CC BY
252
УДК: 664.2(045)
DOI: 10.24411 /0235-2486-2019-10169
Биоразлагаемые съедобные пленки на основе крахмала
Н.Д. Лукин*, д-р техн. наук, профессор; В.В. Ананских, канд. техн. наук; Л.Д. Шлеина; А.В. Родионова
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, Московская обл., пос. Красково
Дата поступления в редакцию 12.07.2019 Дата принятия в печать 29.11.2019
* vniik@arrisp.ru
© Лукин Н.Д., Ананских В.В., Шлеина Л.Д., Родионова А.В, 2019
Реферат
Производство съедобных пищевых пленок на основе биополимеров и возможность применения горохового крахмала для изготовления пленочных материалов являются актуальной темой в настоящее время. Большое количество не разлагаемых в природных условиях полимерных материалов оказывает вредное воздействие на окружающую среду. В связи с массовым отказом стран от использования пластика необходимо найти достойную ему альтернативу. Этой альтернативой могут стать пленочные материалы на основе крахмала из-за низкой себестоимости, возможности его получения из легко-возобновляемого, экологически безопасного сырья. Кроме этого, необходимо учитывать прочность и эластичность данной пленки и требуется ли вторичная упаковка для транспортировки и хранения продуктов, упакованных в нее. Самые первые пленки использовались моряками в XII веке: они покрывали фрукты воском для увеличения срока их хранения. В настоящее время количество использования пищевых съедобных пленок возрастает. Уже сейчас за рубежом изготовлены пленочные материалы и покрытия, имеющие антижировые, антибактериальные и другие свойства. Они активно используются в пищевой промышленности. Создать пленочные материалы на основе крахмала возможно только с добавлением пластифицирующих веществ, например глицерина, так как крахмал в чистом виде не способен образовывать пленки. Пластификаторы увеличивают растяжимость и гибкость пленок. Применение съедобных пищевых пленок позволит не только улучшить экологическую ситуацию в мире, но и увеличить срок хранения продуктов, повысить их биологическую ценность. Потребность в пленочных материалах в настоящее время велика и пользуется спросом на мировом рынке.
Ключевые слова
амилоза, биоразлагаемые пленки, высокоамилозный крахмал, гороховый крахмал, пластификатор, пленочные материалы, съедобные пленки
Для цитирования
Лукин Н.Д., Ананских В.В., Шлеина Л.Д., Родионова А.В. (2019) Биоразлагаемые съедобные пленки на основе крахмала // Пищевая промышленность. 2019. № 11. С. 13-15.
N.D. Lukin*, Doctor of Technical Sciences, Professor; V.V. Ananskikh, Candidate of Technical Sciences; L.D. Shleina; A.V. Rodionova
All-Russian Research Institute of Starch Products - Branch of the Federal Scientific Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, Moscow region, Kraskovo
The production of edible food films based on biopolymers and the possibility of using pea starch for the manufacture of film materials is a current topic. A large number of non-degradable polymeric materials has a harmful effect on the environment. In connection with the massive failure of countries to use plastic, it is necessary to find a worthy alternative. This alternative can be starch-based film materials due to its low cost, the possibility of its production from easily renewable environmentally friendly raw materials. In addition, it is necessary to take into account the strength and elasticity of this film and whether secondary packaging is required for the transportation and storage of products packaged in it. The very first films were used by sailors in the 12th century; they coated fruit with wax to increase their shelf life. Currently, the amount of edible food film use is increasing. Already abroad, film materials and coatings having anti-fat, anti-bacterial and other properties have been manufactured. They are actively used in the food industry. It is possible to create starch-based film materials only with the addition of plasticizing agents, for example, glycerin, since starch cannot form films in its pure form. Plasticizers increase the stretchability and flexibility of films. The use of edible food films will not only improve the ecological situation in the world, but also increase the shelf life of products, increase their biological value. The need for film materials is currently great and is in demand in the global market.
pea starch, high amylose starch, biodegradable, films, edible films, amylose, plasticizers, film materials For citation
Lukin N.D., Ananskikh V.V., Shleina L.D., Rodionova A.V. (2019) Biodegradable edible films based on starch // Food processing industry = Pischevaya promyshlennost'. 2019. No. 11. P. 13-15.
Biodegradable edible films based on starch
Received: July 12, 2019 Accepted: November 29, 2019
* vniik@arrisp.ru
© Lukin N.D., Ananskikh V.V., Shleina L.D., Rodionova A.V., 2019
Abstract
Key words
БИОТЕХНОЛОГИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ
ТЕМА НОМЕРА
Введение. В данной статье рассматриваются актуальность производства и возможность применения горохового крахмала для получения биодеградируемых съедобных пленок.
Чрезмерное количество не разлагаемых в природных условиях полимерных отходов оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Данная проблема относится к одной из актуальных в современном мире [1]. Особенностью полимеров является их устойчивость к агрессивной среде (агрессивному воздействию), а процессы их деструкции протекают очень медленно, отравляя окружающую среду образовавшимися вредными веществами. С каждым годом отходов становится только больше, и экологическая ситуация ухудшается.
В 1980-х гг. из-за увеличения пластмассовых отходов появились первые биоде-градируемые материалы (на основе смеси крахмала и полиолефинов). Биопластики и биовозобновляемые пластики получают на основе биоразлагаемых полимеров. способность биоразложения (процесс, вызванный биологической деятельностью, приводящий к получению натуральных ключевых продуктов обмена веществ при химическом изменении структуры материала) [2] полимера или пластика зависит не от происхождения, а от его химического состава. Биоразлагаемые пластики получают из невозобновляемых источников сырья совместно с биодеградируемыми добавками (крахмал, агар-агар, целлюлоза модифицированная).
Создание биопластиков не решает полностью экологической проблемы, поэтому в настоящее время исследования по созданию съедобных биоразлагаемых пищевых пленок набирают все большую популярность.
В связи с этим с целью улучшения экологии природной среды по всему миру вводятся запреты, штрафные санкции на использование одноразовой посуды, ватных палочек, соломинок для напитков и др. Многие организации, такие как IKEA, Starbucks, McDonald's и Disneyland, также отказываются от пластика.
Полностью отказаться от пластика возможно при наличии альтернативы низкой себестоимости, экологически безопасной продукции и возможности получения из легко возобновляемого природного сырья. Этой альтернативой может стать биораз-лагаемая съедобная пищевая пленка на основе крахмала.
Первые рулоны пленки на заводской установке получены в 1960-е гг. [3], а в 1980-е появились первые обзоры по съедобным пленкам и покрытиям [4]. Самые первые пленки использовались моряками в XII веке: они покрывали фрукты воском для увеличения срока их хранения.
В 1968 г. во ВНИИК прорабатывалась технология производства амилозной пленки методом налива, а также испытывались различные способы нанесения пленочного покрытия на продукцию под руководством В.И. Деулина. Амилозные пленки были пластифицированы глицерином, сорбитолом, патокой или их смесями.
Амилозные пленки наносили на крекер с различными добавками (кофе, какао-порошок, корица, тмин), печенье сдобное с какао-порошком, печенье сахарное с
какао-порошком, печенье с сыром и затяжное печенье с целью предотвращения образования крошек. На все образцы пленка наносилась методом напыления. Упакованные в пленку образцы под вакуумом были заложены на хранение на один год при температуре 22±3 °С и относительной влажности 75 %. После пяти месяцев хранения были получены положительные результаты хранения указанных образцов, однако при дальнейшем хранении пленки теряли свою эластичность. В настоящее время во ВНИИК продолжаются работы по созданию технологии съедобных пленок с применением высокоамилозных сортов гороха с содержанием до 80 % амилозы.
На сегодняшний день примеров использования съедобных пленок немного, но с каждым годом их количество и качество возрастают. Ученые разрабатывают современные инновационные технологии съедобных пищевых пленок. Например, в настоящее время созданы «умная» и «активная» упаковки из пленки [5]. «Умная» упаковка может содержать компоненты, которые реагируют на различные изменения в окружающей среде или в самом продукте, меняя свой цвет. Тем самым изменение цвета пленки предупредит покупателя или производителя о порче продукта. «Активная» упаковка может регулировать газовую атмосферу продукта, удаляя нежелательные газы (химически или ферментативно).
Крупнейшая компания-разработчик водорастворимых упаковок «Моносол» (MonoSol) сегодня поставляет на потребительский рынок порционные упаковки с овсяными хлопьями, крупами, кофе, какао, протеиновыми коктейлями, мукой, специями, соусами. Пленка «Vivos» является последней разработкой компании, которая растворяется в горячей воде в течение нескольких секунд и не меняет вкуса пищи. Однако для транспортировки и хранения пищевых продуктов необходима прочная вторичная упаковка [6]. В России запатентован состав съедобной пленки [7], которая, в отличие от не имеющей вкуса съедобной пленки «Vivos», в качестве вкусовой основы может содержать мясной бульон, фруктовый сок, сухие специи, эфирные масла укропа, чеснока, экстракты вина, ягод и т. п.
Профессор Дэвид Эдвардс (David Edwards) из Гарвардского университета [8] изготовил шарики, сделанные из геля, на основе кусочков пищи (фруктов, овощей, орехов и даже шоколада) с добавлением полисахаридов (хитозан, альгинаты), а также солей кальция или магния. Внутри такого шарика можно хранить все, что угодно, в том числе и жидкости.
Австралийские ученые в 2015 г. исследовали физико-механические свойства пленок на основе высокоамилозного горохового крахмала (содержание амилозы -36,25%) в зависимости от концентрации пластификатора - глицерина (15%, 25% и 35% от сухой массы крахмала), который добавляли к 5%-ной дисперсии горохового крахмала. согласно полученным результатам сделан вывод, что увеличение концентрации пластификатора приводит к улучшению прочности и пластичности пленок [9].
Съедобные пленки не только улучшат экологическую ситуацию, но и, обладая определенными функциями, смогут увеличить срок хранения продуктов и т. д.
К основным функциям съедобных пищевых пленок можно отнести следующие:
- Барьерная функция. Наличие барьерных свойств к этилену, влаге, кислороду и диоксиду углерода является одной из наиболее важных функций съедобных пленок. Пленка должна создать такую атмосферу, чтобы кислорода было не слишком мало, иначе начнется анаэробное дыхание, в котором сахара превратятся в спирт, и в то же время не более 9 %. Если же кислорода окажется более 9 %, то начнет вырабатываться этилен за счет окисления растительных тканей [10].
- Антижировое покрытие для жарки. Для пленок обжариваемой продукции (во фритюре) предъявляются очень жесткие требования. Покрытие должно быть прочным (не растрескиваться при хранении), влаго- и маслопроницаемым, эластичным. Такая оболочка позволит снизить впитывание жира в продукт, сглаживает продукт, заполняя пустоты. Для двукратного снижения поглощения масла при обжарке мяса, рыбы, картофеля и т. д. используют пленки на основе метилцеллюлозы, гидроксипро-пилированного крахмала, пектина и др. [11].
- Антимикробная. Съедобная пленка с антимикробными свойствами предполагает наличие бактерицидных и фунгицидных свойств.
Для изготовления съедобных упаковок используются биополимеры, полученные из растительного сырья. Одним из перспективных природных сырьевых материалов является крахмал благодаря его низкой себестоимости, легкой возобновляемости, хорошей биоразлагаемости и отсутствию дефицита.
однако крахмал в чистом виде не способен образовывать пленки из-за низкой механической прочности и высокой проницаемости паров воды, поэтому получение пленочных материалов возможно с добавлением различных пластификаторов. Пластификаторы увеличивают растяжимость и гибкость пленок, уменьшая межмолекулярные силы и улучшая подвижность полимерных цепей. также кроме пластификаторов для улучшения физико-механических свойств добавляют такие компоненты, как альгинат натрия, желатин, карбамид, латекс.
Большинство крахмалов, вырабатываемых из картофеля и зернового сырья (пшеничный, кукурузный и картофельный), содержат около 25 % амилозы и 75 % амилопектина, в то время как крахмалы, полученные из бобовых культур, характеризуются повышенным содержанием амилозы (более 30 %). В крахмале морщинистых форм гороха доля амилозы может достигать 50-80 %.
Одной из распространенных бобовых культур является горох. Зерно гороха содержит до 60 % крахмала, 23-28 % белка (в 2-3 раза больше, чем у злаковых культур), клетчатку (3-6 %), жирорастворимые витамины, особенно токоферолы (5-10 мг%), а в семенных оболочках повышена концентрация водорастворимых витаминов: В, - 0,5-1; В2 - 0,2-0,3; В5 - 1-2; РР - 2-4; фолиевой кислоты - 0,3-0,4 мг%, макро-и микроэлементы. Мг% (миллиграмм-процент) - это внесистемная единица измерения концентрации. Зернобобовые отличаются повышенным содержанием лино-левой (45-55%) и линоленовой (5-15 %)
14
11/2019 ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ISSN 0235-2486
кислот, что свидетельствует об их высокой биологической ценности.
Основные углеводы, которые определяют питательную ценность зернобобовых культур, - это крахмал, сахара, гемицеллюлозы, клетчатка. Содержание крахмала в семенах различных зернобобовых культур колеблется в пределах 35-50 %. В зерне зернобобовых культур в меньших количествах содержатся медь, марганец, бор, молибден, цинк, кобальт и другие микроэлементы, которые входят в состав молекул ферментных белков или выполняют роль активаторов ферментов, тем самым повышая биологическую ценность зерна [12].
Съедобные биоразлагаемые пленки на основе горохового крахмала можно рассматривать как биодеградируемые пленки, разлагаемые под действием различных ферментов, содержащихся в ротовой полости, желудочно-кишечном тракте человека.
В связи с тем, что такая пленка вместе с продуктами будет попадать в организм человека, она должна соответствовать ряду требований:
- не иметь в составе неперевариваемых, аллергенных и токсичных компонентов;
- улучшать внешний вид;
- защищать от загрязнений;
- обеспечить полупроницаемость газов;
- предотвращать повреждение продукции при хранении, транспортировке, реализации;
- не влиять на органолептические свойства продуктов;
- производство пленки должно быть экономически выгодным и простым [13].
За пленкообразующую способность крахмалов отвечает амилоза. Амилоза - не-разветвленный полисахарид, включающий 200-300 остатков глюкозы, которые связаны а-1,4-гликозидной связью. Благодаря а-конфигурации глюкозного остатка по-лисахаридная цепь имеет конформацию спирали. За счет большего содержания амилозы, чем у других крахмалов, гороховый крахмал характеризуется высокой степенью кристалличности областей, богатых амилозой после дегидратации, устойчивостью, быстрой ретроградацией, высокой эластичностью геля [9]. Гороховый крахмал обладает улучшенными характеристиками прочности на разрыв и газобарьера. Поэтому он является подходящим материалом для формирования пленки.
Предположительно, используя высоко-амилозный гороховый крахмал для производства пленочных изделий, можно уменьшить концентрацию добавляемых пластификаторов и других компонентов, которые улучшают физико-механические свойства пленок. За счет снижения концентраций можно получить экологически безопасные для человека, съедобные пленки, а вводя пищевые витаминизированные добавки, повысить их пищевую ценность.
Выводы. В последние годы потребность в таких материалах, как пищевые съедобные пленки, растет, и доход от продаж
съедобных упаковок на мировом рынке составляет сотни миллионов долларов, что свидетельствует о перспективности развития их производства.
Анализ литературных данных показал, что горох является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в Российской Федерации, имеющей кормовое, продовольственное и техническое значение.
За счет высоких показателей содержания белка, крахмала, железа и других минеральных веществ горох обладает высокой пищевой ценностью. Зерно гороха и продукты его переработки находят широкое применение не только в пищевой, но и в фармацевтической и животноводческой промышленности.
Используя высокоамилозный гороховый крахмал, можно получить экологически безопасные пищевые пленки, которые не только продлят срок хранения продуктов, но и повысят их биологическую ценность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ковальчик, Н.В. Сравнительная оценка управления отходами в Белоруссии и Европейском Союзе / Н.В. Ковальчик, М.И. Струк, В.С. Хо-мич // Вестник БГУ. - 2011. -№ 1. - С. 91-94.
2. Легонькова, О.А. Биоразлагаемые полимерные материалы в пищевой промышленности // Пищевая промышленность. - 2007. - № 6. -С. 26-28.
3. Kester, J. Edible films and Coating: a review / J. Kester, O. Fennema // Food Technology. -1986. - Vol. 48. - № 12. - P. 47-59.
4. Zhao, Y. Application to commercial coating // Edible Coatings and Films to Improve Food Quality. 2nd Ed. - Boca Raton: CRC Press, 2012. - P. 319-334.
5. Kerry, J.P. Past, current and potential utilization of active and intelligent packaging systems for meat and muscle-based products: A review / J.P. Kerry, M.N. O'Grady, S.A. Hogan // Meat Science. - 2006. - Vol. 74. - № 1. - P. 113-130.
6. MonoSoL: Dissolvable film for food ingredients. Packaging world [Electronic resource]. 2014. Mode of access: http://www. packwor1d.com/company/monosoL-LLc/products. (Date of access: 03. 03. 2016)
7. Водорастворимая биодеградируемая съедобная упаковочная пленка. Патент России № 2525926. 20.08.2014. Бюл. №23 / М.А. Никулина, А.Х. Нугматов, Л.М. Титова, И.Ю. Алекса-нян, А.В. Пленкин.
8. WikiPearL. WikiFoods [Electronic resource]. 2014. Mode of access: http://www.wikipearL.com (Date of access: 03.03.2016)
9. Baharen, S. MechanicaL and physicaL properties of pea starch edibLe fiLms in the presence of glycerol / S. Baharen [et aL.] // Journal of Food Processing and Preservation. - 2015. - № 5. -P. 1339-1352. doi:10.1111/jfpp.12719.
10. Комаров, С.М. Мечты о съедобной упаковке // Химия и жизнь. - 2014. - № 9. - С. 30-34.
11. PhiLLips, G.O. Handbook of HydrocoLLoids / G.O. PhiLLips, J.A.WiLLiams // 2-nd Edition. -Boston: CRC Press, 2009. - 948 p.
12. Новиков, Н.Н. Биохимические основы формирования качества продукции растениеводства: учебное пособие / Н.Н. Новиков. - М.:
РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2014. -194 с.
13. Kester, J.J. EdibLe fiLms and Coating: a review // Food TechnoLogy. - 1986. - VoL. 40. -No. 1. - P. 47-59.
14. Кудрякова, Г.Х. Съедобная упаковка: состояние и перспективы / Г.Х. Кудрякова [и др.] // Пищевая промышленность. - 2007. - № 6. -C. 24-25.
REFERENCES
1. KovaLchik NV, Struk MI, Homich VS. SravniteL'naja ocenka upravLenija othodami v BeLorussii i Evropejskom Sojuze [Comparative assessment of waste management in BeLarus and the European Union]. Vestnik BGU [BuLLetin of BSU]. 2011. No. 1. P. 91-94 (in Russ.).
2. Legon'kova OA. BiorazLagaemye poLimernye materiaLy v pishhevoj promyshLennosti [BiodegradabLe poLymer materiaLs in the food industry]. Pischevaja promyshlennost' [Food industry]. 2007. No. 6. P. 26-28 (in Russ.).
3. Kester J, Fennema O. EdibLe fiLms and Coating: a review. Food TechnoLogy. 1986. VoL. 48. No. 12. P. 47-59.
4. Zhao Y. AppLication to commerciaL coating. EdibLe Coatings and FiLms to Improve Food QuaLity. 2nd Ed. Boca Raton: CRC Press, 2012. P. 319-334.
5. Kerry JP, O'Grady NO, Hogan SA. Past, current and potentiaL utiLization of active and inteLLigent packaging systems for meat and muscLe-based products: A review. Meat Science. 2006. VoL. 74. No. 1. P. 113-130.
6. MonoSoL: DissoLvabLe fiLm for food ingredients. Packaging worLd [ELectronic resource]. 2014. Mode of access: http://www.packworLd. com/company/monosoL-LLc/products. (Date of access: 03. 03. 2016)
7. NikuLina MA, Nugmatov AH, Titova LM, ALek-sanyan IY, PLenkin AV. Vodorastvorimaja biode-gradiruemaja sedobnaja upakovochnaja pLenka [Water soLubLe biodegradabLe edibLe packaging fiLm]. Russia patent RU 2525926. 2014. BuLL. № 23.
8. WikiPearL. WikiFoods [ELectronic resource]. 2014. Mode of access: http://www.wikipearL.com (Date of access: 03.03.2016)
9. Baharen S, Quan B, SuwimoL C, John B, Christopher D, Costas E. MechanicaL and physicaL properties of pea starch edibLe fiLms in the presence of gLyceroL. Journal of Food Processing and Preservation. 2015. No. 5. P. 1339-1352. doi:10.1111/jfpp.12719.
10. Komarov SM. Mechty o s'edobnoj upakovke [Dreams of edibLe packaging]. Himija izhizn' [Chemistry and Life]. 2014. № 9. P. 30-34 (in Russ.).
11. PhiLLips GO. Handbook of HydrocoLLoids. 2-nd Edition. Boston: CRC Press, 2009. 948 p.
12. Novikov NN. Biohimicheskie osnovy formirovanija kachestva produkcii rastenievod-stva: Uchebnoe posobie [BiochemicaL bases of formation of quaLity of production of pLant growing: the manuaL]. M.: RGAU - MSHA imeni K.A. Timirjazeva. 2014. 194 p. (in Russ.)
13. Kester JJ. EdibLe fiLms and Coating: a review. Food TechnoLogy. 1986. VoL. 40. No. 1. P. 47-59.
14. Kudryakova GH, Kuznecova LS, NaguLa MN, Miheeva NV, Kazakova EV. S'edobnaya upakovka: sostoyanie i perspektivy [EdibLe packaging: status and prospects]. Pischevaya promyshlennost' [Food industry]. 2007. No 6. P. 24-25 (in Russ).
Авторы
Лукин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, Ананских Виктор Владимирович, канд. техн. наук, Шлеина Любовь Даниловна, Родионова Анастасия Валерьевна
ВНИИ крахмалопродуктов - филиал ФНЦ пищевых систем им. В.М. Горбатова РАН, 140051, Московская обл., Люберецкий р-н, пос. Красково, ул. Некрасова, д. 11, vniik@arrisp.ru, nastya.rodi123@yandex.ru
Autors
Nikolay D. Lukin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Victor V. Ananskikh, Candidate of Technical Sciences, Lyubov D. Shleina, Anastasia V. Rodionova
All-Russian Research Institute of Starch Products - Branch of the Federal Science Center of Food Systems V.M. Gorbatov RAS, 11, Nekrasov str., Kraskovo, Lyubertsy district, Moscow region, 14005, vniik@arrisp.ru
