Комбинированные съедобные пленки на основе ксантановой камеди Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ / FOOD TECHNOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 664.8.035.6

http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-2-110-116

КОМБИНИРОВАННЫЕ СЪЕДОБНЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ КСАНТАНОВОЙ КАМЕДИ

© Д.Е. Быков, Н.В. Макарова, А.В. Демидова, Н.Б. Еремеева

Самарский государственный технический университет,

443100, Российская Федерация, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.

Съедобные пленки можно определить как первичную упаковку, изготовленную из съедобных компонентов, которая может быть съедена вместе с пищей. Целью данной работы является оценка органолептических свойств, структуры, влагопоглощения, механических характеристик для съедобных двухслойных пленок, полученных на основе яблочного пюре, один из слоев которой получен с использованием ксантановой камеди. Пленки с добавлением ксантановой камеди, КМЦ, клетчатки имеют желто-золотой оттенок, пленки с добавлением агара, каррагинана, пектина имеют темно грушевый оттенок. Структура у всех образцов пленок однородная, губчатая. Наиболее приемлемыми вкусовыми свойствами и пережевываемостью обладает двухслойная пленка с добавлением ксантановой камеди в первый и во второй слой. Значение показателя водопоглощения выше у съедобной пленки по сравнению с другими пленочными материалами, во второй слой которой входит 2% пектина. По совокупности проведенных исследований можно сделать вывод о высокой перспективности работ по получению и исследованию свойств съедобных пленок. Очевидно, что природа пластификатора во втором слое оказывает важное влияние на прочностные свойства пленок. Ключевые слова: двойная съедобная пленка, яблочное пюре, ксантановая камедь.

Формат цитирования: Быков Д.Е., Макарова Н.В., Демидова А.В., Еремеева Н.Б. Комбинированные съедобные пленки на основе ксанатновой камеди // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8, N 2. С. 110-116. DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-2-110-116

COMBINED EDIBLE FILMS BASED ON XANTHAN GUM

© D.E. Bykov, N.V. Makarova, A.V. Demidova, N.B. Eremeeva

Samara State Technical University,

244, Main Building, Molodogvardiis'ka street, Samara, 443100, Russian Federation

Edible film can be defined as primary packaging made from edible components, which can be eaten along with food. The aim of this work is to assess the organoleptic properties, structure, water absorption, mechanical characteristics of edible bilayer films obtained on the basis of applesauce, one of which layers is obtained using xanthan gum. Film with the addition of xanthan gum, CMC, fiber have a yellow-Golden hue, films with the addition of agar, carrageenan, pectin pear have a dark tint. The structure of all samples of the films a homogeneous, spongy. The most acceptable taste properties and the ability to chew has a two-layer film with the addition of xanthan gum in the first and second layer. The value of the rate of water absorption is higher in edible films compared to other film materials, a second layer which includes a 2 % pectin. On set of the conducted research we can conclude about the high prospects of work on the preparation and study of properties of edible films. Obviously, the nature of the plasticizer in the second layer has an important influence on the strength properties of the films.

Keywords: double edible film, applesauce, xanthan gum

Forcitation: Bykov D.E., Makarova N.V., Demidova A.V., Eremeeva N.B. Combined edible film based xanthan gum. Proceedings of Universities. Applied chemistry and biotechnology.2018, vol. 8, no. 2, pp. 110-116. (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-2-110-116

ВВЕДЕНИЕ вместе с пищей. Тонкий слой съедобного мате-

Съедобные пленки можно определить как риала либо наносят непосредственно на по-

первичную упаковку, изготовленную из съедоб- верхность пищевого продукта и в этом случае

ных компонентов, которая может быть съедена говорят о съедобном покрытии, либо изготавли-

вают в виде пленки, в которую пищевой продукт будет упакован [1]. Съедобные покрытия и пленки как бы моделируют природные защитные оболочки продуктов питания растительного происхождения (ягод, семян). Они могут выполнять роль барьера или мембраны по отношению к воде и её парам, газам (диоксид углерода, кислород, этилен), имеют необходимую прочность, обеспечивают защиту от микробов, удобство применения, придают привлекательный внешний вид, сохраняют вкус, увеличивают срок хранения различных продуктов и т.п. В настоящее время основными пленкообразующими компонентами в составе съедобной упаковки являются: высокомолекулярные углеводы (производные крахмала, эфиры целлюлозы, хитозан, декстрины, альгинаты, карраги-наны, пектины), белки (коллаген, желатин, зеин, глютен, соевые изоляты, казеин), жиры (ацето-глицериды, глицериды, жирные кислоты) и их композиции [2].

Ксантановая камедь относится к высокомолекулярным полисахаридам и в отношении ее иногда используется название «камедь кукурузного сахара». Ксантаны представляют собой ге-терополисахариды с молекулярной массой от одного до нескольких миллионов, молекулы которых формируются из трех типов моносахаридов - р,й-глюкозы, а,й-маннозы и а,й-глюкуро-новой кислоты в соотношении 2:2:1. Молекулы р,й-глюкозы, соединяясь 1,4-гликозидной связью, образуют основную цепь, где каждый второй гликозидный остаток содержит короткое боковое звено из трех моносахаридных единиц, в котором остаток глюкуроновой кислоты располагается между двумя остатками а,й-маннозы. Конечный остаток маннозы может содержать пируватную группу, а манноза, примыкающая к основной цепи, -ацетатную группу при шестом углеродном атоме. Как правило, каждое второе боковое ответвление содержит пируватную группу, однако соотношение пируватных и ацетатных групп зависит от условий получения [3].

В общем случае ксантаны представляют собой полисахариды, образующиеся как вторичные метаболиты при аэробной ферментации сахаров (например, кукурузного сиропа) бактериями ХапМотопазоатрвз&1з. Из продуктов ферментации ксантан выделяют осаждением изопропиловым спиртом с последующим отделением полученного коагулята, его выделяют промыванием водно-спиртовой смесью, прессованием, высушиванием и измельчением. Для получения ксантановой камеди стандартного качества на завершающем этапе осуществляют стандартизацию продукта путем дозированного смешивания партий [4].

Наличие карбоксильных (остатки глюкуро-новых кислот) и пируватных кислотных групп обеспечивает ксантановым молекулам доста-

точно высокий отрицательный заряд. В коммерческих препаратах для пищевых целей кислотные группы нейтрализуют с образованием калиевых, натриевых или кальциевых солей.

Растворимость ксантанов в воде определяется особенностями их химического строения. Благодаря наличию регулярных боковых звеньев с кислотными группировками происходит взаимное отталкивание отдельных молекул, что приводит к повышению их гидратации. В связи с этим ксантаны растворяются в воде уже при комнатной температуре. Кроме того, они хорошо растворимы в горячем и холодном молоке, а также в растворах соли и сахара [5].

Ксантаны являются загустителями и при температурах ниже 100 °С образуют растворы высокой вязкости. Вязкость мало зависит от температуры и стабильна в диапазоне рН от 1 до 13.

Процесс гелеобразования возможен при использовании ксантанов в комбинации с галак-томаннанами, например камедью рожкового дерева или камедью тары. Молекулы ксантана в жесткой спиральной форме могут быть сшиты по мягким участкам галактоманнанов. В результате камедь рожкового дерева взаимодействует с ксантаном с образованием геля, тогда как камедь гуара приводит только к повышению вязкости. Гели ксантана и камеди рожкового дерева термически обратимы и весьма когезивны. При постоянной общей концентрации камеди максимальная прочность геля может быть получена при соотношении ксантан: камедь рожкового дерева, равном примерно 1:1 [6]. Таким образом ксантановая камедь благодаря своим свойствам может быть использована как компонент съедобных пленок.

Целью данной работы является оценка ор-ганолептических свойств, структуры, влагопо-глощения, механических характеристик для съедобных двухслойных пленок, полученных на основе яблочного пюре, один из слоев которой получен с использованием ксантановой камеди.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для получения яблочного пюре яблоки подвергают подготовке, предусматривающей инспекцию, сортировку, калибровку и мойку, удаляют несъедобные части: плодоножку, семенную камеру и кожуру, измельчают до пюре-образного состояния, пюре протирают, к полученной массе добавляют пластификатор (табл. 1) 0,1-5,0% от массы яблочного пюре, равномерно распределяют по всему объему.

Таким способом получают первый и второй слой. Слои совместно вальцуют. Двойную пленку сушат при температуре 55-70 °С в течение 1-3 ч, а затем охлаждают до комнатной температуры.

Были изготовлены 6 образцов пленки с различными видами и содержанием пластификаторов. Для полученных образцов пленки изучены органолептические характеристики, структура, прочностные свойства и водопоглотитель-ная способность. Состав двойных пленок на основе яблочного пюре представлен в табл. 1.

Органолептические характеристики. Исследования органолептических показателей были проведены по ГОСТ 8756.1-79 [7].

Сканирующая электронная микроскопия. Микроскопирование проводилось на лабораторном микроскопе Celestron Laboratory с линзой стократного увеличения по методу George J., Siddaramaiah [8].

Влагопоглотительная способность пленки. Влагопоглотительная способностьбыла определена для всех пленок по методу Giala-masH. с изменениями [9]. Образцы пленок помещают в дистиллированную воду и выдерживают при 23 °С в течении 3о, 60, 90 мин и при 90 °С в течении 30, 60, 90 мин. Определяют степень водопоглощения как отношение массы пленки после эксперимента к массе пленки до эксперимента в процентах.

Толщина пленки. Толщину пленки измеряли с помощью цифрового микрометра FIT 19909. Выполняют пять измерений для каждой пленки: один в центре образца и четыре на различных участках периметра пленки. Рассчитывалось среднее значение толщины пленки.

Испытание на растяжение пленочных материалов. Проводили на лабораторном испытательном комплексе, включающем разрывную машину INSTRON-5988 (Испытательная лаборатория по определению механических свойств и химического состава конструкционных материалов, научный сотрудник Горбунов А.Е.) со скоростью приложения нагрузки в больших пределах от 0,001 мм/мин до 508 мм 0,001 мм/мин. Испытывались образцы шириной 10 мм при

расстоянии между зажимами 150 мм. Определение деформационных свойств материалов с получением графика зависимости «нагрузка-перемещение», «напряжение-перемещение» и математическую обработку результатов проводили по программному обеспечению В1иеЫП 3. Исследования прочностных характеристик и толщины были проведены по ГОСТ Р 532262008 [10].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Из рис. 1 видно, что пленки с добавлением ксантановой камеди, КМЦ, клетчатки имеют желто-золотой оттенок, пленки с добавлением агара, каррагинана, пектина имеют темно грушевый оттенок. Структура у всех образцов пленок однородная, губчатая. Пленка с добавлением агар-агара во второй слой содержит наименьшее количества включений пузырьков воздуха. На вкус все пленки имеют некоторый бумажный вкус с привкусом яблочного пюре. Наиболее приемлемыми вкусовыми свойствами и пережевываемостью обладает двухслойная пленка с добавлением ксантановой камеди в первый и во второй слой.

Фотографии пленок, полученные с помощью микроскопа, представлены на рис. 2. Для съедобной пленки из яблочного пюре с добавлением каррагинана наблюдается наличие наименьшего количества пузырьков воздуха, наиболее плотная структура. Аналогичная структура наблюдается для съедобной пленки на основе яблочного пюре с добавлением ксантановой камеди в первый и во второй слой.

Также установлено, что значение показателя водопоглощения выше у съедобной пленки по сравнению с другими пленочными материалами, во второй слой которой входит 2% пектина (табл. 2). Высокие показатели водопоглощения пленки с пектином обеспечивают ее прожевываемость и легкую усвояемость.

Таблица 1

Состав двойных пленок

Table 1

Composition of double films

Код 1 слой 2слой

ЯП/КК-ЯП/КК Яблочное пюре - ксантановая камедь

ЯП/КК-ЯП/КМЦ Яблочное пюре - КМЦ

ЯП/КК-ЯП/КЛ Яблочноепюре -ксантановая камедь Яблочное пюре - клетчатка

ЯП/КК-ЯП/Ж Яблочное пюре - желатин

ЯП/ККА-ЯП/А Яблочное пюре - агар-агар

ЯП/КК-ЯП/К Яблочное пюре - каррагинан

ЯП/КК-ЯП/П Яблочное пюре - пектин

f g

Рис. 1. Внешний вид съедобной пленки из яблочного сырья с добавлением пластификаторов во второй слой: a - ЯП/КК-ЯПКК; b - ЯП/КК-ЯП/КМЦ; c - ЯП/КК-ЯП/КЛ; d - ЯП/КК-ЯП/Ж;

e - ЯП/КК-ЯП/А; f - ЯП/КК-ЯП/К; g - ЯП/КК-ЯП/П

Fig.1. Appearance of edible films of Apple raw material with the addition of the plasticizer in the second layer: a - PL/CC-APCC; b - PL/CC-PL/CMC; c - PL/CC-PL/CL; d - PL/CC-PL/F; e - PL/CC-PL/A;f - PL/CC-PL/K; g - PL/CC-PL/P

Результаты физико-механических испытаний двухслойных пленочных материалов на основе яблочного пюре и ксантановой камеди с разными пластификаторами во втором слое представлены в табл. 3, анализ результатов которых показывает, что совокупность ксантано-вой камеди в 1 слое и каррагинана во втором

слое способствует увеличению их механической прочности при средних показателях толщины.

Самые низкие показатели прочности наблюдаются у трех видов пленок с добавлением во второй слой КМЦ, ксантановой камеди и пектина.

g

Рис. 2.Микроскопирование съедобных пленок на основе яблочного сырья с добавлением пластификатора: a - ЯП/КК-ЯПКК; b - ЯП/КК-ЯП/КМЦ; c - ЯП/КК-ЯП/КЛ; d - ЯП/КК-ЯП/Ж; e - ЯП/КК-ЯП/А; f - ЯП/КК-ЯП/К; g - ЯП/КК-ЯП/П

Fig.2. The microscopy of edible films based on Apple's raw materials with the addition of plasticizer: a - PL/CC-APCC; b - PL/CC-PL/CMC; c - PL/CC-PL/CL; d - PL/CC-PL/F; e - PL/CC-PL/A; f - PL/CC-PL/K; g - PL/CC-PL/P

Таблица 2

Водопоглотительная способность двойных пленок

Table 2

Water absorption capacity of double films

Условия Водопоглотительная способность, %

(°С, мин) ЯП/К-ЯП/КК ЯП/КК-ЯП/КМЦ ЯП/КК-ЯП/КЛ ЯП/КК-ЯП/Ж ЯП/КК-ЯП/А ЯП/КК-ЯП/К ЯП/КК-ЯП/П

23, 30 509,09 986,67 986,67 986,67 389,66 481 425

23, 60 P* 1027,27 1027,27 1027,27 P P P

23, 90 P 1036,36 1036,36 1036,36 P P P

40, 30 P 655,6 655,60 655,6 489 616 800

40, 60 P P P P P P P

40, 90 P P P P P P P

*P - образец растворился.

Таблица 3

Влияние ксантановой камеди на физико-механические свойства пленочных материалов

Table 3

Effect of xanthan gum on physical and mechanical properties of film materials

Образцы пленки Толщина пленки, мм Предел прочности, МПа Нагрузка при пределе прочности, Н

ЯП/КК-ЯП/КК 0,57 4,32 24,62

ЯП/КК-ЯП/КМЦ 0,65 3,32 23,00

ЯП/КК-ЯП/КЛ 0,73 5,80 40,00

ЯП/КК-ЯП/Ж 1,89 5,57 35,89

ЯП/КК-ЯП/А 0,52 5,23 65,34

ЯП/КК-ЯП/К 0,54 6,71 37,57

ЯП/КК-ЯП/П 0,72 4,70 34,36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По совокупности проведенных исследований можно сделать вывод о высокой перспективности работ по получению и исследованию

Благодарность: Работа выполнена в рамках Программы развития ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» до 2020 г.

свойств съедобных пленок. Очевидно, что природа пластификатора во втором слое оказывает важное влияние на прочностные свойства пленок.

Acknowledgement: The work was performed in the framework of the development of the "Samara State Technical University" by 2020.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Кудрякова В.А. Съедобная упаковка: состояние и перспективы // Упаковка и Логистика. 2007. N 6. C. 24-25.

2. Кузнецова Л.С., Михеева М.Н., Казакова Е.В. Традиции и инновации в упаковке пищевых продуктов // Пищевая промышленность. 2008. N 6. С. 12-14.

3. DuranN., MarcatoP.D., De ContiR., Alves O.L. et al. Potential use of silver nanoparticles on pathogenic bacteria, their toxicity and possible mechanisms of action // Journal of the Brazili-anChemicalSociety. 2010. Vol. 21. N 6. P. 949959.

4. KaramL., JamaC., DhulsterP. et al. Study of surface interactions between peptides, materials and bacteria for setting up antimicrobial surfaces and active food packaging // Journal of Materials and Environmental Science. 2013. Vol. 4.N 5. P. 798-821.

5. BrodyA.L., BugusuB., Han J.H. et al.Inno-vative Food Packaging Solutions // Journal of Food Science. 2008. Vol. 73. N 8. P. 107-116.

6. Garcia M.A., Martino M.N., Zaritzky N.E. Plasticized starch based coatings to improve strawberry (Fragariaananassa) quality and stability

//Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1998. Vol. 46. P. 3758-3767.

7. ГОСТ 8756.1-79. Продукты пищевые консервированные. Методы определения органо-лептических показателей, массы нетто или объема и массовой доли составных частей (с Изменениями N 1, 2). Москва: Стандартинформ, 2009. 14 с.

8. SiddaramaiahG.J. High performance edible nanocomposite films containing bacterial cellulose nanocrystals // Carbohydrate Polymers. 2012. Vol. 87. N 3. P. 2031-2037.

9. Gialamas H., Zinoviadou K.G., Biliaderis C.G., Koutsoumanis K.P. Development of a novel bioactive packaging based on the incorporation of Lactobacillus sakei into sodium-caseinate films for controlling Listeria monocytogenes in foods // Food Research International. 2010. Vol. 43. N 10. P. 2402-2408

10. ГОСТ Р 53226-2008. Полотна нетканые. Методы определения прочности Nonwo-venfabrics. Methods of strength determination Москва: Стандартинформ, 2009. 20 с.

REFERENCES

1. Kudrakova V.A. Edible packaging: status and prospects. Upakovka I Logistika [Packaging and Logistics]. 2007, no 6, pp. 24-25. (in Russian)

2. Kuznetsova L.S., Mikheeva M.N., Ka-zakova E.V. Traditions and innovations in food packaging. Pishevaya promishlennost [Food Industry]. 2008. no 6, pp. 12-14. (in Russian)

3. Durân N., Marcato P.D., De Conti R., Alves O.L. et al. Potential use of silver nanoparticles on

pathogenic bacteria, their toxicity and possible mechanisms of action. Journal of the Brazili-anChemicalSociety. 2010. vol. 21, no 6, pp. 949959.

4. Karam L., Jama C., Dhulster P. et al. Study of surface interactions between peptides, materials and bacteria for setting up antimicrobial surfaces and active food packaging. Journal of Materials

and Environmental Science. 2013. vol. 4, no 5, pp. 798-821.

5. Brody A.L., Bugusu B., Han J.H. et al. Innovative Food Packaging Solutions. Journal of Food Science. 2008. vol. 73, no 8, pp. 107-116.

6. Garcia M.A., Martino M.N., Zaritzky N.E. Plasticized starch based coatings to improve strawberry (Fragariaananassa) quality and stability. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1998. vol. 46, pp. 3758-3767.

7. State Standard 8756.1-79. Canned food products. Methods for determination of organolep-tic characteristics, net mass or volume and component relationship and net mass. Moscow: Standartinform Bubl., 2009. 14 p.

Критерии авторства

Быков Д.Е., Макарова Н.В., Демидова А.В., Еремеева Н.Б. выполнили экспериментальную работу, на основании полученных результатов провели обобщение и написали рукопись. Быков Д.Е., Макарова Н.В., Демидова А.В., Еремеева Н.Б. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Дмитрий Е. Быков

Самарский государственный технический университет,

Д.т.н., профессор, ректор Самарского государственного технического университета [email protected]

Надежда В. Макарова

Самарский государственный технический университет,

Д.х.н., профессор, зав. кафедрой [email protected]

Анна В. Демидова

Самарский государственный технический

университет,

Аспирант

[email protected]

Наталья Б. Еремеева

Самарский государственный технический

университет,

Аспирант

[email protected]

Поступила 27.09.2017

8. Siddaramaiah G.J. High performance edible nanocomposite films containing bacterial cellulose nanocrystals. Carbohydrate Polymers. 2012. vol. 87, no 3, pp. 2031-2037.

9. Gialamas H., Zinoviadou K.G., Biliaderis C.G., Koutsoumanis K.P. Development of a novel bioactive packaging based on the incorporation of Lactobacillus sakei into sodium-caseinate films for controlling Listeria monocytogenes in foods. Food Research International. 2010. vol. 43, no 10, pp. 2402-2408

10. State Standard 53226-2008. Nonwoven fabrics. Methods of strength determination. Moscow: Standartinform Bubl., 2009. 20 p.

Contribution

Bykov D.E., Makarova N.V., Demidova A.V., Ere-meeva N.B. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript Bykov D.E., Makarova N.V., Demidova A.V., Eremeeva N.B. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

AUTHORS' INDEX Affiliations

Dmitry E. Bykov

Samara State Technical University,

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Rector of Samara State

Technical University

[email protected]

Nadezhda V. Makarova

Samara State Technical University,

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department

makarovanvl [email protected]

Anna V. Demidova

Samara State Technical University, Post graduate [email protected]

Natalia B. Eremeeva

Samara State Technical University, Post graduate

e-mail: [email protected]

Received 27.09.2017