CC BY
50УДК 621.798:664
Е.В. Копылова, С.Б. Вербицкий, О.Б. Козаченко, Н.Н. Пацера
Институт продовольственных ресурсов НААН, Киев, Украина, 02002 e-mail: [email protected]
ПРИМЕНЕНИЕ БИОУПАКОВКИ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧНОСТИ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Описаны характер и формы влияния упаковок пищевых продуктов на окружающую среду. Раскрыто понятие биологической упаковки, охарактеризованы особенности разных ее видов, описана иерархия био-разлагаемых пластмасс и химико-технологические особенности их применения в пищевой промышленности. Дана характеристика производных крахмала, полилактидов и поликапролактона как наиболее часто используемых биоразлагаемых упаковочных материалов. Указаны проблемные моменты использования биоразлагаемых упаковок пищевой продукции, оценена целесообразность и возможность их практического применения.
Ключевые слова: пищевые продукты, экологическая упаковка, биологическая упаковка, биоразлага-емые пластмассы, крахмал, полилактиды, поликапролактон.
E.V. Kopylova, S.B. Verbytsky, O.B. Kozachenko, N.N. Patsera
Institute of Food Resources of NAAS, Kyiv, Ukraine, 02002 e-mail: [email protected]
BIOPACKAGING APPLICATION AS A WAY TO INCREASE ECOLOGICAL COMPATA-
BILITY OF FOOD PRODUCTION
The nature and forms of the food packaging impact on the environment are described. The concept of biological packaging is revealed, the features of its different types are characterized and the hierarchy of biodegradable plastics and the chemical and technological features of their use in the food industry are described. The characteristics of starch derivatives, polylactides and polycaprolactone as the most frequently used biodegradable packaging materials are given. The problematic aspects of biodegradable food packaging use are indicated, the feasibility and possibility of their practical application are assessed.
Key words: food products, ecological packaging, biological packaging, biodegradable plastics, starch, pol-ylactides, polycaprolactone.
Утилитарный подход человечества к окружающей среде, основанный на логике рынка и экономического интереса, стал причиной беспрецедентного экологического кризиса. Планетарное измерение экологической опасности проявляется в деградации полей, лесов, рек, озер, морей и загрязнении обширных городских территорий. В этой связи становится все более важным формирование этического и философского смысла жизни, позволяющего рационально сочетать экономические потребности человека и жизненно важные вопросы защиты окружающей среды [1]. Указанное в полной мере относится к пищевой промышленности в целом, и к упаковыванию ее продукции в частности. С одной стороны, в разных странах от 2 до 50% пищевых продуктов и напитков приходит в негодность из-за ненадлежащей упаковки, что является причиной увеличения антропогенной нагрузки на окружающую среду. С другой стороны, глобальной экологической проблемой является сама упаковка пищевых продуктов - как отходы ее производства, так и использованные упаковочные материалы. Уменьшение количества упаковочных материалов, используемых при изготовлении упаковки, применение упаковки многоразового использования и упаковочных материалов, изготовленных из вторичного сырья или отходов
самой упаковки позволяют ограничить ее негативное влияние на окружающую среду [2]. Указанного эффекта можно достичь еще одним известным способом - применяя биоразлагаемые упаковочные материалы. Сегодня для пищевой промышленности характерно значительное увеличение доли продукции, производимой в потребительской таре, причем розничный рынок требует дальнейшего увеличения предложения маловесных и малогабаритных упаковок. Очевидно такая тенденция обусловливает лавинообразную нагрузку на окружающую среду, поскольку большая часть упаковочных материалов (полимерные пленки, полимерная тара для жидких продуктов, стеклянная тара и т. д.) фактически не подвержена биоразложению в естественных условиях [3].
Сегодня в качестве биоразлагаемого материала для упаковывания пищевых продуктов достаточно широко используются биопластмассы. Этот термин не является однозначным, поскольку может определять и биоразлагаемый материал, подвергаемый компостированию, и биопластмассу, произведенную на основе возобновляемых природных ресурсов [4]. На рис. 1 приведены применяемые в мировой практике обозначения упаковок, утилизацию которых осуществляют путем: а) компостирования, б) биодеградации. Проблема заключается в том, что термин «биоразлагаемые» является общеупотребительным, однако он однозначно не определен в нормативных документах. Доказательством биоразложения являются выбросы СО2 вследствие биологических процессов преобразования. При биоразложении происходит эмиссия углекислого газа, что позволяет отличить указанный процесс от процесса разложения, инициированного специальными добавками и приводящего лишь к фрагментации обычного полимера [4]. Не следует забывать о том, что биопластмассы, произведенные на основе возобновляемых природных ресурсов, могут содержать до 100% натуральных компонентов, однако не быть пригодными к биологическому разложению [3].
Biodegradable
б
Рис. 1. Международные пиктограммы для обозначения биопластиков, подвергающихся: а - компостированию; б - биоразложению
а
В научной и производственной практике различают три группы биоразлагаемых материалов [6, 7]:
- растительные полимеры, используемые самостоятельно или в смеси с биоразлагаемыми синтетическими полимерами;
- микробные полимеры, получаемые путем ферментации сельскохозяйственного сырья, используемого в качестве субстрата. Среди этих полимеров отличают полигидроксиалканоаты, или ПГА, самым известным представителем которых является ПГБВ (полигидроксибутиратсо-валериат);
- мономеры или олигомеры, полимеризуемые путем обычных химических процессов и получаемые путем ферментации сельскохозяйственного сырья, используемого в качестве субстрата; среди материалов категории известными являются полилактиды ПЛА.
В [7] предлагается дополнить классификацию биоразлагаемых полимеров дополнительным классом, объединяющим материалы, полученные путем синтеза из нефтехимического сырья, а именно: поликапролактон (ПКЛ), полиэфирамиды (ПЕА), алифатический сополиэфир, такой как полибутиленсукцинатадипат (ПБСА), ароматический сополиэфир, такой как полибу-тиленадипатсотерефталат (ПБАТ). Достаточно часто используют биоразлагаемые полимеры ПКЛ и ПЛА, однако наиболее распространенными остаются производные крахмала [3, 6, 7]. На рис. 2 представлена иерархия биоразлагаемых полимеров, а также используемое для их изготовления сырье.
Биоразлагаемые полимеры
Сельскохозяйственного происхождения (биомасса) Микробного происхождения Б и от е хи ол ог и ч е с к и е Отходы переработка нефти
Ф + + *
Полисахариды
Белки -жиры
* + + * +
Полигидроксиал-каноаты ПГА
Полилактаты
Полигидро кс нбутират ПГБ
Пол и гид ро кс ибу тир ат совалират ПГБВ
Полимолочная кислота ПМК
К я
о к
С
о
В
Й к
и £ Г:
Я
5"
■е-
& -е-
Н
«
-е-
к
&
Рис. 2. Иерархия биоразлагаемых полимеров [3, 6, 7]
Используемые для упаковывания пищевых продуктов биоразлагаемые материалы изготавливают из белков - как растительных (сои, кукурузы, пшеницы, гороха и т. д.), так и животных (казеин, коллаген, сыворотка, кератин, желатин и т. д.) [8, 9].
Как и все материалы для упаковывания пищевых продуктов, биоразлагаемые пленки выступают в качестве барьеров относительно потери воды и обмена газов при контроле переноса влаги, кислорода, липи-дов и компонентов аромата (рис. 3) с эффектом, аналогичным эффекту, способствующему сохранению свойств в контролируемых условиях или в модифицированной атмосфере [10, 11].
Биополимерные свойства структур на основе крахмала зависят от количества воды и относительной влажности окружающей среды. Механические свойства этих биополимеров и их способность к биоразложению зависят от количества амилозы в структуре крахмала, поэтому для улучшения способности биополимера к биоразложению в аэробных или анаэробных условиях содержание амилозы следует увеличивать. Так, например, для производства упаковки в пищевой промышленности полистирол ПС может быть заменен на термопластичный крахмал ТИК, который характеризуется приемлемыми механическими свойствами, в частности стойкостью к изгибу и растяжению. Для обработки крахмала используют пластификаторы сорбитол или глицерин, после чего смесь подвергают механической и термической обработке [8,12,13].
Используемые для изготовления упаковочных материалов биополиэфиры подразделяют на три группы в зависимости от процессов их синтеза: полилактид ИЛА, полученный путем конечного синтеза биологически полученных мономеров (биотехнологии), полигидроксиалканоаты; ИГА, полученные методом экстракции (микроорганизмы); ИКЛ, алифатические полиэфиры и ароматические полиэфиры, полученные традиционным синтезом синтетических мономеров (нефтепродуктов) [8, 12, 13].
Рис. 3 Факторы, по отношению к которым биоразлагаемые пленки, используемые для упаковки пищевых продуктов, должны обладать барьерными свойствами [3, 10, 11]
Для упаковывания пищевых продуктов активно используют полимеры ПЛА с отличными оптическими и механическими свойствами. Этот полимер производят путем брожения углеводов с молочнокислыми бактериями. Полимолочная кислота является термически нестабильной, поскольку во время термической обработки молекулярная масса быстро снижается. Прочность ПЛА на разрыв и на изгиб выше, чем у полистирола ПС, полипропилена ПП и полиэтилена высокой плотности ПЭВП при удовлетворительных барьерных свойствах и полной биоразлагаемо-сти. Полигидроксиалконоаты ПГА, биоразлагаемые полимеры, которые образуются путем ферментации, содержат жирные кислоты с четырьмя или пятью боковыми гидроксильными группами. В зависимости от типа мономера 3-гидроксида жирных кислот, сложные полиэфиры ПГА могут быть: а) гомополимерами, содержащими один тип мономера; б) сополимерами, содержащими два типа мономеров; в) гетерополимерами, содержащими более одного вида мономеров различной длины. Свойства ПГА зависят от их химического состава, эти сложные полиэфиры демонстрируют хорошие барьерные свойства и механическую прочность, что способствует производству качественных биоразлагаемых упаковочных материалов. Полика-пролактон ПКЛ устойчив к воде, растворителям и маслам. В пищевой промышленности для производства биоразлагаемых упаковок сложный полиэфир используют в комбинации с крахмалом, что обеспечивает надлежащие механические и термические свойства [6, 8].
Что касается алифатических и ароматических сополистеролов, ароматические сополимеры демонстрируют лучшие физические и механические свойства по сравнению с алифатическими. Однако выразительные антибактериальные и противогрибковые свойства ароматических сопо-лиэфиров уменьшают их способность к биологическому разложению в естественных условиях. Если биополимеры предназначены для упаковок пищевых продуктов, смесь следует формировать из алифатических и ароматических сополимеров для обеспечения надлежащей способности к биоразложению и компостированию [6, 8].
Для объективности следует отметить наличие у упаковок из биоразлагаемых пластиков существенных недостатков по сравнению с упаковками из пластиков традиционных. К этим недостаткам относятся: недостаточная надежность по сравнению с полимерами нефтехимического происхождения; чрезмерная ломкость и хрупкость; повышенная чувствительность к влажности среды; для некоторых материалов - слабая устойчивость к низким температурам; для некоторых материалов - ненадлежащие барьерные свойства.
В [14] приведено мнение британского исследователя К. Уильямсона, который считает, что биопластики следует запретить, поскольку совокупная экологическая нагрузка от их производства превышает нагрузку от полимеров из ископаемых углеводородов. Наличие биопластика в общей массе традиционных пластиков препятствует нормальной рециркуляции последних, поэтому насущной становится необходимость обустройства отдельной системы сбора и рециркуляции биопластиков. Еще одной причиной отказа от биопластиков, по мнению К. Уильямсона, является их преимущественное производство из ценного пищевого сырья, что является недопустимым в условиях глобального дефицита продовольствия.
Несмотря на наличие исследований экологических упаковочных материалов, до сих пор не удалось разработать способы упаковки с применением экологичных материалов, которые нашли бы широкое применение на отечественных пищевых предприятиях - в основном из-за ненадлежащей устойчивости и высокой стоимости внедрения соответствующих технологий [3].
По мнению П.В. Замотаева [15], панацеи от загрязнения окружающей среды отходами гибкой полимерной упаковки, в частности ПЭ пакетами, пока не существует. Однако достичь положительного эффекта позволяют сортировка отходов ПЭ и их вторичная переработка, повышение минимальной толщины пакетов и их повторное использование, а также внедрение биоразлагае-мых материалов в тех нишах, где они могут реализовать свои преимущества и оправдать более высокую стоимость.
Таким образом, использование биоразлагаемых упаковок, изготовленных из биопластмасс, подвергающихся компостированию, а также из биопластмасс, произведенных на основе возобновляемых природных ресурсов, может эффективно способствовать решению насущной экологической проблемы, связанной с пищевой промышленностью, а именно роста нагрузки на окружающую среду, выраженного в существенном увеличении объемов использованных упаковок пищевой продукции.
Литература
1. Krainer A., Guerra M. Ética y filosofía ambiental // LetrasVerdes. - 2019. - № 26. - P. 9-10.
2. Халайдж1 В.В., Кривошей В.М. Упаковка для харчових продукпв та напо1в. - Кшв: 1АЦ «Упаковка», 2018. - 216 с.
3. Scientific bases of standardization of requirements for ecological packaging of food products / K. Kopylova, S. Verbytskyi, T. Kos, O. Verbova, O. Kozachenko, N. Patsera // Food Resources. - 2020. - № 15. - P. 114-123.
4. Пластмассы, созданные природой: от мечты к реальности / Д. Энгельс, Д. Марта, С. Лор, П. Циммерманн // Упаковка. - 2012. - № 6. - С. 14, 15.
5. Narayan R. Misleading claims and misuse. Proliferate in the Nascent // Bioplastics Magazine. - 1/2010. - Vol. 5. - P. 38-41.
6. Еколопчна упаковка для харчових продукпв (вщ теорп до практики) / С.Б. Вербиць-кий, К.В. Копилова, О.Б. Козаченко, О.В. Вербова, Т.С. Кос // Упаковка. - 2019. - № 4. - С. 30-34.
7. Averous L. Etude de système polymers multiphasés: approche des relations matériaux-procédés-propriétés // Habilitation à Diriger des Recherches. - Université de Reims Champagne-Ardenne.- 2002. - Т. 46.
8. Bunea M. Studiul materialelor plastice biodegrsdabile pentru ambalarea produselor alimentare // Conferinta stiintificâ internationalâ "Perspectivele si Problemele Integràrii în Spatiul European al Cercetârii si Educatiei", Universitatea de Stat "B.P. Hasdeu" din C ahul, 7 iunie 2017, Volumul I. -P.317-321. ' '
9. Valorization of food-grade industrial waste in the obtaining active biodegradable films for packaging / T. de Moraes Crizel, T.M. Haas Costa, A. de Oliveira Rios, S. Hickmann Flores // Industrial Crops and Products. - 2016. - № 87. - P. 218-228.
10. Santiago Santiago M. Elaboración y caracterización de películas biodegradables obtenidas con almidón nanoestructurado. - Universidad Veracruzana, Xalapa de Enríquez, Veracruz, México, 2015. - 119 p.
11. Debeaufort F., Voilley A. Effect of surfactants and drying rate on barrier properties of emulsified edible films // International Journal of Food Science & Technology. - 1995 - № 30 (2). -P.183-190.
12. Jabeen N., Majid I., Nayik G.A. Bioplasticsand food packaging: A review // Cogent Food &Agriculture. - 2015. - Vol. 1.
13. Gabor (Naiaretti) D., Tita O. Biopolymers used in food packaging: A review // Acta Universi-tatis Cibiniensis, Series E: Food Technology. - Vol. XVI, № 2. - 2012.
14. Cunningham J. Time to ban biodegradable plastic? // Engineering Materials. - 06 March 2015.
15. ЗамотаевП.В. О бедном пакете замолвите слово // Упаковка. - 2018. - № 2. - С. 30-34.
