CC BY
119М
УДК 502/504
Экологически безопасная упаковка на основе полисахаридов
Г.Х. КУДРЯКОВА, доц. кафедры «Химия и экотоксикология»
H.H. РОЕВА, зав. кафедрой «Химия и экотоксикология» (e-mail: roeva@mgupp.ru)
С.А. ЯНКОВСКИЙ, доц. кафедры «Химия и экотоксикология»
С.С. ВОРОНИН, доц. кафедры «Химия и экотоксикология»
Д.А. ЗАЙЦЕВ, ст. преподаватель кафедры «Химия и экотоксикология»
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет пищевых производств
Введение
Среди множества нерешённых задач глобального масштаба наиболее остро выделяются две — это проблемы голода и экологии. Решить их станет возможным, если употреблять в пищу всё съедобное, что видишь вокруг.
В Японии ещё в XVIII в. была запатентована одноразовая посуда, изготовленная из прессованной рисовой муки; после использования по назначению её можно было съесть. Известна съедобная упаковка в виде стаканчиков для мороженого и йогурта, которая производится из смеси сахара, растительного масла и муки с различными добавками посредством термической обработки.
Сегодня для любителей погрызть канцелярские принадлежности созданы карандаши из лакрицы, съедобный корпус для ручки из конфет, цветные карандаши из прессованных сушёных овощей и фруктов, цветная бумага — оранжевая из моркови, красная из клубники, зелёная из брокколи [2]. Любой пищевой продукт можно превратить в «золото» или «серебро» лёгким движением руки, используя съедобный спрей, изготовленный из этанола, пищевых ароматизаторов и красителей, например
«золотые» яблочки или «серебряные» помидоры.
Цель работы — используя литературные данные, провести анализ и обобщение материалов об экологически безопасной упаковке на основе полисахаридов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующую задачу: изучить литературу, в которой содержится описание упаковочных материалов, способных обеспечить защиту пищи от микробных поражений, воздействия кислорода воздуха, усушки и в то же время являющихся нетоксичными, легко утилизируемыми, обеспечивающими санитарно-гигиеническую и экологическую безопасность. Таким требованиям должна отвечать современная съедобная упаковка на основе полисахаридов, будучи экологически безупречной и обладающая определёнными функциями.
Анализ литературы
Как можно заключить из работы [3], основными плёнкообразующими компонентами при создании современной съедобной упаковки являются белки (коллаген, желатин, зеин, глютен, соевые изоляты, казеин и др.), жиры (аце-
тоглицериды, глицериды, жирные кислоты), воск и парафины, углеводы (производные крахмала, эфиры целлюлозы, хитозан, декстрины, альгинаты, каррагинан, пектин, другие полисахариды). По пищевой ценности их условно делят на усвояемые и неусвояемые. К первым относят плёнки и покрытия на основе таких компонентов пищи, как белки, жиры, углеводы; ко вторым — покрытия на основе восков, парафинов, водорастворимых природных и синтетических камедей, водорастворимых производных целлюлоз и др. В таблице приведены некоторые виды современных съедобных упаковок на основе полисахаридов и их краткая характеристика.
Для улучшения механических свойств и водостойкости белковых покрытий в съедобную композицию вводят различные нетоксичные добавки, главным образом пластификаторы (моно-, ди- и олигосахариды — глюкозу, фруктозу, глюкозный сироп, мёд, полиспирты, липиды), проводят обработку плёнок и покрытий «сшивающими» агентами, которые повышают прочность (пищевые кислоты, хлористый кальций, танин). Например, чтобы сделать плёнку из кукурузного зеина менее жёсткой и хрупкой, добавляют
50 САХАР № 6 • 2018
ЩЕЛКОВО ТЫТШ! ЛШ1 ИКР Для борьбы с широким спектром болезней зерновых, рапса,
I VII УЛ ИИГ подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
^ШУ АГРПУ1/1М ■ и ■ Ж*1 Н®4*» иииии подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ 3АНОДОВ
Некоторые современные плёнкообразующие компоненты
на основе полисахаридов
Плёнкообразующая основа (возможные составы) Краткая характеристика и назначение покрытия
Хитозан Защитные покрытия для нанесения на поверхность плодов и овощей — яблок, апельсинов, томатов, перца. Плёнка хитозана способствует продлению срока хранения мороженого тунца, используется при обжаривании и бездымном копчении рыбы
Каррагинан : многоатомный спирт (соотношение от 1 : 1 до 5 : 1) и вода Для упаковки порошкообразных, сухих пищевых продуктов, жиров и др.
Альгинат (№, Са) Для упаковки свежего мяса, покрытия сыров, колбасных оболочек. Эластичное, прозрачное, без привкуса
Крахмал В качестве покрытий для замороженных мясопродуктов
Целлюлоза (смесь липидов и эфи-ров целлюлозы; оптимальное соотношение 1 : 5) Карбоксилметилцеллюлоза (1-3%-й раствор в воде) Метилцеллюлоза, гидроксипро-пилцеллюлоза, насыщенные жирные кислоты С16 и С18, в качестве ламинанта — воск Для покрытий, формируемых непосредственно на мясных отрубях, кулинарных изделиях, полуфабрикатах и других мясных продуктах. Эластичные, прочные, обладают высокими барьерными свойствами, гладкие, полупрозрачные, прозрачные, без привкуса. Хорошие влагоизоляционные свойства
Мальтодекстрин, глюкозный эквивалент (3-10%-й раствор в воде) Эластичное, прозрачное без привкуса
Гуммиарабик — 20—30 %, глицерин 5—10 %, остальное — вода Прозрачное, слабо-коричневое, без привкуса
Гель на основе растения алоэ вера Содержит натуральные противогрибковые компоненты и антибиотики, действует как барьер для влаги и кислорода. Применяется в качестве покрытия для овощей и фруктов
пластификатор — глицерин, са-харозаменитель сорбит или просто сахарозу. Эти плёнки съедобны, так как они деструктируются а-химиотрипсином. Зеиновыми плёнками уже давно покрывают таблетки, и считается, что их перспективы в производстве съедобных упаковок весьма обнадёживающие [2].
В вощёную бумагу — по сути полисахарид, пропитанный жиром, с древнейших времён заворачивают продукты. Такая пропитка защи-
щает еду от испарения влаги (гидрофобные покрытия на основе жира).
Однако есть и более интересные примеры. Зачем мороженое покрыто слоем шоколада? Не только для красоты и вкуса. Шоколад состоит в основном из жиров — масла какао, сливок, а иногда, если допускает рецептура, кокосового масла. Иными словами, это самая что ни на есть съедобная липидная плёнка, предохраняющая продукт — собственно мороженое — от вы-
сыхания. На этом примере отлично виден и главный недостаток липидных плёнок: они довольно хрупкие. Для повышения их прочности шоколад вспенивают и, соответственно, микротрещины распространяются по нему в меньшем количестве, застревая на пузырьках воздуха [4].
Тёмный шоколад по способности сопротивляться прохождению водяного пара находится на том же уровне, что и стеарин, а такому водонепроницаемому материалу, как пчелиный воск, уступает примерно в четыре раза. Молочный шоколад проводит водяной пар в 300 раз лучше, нежели тёмный. Лучше всего движению воды и водяного пара сопротивляются во-ски: пчелиный, карнаубский из листьев пальмы и вырабатываемый лаковыми червецом шеллак, который, впрочем, не считается безусловно съедобным. Последний даёт ещё и самую сверкающую плёнку — не случайно именно двумя последними восками в США обрабатывают яблоки, чтобы дольше сохранить их свежесть; при этом эксперименты показали, что блестящие яблоки с плёнкой из шеллака покупают значительно чаще, нежели необработанные, матовые.
Тем не менее прочную упаковочную плёнку из воска не сделаешь. Да и с защитой от кислорода и углекислого газа у жиров не всё ладно — белковая или полисаха-ридная плёнки с этим справляются гораздо лучше. Поэтому приходится создавать композиционные материалы одним из двух способов. Первый — изготовление двухслойного материала: поли-сахаридная или белковая плёнка служит основой, а на неё наносят жидкое масло или твёрдый жир, что лучше. Второй — собственно композиционный материал: приготовление эмульсии из масла в растворе белка или полисахарида и формирование плёнки уже
№ 6 • 2018 САХАР 51
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕГЕТАЦИЕЙ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ: эффективные ХСЗР, [3] ЩЕЛКОВО
W агрохимикаты, высококачественные семена, полный цикл агросопровождения АГРОХИМ
controlled vegetation system ШТп^ТТМчТТ^ГППТТШУ^^ WWW.betaren.rU
из неё. Первый способ дороже, требует больше технологических операций, зато мы получаем прочное покрытие с превосходной защитой от прохождения влаги. Второй даёт дешёвую плёнку, но её свойства хуже. Тем не менее именно такие, состоящие из нескольких компонентов, съедобные покрытия находят применение, прежде всего для защиты фруктов и овощей.
Плёнки на основе полисахаридов защищают пищевой продукт от потерь массы (за счёт снижения скорости испарения влаги) и создают определённый барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляя тем самым процессы, обусловливающие порчу пищевого продукта (окисление жира).
Для клубники была придумана плёнка на основе крахмала. Лучшие свойства продемонстрировал крахмал с высоким содержанием амилозы, в который в качестве пластификатора был добавлен сорбит. Он же с добавкой сор-бата калия служил и средством против микробов. Для защиты от высыхания в крахмал добавили подсолнечное масло. Клубника с таким покрытием легко выдерживала четыре недели хранения при 0 °С, не теряя свежести, а могла бы сохраниться и дольше — число микробов на её поверхности было гораздо меньше нормы. Без покрытия эта ягода сгнивала уже через две недели. Если же масла в плёнку не добавляли, клубника через три недели становилась непригодной из-за потери влаги. Плёнки на основе крахмала как модифицированного, так и немо-дифицированного могут являться альтернативой коллагеновым оболочкам, они предохраняют продукт от потери влаги. Плёнкообразующие составы из высоко-амилозных крахмалов устойчивы к знакопеременным температурам (замораживание-оттаивание).
Съедобные плёнки из кукурузного и картофельного крахмала с различными пищевыми добавками используются также для упаковки сахаристых кондитерских изделий, консервированных плодов (варенья), печенья и др. Доказано, что по своим свойствам (прочность, прозрачность, растворимость) крахмалсодержащая плёнка превосходит плёнку из клейковины, кроме того, расходы на производство крахмалсодер-жащей плёнки ниже.
Хорошо изучены и широко используются в пищевой промышленности простые эфиры целлюлозы. В настоящее время созданы двухслойные съедобные плёнки, в которых гидроколлоидный слой состоит из смеси метилцеллюло-зы, полиэтиленгликоля, воды и спирта, а липидный слой состоит из смеси этилцеллюлозы, стеариновой и пальмитиновой кислот, спирта и пчелиного воска. Прочностные и влагоизоляционные свойства таких плёнок зависит также от способа нанесения воскового слоя. Лучшими прочностными и влагоизоляционными свойствами обладают плёнки, на которые восковой слой наносится в расплавленном виде. Метил-целлюлоза хорошо растворяется в холодной воде, а при нагреве в интервале 48—65 °С превращается в гель.
Плёнки из производных целлюлозы как сами по себе, так и с добавками соевого белка (для увеличения прочности) или эфиров жирных кислот (для повышения гидрофобности) уже используют в промышленности. Например, для сохранения свежести вишни или разрезанных яблок, которые не темнеют в холодильнике в течение недели. Интересно применение плёнки из метилцеллюлозы при изготовлении хрустящего картофеля. Его обжаривают в масле, увеличение содержания которого в продукте нежелательно по дие-
тическим соображениям. Картошка с покрытием из метилцеллюло-зы с сорбитом впитывает масло на 40 % меньше, такой продукт низкокалорийный.
Ещё один вид целлюлозы — микрокристаллическая, существующая в виде мелких частиц, плёнки не образует, поскольку для этого требуется разрушить частицы; поэтому её добавляют в съедобные плёнки для улучшения их механических свойств. Микроцеллюлоза не только съедобна, но и, как говорят, очень полезна для здоровья человека.
Гель на основе растения алоэ вера не влияет на вкус пищи и может послужить натуральной и безопасной для окружающей среды альтернативой традиционным синтетическим консервантам, которые наносят на фрукты после сбора урожая. Была доказана способность этого покрытия сохранять первоначальные качества продукта более пяти недель. Исследователи полагают, что этот гель, составленный главным образом из полисахаридов, действует как барьер для влаги и кислорода и, кроме того, содержит натуральные противогрибковые компоненты и антибиотики.
В течение последних 30 лет особое внимание специалистов пищевой промышленности направлено на создание съедобных плёнок и покрытий на основе хитина из панцирей ракообразных и насекомых. Это вещество — многотоннажный отход производства морепродуктов, а также мёда. Из хитина получают аминополисахарид хитозан, нерастворимый в воде, а только в ледяной уксусной кислоте. Хитозан образует мицеллы, которые формируют прекрасные плёнки. Благодаря наличию свободных аминогрупп хитозан может взаимодействовать с мембранами клеток бактерий и грибов, что придаёт ему антимикробные свойства. Плёнки из хитозана, нанесённые
52 САХАР № 6 • 2018
ЩЕЛКОВО ТЫТШ! ЛШ1 ИКР Для борьбы с широким спектром болезней зерновых, рапса,
I VII УЛ ИИГ подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
^ШУ АГРПУ1/1М ■ и ■ Ж*1 Н®4*» иииии подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ 3АНОДОВ
на поверхность плодов и овощей — яблок, апельсинов, томатов, перца и т. д., демонстрируют высокие барьерные свойства. Однородные, гибкие, не дающие трещин, они обладают избирательной проницаемостью, на поверхности плодов и овощей играют роль микробного фильтра и (или) регулируют состав газов у поверхности и в толще тканей, влияя тем самым на активность и тип дыхания, что в целом способствует продлению сроков хранения растительного сырья. Помимо этого покрытие из хитозана вызывает некоторые морфологические изменения в возбудителях порчи томатов и перца, например у Botritis cinerea, стимулирует закупорку межклеточного пространства в местах повреждения тканей, ограничивая проникновение фитопатогенной микрофлоры. Обработанные кар-боксиметилированным хитозаном яблоки хранятся в холодильнике полгода. У грейпфрутов, покрытых хитозаном, усиливается синтез фе-нольных соединений—знаменитых антиоксидантов. Функциональные свойства хитозана как загустителя, адгезива и плёнкообразователя используют при обжаривании и бездымном копчении рыбы. Раствор хитозана повышает вязкость жидкой панировки, придает ей способность прочно удерживать на поверхности изделия слой сухарей или муки. Наличие прочного слоя панировки предупреждает излишнее испарение воды из продукта в процессе обжаривания, способствует образованию равномерной хрустящей корочки и сохраняет количество масла, в котором ведётся обжарка.
Если, например, в хитозановую плёнку добавить витамин Е, который служит антиоксидантом и улучшает защиту от испарения, а также соли кальция, используемые для увеличения прочности плёнки, и потом обернуть этой плёнкой клубнику, то часть вита-
мина и кальция перейдёт из плёнки на ягоду.
Добавка ароматических масел пряных растений в плёнки на основе белков или полисахаридов снижает проницаемость для водяного пара. Ароматические масла (чеснока, душицы (орегано), тимьяна, базилика, корицы, перца и других пряностей) не только прекрасно пахнут, но и обладают противомикробными и антиокси-дантными свойствами. Их активные вещества разрушают мембраны клеток бактерий, блокируют их ионные каналы, а также гасят свободные радикалы и прочие активные формы кислорода. Хи-тозановая плёнка с 2 % экстракта душицы, в которую была упакована болонская ветчина, в 10 тыс. раз замедляла рост листерии и кишечной палочки, заранее нанесённых на продукт. Чистый же хитозан — всего в сотни раз. Аналогичные результаты получены в опытах с хлебом, фруктами и многими другими продуктами. Однако следует учитывать один нюанс: ароматические масла, как следует из самого их названия, обладают специфическим ароматом, который может оказаться несовместимым с продуктом [1, 5, 6].
Неплохие плёнки способны образовывать ксантановая камедь — линейный заряженный полисахарид, который производят бактерии Xanthomonas campestris, а также гуаровая камедь — линейный нейтральный полисахарид, выделяемый из семян гуара — бобового кустарника Cyamopsis tetragonoloba.
Из клубнелуковиц аморфофал-луса выделяют так называемую коньячную, или конжаковую, камедь. Этот линейный полисахарид превосходит все остальные по вязкости: для изготовления плёнки пригоден его водный раствор, содержащий всего 1—1,5 % вещества (в среднем для других полисахаридов — 5 %). Правда, проч-
ность таких плёнок невелика: раза в три меньше, чем у пуллулановых. Упаковка из прозрачного полимера — пуллулана изготавливается из продуктов жизнедеятельности грибка Aureobasidium риНит и дополняется наночастицами серебра и веществами, выделенными из розмарина и орегано. Такую плёнку можно не снимать с продукта, а готовить прямо в ней — под воздействием температуры она растворится. Как показали исследования, при хранении мяса в упаковке из этого материала подавляется развитие патогенных микроорганизмов. Кроме того, продукты дольше сохраняют свой естественный аромат, цвет и вкус. Плёнка из него прекрасно защищает от кислорода, обладает отличной прочностью, пожалуй, самой высокой среди полисахарид-ных плёнок: при ширине 25 мм и толщине 0,5 мм она рвётся лишь под весом в 1,8 кг!
Из корнеплодов, например, топинамбура получают инулин, плёнки которого служат для замены сахарных глазурей.
Всевозможные альгинаты, кар-рагинаны — это полисахариды из водорослей, имеющие анионные группы. Такие группы повышают их растворимость в воде, при этом нейтрализация заряда за счёт добавок солей увеличивает прочность плёнок. Родственный им пектин из фруктов даёт съедобные плёнки, но прочность их ниже. Отличные съедобные плёнки получаются из ещё одного водорослевого полисахарида — агар-агара [3].
Интерес представляют съедобные покрытия на основе карраги-нана с добавками многоатомного спирта (этиленгликоль, пропи-ленгликоль, глицерин, сорбит, маннит, глюкоза, фруктоза и др.) и воды. Соотношение карраги-нана и многоатомного спирта от 1 : 1 до 5 : 1. Многоатомный спирт может представлять собой смесь
№ 6 • 2018 САХАР 53
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕГЕТАЦИЕЙ САХАРНОЙ СВЕКЛЫ: эффективные ХСЗР, [Щ ЩЕЛКОВО
W агрохимикаты, высококачественные семена, полный цикл агросопровождения АГРОХИМ
controlled vegetation system ШТп^ТТМчТТ^ГППТТШУ^^ WWW.betaren.rU
жидких и твёрдых при комнатной температуре спиртов в соотношении от 1 : 3 до 3 : 1. На готовую плёнку может быть нанесён покровный слой соли щелочного металла и казеина, соевого белка, смеси соевого белка и желатина. Водорастворимый полисахарид применяют в виде водного раствора, нагретого до 70 оС. Полученный плёночный материал можно использовать для упаковки порошкообразных, сухих пищевых продуктов, жиров и др. Такие плёнки обладают ценным комплексом свойств: эластичностью, прочностью, высокими барьерными свойствами.
Уже более 50 лет в пищевой промышленности используют аль-гинаты Na и Са (гидроколлоиды, выделенные из бурых морских водорослей). Съедобные плёнки на основе альгинатов обладают уникальными функционально-технологическими характеристиками: они прозрачны, имеют красивый внешний вид и не требуют удаления при подготовке пищевого продукта к потреблению. Такие оболочки демонстрируют высокие прочностные характеристики при растяжении. Альгинатная плёнка, покрывшая свеженарезанные яблоки, — прекрасный субстрат, поддерживающий при хранении в холодильнике жизнеспособность полезных бактерий Bacillus lactis, которые улучшат микрофлору кишечника.
Лёгкая съедобная тара (на основе крахмала, природных целлюлоз и т. п.) проницаема для МВ-нагрева и может быть различного размера — от самой мелкой до крупной (450 х 270 мм). Продукт в такой таре может употребляться как разогретым, так и сваренным. В последнем случае материал тары растворяется в варочной среде и служит загустителем.
Заключение
Проанализировав литературные данные, авторы пришли к следующим выводам:
— плёнки на основе полисахаридов обладают высокой сорб-ционной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие. Так, при попадании в организм эти вещества адсорбируют и выводят ионы металлов, радионуклиды (продукты радиоактивного распада) и другие вредные соединения, выступая, таким образом, в роли детоксиканта;
— плёнки на основе полисахаридов защищают пищевой продукт от потерь массы за счёт снижения скорости испарения влаги и создают определённый барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляя тем самым процессы, обусловливающие порчу пищевого продукта (окисление жира).
Список литературы
1. Гребёнкин, Н.Н. Основы количественного химического анализа объектов окружающей природной среды: учебно-методич. пособие / Н.Н. Гребёнкин [и др.] / М. :
ООО «Франтера», 2016. - 245 с.
2. Кузнецова, Л.С. Съедобная упаковка в решении проблем экологии / Л.С. Кузнецова, Г.Х. Ку-дрякова, С.А. Янковский // Сб. статей по материалам II Всероссийской научно-практич. конф. им. акад. РАН Ю.А. Израэля «Научные и практические аспекты комплексного экологического мониторинга», 15 мая 2017 г. / На-учн. ред. д-р хим. наук, проф. Ро-ева Н.Н. - М. : ООО «Франтера», 2017. - С. 143-159.
3. Кудрякова, Г.Х. Съедобная упаковка: состояние и перспективы / Г.Х. Кудрякова [и др.] // Пищевая промышленность. - 2007. - № 6. -С. 24-25.
4. Комаров, С.М. Суп из упаковки // Химия и жизнь. - 2014. -№ 9. - С. 27-30
5. McHugh, T.H. Apple wraps: A novel method to improve the quality and extend the shelf life of fresh-cut apples / T.H. McHugh, E. Senesi // J. Food Sci. - 2000. - V. 65. - № 3.
- С. 480-485.
6. Роева, Н.Н. Безопасность продовольственного сырья и продуктов питания: учеб. пособие.
- СПб. : Троицкий мост, 2010. -256 с.
Аннотация. Проведённый литературный анализ информации о различных видах плёнки и покрытий показывает, что в руках материаловедов уже сегодня имеется широкий арсенал веществ, которые способны качественно изменить вид потребляемых нами продуктов и уменьшить объём выбрасываемого мусора, по крайней мере за счёт биоразложения. Общественность волнуют экологические проблемы, растут цены на нефть и соответственно стоимость упаковки из ископаемого сырья, так что замена углеводородных пластиков на съедобную упаковку - это вопрос времени.
Ключевые слова: экологические проблемы, полисахариды, съедобная упаковка, пищевая плёнка, биоразлагаемая упаковка.
Summary. The literary analysis of information on various types of films and coatings shows that in the hands of materials scientists there is already a wide arsenal of substances that can qualitatively change the type of consumed products and reduce the amount of waste thrown out, at least by biodegradation. The public is worried about environmental problems, oil prices are rising and, consequently, the cost of packaging from fossil raw materials, so replacing hydrocarbon plastics with edible packaging is a matter of time.
Keywords: environmental problems, polysaccharides, edible packaging, food film, biodegradable packaging.
54 САХАР № 6 • 2018
ЩЕЛКОВО ТЫТШ! ЛШ1 ИКР Для борьбы с широким спектром болезней зерновых, рапса,
I VII УЛ ППГ подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
^ШУ АГРПУ1/1М ■ и ■ Ж*1 Н®4*» иииии подсолнечника, сахарной свеклы и гороха
