Методика оценки пригодности полимерных материалов для LT-обработки пищевых систем Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 664

Методика оценки пригодности полимерных материалов

для 1_Т-обработки пищевых систем

Н. С. Родионова, д-р техн. наук, профессор; Е.С. Попов, канд. техн. наук; Т. Н. Колесникова, студент; Н.А. Пастухова, студент; Е.С. Певцова, студент; К. В. Бортникова, студент

Воронежский государственный университет инженерных технологий

Реализация LT-технологий («Low-Temperature») технологий предполагает контакт полимерной упаковки в процессе термического воздействия с пищевым сырьем, что может приводить к эмиссии потенциально опасных для здоровья человека веществ из полимера в пищевые объекты [1, 2].

Чтобы оценить годность полимерного материала, обеспечивающего безопасность и максимальную сохранность биологически активных веществ упакованных пищевых продуктов в процессе И-обработки и последующего хранения, применен массив пьезокварцевых резонаторов

Номера сенсоров

■ Вода дистиллированная [Б« в.о.»= 264 Гц-с} и Полимер № 1 (стандарт) (5«в.о.»=571 Гц-с)

Полимер № 2 (5«в.0.л=4433 Гц-с) ■ Полимер № 3 (5«в.о.»= 5465 Гц-с)

Рис. 1. Динамика изменения содержания легколетучих веществ в РГФ полимерных упаковочных материалов в зависимости от порядкового номера сенсора: 1 - ПВП; 2 - ПДЭГС; 3 - 18-к-6; 4 - ПЭГ-2000; 5 - 18-ТХ-100; 6 - ТОФО; 7-4ААП; 8 - Агг

i ISO а

I 160 Н

IШ 1 § I

nllilllil

о i 2 3 4 5

Классы легколетучих соединений (ЛЛС) в Вода дистиллированная ы Полимер N9 1 (стандарт) Полимер № 2 • Полимер № 3

Рис. 2. Относительное содержание (ш, % масс.) отдельных классов ЛЛС в РГФ исследуемых полимеров: 1 - свободная влага, кислоты; 2 - арены; 3 - среднеполярные орг. соединения; 4 - азотсодержащие орг. соединения; 5 - N-содержащие легкие газы, фенолы

с предварительной модификацией их электродов сорбентами различной природы (система «пьезоэлектрон-ный нос»). В ходе исследований формировали массив из 7-ми пьезорезо-наторов, на электроды которых с двух сторон микрошприцем равномерно наносили определенные объемы растворов индивидуальных сорбентов: поливинилпирролидон (ПВП), полидиэтиленгликоль себацинат (ПДЭГС), дицикпогексан-18-краун-б (ДЦГ-18-К-6), полиэтиленгликоль (ПЭГ-2000), тритон Х-100 (ТХ-100), триоктилфосфиноксид (ТОФО), 4-аминоантипирин (4ААП), азотнокислый цирконил (А7г) [3, 4].

В процессе экспериментальных исследований проведен анализ состава равновесной газовой фазы из полимерных упаковочных материалов различной природы (полимер № 2 и № 3). В качестве стандарта был выбран полимерный упаковочный материал (№ 1), соответствующий ТР ТС 005/2011 «О безопасности упаковки».

Упаковочный полимерный материал вакуумировали с конечным давлением 200 Па и подвергали термической обработке при температурах 333 - 403 К и продолжительности теплового воздействия от 20 до 60 мин. Суммарный сигнал «пье-зоэлектронного носа» формировали в виде масс-ароматограмм искусственного аромата [5].

Для оценки мешающего влияния воды в качестве дополнительного стандарта применена равновесная газовая фаза (РГФ) дистиллированной воды. Установлено, что по содержанию легколетучих соединений (ЛЛС) состав воздуха полимеров № 2 и 3 и полимера № 1 (стандарта) существенно различается (рис. 1).

Из полученных данных следует, что по сравнению с парами воды все три вытяжки содержат ЛЛС, но в разных количествах. Наименьшее содержание ЛЛС в воздухе полимера № ' (стандарта), максимальное - из полимера № 3.

Для детализации состава воздуха применен метод нормировки (рис. 2), для всех сенсоров отклики по воде приняты за 100%, а отклики для других проб воздуха полимеров пересчитаны относительно этой величины.

В исследуемых воздушных пробах полимеров содержатся ЛЛС органической природы разной полярности и состава. Наибольшая эмиссия характерна для полимера № 3, а наименьшая - для полимера № 1 (стандарта).

Сопоставление масс-ароматограмм (рис. 3, 4) позволяет оценить степень

PRODUCTION QUALITY CONTRO

Рис. 3. Масс-ароматограммы откликов 7-сенсорного «пьезоэлектронного носа» в воздухе из полимерных упаковочных материалов различных производителей: «визуальные отпечатки» максимальных (а) и кинетические «визуальные отпечатки» (б) сигналов сенсоров

Полимер № 1 (стандарт) и полимер № 2 Полимер № 1 (стандарт) и полимер № 3 Рис. 4. Сравнительная характеристика масс-ароматограмм откликов 7-сенсорного «пьезоэлектронного носа» в воздухе из полимерных упаковочных материалов различных производителей (методом наложения)

Полимер № 1 - сиреневая заливка; Полимер № 2 и № 3 - красная заливка

соответствия исследуемых полимеров стандарту.

Несовпадение вида и площади масс-ароматограмм более чем на 30,0±1,0%, что характерно для полимера № 3, свидетельствует о несоответствии исследуемого полимерного упаковочного материала стандарту. Установлено, что по содержанию ЛЛС состав воздуха

из трех полимерных пакетов существенно различается. Суммарная площадь масс-ароматограммы полимера № 1 (стандарта) принята за 100%, а площади масс-ароматограмм полимеров № 2 и 3 пересчитаны относительно этой величины.

Для анализируемых проб установлено, что полимер № 2 соответству-

ет стандарту, различия геометрии масс-ароматограмм не превышают 30,0±1,0% и составляют 28,90%. Полимер № 3 не соответствуют принятому стандарту, так как содержит большое количество легколетучих примесей, о чем свидетельствует величина суммарного аналитического сигнала «пьезоэлектронного носа» (различия геометрии масс-ароматограмм превышают 30,0±1,0% и составляют 1134,0%). Полимер № 3 не рекомендуется применять для LT-обработки пищевых продуктов.

Таким образом, разработана методика пьезосенсорного анализа РГФ, выделяющейся при воспроизведении реальных технологических воздействий на полимерный материал, используемый для изготовления упаковочного материала. Предложенная методика позволяет оценить уровень возможной эмиссии ЛЛС из полимерных материалов, без сложной многостадийной подготовки пробы; сократить продолжительность контроля и повысить производительность определения за счет многократного применения массива пье-зосенсоров без обновления рабочих пленок-сорбентов; упростить стадию визуализации результатов в масс-ароматограммы, что существенно сокращает стадию принятия решения о качестве пробы без привлечения высококвалифицированного персонала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Родионова, Н. С. LT-технологии обработки пищевых систем: моногра-фия/Н.С. Родионова и др. // Воронежский государственный университет инженерных технологий. - 2016. - 213 с.

2. Родионова, Н.С. Sous-Vide обработка мелкокусковых полуфабрикатов из мяса говядины: режимы и показатели качества/Н. С. Родионова, Е. С. Попов // Пищевая промышленность. - 2015. -№ 10. - С. 32-34.

3. Кучменко, Т.А. Инновационные решения в аналитическом контроле: учебное пособие/ Т. А. Кучменко // Воронежская государственная технологическая академия. - 2010. - 252 с.

4. Кучменко, Т.А. Современные методы анализа: учебное пособие/Т.А. Кучменко // Воронежская государственная технологическая академия. - 2005. -78 с.

5. Кучменко, Т.А. Пат. 2550962 РФ, МПК G01N 27/00, 33/44. Способ оценки безопасности упаковочных полимерных материалов для тепловой обработки вакуумированных пищевых продуктов / Т. А. Кучменко и др. // -№ 2013122429/15; заявл. 16. 05. 2013; опубл. 20.05.2015, Бюл. № 14.

REFERENCES

1. Rodionova N. S., Popov E.S., Korystin M.I., Klimova E. A. LT-LT-tehnologii obrabotki pishhevyh sistem [LT-LT-technology processing of food systems]. Voronezh, Voronezh. gos. un-t. inzh. tehnol., 2016. 213 p. (In Russ.)

2. Rodionova N. S., Popov E. S. Sous-Vide obrabotka melko kus kovyh polufabrikatov iz mjasa govjadiny: rezhimy i pokazateli kachestva [Sous-Vide processing of small-pieces semi-

finished products from beef meat: regimes and quality indicators]. Pishhevaja promyshlennost', 2015, no. 10, pp. 32 - 34. (In Russ.)

3. Kuchmenko T.A. Innovacionny e reshenija v analiticheskom kontrole. Ucheb. posobie [Innovative solutions in analytical control]. Voronezh, Voronezh. gos. tehnol. akad., 2010. 252 p. (In Russ.)

4. Kuchmenko T.A. Sovremennye metody analiza: ucheb. Posobie. Ucheb. posobie [Modern methods of analysis]. Voronezh,

Voronezh. gos. tehnol. akad., 2005. 78 p. (In Russ.)

5. Kuchmenko T.A., Rodionova N.S., Umarhanov R.U., Popov E.S., Bahtina T.I., Berdnikova E.V., De-Souza L. D. K. Sposob ocenki bezopasnosti upakovochnyh polimernyh materialov dlja teplovoj obrabotki vakuumirovannyh pishhevyh produktov [A method for evaluating the safety of packaging polymeric materials for the heat treatment of vacuumed food products]. Patent RF, no. 2550962, 2015. (In Russ.)

Методика оценки пригодности полимерных материалов для LT-обработки пищевых систем

Ключевые слова

вакуумная упаковка; LT-технологии; масс-ароматограмма; полимерный упаковочный материал; пьезоэлектронный нос

Реферат

Одно из перспективных направлений развития пищевой индустрии - применение щадящих режимов термической обработки растительного и животного сырья с предварительной вакуумной упаковкой в полимерную термоустойчивую пленку, т. н. технология Sous-Vide или LT-обработка («Low-Temperature»). Интенсивно развивающиеся LT-технологии предполагают наличие контакта пищевых продуктов с полимерными упаковочными материалами, что может приводить к эмиссии в пищевые системы опасных веществ, выделяющихся в процессе технологической обработки при длительном тепловом воздействии или нагревании острым паром. Цель исследований - провести обоснованный выбор полимерных пленок и разработать метод оценки безопасности упаковочных материалов для использования в LT-технологиях продуктов питания. Для обоснования выбора полимерных материалов, обеспечивающих условия безопасности упакованных продуктов в процессе их LT-обработки и последующего хранения, применен пьезосенсорный метод исследования, организованный по методологии «электронный нос». В качестве индивидуальных сорбентов применены 8 сенсоров на основе пьезокварцевых резонаторов ОАВ типа с базовой частотой колебаний 10,0 МГц с разнохарактерными пленочными сорбентами на электродах: поливинилпирролидон (ПВП), полидиэтиленгликоль себацинат (ПДЭГС), дициклогексан-18-краун-6 (ДЦГ-18-К-6), полиэти-ленгликоль (ПЭГ-2000), тритон Х-100 (ТХ-100), триоктилфос-финоксид (ТОФО), 4-аминоантипирин (4ААП), азотнокислый цирконил (AZr). Исследования состава равновесной газовой фазы полимерных упаковочных материалов проводили в условиях термического воздействия в диапазоне температур 333-403 К при продолжительности от 20 до 60 мин. В качестве стандарта принят полимерный упаковочный материал, соответствующий ТР ТС 005/2011 «О безопасности упаковки». В ходе экспериментальных исследований обоснован способ оценки безопасности полимерных материалов, применяемых в LT-технологиях пищевых систем, основанный на оценке площади масс-ароматограмм откликов сенсорного «пьезоэлектронного носа» в равновесной газовой фазе из полимерных упаковочных материалов в сравнении со стандартом. Данный способ позволяет оперативно и с высокой точностью оценить уровень возможной эмиссии легколетучих соединений в пищевые системы, что имеет важное значение с точки зрения обеспечения безопасности LT-обрабатываемых пищевых продуктов на протяжении установленного срока годности.

Авторы

Родионова Наталья Сергеевна, д-р техн. наук, профессор, Попов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, Колесникова Татьяна Николаевна, студент, Пастухова Наталья Алексеевна, студент, Певцова Елена Сергеевна, студент, Бортникова Кристина Владимировна, студент Воронежский государственный университет инженерных технологий, 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, [email protected], [email protected].

Method for assessing the suitability of polymer materials for LT processing of food systems

Key words

vacuum packing; LT- technology; piezoelectronic nose; mass aromatogram; polymeric packaging material

Abstracts

One of the promising trends in the development of the food industry is the use of sparing regimes for the thermal treatment of plant and animal raw materials with preliminary vacuum packaging in a polymer heat-resistant film - Sous-Vide or LT («Low-Temperature») -processing. Intensively developing LT technologies suggest the presence of food contact with polymeric packaging materials, which can lead to the emission into food systems of hazardous substances released during processing, with prolonged thermal exposure or heating with hot steam. The aim of the research is to make a reasonable choice of polymer films and to develop a method for evaluating the safety of packaging materials for use in LT food technology. To substantiate the choice of polymeric packaging materials that ensure the safety of packaged products during their LT processing and subsequent storage, a piezo-sensory method based on the «electronic nose» methodology was applied. As individual sorbents, 8 sensors based on piezo-quartz OAW type resonators with base frequency of oscillations of 10.0 MHz with different character film film sorbents on electrodes were used: Sorvynilpyrrolidone (PVP), polydiethylene glycol sebacinate (PDEGS), dicyclohexane-18-crown-6 (DCG-18-K-6), polyethylene glycol (PEG-2000), Triton X-100 (TX-100), trioctylphosphine oxide (TOFO), 4-aminoantipyrine (4AAP), zirconium nitrate (AZr). Studies of the composition of the equilibrium gas phase of polymer packaging materials were carried out under thermal conditions in the temperature range 333 - 403 K for a duration of 20 to 60 minutes. As a standard, a polymeric packaging material has been adopted, corresponding to TR TC 005/2011 «On the safety of packaging». In the course of experimental studies, a method for evaluating the safety of polymeric materials used in LT-technologies of food systems is substantiated, based on the evaluation of the mass-aromatogram area of responses of the sensory «piezoelectronic nose» in the equilibrium gas phase from polymeric packaging materials in comparison with the standard. This method allows us to quickly and accurately estimate the level of possible emissions of volatile compounds into food systems, which is important in terms of ensuring the safety of LT-processed food products for a specified shelf life.

Authors

Rodionova Natalya Sergeevna, Doctor of Technical Sciences, professor,

Popov Evgeniy Sergeevitch, Candidate of Technical Sciences,

Kolesnikova Tatiana Nikolaevna, student,

Pastukhova Natalya Alekseevna, student,

Pevtsova Elena Sergeevna, student,

Bortnikova Kristina Vladimirovna, student,

Voronezh State University of Engineering Technologies, 394036,

Voronezh, prospect of Revolution, 19, [email protected],

[email protected].