CC BY
62
УДК 678.041.3.06:621.798:664
Пленки на основе электретных материалов -
«активные» упаковки
О.В. Безнаева, Т.И. Аксенова, канд. хим. наук, доцент, Т.М. Бабурина, канд. вет. наук Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Пищевые продукты со временем неизбежно портятся. Продукт считается испорченным, если он не соответствует требуемой пищевой ценности в результате снижения в нем питательных веществ. Порча - одна из проблем пищевой безопасности, когда продукт может вызвать заболевание потребителя. Менее серьезные случаи порчи могут проявляться в ухудшении цвета, вкуса и аромата продукта до такой степени, что он становится неприемлемым для потребителя [1]. Потерю качества и порчу пищевых продуктов стараются замедлить, для чего необходим правильный выбор рецептур, способов технологической обработки, упаковки, хранения и транспортировки продуктов питания.
Основная причина порчи и большинства пищевых заболеваний - деятельность микроорганизмов. Они могут попасть в пищевой продукт на любой стадии технологической цепи - в ходе производства, на стадиях упаковки, хранения или реализации. При попадании в продукт рост и развитие микроорганизмов зависят от их вида и количества, самого продукта, наличия питательных веществ, воды, температуры, уровня кислотно-щелочного баланса, присутствия кислорода и т.д.; кроме того, имеет значение, предусмотрено ли в технологии производства применение противомикробных препаратов [1]. Деятельность микроорганизмов можно предотвратить или замедлить путем контроля этих условий, применением консервантов, а также правильным использованием защитных свойств упаковки из полимерных материалов. В большинстве случаев упаковка не в состоянии полностью предохранить продукт от внешней среды. В связи с этим проводится большое количество разработок новых материалов и технологий в производстве упаковочных изделий для пищевых продуктов.
Ключевые слова: порча продуктов питания; микроорганизмы; электрет-ный эффект; физическая модификация; полипропилен
Key words: damage of foodstuff; microorganisms; electret effect; physical version; polypropylene
Большое распространение получили «активные» упаковки, которые кроме традиционных механических и барьерных защитных функций способны оказывать целенаправленное воздействие на упакованную продукцию, в том числе продлить срок ее хранения [2]. К «активным» упаковкам относят пленки на основе электретных материалов. Ряд исследователей предположили [3, 4], что электретное состояние, созданное в полимерных пленках, используемых в качестве упаковочных материалов, способно подавлять активность вредных микроорганизмов, вызывающих порчу и потерю пищевой ценности. Электретный материал - диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве электрическое поле.
Один из вариантов достижения электретного состояния полимерного материала - это обработка его коронным разрядом. Такое воздействие - один из способов физической модификации поверхности полимерных материалов. К важным характеристикам, по которым оценивают электретные материалы, относят поверхностную плотность электрических зарядов и время релаксации зарядов.
Данная работа заключалась в исследовании электретного состояния пленочного материала, используе-
мого в качестве упаковки, и изучении его влияния на микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов питания.
Полипропилен - один из наиболее распространенных материалов, используемых в качестве упаковочных для пищевой промышленности. Кроме различных банок и контейнеров из него производят всевозможные пленки: однослойные, перфорированные, с различной степенью усадки, водо- и паропроницаемости и т. д.; также ориентированным или неориентированным он входит в состав многослойных и комбинированных материалов.
Полипропиленовая пленка обладает высокой прозрачностью, теплостойкостью, механической прочностью и эластичностью; имеет высокую химическую устойчивость. Является нетоксичным материалом. Для нее характерны стойкость к воздействию внешних факторов, жиро- и масло-стойкость [5].
Полипропилен - неполярный полимерный материал. Так как известно, что с ростом полярности стабильность короноэлектретов снижается, а начальные значения поверхностной плотности электрических зарядов возрастают [6], то ожидается, что полипропиленовый короноэлек-трет должен быть стабильным, но с невысокими начальными значениями поверхностной плотности электрических зарядов. Целесообразно было получить электретное состояние в данной пленке и изучить его влияние на сохранность упаковываемого продукта.
Образцы полипропиленовой пленки обрабатывали коронным разрядом. Метод коронного разряда широко распространен в производстве пленочных электретов. В его основе лежит перенос носителей заряда из области электрического разряда в газовом зазоре на поверхность диэлектрика. При этом ионы либо передают свой заряд диэлектрику и возвращаются обратно в воздух, либо проникают в его приповерхностную область, где фиксируются энергетическими ловушками. Ловушками в полимерных материалах могут служить ионы примесей, гра-
PACKAGING AND LOGISTICS
--
а 2 б
Рис. 3. Посевы смывов с анализируемых поверхностей образцов полипропиленовой пленки (1 и 2) на питательной среде Сабуро: 1 - с поверхности контрольной пленки: а - на 3-й день; б - на 5-й день; 2- с поверхности обработанной пленки: а - на 3-й день; б - на 5-й день
Рис. 1. Схема установки для обработки полипропиленового пленочного материала коронным разрядом: 1 - система управления; 2 - вал; 3 - защитный кожух; 4 - электрод коронирующего устройства; 5 - муфта; 6 - система заземления; 7 - редуктор; 8 - двигатель
ница раздела фаз, специфические дефекты, вызванные процессами окисления, адсорбированные молекулы и т. п. Преимущества коронного электретирования - простота аппаратуры, высокая скорость процесса, возможность легко встроить установку в технологическую линию получения пленочных материалов.
Полипропиленовая пленка подвергалась активации в отрицательном поле коронного разряда на лабораторной установке (рис. 1).
Установка состоит из двух основных элементов: генератора и узла обработки. Особенность использования этого прибора - разряд на заземленный вал проходит через диэлектрик, в качестве которого используется сам обрабатываемый материал. В данной установке можно варьировать количество коронирую-щих электродов, кратность обработки, скорость прохождения пленки в зоне активации. Эти параметры определяют степень воздействия коронного разряда на исследуемый материал.
Об изменениях в поверхностном слое пленки судили, используя метод бесконтактного измерения по-
0,25 £ 0,2 0,15 ё2- 0,1 ЕЁ 5 0,05
£ Л 0
Ь * " § 5 0,05 -0,1 £ Я-0,15 £ -0,2
5 15 25 35
Скорость обработки материала V (м/с)
Рис. 2. Зависимости поверхностной плотности электрических зарядов а (мкКл/м2) от скорости обработки V (м/с) материала (1-й день):
1 - однократная обработка,
2 - двукратная обработка
верхностнои плотности электрических зарядов с помощью измерителя параметров электростатического поля ИПЭП-1, принцип действия которого основан на методе периодического экранирования приемного электрода. Построены зависимости поверхностной плотности электрических зарядов у (мкКл/м2) активированной стороны полипропиленовой пленки от скорости обработки V (м/с) этого материала в зоне коро-нирования при различной кратности воздействия коронного разряда.
Из данных, представленных на рис. 2, видно, что в день активации значение поверхностной плотности электрических зарядов уменьшается с увеличением скорости прохождения пленки в зоне коронирования. Кроме этого, значение данного электростатического параметра материала при двукратной обработке больше, чем при однократной.
Из образцов пленочных полипропиленовых короноэлектретов сформировали пакеты обработанной стороной внутрь, в которые были герметично упакованы белый хлеб и сыр. В ходе испытания фиксировали качественное состояние упакованных продуктов и степень их порчи в сравнении с образцами продуктов, упакованными в необработанный (контрольный) пленочный материал. Хранили образцы с упакованными продуктами в бумажных пакетах при комнатной температуре (20 °С).
Параллельно с этим проводили микробиологические исследования. Для изучения влияния электретного состояния полипропиленовой пленки на микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов, проводили посевы смывов с анализируемых поверхностей обработанной и контрольной пленок в питательные среды. Для обнаружения плесневых грибов и дрожжей на поверхности исследуемых пленок использовали питательную среду Сабуро, для выявления бацилл и бактерий группы кишечной палочки - мясопептонный агар (МПА).
Характер роста микроорганизмов на опытных и контрольных образцах смывов в среде Сабуро изучали на третий и пятый день, в среде МПА -на первые, вторые и третьи сутки. Результаты исследований представлены на рис.3, из которого следует, что после обработки поверхности пленочного материала коронным разрядом рост плесневых грибов и дрожжей на питательной среде Сабуро отсутствовал даже на пятый день после посева, что связано с гибелью микроорганизмов на поверхности обработанной полипропиленовой пленки. Скорость роста бацилл на среде МПА была гораздо меньше на поверхности опытного материала по сравнению с контрольным. Таким образом, электрет-ная упаковка не оказывает влияния на рост и развитие бактерий группы кишечной палочки.
0
.0 —
0—0,05
н-°,1
Ё ¿2-0,15 £ 3 -0,2 Ь Ь -° § 0,25 0,3
х ^ _
О.
cd та
CD СП
0,35
5 15 25 35
Скорость обработки материала V (м/с)
Рис. 4. Зависимости поверхностной плотности электрических зарядов а (мкКл/м2) от скорости обработки V (м/с) материала (14-й день): 1 - однократная обработка, 2 - двукратная обработка
..
cd та
CD СП
0,20 0,10 0,00 -0,10 -0,20 -0,30 -0,40
5 15 25 35
щ Скорость обработки пленки V (м/с)
Рис. 5. Зависимости поверхностной плотности электрических зарядов а (мкКл/м2) от скорости обработки V (м/с) материала (1 оборот): 1 - 1-й день, 2 - 14-й день
При хранении сыр и хлеб, упакованные в обработанную пленку, меньше подверглись поражению плесенями и другими микроорганизмами - возбудителями порчи по сравнению с образцами, упакованными в контрольную пленку. Так, на поверхности продуктов в контрольных образцах пленочного материала колонии плесневых грибов родов Penicillium и Aspergillus, наличие которых устанавливалось по макроморфологическим, микроморфологическим и физиологическим признакам, появлялись на 3-5-е сутки, в то время как на поверхности продуктов в образцах пленки, обра-
ботанных коронным разрядом, - на 7-10-е сутки.
На 14-й день хранения упаковки с хлебом и сыром вскрывали и проводили повторное измерение поверхностной плотности электрических зарядов активированной стороны полипропиленовой пленки, что показало сохранение заряда обработанной поверхности.
Характер зависимостей поверхностной плотности электрических зарядов активированной стороны пленки от скорости обработки материала при различной кратности воздействия коронного разряда, какой был в день активации, наблюдается и на 14-й день хранения (рис. 4). На рис. 5 и 6 показано изменение поверхностной плотности электрических зарядов с течением времени при однократной и при двукратной обработке.
Уменьшение значения поверхностной плотности электрических зарядов с увеличением скорости прохождения пленки в зоне коронирования объясняется тем, что материал меньшее время подвергался воздействию коронного разряда, т. е. происходил меньший перенос носителей заряда из области электрического разряда в воздушном зазоре на поверхность диэлектрика с увеличением скорости прохождения пленки в зоне активации. Большее значение плотности зарядов при двукратной обработке по сравнению с однократной связано с тем, что при двукратной обработке происходит больший перенос носителей заряда на поверхность диэлектрика. Снижение заряда с течением времени объясняется высвобождением (релаксацией) инжектированных носителей заряда из поверхностных ловушек.
Можно сделать вывод, что в результате физической модификации поверхности полипропиленовой пленки, а именно обработки коронным разрядом поверхности, замедляется рост и развитие микроорганизмов - возбудителей порчи пище-
рр
cd та
CD СП
0,20
0,10
0,00
-0,10
-0,20
5 15 25 35
Скорость обработки материала V (м/с) Рис. 6. Зависимости поверхностной плотности электрических зарядов а (мкКл/м2) от скорости обработки V (м/с) материала (2 оборота): 1 - 1-й день, 2 - 14-й день
вых продуктов. Следовательно, можно ожидать увеличение срока хранения этих продуктов, а данный упаковочный материал считать активным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Срок годности пищевых продуктов: Расчет и испытание/Под ред. Р. Стеле; пер. с англ. В. Широкова под общ.ред. Ю.Г. Базарновой. - СПб.: Профессия, 2006. - 480 с.
2. Любешкина, Е.Г. Триумф упа-ковки/Е.Г. Любешкина//Наука и жизнь. - 2006. - № 10.
3. Применение электретных материалов в качестве активной упаковки для молочных продуктов/В.С. Кайгородцев [и др.]//Общероссий-ская конференция молодых ученых «Пищевые технологии». - Казань, 2005. - С. 160-162.
4. Разработка активной упаковки для мясных продуктов/А.А. Муха-метзянова [и др.]//Общероссийская конференция молодых ученых «Пищевые технологии». - Казань, 2005. - С. 162-163.
5. Максанова, Л.А. Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе, применяемые в пищевой промышленности/Л.А. Максанова. -М.: КолосС, 2005. - 213 с.
6. Галиханов, М.Ф., Бударина Л.А.//Пластические массы. -2002. - № 1. - С.40-42.
2
2
ПОЛИГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
СуперПринт
Полноцветная высококачественная печать на пленках ПП, ПЭ. Ламинация. Печать на кашированной фольге, изготовление самоклеящихся этикеток.
Тольятти, ул. Мира, 135, тел./факс: (8482) 26-33-89 E-mail: [email protected]
Самара, пер. Юрия Павлова, 7а, тел.: (846) 270-03-39; 979-10-55.
Тел./факс: (846) 997-09-26. E-mail: [email protected] www.superprint63.ru
ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО I КОРОТКИЕ СРОКИ
