CC BY
2
УДК 642.732.4
DOI 10.24412/2311-6447-2024-3-96-103
Исследование, моделирование и разработка технологии съедобной посуды для предприятий индустрии питания
Research, modeling and development of technology of eatable cookware for food industry enterprises
Магистрант Е.И. Дубенко (ORCID 0009-0003-2221-4894), студент Н.А. Савельева (ORCID 0009-0008-0485-3920), профессор О.А. Суворов (ORCID 0000-0003-2100-0918),
Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ), кафедра индустрии питания, гостиничного бизнеса и сервиса, qeid 1 @mail. ru
доцент Р.Х. Кандроков (ORCID 0000-0003-2003-2918), Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ), кафедра зерна, хлебопекарных и кондитерских технологий, kandrokovrx@mgupp. ru
аспирант Д.С. Архипов (ORCID 0009-0000-0485-6031), Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности (ВНИМИ),
danikarh@mail. ru
Master's student E.I. Dubenko (ORCID 0009-0003-2221-4894), Student NA. Save-lieva (ORCID 0009-0008-0485-3920), Professor О.А. Suvorov (ORCID 0000-0003-2100-0918),
Russian Biotechnological University, chair of Food Industry, Hotel Business and Service, qeid 1 @mail. ru
Associate Professor R.Kh. Kandrokov (ORCID 0000-0003-2003-2918), Russian Biotechnological University, chair of Grain, Bakery and Confectionery Technologies,
kandrokovrx@mgupp. ru
Graduate student D.S. Arkhipov (ORCID 0009-0000-0485-6031), All-Russian Scientific Research Institute of the Dairy Industry, danikarh@mail. ru
Аннотация. В настоящее время во многих странах мира остро стоит проблема загрязнения пластиком окружающей среды. Значительную часть пластиковых отходов составляет одноразовая посуда, широко использующаяся на предприятиях общественного питания. В связи с этим актуальным является поиск экологичной биоразлагаемой альтернативы пластиковой посуде. Цель работы в анализ и систематизация научных данных, касающихся биоразлагаемой и съедобной посуды и сырья, которое может быть использовано для её производства, а также создание моделей для прототипов посуды из песочного теста. Для систематического обзора было выбрано 36 научных статей из баз данных Scopus и РИНЦ ограниченных по временному промежутку с 2019 по 2023 г., распределённые по тематическим разделам. Списаны современные экологичные решения относительно снижения пластиковых отходов с помощью замены пластика на биоразлагаемые аналоги, в том числе съедобные.
Abstract. Currently, many countries around, the world face an acute problem of environmental pollution with plastic. A significant portion of plastic waste is disposable tableware, widely used in catering establishments. In this regard, the search for an environmentally friendly biodegradable alternative to plastic tableware is relevant. The purpose of the work is to analyze and systematize scientific data on biodegradable and edible tableware and raw materials that can be used for its production, as well as to create models for prototypes of shortbread tableware. For a systematic review, 36 scientific articles from the Scopus and RSCI
© Е.И. Дубенко, Н.А. Савельева, О.А. Суворов, Р.Х. Кандроков, Д.С. Архипов, 2024
96
databases were selected, limited in time from 2019 to 2023, distributed into thematic sections. Modern environmentally friendly solutions for reducing plastic waste by replacing plastic with biodegradable analogs, including edible ones, are described.
Ключевые слова: пластик, загрязнение, биоразлагаемые материалы, биопластик, съедобная посуда, тритикале, рыжик посевной
Keywords: plastic, pollution, biodegradable materials, bioplastic, edible tableware, triticale, camelina
sativa
Загрязнение окружающей среды пластиком приобретает всё более пугающие масштабы. За 70 лет объёмы производства пластиковых изделий достигли сотен миллионов тонн в год и это число продолжает расти [10]. Поскольку пластик не является биоразлагаемым материалом, он распадается на микрочастицы, которые в свою очередь с водой, пищей и воздухом попадают в пищеварительных тракт людей и животных, где способен оказать негативное влияние на работу внутренних органов [7].
Утилизация пластика идёт затруднительно, во многом из-за отсутствия государственных программ по переработке отходов, пренебрежительного отношения и низкой осведомлённости об экологических проблемах со стороны населения. Не все виды пластика подлежат переработке и вторичному использованию. Некоторые виды переработки, такие как сжигание, оказывают негативный эффект на окружающую среду [16].
Поиск альтернативы пластиковым изделиям является важной задачей. Одним из вариантов её решения является внедрение в индустрию питания биоразлагаемой и съедобной посуды [12]. Разработаны различные варианты таких изделий, но они до сих пор не обрели достаточной популярности среди населения. В связи с этим стоит необходимость создания одноразовой посуды, обладающей конкурентными преимуществами, низкой стоимостью, биоразлагаемостью и не требующей для производства не возобновляемых природных ресурсов. Цель работы поиск оптимального решения для создания прототипов одноразовой посуды, а также создание их 3D-моделей.
Биоразлагаемые материалы, применяемые для производства одноразовой посуды. Все описанные в научной литературе биоразлагаемые материалы, подходящие для создания одноразовой посуды, классифицируют по нескольким признакам. Вариант классификации приведён ниже в табл. 1.
Таблица 1 Классификация биоразлагаемъж материалов^
№ п/п Группа материалов Примеры
1 Синтетические материалы на основе возобновляемых ресурсов Полимолочная кислота (PLA), полигидрокси-алканоат (PHA), полигидроксибутират (PHB);
2 Синтетические материалы на основе не возобновляемых ресурсов Поликапролактон (PLC), полибутиленсукци-нат (PBS), полибутиленадипатерефталат (PBAT), полибутиленсукцинат адипат (PBSA)
3 Несъедобные природные материалы Бамбуковое волокно, рисовая шелуха, хитин, каучук, лигнин, хитозан, отруби и др.
4 Съедобные природные материалы Белки, полисахариды, жиры и др.
5 Композитные материалы, состоящие из разных видов биоразлагаемых компонентов Сочетания синтетических и природных материалов
Многие материалы известны под названием «биопластик». Некоторые его виды могут быть произведены из не возобновляемых ресурсов, таких как природные ископаемые (нефтепродукты, природный газ), что является существенным недостатком [5].
Разработки и опыт использования биоразлагаемой посуды из синтетических материалов.
Среди материалов на основе возобновляемых ресурсов наиболее известна полимолочная кислота (PLA, полилактид). Её получают из растительного сырья, например, кукурузы и сахарного тростника путём ферментации крахмала микроорганизмами и дальнейшей полимеризации. Полимолочная кислота имеет в своей основе нетоксичное вещество, которое является естественным метаболитом многих организмов - молочную кислоту. Несмотря на все преимущества и натуральность, использование полимолочной кислоты крайне ограничено из-за относительно высокой стоимости и медленному темпу разложения [1].
Другой перспективный синтетический материал на основе возобновляемых ресурсов - полигидроксиалканоат (PHA). Это название обозначает целую группу веществ, которые получаются путём синтеза различными микроорганизмами (Aeromonas, Azotobacter, Cupriavidus, Clostridium, Methylobacterium, Ralstonia, Pseudomonas и др.) и дальнейшей полимеризацией. Недостатками полигидроксиал-каноатов является их более высокая стоимость по сравнению с аналогами на основе нефтепродуктов, что делает его экономически невыгодным для массового производства. Для снижения стоимости PHA можно использовать в биокомпозитных материалах, например, с добавлением волокон целлюлозы, крахмала, высушенных белков. Ещё одним недостатком является низкая скорость разложения в естественных условиях [19].
Биоразлагаемые виды пластика производятся также с использованием нефтепродуктов. Примерами могут служить поликапролактон (PLC), полибутиленсукцинат (PBS) и другие. Однако использование не возобновляемых ресурсов не является желательным с экологической точки зрения [5, 20].
Производство биоразлагаемого пластика увеличивается с каждым годом. Применение сложных технологий получения и необходимость специализированного лабораторного оборудования делают его довольно дорогим материалом по сравнению с небиоразлагаемыми аналогами и нерентабельным для индустрии питании, не смотря на их перспективность.
Разработки и опыт использования биоразлагаемой посуды из растительного сырья.
Китайские исследователи Xiaoyi Chen, Fuming Chen, Huan Jiang, Jianzhong Wang, Yan Xia Li и Ge Wang предложили использовать бамбуковое волокно для замены пластика. После очистки и обработки под воздействием пара из этого волокна и крахмала получается посуда, обладающая водо- и жиростойкостью [9].
Другие китайские исследователи Liu Bo-Fan, Liu Ming-Dan, Jin Peng, Zhong Yi-Xin исследовали увядшие листья растений: магнолии, платана, бамбука и пальметто. Из листьев извлекали целлюлозу путём измельчения, обработки щёлочью, сушки и прессования. Наилучшее качество наблюдалось у контейнера, полученного из целлюлозы магнолии (Magnolia grandiflora) [14].
В Индии используют багассы для производства тарелок, контейнеров, подносов и стаканов. Это побочный продукт, остающийся от сахарного тростника после извлечения из него сока [18].
Использование отходов растительного происхождения является перспективным для переработки и применения при производстве посуды. Однако данная технология имеет связана с применением токсичных веществ (щёлочи) для экстракции целлюлозы из сырья. Использование такой посуды может вызвать опасения у покупателей.
Разработки и опыт использования съедобной посуды.
Производство съедобной посуды доступно для предприятий индустрии питания, не требует дорогостоящего лабораторного оборудования, проведения химического и микробиологического синтеза. Наиболее часто используемым сырьём для производства съедобной посуды служат водоросли, крахмал и злаки, а также продукты их переработки, такие как мука и отруби [15].
Индийский исследователь Narayana Peesapathy, основав компанию «Bakeys», предложил производство съедобных столовых приборов сделанные из различных видов злаков, таких как пшено, рис и пшеница, а также специй (корица, имбирь, чёрный перец, кумин и др.) [15].
Индийские исследователи S. Hazra и M. Sontakke предложили вариант съедобных ложек из пшеничной муки с добавлением нетрадиционного растительного сырья, такого как мука раги (разновидность просо), мука сорго и порошок корней индийского женьшеня [11].
Бельгийские дизайнеры Helene Hoyois и Thibaut Gilquin разработли съедобную упаковку на основе картофельного крахмала, воды и подсолнечного масла [15].
Основатели компании «Loliware» Chelsea Briganti и Leigh Ann Tucker в 2015 году представили на рынке полностью перерабатываемый одноразовый стакан из агар-агара (сырьё из водорослей), подсластителей, натуральных ароматизаторов и красителей, полученных из овощей и фруктов [15].
Британские исследователи основали стартап в ходе которого разработали съедобную капсулу «Ooho!» для питьевой воды. Данная капсула имеет прозрачный двойной слой, изготовленный из сырья из морских водорослей [6].
В последнее время набирает популярность съедобная посуда из теста для печенья. Подобные разработки можно увидеть у компании «ChocAmo», «Wayris» и итальянской компании, производящей кофе «Lavazza» [15, 21, 22].
Для горячих напитков существует экологичная альтернатива - бумажные стаканчики. Однако они имеют недостатки: во-первых, чтобы бумага не промокала, её изнутри покрывают тонким слоем пластика, который напрямую контактирует с напитком, во-вторых, производство бумажных стаканчиков вредит экологии, поскольку для этого вырубаются деревья [4].
Одноразовая посуда, произведённая из пищевого сырья, является одним из перспективных вариантов для замены пластиковых изделий.
Моделирование и разработка технологии съедобной посуды.
Оптимальным решением для производства одноразовой посуды является использование пищевого сырья. Цель работы разработка посуды для предприятий индустрии питания. Проанализировав ассортимент одноразовой посуды, можно отметить, что наиболее востребованными являются стаканы, тарелки и столовые приборы. В качестве объектов моделирования были выбраны стакан и глубокая тарелка.
Стаканы и тарелки могут использоваться для продуктов с высокой влажностью, например десертов. Для изготовления можно использовать песочное тесто.
Предложено использование тритикалевой и рыжиковой муки. Зерно тритикале отличается повышенным содержанием белка, незаменимой лимитирующей аминокислоты лизина и пищевых волокон. Тритикалевую муку часто используют для изготовления мучных кондитерских изделий, в том числе печенья [8].
Рыжиковая мука богата белком, пищевыми волокнами, содержит повышенное количество жирных кислот омега-3 и омега-6, витамин Е и фитостеролы. Сырьём для её производства является рыжик посевной. Мука из семян растения придаёт изделиям тёмный цвет, сладкий аромат и приятный специфический вкус с лёгкой горчинкой [14].
Предложены модели прототипов съедобной посуды (рис. 1), которую изготавливают из песочного теста с использованием тритикалевой и рыжиковой муки.
Рис. 1. Компьютерные модели съедобной посуды в программе 3D-pedaKmope Autodesk 3dsMax, размеры указаны в мм; 1 - модель стакана; 2 - модель глубокой тарелки
Технологическим решением для производства съедобной посуды на основе муки является выпечка в блок-формах. Предварительно замешенное тесто в тестомесильной машине помещают в формы и выпекают при температуре около 150-200 C с последующим остыванием [2, 17]. С помощью имитации промышленных блок-форм были получены образцы съедобных стаканов из смеси тритикале-вой и рыжиковой муки (рис. 2)
Рис. 2. Образцы съедобных стаканов; 1 - тритикалевая мука; 2 - смесь тритикалевой муки и 5% рыжиковой муки; 3 - смесь тритикалевой муки и 10% рыжиковой муки.
Образцы выпечены на основе песочного теста, в состав которого входили различные виды муки (тритикалевая и смесь тритикалевой и рыжиковой в указанных соотношениях), яйца куриные, сахар белый и подсолнечное масло. Выпечка осуществлялась при температуре 180 оС в течение 35-40 мин. В дальнейшем были проведены физико-химические анализы (табл. 2).
Таблица 2
Физико-химические показатели качества образцов съедобных стаканов
№ п/п Наименование показателя Образцы съедобных стаканов
Тритикалевая мука 100% Смесь тритикалевой муки и 5% рыжиковой муки Смесь тритикалевой муки и 10% рыжиковой муки
1 Влажность, % 4,9 3,4 2,7
2 Намокаемость, % 117 110 110
3 Водонепроницаемость, мин (температура жидкости t=80 '0) 23 27 29
Как видно из данных таблицы 2, такие параметры как влажность и намокае-мость имели незначительные различия. Наиболее важным показателем для данного вида посуды является водонепроницаемость, поскольку стаканы предназначены для горячих и холодных напитков. В ходе дальнейших исследований планируется улучшить этот показатель за счёт дополнительных ингредиентов в рецептуре. Например, использовать яичный белок или шоколадную глазурь для покрытия внутренней поверхности посуды.
Существуют другие технологии приготовления съедобной посуды на основе продуктов переработки зерна, например, выпрессовывание полученной однородной массы в металлических формах с помощью гидравлического пресса. Далее образцы проходят сушку в сушильном шкафу в течение нескольких часов [3]. Данный метод имеет существенные недостатки, поскольку занимает больше времени и требует наличия более сложного оборудования, такого как гидравлический пресс.
Смоделированные стакан и тарелку можно использовать для десертов или сладких блюд. Предполагается изготавливать образцы одноразовой посуды из песочного теста с использованием богатого макро- и микронутриентами возобновляемого растительного сырья для повышения пищевой ценности продуктов, что является целью дальнейших исследований.
Проанализировав информацию, касающуюся современных экологичных материалов, можно сделать вывод о том, что больше всего обозначенным требованиям соответствует пищевое сырьё. Посуда из песочного теста способна выдерживать высокую температуру горячих напитков в течение 20-40 минут при этом сохраняя свои свойства и форму. Входящие в состав теста различные виды зернового сырья способствуют также восполнению дефицита белка, незаменимых аминокислот, витаминов, минералов и пищевых волокон.
Разработаные 3D-модели съедобной посуды на основе песочного теста с добавлением рыжиковой и тритикалевой муки является альтернативой пластиковой посуде приводящая к снижению пластиковых отходов, вкусным и полезным дополнением к горячему напитку или десерту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев М.В. Производство биопластика: отечественный и зарубежный опыт // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки. - 2022. - С.1138-1440.
2. Ерофеев А.В., Хубларов К.В. Одноразовая съедобная посуда // Патент РФ № 2706075. - 2019.
3. Купинский Н.Г., Аминова Е.К., Ляпах Т.К., Масталыгина Е.Е., Пантюхов П.В., Ольхов А.А. Биоразлагаемый материал для изготовления съедобной посуды и упаковки на основе отрубей зерновых культур и способы его получения // Патент № 2767348. - 2021.
4. Порпулова А. Е. Перспективы развития новых продуктовых идей для внутреннего рынка России / /Управление организацией, бухгалтерский учет и экономический анализ: вопросы, проблемы, перспективы развития. - 2022. - С. 40-43.
5. Bartnikowski M. et al. Degradation mechanisms of polycaprolactone in the context of chemistry, geometry and environment //Progress in Polymer Science. - 2019. - V. 96. - рр. 1-20. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.05.004.
6. Boonchujaras A., Furulund K. Would you eat it? An investigation of how perceived sustainability and perceived risk influence consumer acceptance of edible food packaging: дис. - Handelshoyskolen Bl, 2020.
7. Bostan N. et al. Toxicity assessment of microplastic (MPs); a threat to the ecosystem //Environmental Research. - 2023. DOI: 10.1016/j.envres.2023.116523.
8. Camerlengo F., Kiszonas A. M. Genetic factors influencing triticale quality for food //Journal of Cereal Science. - 2023. DOI: 10.1016/j.jcs.2023.103744.
9. Chen X. et al. Replacing plastic with bamboo: eco-friendly disposable tableware based on the separation of bamboo fibers and the reconstruction of their network structure //ACS Sustainable Chemistry & Engineering. - 2023. - V. 11. - №. 19. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c00293.
10. Dybka-St^pien K. et al. Disposable food packaging and serving materials— trends and biodegradability //Polymers. - 2021. - V. 13. - № 20. DOI: 10.3390/polym13203606.
11. Hazra S., Sontakke M. Process development and quality evaluation edible cutlery spoons supplemented with Withania somnifera root powder. - 2023.
12. Li D. H. et al. Ultrastrong, thermally stable, and food-safe seaweed-based structural material for tableware //Advanced Materials. - 2023. - V. 35. - №. 1.
13. Liu B. F. et al. Study of pulping technology on disposable tableware using withered leaves as raw material //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
- IOP Publishing, 2020. - T. 711. - № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/711/1 /012056.
14. Mondor M., Hernandez-Alvarez A. J. Camelina sativa composition, attributes, and applications: A review //European Journal of Lipid Science and Technology. - 2022.
- V. 124. - №. 3. DOI: 10.1002/ejlt.202100035
15. Natarajan N. et al. Eco-friendly and edible waste cutlery for sustainable environment //International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2019. - V. 9. - №. 1s4.
16. Nikiema J., Asiedu Z. A review of the cost and effectiveness of solutions to address plastic pollution //Environmental Science and Pollution Research. - 2022.
- V. 29. - № 17.
17. Zapryanov M.A., Krasimirov S.G. Production composition of edible utensils for cold and hot drinks and foods Patent Bulgria № 112807 A. - 2020.
18. Rane S., Thakker D. S. Development of sustainable tableware from waste //ScienceOpen Preprints. - 2023. DOI: 10.14293/PR2199.000115.v1.
19. Sharma V., Sehgal R., Gupta R. Polyhydroxyalkanoate (PHA): Properties and modifications //Polymer. - 2021. - V. 212. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.123161.
20. Zhou H. et al. Review on poly (butylene succinate) foams: Modifications, foaming behaviors and applications //Sustainable Materials and Technologies. - 2023. DOI: 10.1016/j.susmat.2023.e00720.
21. https://ediblecup.coffee/en/
22. https://www.comunicaffe.com/lavazza-edible-cappuccino-cups-innovative-trend-food-packaging-industry/
REFERENCES
1. Vasiliev M.V. Bioplastic production: domestic and foreign experience // Young scientists in solving urgent problems of science. - 2022. - pp.1138-1440.
2. Erofeev A.V., Khublarov K.V. Disposable edible tableware // Russian Federation Patent No. 2706075. - 2019.
3. Kupinsky N.G., Aminova E.K., Lyapakh T.K., Mastalygina E.E., Pantyukhov P.V., Olkhov A.A. Biodegradable material for the manufacture of edible tableware and packaging based on bran of cereal crops and methods for its production // Patent No. 2767348. - 2021.
4. Porpulova A. E. Prospects for the development of new product ideas for the domestic market of Russia // Organization management, accounting and economic analysis: issues, problems, development prospects. - 2022. - pp. 40-43.
5. Bartnikowski M. et al. Degradation mechanisms of polycaprolactone in the context of chemistry, geometry and environment //Progress in Polymer Science. - 2019. - V. 96. - рр. 1-20. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.05.004.
6. Bartnikowski M. et al. Degradation mechanisms of polycaprolactone in the context of chemistry, geometry and environment //Progress in Polymer Science. - 2019. - V. 96. - рр. 1-20. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2019.05.004.
7. Boonchujaras A., Furulund K. Would you eat it? An investigation of how perceived sustainability and perceived risk influence consumer acceptance of edible food packaging: дис. - Handelshoyskolen Bl, 2020.
8. Bostan N. et al. Toxicity assessment of microplastic (MPs); a threat to the ecosystem //Environmental Research. - 2023. DOI: 10.1016/j.envres.2023.116523.
9. Camerlengo F., Kiszonas A. M. Genetic factors influencing triticale quality for food //Journal of Cereal Science. - 2023. DOI: 10.1016/j.jcs.2023.103744.
10. Chen X. et al. Replacing plastic with bamboo: eco-friendly disposable tableware based on the separation of bamboo fibers and the reconstruction of their network structure //ACS Sustainable Chemistry & Engineering. - 2023. - V. 11. - №. 19. DOI: 10.1021/ acssuschemeng.3c00293.
11. Dybka-St^pien K. et al. Disposable food packaging and serving materials— trends and biodegradability //Polymers. - 2021. - V. 13. - № 20. DOI: 10.3390/polym13203606.
12. Hazra S., Sontakke M. Process development and quality evaluation edible cutlery spoons supplemented with Withania somnifera root powder. - 2023.
13. Li D. H. et al. Ultrastrong, thermally stable, and food-safe seaweed-based structural material for tableware / /Advanced Materials. - 2023. - V. 35. - №. 1.
14. Liu B. F. et al. Study of pulping technology on disposable tableware using withered leaves as raw material //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
- IOP Publishing, 2020. - Т. 711. - № 1. DOI: 10.1088/1757-899X/711/1 /012056.
15. Mondor M., Hernandez-Alvarez A. J. Camelina sativa composition, attributes, and applications: A review / /European Journal of Lipid Science and Technology. - 2022.
- V. 124. - №. 3. DOI: 10.1002/ejlt.202100035
16. Natarajan N. et al. Eco-friendly and edible waste cutlery for sustainable environment //International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2019. - V. 9. - №. 1s4.
17. Nikiema J., Asiedu Z. A review of the cost and effectiveness of solutions to address plastic pollution //Environmental Science and Pollution Research. - 2022.
- V. 29. - № 17.
18. Zapryanov M.A., Krasimirov S.G. Production composition of edible utensils for cold and hot drinks and foods Patent Bulgria № 112807 A. - 2020.
19. Rane S., Thakker D. S. Development of sustainable tableware from waste //ScienceOpen Preprints. - 2023. DOI: 10.14293/PR2199.000115.v1.
20. Sharma V., Sehgal R., Gupta R. Polyhydroxyalkanoate (PHA): Properties and modifications //Polymer. - 2021. - V. 212. DOI: 10.1016/j.polymer.2020.123161.
21. Zhou H. et al. Review on poly (butylene succinate) foams: Modifications, foaming behaviors and applications //Sustainable Materials and Technologies. - 2023. DOI: 10.1016/j.susmat.2023.e00720.
22. https://ediblecup.coffee/en/
23. https://www.comunicaffe.com/lavazza-edible-cappuccino-cups-innovative-trend-food-packaging-industry /
