направленные на получение биосовместимых металл-органических координационных полимеров, содержащих биосовместимые металлы и органические линкеры на основе биогенных кислот, и их композитных пленок с полимерными матрицами на основе гидроколлоидов. В частности, изучено влияние добавочных агентов (пластификаторов и сшивающих агентов) на строение и свойства конечных композитных материалов, что позволило подобрать оптимальные составы гидроколлоидных композиций для изготовления композитных пленок, предложенных к использованию в качестве современной функциональной упаковки пищевых продуктов.
На основе ряда природных гидроколлоидов получены композитные пленки, содержащие биосовместимые металл-органические координационные полимеры, в том числе с инкапсулированными в их поры биологически активными соединениями, такими как бензоат натрия, ибупрофен и активные компоненты эфирных масел. Полученные композитные пленки, в гидроколлоидной матрице которых были равномерно распределены частицы металл-органического координационного полимера, обладали хорошими оптическими, барьерными и механическими свойствами, а также антибактериальной активностью, что важно для использования таких материалов в функциональной упаковке пищевых продуктов. Однако в симулированных биологических условиях такие пленки продемонстрировали возможность проникновения их компонентов, включая инкапсулированные активные вещества и продукты гидролиза металл-органических координационных полимеров, в пищевые продукты, в контакте с которыми они находятся.
По результатам выполнения проекта в отчетном периоде 3 статьи опубликованы или приняты к печати в научных изданиях, индексируемых базой данных Web of Science. Кроме того, на рассмотрении в журнале «Critical Reviews in Food Science and Nutrition» (импакт-фактор 11.208) находится обзор «Natural hydrocolloids as biocompatible composite materials for food applications» (134 страниц, 597 ссылок). С текстом обзора можно ознакомиться по ссылке: https://1drv.ms/b/s!Avc3e7Wb78hdiKUpQiF4m8elrYTicg?e=C7P0Fk.
Публикации
1. Пак А.М., Вольхина Т.Н.,Нелюбина Ю.В, Новиков В.В. Пленочные покрытия для медленного высвобождения лекарств на основе металл-органического координационного полимера MIL-100(Fe) Координационная химия, - (год публикации - 2023)
2. Пак А.М., Майорова Е.А.,Сяглова Е.Д.,Алиев Т.М.,Струкова Е.Н., Кирейнов А.В., Пирязев А.А., Новиков В.В. MIL-100(Fe)-based composite films for food packaging Nanomaterials, - (год публикации - 2023)
3. Пак А.М., Новиков В.В. Композитные материалы на основе биосовместимого металл- органического координационного полимера и антоцианов цветков суданской розы Hibiscus sabdariffa для активной упаковки пищевых продуктов Координационная химия», - (год публикации - 2023)
Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть востребованы существующими производствами, заинтересованными в создании безопасной биоразлагаемой упаковки для пищевых продуктов. Все компоненты гидроколлоидных матриц, использованных для создания композитных пленок в рамках настоящего проекта, а также избранные компоненты МОКП одобрены для использования в пищевой промышленности (в том числе - непосредственно в составе пищевых продуктов) на территории РФ.