Evaluation of hydrogen peroxide wetting properties in the context of safe application in aseptic milk filling

Introduction: In aseptic filling systems, packaging materials are sterilized using various methods to eliminate microorganisms. One of the most popular methods for sterilizing packaging materials is the use of hydrogen peroxide. The wetting property of the surface plays a crucial role in ensuring effective inactivation of microorganisms and uniform treatment of the aseptic packaging. Improving the wetting properties of hydrogen peroxide solutions by adding surfactants will enhance the contact of the sterilant with the lyophobic multilayer packaging material's treated surface, providing the necessary sterilizing ability and disinfectant action during the aseptic filling of milk and dairy products.

Purpose: To study the wetting properties of concentrated hydrogen peroxide solutions on various substrates and the possibility of their correction with surfactants to ensure better packaging wetting and safe disinfection processes.

Materials and Methods: The objects of the study included the disinfecting substance and sterilant - hydrogen peroxide, surfactants used as technological aids in the food industry, and combined multilayer packaging materials based on paper, cardboard, aluminum foil, and polymer materials used in aseptic milk filling processes. Wetting ability was evaluated by the contact angle in a 3-phase system: adhesive (hydrogen peroxide, water, surfactant solutions) - substrate (packaging material, steel plate, glass) - air using the drop shape analysis based on the Young-Laplace method; surface tension was determined by the optical drop shape analysis using the DSA25S device; surface tension of solutions at temperatures ranging from 30 to 70 °C was determined using the maximum bubble pressure method. The presence of residual amounts of the surfactant polysorbate on the sterilized packaging material was analyzed by HPLC.

Results: The Tetra Brik®Aseptic packaging material exhibits pronounced lyophobic properties. The introduction of 0.1% polysorbate surfactant into the hydrogen peroxide solution (~35% w/w) reduced the contact angle by more than 50%, from 93.75° to 40.99°, and significantly decreased the surface tension (45-48%).

Conclusion: Improving the wetting properties of hydrogen peroxide solutions will enhance the contact of the sterilant with the treated surface of the lyophobic multilayer packaging material by adding a surfactant, ensuring the necessary sterilizing ability and disinfectant action during the aseptic filling of milk and dairy products. The application conditions of hydrogen peroxide solutions with the addition of 0.1% nonionic surfactant polysorbate in aseptic filling, considering both effectiveness in disinfecting packaging material and safety related to the removal of its residual amounts, allow considering it as a technological aid.

1. Аристов А., Носова Е., & Солдатов А. (2016). Применение метода фотометрии лежащих капель для задач клинической лабораторной диагностики. Медицинская техника, 5, 19-22. http://earchive.tpu.ru/handle/11683/37409

2. Директор Л., Зайченко В., & Майков И. (2010). Усовершенствованный метод лежащей капли для определения поверхностного натяжения жидкостей. Теплофизика высоких температур, 48(2), 193-197. http://dx.doi.org/10.1134/S0018151X10020069

3. Маневич, Б. (2023). Актуальность удаления остаточных количеств кислородактивных дезинфицирующих средств с контактных поверхностей молочного оборудования. Пищевая промышленность, 2, 40-43. http://dx.doi.org/10.52653/PPI.2023.2.2.009

4. Маневич, Б., Кузина Ж., & Косьяненко Т. (2018). Безопасное использование высокоэффективных дезинфицирующих средств на пищевых предприятиях. XII Международная научно-практическая конференция "Безопасность и качество товаров" (с. 218-230). Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова.

5. Маневич, Б., Кузина Ж., & Косьяненко Т. (2020). Значение шероховатости контактной поверхности при производстве функциональных продуктов на молочной основе оборудования. Молочная промышленность, 11, 54-56. http://dx.doi.org/10.31515/1019-8946-2020-11-54-56

6. Маневич, Б., Кузина Ж., & Косьяненко Т. (2018). Эффективная и безопасная дезинфекция - гарантия качества молочной продукции. Контроль качества продукции, 5, 58-61.

7. Мяленко, Д. (2020). Влияние термического, радиационно-химического и фотометрического воздействия на деструкцию и «старение» полимерных материалов. Актуальные вопросы молочной промышленности, межотраслевые технологии и системы управления качеством, 1(1), 406-411. http://dx.doi.org/10.37442/978-5-6043854-1-8-2020-1-406-411

8. Федотова, О., Мяленко, Д. (2006). Способы обеззараживания упаковочных материалов и тары при асептическом розливе молочной продукции. Сборник материалов научных чтений с международным участием, посвященных 100-летию со дня рождения профессора П. Ф. Дьяченко (с. 147-150). Московский государственный университет печати (МГУП).

9. Федотова, О. (2008). Упаковка для молока и молочных продуктов. Качество и безопасность. Россельхозакадемии.

10. Фильчакова, С. (2008). Микробиологическая чистота упаковки для молочных продуктов. Молочная промышленность, 7, 44.

11. Хамидуллина, Н., Дешевая, Е., Устинов, С., Захаренко, Д., & Сычев, В. (2020). Основные принципы, требования и методы обеззараживания. Российский сегмент международной космической экспедиции ЭкзоМарс-2022 (с. 57-163). Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина (Химки).

12. Abidullah, K., Guohui, X., Chuangang, Y., Amin, K., & Chunmao, H. (2019). Time-dependent bactericidal efficacy of hydrogen peroxide against methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Acinetobacter baumannii in second degree burn wound. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research, 15(4), 11447-11452.

13. http://dx.doi.org/10.26717/BJSTR.2019.15.002720

14. Chavan, R., Ansari I., & Bhatt S. (2016). Packaging: Aseptic Filling. Encyclopedia of Food and Health, 22, 191-198. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-384947-2.00512-2

15. Chiozzi, V., Agriopoulou, S., & Varzakas, T. (2022). Advances, applications, and comparison of thermal (pasteurization, sterilization, and aseptic packaging) against non-thermal (ultrasounds, UV radiation, ozonation, high hydrostatic pressure) technologies in food processing. Applied Sciences, 12(4), 2202. https://doi.org/10.3390/app12042202

16. Deeth, H. (2017). Optimum thermal processing for extended shelf-life (ESL) milk. Foods, 6(11), 102. https://doi.org/10.3390/foods6110102

17. González‐Aguilar, G., Ayala‐Zavala, J., Chaidez‐Quiroz, C., Heredia, J., & Campo, N. (2012). Peroxyacetic acid. Decontamination of fresh and minimally processed produce, 215-223. 1(12) https://doi.org/10.1002/9781118229187.ch12

18. Hedrick, T. (1973). Aseptic packaging in paperboard container. Food Technol, 27(9), 64.

19. Jildeh, Z., Kirchner, P., Oberlaender, J., Vahidpour, F., Wagner, P., & Schöning, M. (2020). Development of a package-sterilization process for aseptic filling machines: A numerical approach and validation for surface treatment with hydrogen peroxide. Sensors and Actuators A: Physical, 303, 111691.

20. https://doi.org/10.1016/j.sna.2019.111691

21. Khadre, M. A., & Yousef, A. E. (2001). Decontamination of a multilaminated aseptic food packaging material and stainless steel by ozone. Journal of Food Safety, 21(1), 1-13. https://doi.org/10.1111/j.1745-4565.2001.tb00304.x

22. Nadruz, V., Beard, L. A., Delph‐Miller, K. M., Larson, R. L., Bai, J., & Chengappa, M. M. (2023). Efficacy of high‐level disinfection of endoscopes contaminated with Streptococcus equi subspecies equi with 2 different disinfectants. Journal of Veterinary Internal Medicine, 37(4), 1561-1567. https://doi.org/10.1111/jvim.16740

23. Toledo, R.T. (1986). Post processing changesin aseptically packed beverages. Agricultural and Food Chemistry, 34(3), 405–408. https://doi.org/10.1021/jf00069a005