CC BY
0УДК 621.798.15 Чудайкина А.В., Суровцова Е.В., Коляда Л.Г., Тарасюк Е.В.
ИННОВАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ УПАКОВОК В ПИЩЕВОИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация. В настоящее время значение упаковки продуктов питания для сохранения здоровья миллионов людей трудно переоценить. Производство и применение современной, простой в употреблении упаковки, обеспечивающей надежную защиту пищевой продукции, позволит достичь значительных результатов в обеспечении экологической безопасности окружающей среды. В данной статье рассмотрены перспективные направления развития в отрасли пищевой упаковки. Поиск новых идей в области «активной» и «умной» упаковки поможет лучше контролировать вопросы увеличения сроков годности, регулирования свежести и поддержания стабильного качества продукции.
Ключевые слова: пищевые продукты, полимерные материалы, «умная упаковка», «активная упаковка», качество, сохранность.
Научно-технический прогресс и расширение производства практически всех видов пищевой продукции вывели тароупаковочную индустрию на уровень ведущей мировой отрасли. Изначально функциями упаковки были предохранение пищевых продуктов от порчи и обеспечение возможности транспортировки с сохранением высокого качества. Теперь же они не ограничиваются предохранением изделий, сохранением их качества и обеспечением гигиеничности. К упаковке предъявляют требования облегчения обращения с товарами, обеспечения максимальной экономичности процессов упаковывания и обработки товаров при их распределении, транспортировке, складировании и перемещении в магазинах [8].
Использование упаковки для сохранности продукта питания является самой старой формой защиты. Потери пищевых продуктов из-за неудовлетворительной упаковки могут составлять от 3 до 15%. Они могут быть существенно сокращены за счет подбора упаковки, способной в полной мере выполнять защитную функцию, которая заключается в обеспечении защиты упаковываемой продукции от влияния климатических факторов, от повреждений и порчи при транспортировке и хранении, а также защиту окружающей среды и человека от негативного воздействия упакованной продукции. Влияние климатических факторов на свойства пищевых продуктов представлено в табл.1.
Таблица 1
Влияние климатических факторов на свойства пищевых продуктов
Климатический фактор Вызываемый процесс Изменение качества
Кислород воздуха Окисление Изменение цвета овощей и фруктов, разрушение эфирных масел, прогоркание жиров, разрушение витаминов, денатурация протеинов
Влага Абсорбция, десорбция, катализ Образование комков, размягчение, гидролитическое прогоркание жиров, знзимологическая и микробиологическая порча
Свет Фотодеструкция Разрушение чувствительных к свету витаминов, обесцвечивание пищевых продуктов, окислительное прогоркание жиров
Температура Изменение скорости реакции Повышение температуры на 10°С увеличивает скорость химических реакций в 2-3 раза и снижает срок хранения
Выполнение функции хранения требует от конструкции упаковки простой и четкой маркировки, использования материалов, способных сохранять качество, а также контроля и проверки упакованной продукции.
В настоящее время большое значение уделяется созданию принципиально новых нетоксичных, легко утилизируемых материалов. Они эффективно защищают продукты от микробного поражения и влияния вредных факторов окружающей среды, что увеличивает сро-
ки хранения продуктов, сокращает количество отходов из-за порчи, особенно в процессе транспортировки и реализации [1,3,8].
Новой областью развития упаковочной техники являются системы, связанные с применением «активных» и «умных» упаковок [1,4,5,8]. Научные исследования в этой области в основном ведутся в двух направлениях. С одной стороны, ведутся работы по созданию «умной упаковки», которая осуществляет контроль за процессом хранения и информирует потребителя о состоянии продуктов питания по различным показателям. С другой стороны, разрабатывается «активная упаковка», которая способствует улучшению товарного вида и сохранению органолептических свойств пищевой продукции.
«Умная упаковка» призвана анализировать влияние окружающей среды на состояние продукта и информировать об этом состоянии потребителя, то есть должна отслеживать и контролировать изменения как условий хранения упакованного продукта, так и его показателей качества и безопасности при транспортировании и хранении до самой реализации [8,10].
Упаковка такого типа может сигнализировать о превышении температуры хранения или слишком глубоком охлаждении, давать информацию о состоянии продукта по выделению из него веществ, изменению показателя рН. Индикация может быть представлена на специальной этикетке, помещенной внутри упаковки или непосредственно на самом упаковочном материале. Сигналом служит изменение цвета индикатора или проявление специальной надписи, извещающей о состоянии продукта. Фирма Mitsubishi Gas Chemical Company (Япония) производит для этой цели индикатор Ageless Eye, который при поступлении кислорода в упаковку меняет свой цвет с голубого на розовый [10]. Тем самым, упаковка может сама устанавливать дату, когда истекает срок годности упакованного пищевого продукта.
Наиболее известными видами «умных упаковок» являются:
- электронные дисплеи;
- химически активные дисплеи;
- сенсоры;
- индикаторы микробного роста;
- индикаторы механических ударов;
- индикаторы зрелости продукта;
- индикаторы, отображающие температурные и временные границы хранения.
Индикаторы времени и температуры представляют собой сенсорные датчики. Они основаны на различных химических реакциях и процессах: полимеризации, ферментативных процессах, диффузии, плавлении.
На внутренней части упаковки в непосредственной близости от ее содержимого может быть установлен химический датчик. Его настраивают на концентрацию УФ-излучения в упаковке. Органические, химические изменения внутри упаковки служат сигналом к изменению цвета.
Исследователями из Университета Мак-мастера был разработан небольшой датчик, который крепится к упаковке продуктов для мониторинга содержания вредных патогенов, таких как кишечная палочка и сальмонелла. В случае присутствия патогена в продуктах питания, датчик подает сигнал. Этот сигнал может быть считан смартфоном или другим устройством без проникновения в пакет.
В другой уникальной разработке, связанной с использованием полимеров, соединяются две перфорированные мембраны. Одна из них покрывается активным полимером, который раздувается, реагируя кислой средой, а другая - таким, который раздувается, реагируя со щелочной средой. По мере того, как рН упакованного изделия изменяется, мембраны создают своеобразный насос, регулирующий уровень рН.
Некоторые механизмы могут определить концентрацию кислорода в упаковке, что указывает на нарушение ее целостности [6].
При этом остается актуальной проблема действия на продукт внутренних факторов, вызывающих его порчу. Если же в упаковочную пленку включить определенные вспомогательные вещества, способные корректировать состав содержимого и его свойства, то можно предотвратить порчу продукта. С этой задачей в настоящее время справляется «активная упаковка», в которой продукт, упаковка и окружающая среда воздействуют друг на друга взаимно, что позволяет продлить срок хранения и пригодность к употреблению. По прогнозу [10], ежегодный прирост потребления активных добавок составит от 1 до 50 %. К веществам, положительно действующим на контактирующий продукт, можно отнести поглотители кислорода, углекислого газа и этилена, влаги и запаха, антимикробные добавки, способные подавлять деятельность поверхностной микрофлоры, а также нанодисперсные
наполнители [2]. Примеры систем активной упаковки приведены в табл. 2 [4].
Кислород оказывает сильное негативное воздействие на пищевые продукты за счет окислительных реакций, которые приводят к прогорканию, нежелательному окислению нестабильных пигментов и витаминов, росту анаэробных микроорганизмов, а также ферментативному обесцвечиванию. Решением этой проблемы становится использование поглотителей кислорода, которые выпускают в форме порошков на основе железа, смешанных с катализатором и упакованных в «саше» -маленькие пакетики, помещаемые внутри лотков с продуктом. Подобные химические системы взаимодействуют с влагой, содержащейся в пищевом продукте, образуя в результате
химически активный водосодержащий и ме-таллосодержащий восстановители, которые поглощают кислород из газовой среды в упаковке, необратимо связывая его в стабильный оксид. Пакетик с поглотителем уменьшает за 12-96 часов уровень содержания кислорода до менее 0,01%, поддерживает его уровень в течение нескольких месяцев. При использовании таких веществ возможно появление у продукта металлического привкуса. Этого можно избежать за счет использования неметаллических поглотителей кислорода. К ним принадлежат восстановители органического происхождения - аскорбиновая кислота, аскорбаты и катехол, а также ферментативные системы поглощения кислорода на основе глюкозоок-сидазы и этанолоксидазы.
Таблица 2
Система «активной упаковки» Механизм действия Применение в упаковке
Поглотители кислорода 1. Порошкообразное железо 2. Аскорбиновая кислота и аскорбаты 3. Катехол 4. Ферментативные системы на основе глюкозо-оксидазы и этанолоксидазы Хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, пропаренного риса, печенья, пиццы, маринованных мяса и рыбы, кофе, снэков, обезвоженных продуктов, напитков
Поглотители/ выделители С02 1.Оксид железа или гидроксид кальция 2. Железо и диоксид кальция З.Оксид кальция и активированный уголь 4. Аскорбаты или бикарбонат натрия Кофе, свежих мяса рыбы, орехов и прочих снэков, мучных кондитерских изделий
Поглотители этилена 1. На основе перманганата калия 2. На основе активированного угля 3. На основе активированных глин (цеолитов) 4. Диоксид кремния Плодоовощной и иной сельскохозяйственной продукции
Выделители консервантов 1. Органические кислоты 2. Серебряный цеолит 3. Растительные экстракты 4.Антиоксиданты на основе бутилоксианизола и бутилокситолуола 5. Витамин Е 6. Летучие диоксиды хлора или серы Зерновых завтраков и круп, мяса, рыбы, хлебобулочных изделий, сыра, снэков, овощей и фруктов
Выделители этанола 1. Спиртовые аэрозоли 2. Инкапсулированный этанол Теста для пиццы, мучных кондитерских и хлебобулочных изделий, рыбы, сыра
Поглотители влаги 1. Покрытие на основе ПВС 2.Активированные глины и минеральные вещества 3. Силикагель Рыбы, мяса, птицы, снэков, зерновых завтраков и круп, обезвоженных продуктов, сэндвичей, овощей и фруктов
Поглотители привкусов/ запахов 1. Триацетат целлюлозы 2. Ацетилированная бумага 3. Лимонная кислота 4. Соли железа и аскорбаты 5. Активированный уголь, глины, цеолиты Фруктовых соков, обжаренных снэ-ков, рыбы, зерновых завтраков и круп, мяса птицы, молочных продуктов, фруктов
Регулирование температуры 1. Нетканые полимерные материалы 2. Контейнеры с двойными стаканами 3. Газообразные гидрофторуглеродные соединения 4. Известь или вода 5. Нитрат аммония или вода Готовых блюд, мяса, рыбы, птицы, напитков
Компания Ciba Speciality Chemical разработала сорбенты на основе металлорганиче-ских соединений, например палладия, которые являются катализаторами, ускоряющими реакции окисления. Такие поглотители, например Amosorb 2000, хорошо совмещаются с полимерами, которые применяются для изготовления многослойных пищевых упаковочных пленок [10]. Пленки, сорбируя кислород из внутреннего пространства упаковки, обеспечивают длительное хранение многих пищевых продуктов.
Из поглотителей углекислого газа чаще всего используют оксид кальция, который при достаточно высокой влажности реагирует с углекислым газом, в результате чего образуется карбонат кальция. Для поглощения СО2 в полиэтиленовых пакетах используют смесь оксида кальция и активированного угля, в банках и пакетах, металлизированных фольгой -саше с железным порошком и диоксидом кальция. Компания Toppan Printing производит серию продуктов Freshilizer, содержащих вещества, которые поглощают кислород и вырабатывают углекислый газ [10]. Тем самым создаются условия, препятствующие росту микробов.
Эффективным поглотителем этилена является перманганат калия, иммобилизованный на инертном минеральном носителе, например, на алюмо- или силикагеле. KMnO4 окисляет этилен до ацетата и этанола, меняя свой цвет с фиолетового на коричневый. Силикагель помещают в пакетик, имеющий высокий уровень проницаемости этилена.
Эффективно удаляют этилен поглотители на основе активированного угля с использованием различных металлических катализаторов. Их используют на складах, вкладывают в пакетиках в упаковки с плодоовощной продукцией.
Избыточное содержание влаги является одной из основных причин порчи пищевых продуктов, и применение различных поглотителей - эффективное средство предотвращения ухудшения текстуры, вкуса и аромата. Для поглощения влаги используются силикагели, оксид кальция, активированная глина и минералы. Поглотители фасуют в проницаемые, но прочные саше. Для пищевых продуктов с высоким значением активности воды AW применяются абсорбирующие влагу прокладки, подложки, салфетки, которые помещают под фасованные продукты. Они состоят из двух слоев микропористой полимерной пленки, между
которыми располагается полимер с высокими впитывающими свойствами на основе полиак-рилатных солей, КМЦ и сополимеров крахмала. В последние годы разработаны сорбенты влаги, которые вводятся в полимерную композицию, из которой изготавливается упаковочный материал. Также производят индикаторы, отслеживающие влажность внутри упаковки на уровне 10-60%. Например, фирма United Desiccants производит индикаторы под названием Desipack, которые при увеличении влажности меняют цвет с голубого на розовый [10].
Взаимодействие упаковочного материала с пищевым продуктом может приводить к появлению нежелательных запахов. Из веществ с неприятным запахом чаще всего встречаются азотистые соединения - амины, особенно триметиламин, и продукты окисления липидов - альдегиды: гексаналь и гепта-наль. Амины могут быть нейтрализованы различными кислотами, включенными в состав упаковочных пленок, а альдегиды отделяют с помощью молекулярного сита с порами размером до 5 нм [4].
Антимикробные добавки, вводимые в упаковочный материал, позволяют обезопасить продукты питания с развитой поверхностью от микробиологического риска за счет создания дополнительного барьера и снижения роста поверхностной микрофлоры [9]. Добавки можно разделить на 2 вида:
- содержащие антимикробный агент, который мигрирует в продукт;
- содержащие антимикробный агент, эффективный против поверхностного роста микроорганизмов.
Наиболее перспективно введение антимикробного агента в полимерную матрицу. Это позволяет закрепить его в слое материала, что увеличивает срок действия добавки и регулирует ее массоперенос от упаковки в продукт. В процессе хранения антимикробные вещества постепенно выделяются и переходят в место, где непосредственно начинаются процессы микробной порчи.
Упаковочные пленки с антимикробным и антиокислительным действием обладают определенными консервирующими свойствами и позволяют увеличить срок годности пищевых продуктов.
Хорошо известные антимикробные свойства имеет этиловый спирт. Особенно эффективно этанол препятствует развитию плесеней, также способен замедлять рост и размножение дрожжей и бактерий. В настоящее
время разработаны усовершенствованные системы, основанные на выделении паров этанола из саше или пленок после упаковывания. В них присутствует этанол, абсорбированный или инкапсулированный на носителе. Фирма Friend Ind. Co (Япония) разработала выделитель этанола - кремнезем с адсорбированным этанолом, который выпускается в пленочных пакетиках [10]. Этиловый спирт выделяется под действием влаги, находящейся внутри упаковки.
Еще одним известным подобным материалом является синтетически полученный цеолит серебра, который включают в состав упаковочной пленки, контактирующей с пищевым продуктом. При его использовании ионы серебра медленно высвобождаются на поверхность пищевого продукта.
Искусственная интерактивная упаковка использует материалы и элементы, которые направленно влияют на упакованные продукты и/или меняют свои свойства под воздействием окружающей среды. Такое направление реализуется посредством создания материалов со специальными покрытиями на основе полисахаридов, лактазы, липазы, различных природных ферментов [8].
Японские химики компании Krehalon MLF разработали специальные полимерные композиции для созревания и хранения сычужных сыров [7]. Благодаря сочетанию различных слоев пакеты создают все необходимые климатические и санитарно-гигиенические условия для естественного созревания сыра.
Однако, основные процессы производства полимерных материалов и упаковки осуществляются при температурах 200-300°С. Большинство добавок, обладающих антимикробными свойствами, при таких условиях разлагаются или просто сгорают [3].
Сегодня можно с уверенностью утверждать, что технологи имеют разнообразный выбор упаковочных материалов и систем, позволяющих обеспечить эффективный выбор конкретных упаковочных решений. При этом поиск новых идей в области «умных» материалов поможет лучше контролировать вопросы увеличения сроков годности, регулирова-
ния свежести и поддержания стабильного качества продуктов питания.
Новые технологии позволят получить полимеры, обладающие уникальными свойствами. Все без исключения специалисты отрасли сходятся во мнении, что упаковка будущего будет экологически чистой и позволит в несколько раз увеличить срок сохранности продуктов. Традиционные же материалы постепенно сойдут со сцены, уступив место более технологичным аналогам.
Список литературы
1. Иванова Т., Розанцев Э. Активная упаковка: реальность и перспектива 21 века // Пакет. -000. - №1. - С. 42-44.
2. Коляда Л.Г., Ершова О.В., Ефимова Ю.Ю., Тарасюк Е.В. Синтез и исследования нано-частиц серебра // Альманах современной науки и образования. 2013. №10(77). С. 79-82.
3. Коулз Р., МакДауэлл, Д., Кирван, М.Дж. Упаковка пищевых продуктов [Текст] / Р. Коулз, Д. МакДауэлл, М. Дж. Кирван. - СПб.: Профессия,
2008. - 289 с.
4. Медяник, Н.Л. Способы упаковывания пищевых продуктов: учеб. пособие / Н.Л. Медяник, Л.Г. Коляда, А.П. Пономарев - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2016. - 63 с.
5. Разработка научных и технологических подходов к созданию «интеллектуальной упаковки»: монография / В.И. Бобров и др. - М.: МГУП имени Ивана Федорова, 2011. - 550 с.
6. Седых, В.А. Перспективы развития полимерных упаковочных материалов [Текст] / В. А. Седых, А. В. Жучков, В. Н. Щербаков - Вестник ВГУИТ, 2012. - 103 с.
7. Смурыгин В.Ю. Новое поколение плёнок для созревания сыров // Переработка молока. -
2009. - №9. - С.16-17.
8. Технология упаковочного производства / Т.И. Аксенова, В.В. Ананьев, Н.М. Дворецкая и др.; Под ред. Г. Розанцева.- М.: Колос, 2002.-184 с.
9. Хайн Т. Все об упаковке: Эволюция и секреты коробок, бутылок, консервных банок и тюбиков [Текст] / Пер. с англ. И. Шаргородской / Т. Хайн - СПб.: Азбука-Терра, 2008. - 184 с.
10. Шредер В.Л., Кулик Н.В. Интерактивная полимерная упаковка //Мир упаковки.-2005.-34(43). -С.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
INNOVATIVE PACKAGING SYSTEMS IN THE FOOD INDUSTRY Chudaykina A. V. - student
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, E-mail: chudaykina_01@mail.ru Surovtsova E. V. - student
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, E-mail:
surovtsova.caterina@yandex.ru
Kolyada L. G. , PhD. Tech. Sci., associate professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, e-mail: kl174@mail.ru Tarasyuk E. V., PhD. Chem. Sci., associate professor
Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia, e-mail: gepod@inbox.ru
Abstract. Currently, the importance of food packaging for the health of millions of people cannot be overestimated. The production and use of modern, easy-to-use packaging, which ensures reliable protection of food products, will achieve significant results in ensuring environmental safety. This article considers promising directions of development in the food packaging industry. Finding new ideas in the field of "active" and "smart" packaging will help to better control issues of increasing shelf life, regulating freshness and maintaining stable product quality.
Keywords: food products, polymeric materials, «smart packaging», «active packaging», quality, safety.
