CC BY
13
УДК 637.5:637.045 DOI: 10.21323/2071-2499-2019-1-18-21 Табл. 3. Ил 1. Библ. 11.
РАЗРАБОТКА
БИОРАЗЛАГАЕМОЙ ПЛЁНКИ
ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ
СРОКА ГОДНОСТИ
ОХЛАЖДЁННЫХ
МЯСНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Кудряшов Л.С. 1, доктор техн. наук, Тихонов С.Л.2, доктор техн. наук, Тихонова Н.В. 2, доктор техн. наук, Ногина А.А.2
1 ФНЦ Пищевых систем им. В. М. Горбатова
2 Уральский государственный экономический университет
Ключевые слова: съедобные пленки, агар-агар, глицерин, низин, эуфлорин, срок хранения, полуфабрикаты
Реферат
Представлены исследования по созданию съедобных пленок для упаковки охлажденных мясных полуфабрикатов. Разработаны составы съедобных пленок, включающие структурообразо-ватель полисахаридной природы (агар-агар), пластификатор (трёхатомный спирт - глицерин), универсальный растворитель (дистиллированная вода). Пищевую пленку вырабатывали экс-трузионным способом по схеме: дозирование сыпучих компонентов и дистиллированной воды; приготовление суспендированной и плёнкообразующей смеси; выдувание плёнки через узко щелевую головку экструдера; охлаждение; калибровка и сушка плёнки. Показано, что лучшими органолептическими показателями, структурно-механическими свойствами и более высокой биоразлагаемостью обладали пленки, состав которых содержал 4% агар-агара и 2 г глицерина. Результаты микробиологических исследований показали, что введение низина и эуфлорина в состав съедобной пленки препятствует ухудшению органолептических показателей и тормозит развитие микробиологической порчи охлажденных мясных полуфабрикатов, упакованных в разработанную пленку.
THE DEVELOPMENT OF BIODEGRADABLE FILMS FOR INCREASING SHELF LIFE CHILLED MEAT PRODUCTS
Kudryashov L.S.1, Tikhonov S.L.2, Tikhonova N.V.2, Nogina A.A.2
1 Gorbatov Research Center for Food Systems
2 Ural state University of Economics
Key words: edible films, agar-agar, glycerin, nisin, euflorin, shelf life, semi-finished products
Summary
Researches on creation of edible films for packing of the cooled meat semi-finished products are presented. The compositions of edible films, including the structure-forming agent of polysaccharide nature (agar-agar), plasticizer (triatomic alcohol — glycerin), universal solvent (distilled water). The food film was produced by extrusion method according to the following scheme: dosing of loose components and distilled water; preparation of suspended and film-forming mixture; blowing the film through the narrow slit head of the extruder; cooling; calibration and drying of the film. It is shown that the best organoleptic characteristics, structural and mechanical properties and higher Biodegradability possessed films, the composition of which contained 4% agar-agar and 2 g glycerol. The results of microbiological studies have shown that the introduction of nisin and euflorin into the edible film prevents the deterioration of organoleptic characteristics and inhibits the development of microbiological spoilage of chilled meat semi-finished products Packed in the developed film.
Разработка и применение съедобных биоразлагаемых антимикробных пленок для упаковки пищевых продуктов является одним из перспективных направлений в области экологии окружающей среды и увеличения срока годности мясопродуктов. В качестве матричной основы для производства биоразлагаемых плёнок чаще всего используют гидроколлоиды - гидрофильные полимеры растительного, животного, микробного или синтетического происхождения, содержащие большое число гидроксильных групп, и могут быть полиэлектролитами, в частности, альгинат, каррагинан, карбокси-метил-целлюлоза, пектин, ксантановая камедь и др. Все гидроколлоиды полностью или частично растворимы в воде, эффективно применяются для повышения вязкости непрерывной фазы (водной фазы) в качестве гелеобразуюшего агента и загустителя. Полисахаридные плёнки ввиду состава полимерной цепи практически газопроницаемы, что способствует образованию желаемой модифицированной газовой среды, позволяющей увеличить срок хранения пищевых продуктов без создания анаэробных условий.
Съедобные плёнки в зависимости от химического состава делятся на гидрофильные и гидрофобные. Высокая ги-дрофильность полисахаридных пленок позволяет вводить в рецептуру различные водорастворимые добавки различной направленности. Протеиновые составы также гидрофильны. Гидро-фильность порождает проницаемость плёнок при соприкосновениях с парами воды. Липидные плёнки и покрытия, являясь гидрофобными, обладают хорошими барьерными свойствами по отношению к влаге, но механически менее прочные [1, 2, 3].
Для получения пленок также важно присутствие в рецептуре пластификаторов - глицерина, пропиленгликоля, сорбитола, сахарозы, полиэтилен-гликоля и эмульгаторов - лецитина, эмульсий липидов, жирных кислот. Иногда для производства плёнок необходимо добавление сшивающих агентов, что позволяет добиться наилучшей прочности и термостабильности [4, 5, 6, 7].
В целях получения необходимых барьерных свойств у композиционных плёнок в состав рецептуры вводят как гидрофильные (полисахариды, белки),
так и гидрофобные соединения (липи-ды). В этом случае формовочная композиция должна быть приготовлена в виде эмульсии или нанесена в виде многослойного покрытия (на слой белка или полисахаридов наносится слой липидов) [8, 9, 10].
Многослойные пленки могут использоваться также в том случае, если компоненты плёнок обладают низкой адгезией к влажной поверхности продукта (характерно для липидов). Снижая поверхностное натяжение, можно добиться улучшения адгезии путём добавления пищевых поверхностно-активных веществ [11].
В качестве добавок в пленочные растворы вводят различные биологически активные вещества: антиоксиданты, противомикробные средства, пробио-тические препараты и др. По пищевой ценности съедобные плёнки и покрытия подразделяются на усвояемые и неусвояемые. Усвояемые материалы интегрируются в процессы метаболизма организма человека в виде питательных веществ и энергии. Неусвояемые - безвредные соединения, не несут пищевой ценности и удаляются из организма в виде шлама [7].
Рисунок 1. Влияние поверхностного натяжения формующего раствора на адгезию пленки к твёрдой подложке в процессе пленкообразования
сушка
отсоединение
пленки
Уж/Ут поверхностное
натяжение
раствора/подложки
£ нож
Для производства биоразлагаемой пленки, как правило, используют два способа формования: непрерывный («сухой» метод) и прерывающейся («мокрый» метод). При непрерывном - раствор распределяется через фильеру (металлическую пластину с прорезанным в ней отверстием особой формы) по постоянно движущейся ленте или же барабанной установке, после чего высушивается. При прерывающемся - раствор отливается в специальные осадительные ванны, затем происходит вытяжка или сушка. На выбор конструкции фильеры влияет вязкость раствора и желаемая толщина получаемой плёнки: мажущая - вязкость - 25-35 Па; льющая - 12-15 Па; с валиком - для супертонких плёночных покрытий. Поток на фильеру подается под давлением или же самотёком. Авторы считают, что предпочтительнее являются установки, подающие формующие растворы под давлением, с применением в них щелевых фильер, способствующих дополнительной ориентации макромолекул полимеров, что ведёт к улучшению механических свойств плёнок.
Альтернативой фильерному методу формования является метод получения плёнок экструзией, что обосновано значительным сокращением временных и энергетических затрат на производство за счёт использования более высоких концентраций растворов.
При производстве плёнок отслеживаются наиболее важные характеристики формовочных растворов [5]: гомогенность, вязкость и поверхностное натяжение на границе фаз (раствор-воздух). Соотношение между поверхностным натяжением раствора и поверхностью, на которую наносится состав (подложка), имеет значение на этапе снятия готовой плёнки с подложки.
На рисунке 1 продемонстрировано влияние поверхностного натяжения раствора на адгезию плёнки к твёрдой поверхности подложки.
Из рисунка 1 видно, что при очень высоких значениях ::ж непрерывность слоя плёнки нарушается, в процессе сушки она отслаивается и скатывается. При низких значениях ::ж практически равных ::т происходит увеличение адгезии между подложкой и плёнкой, что влечёт за собой повышение трудоемко-
сти процесса отделения готовой плёнки от поверхности из-за повышенной сли-паемости. Всё это усугубляется ещё тем фактом, что поверхностное натяжение уменьшается по мере испарения растворителя.
Важное значение в процессе производства плёнок имеет процесс сушки, который может быть осуществлен с применением сухого воздуха, нагретого пара, ИК и микроволнового нагрева. Так, например, известно, что плёнки из сывороточного белка при микроволновой сушке становятся наиболее механически прочными [3].
Целью наших исследований является разработка съедобной гидрофильной пленки и исследование ее эффективности при хранении охлажденных мясных полуфабрикатов.
Материал и методы исследований
Объекты исследований: агар-агар (ГОСТ 16280-2002 «Агар пищевой. Технические условия», «Айдиго»), далее по тексту агар, пищевой глицерин
(ГОСТ 6824-96 «Глицерин дистиллированный. Общие технические условия», ООО ПКФ НижегородХимПродукт), «Эуфлорин - Плюс» (ООО НПГ «Приоритет»), вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72 «Вода дистиллированная. Технические условия»), охлаждённый мясной полуфабрикат категории А кусковой бескостный (ГОСТ 32951-2014 Полуфабрикаты мясные и мясосодер-жащие. Общие технические условия). В качестве мясного полуфабриката использовали шейку свиную бескостную массой 1000 ± 50 г производства ЗАО «Комбинат пищевой «Хороший вкус» (г. Екатеринбург).
Качество пленок оценивали по ор-ганолептическим, физико-химическим показателям и структурно-механическим свойствам. Толщину и плотность пленок определяли с помощью микрометра МК 50-1 в 3 различных участках пленки в лаборатории Уральского федерального университета им. Первого Президента РФ Б.Н, Ельцина (г. Екатеринбург). Степень водопо-
глощения - на кафедре пищевой инженерии Уральского государственного экономического университета (г. Екатеринбург). Для исследования образцы квадратной формы размером 3x2 см высушивали в термостате (50 °С) в течение суток, далее охлаждали в эксикаторе до 23 °С и взвешивали (W1). Затем каждый образец поместили в пробирку (50 мл), содержащую 10 мл дистиллированной воды. Образцы хранились в течение 24 ч при комнатной температуре и периодически медленно перемешивались. После чего раствор фильтровали, а оставшееся на фильтровальной бумаге высушивали в термостате при температуре 105 °С в течение 1 суток, после чего образцы взвешивали и определяли количество сухого вещества (W2).
Растворимость рассчитывали по формуле 1:
W-W2
P = —1-2 -100%, (1)
w1
где P - растворимость (%);
W1 - масса образца, высушенного в термостате до фильтрования; W2 - масса образца, высушенного в термостате после фильтрования.
Деструкцию пленки исследовали путём вырезания квадратов размером 10 x 10 мм и последующим опусканием их в химические среды (аналог желудочного сока и щелочи) и определяли время разложения образца.
Органолептические показатели мясных полуфабрикатов - по ГОСТ 9959-2015 «Мясо и мясные продукты. Общие условия проведения органолептической оценки» и ГОСТ 7269-2015 «Мясо. Методы отбора образцов и органолепти-ческие методы определения свежести». Микробиологические показатели с помощью автоматического счетчика колоний Scan 300.
Результаты исследований
Разработаны базовые составы съедобных пленок (таблица 1), включающие структурообразователь по-лисахаридной природы (агар-агар), пластификатор (трёхатомный спирт -глицерин), универсальный растворитель (дистиллированная вода).
Изготавливали пищевую пленку экструзионным способом по схеме: дозирование сыпучих компонентов и дистиллированной воды; приготов-
Таблица 1
Составы плёнкообразующих растворов
Наименование Номер образца
ингредиента 1 2 3 4 5 6
Агар-агар, г 2 2 2 4 4 4
Глицерин, г 1,5 2,0 2,5 1,5 2,0 2,5
Дис. вода, г до 100
Таблица 2
Органолептические характеристики опытных плёнок
Содержание
т в пленке
Внешний вид Запах, вкус
о
OI Z агар-агар, г глицерин, г
1 1,5 Плёнка тонкая, местами рвущаяся, цвет прозрачный Нейтральный
2 2 0 Плёнка плотная, но неоднородная по структуре, рвётся Нейт альный
2 2,0 2,0 при незначительном усилии, цвет прозрачный Нейтральный
Плёнка плотная, но хрупкая, ломкая при проверке на из-
3 2,5 Нейтральный
гиб, липкая, цвет прозрачный г
4 1,5 Плёнка плотная, но неоднородная, гибкость и эластичность низкая, цвет прозрачный Нейтральный
5 4,0 2,0 Пленка равномерная по толщине, гибкая и эластичная, цвет прозрачный Нейтральный
6 2,5 Гибкость и эластичность низкая, высокая плотность и липкость, цвет прозрачный Нейтральный
Характер изменений пленок в химических средах
Таблица 3
№ Образца Время деструкции образцов мин
Аналог желудочного сока 2,0 M р-р КОН 0,1 M р-р NaOH
5 19 Наблюдалось набухание полимерных частиц,
6 22 растворение не наступало
ление суспендированной и плёнкообразующей смеси; выдувание плёнки через узко щелевую головку экструде-ра; охлаждение; калибровка и сушка плёнки.
При проведении экспериментов использовали пленочный материал толщиной от 31,5 до 52,0 мкм в зависимости от концентрации агара-агара и глицерина. Исследованы органо-лептические, структурно-механические и физико-химические свойства пленок.
В таблице 2 представлены результаты органолептического анализа пленок, из которого следует, что лучшие органолептические показатели имели пленки образцы №5 и №6. В связи с этим для дальнейших исследований были использованы указанные образцы пленок.
Установлено, что толщина, прочность и относительное удлинение плёнки прямо пропорциональны концентрации агар-агара. О биоразлагае-мости пленочных материалов судили по степени их деструкции. Толщина и деструкция пленки прямо пропорциональны концентрации глицерина, в то время как прочность находится в обратной зависимости.
Пленка состоит из натуральных ингредиентов, и, соответственно, она расщепляется в организме человека. Исследовано водопоглощение и деструкция образцов плёнок в среде -аналоге желудочного сока человека (концентрация соляной кислоты в аналоге желудочного сока составляет от 0,45-0,51 %, содержит все ферменты желудочного сока, рН 0,9-1,2) и щелочах (таблица 3).
Установлено, что степень водопогло-щения у образца №5 была выше на 6%, чем у образца №6 и составила 78 %.
В результате анализа деструкцион-ных изменений пленок в аналоге желудочного сока и щелочах установлено, что время деструкции образца пленки №5 в аналоге желудочного сока составляет 19 минут, что на 14% меньше чем продолжительность растворения образца пленки № 6.
Основными критериями выбора пленок в качестве упаковочного материала для пищевых продуктов являются прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве. Наиболее высокие структурно-механические характеристики имела пленка образец №5 (4 г агар-агара и 2 г глицерина) при относительном удлинении при разрыве равном 31,7 ± 5,0% и прочности при растяжении 34,5 ± 4,2 МПа.
В связи с этим в дальнейших исследованиях использовали базовый состав пленки образца №5, в который были добавлены биологически активные компоненты в виде бактериоцина 1 класса - вырабатываемого молочнокислыми бактериями - низина в количестве 0,02 г (образец А) и метаболитов бифидо- и лактобактерий в виде суспендированного раствора препарата «Эуфлорин - Плюс» в количестве 25 г (образец В).
Образец пленки А был прозрачный, не имел выраженного цвета и запаха. В то время как образец плёнки В отличался желтоватым оттенком, кисловатым вкусом и запахом, свойственным введенному в рецептуру пробиотиче-скому препарату.
На следующем этапе работы одни образцы полуфабрикатов упаковали в пленку образец А, другие в пленку образец В. Исследования показателей свежести полуфабрикатов проводили через 5, 7 и 10 суток хранения согласно МУК 4.2.1847-04 «Санитарно-эпидемиологическая оценка обоснования сроков годности и условий хранения пищевых продуктов» для мясных полуфабрикатов с предполагаемым сроком годности 5-7 суток.
Установлено, что через 5, 7 и 10 суток хранения все опытные образцы полуфабрикатов по внешнему виду, цвету и консистенции соответствовали свежему продукту. Следует отметить,
что полуфабрикаты, упакованные в пленку образец В, имели кисловатый запах, свойственный рецептурному компоненту эуфлорину. Микробиологические показатели всех исследуемых образцов полуфабрикатов соответствовали требованиям Технического регламента Таможенного союза (ТР ТС 034/2013). Но, вместе с тем, полуфабрикаты, упакованные в пленку образец В, отличались большей микробной обсемененностью. Так, КМАФАнМ через 10 суток хранения составило 2,5 х102 КОЕ/г, в то время как в полуфабрикатах, упакованных в пленку образец А, - 1,8 х 102 КОЕ/г.
Таким образом, в результате выполненных исследований разработана биоразлагаемая пленка полисахарид-ной природы, получаемая экструзион-ным методом, состоящая из базовых рецептурных компонентов агар-агара, глицерина, дистиллированной воды и биологически активных веществ низина и эуфлорина. Установлено, что наилучшие органолептические и структурно-механические свойства
имеют образцы пленок с содержанием агар-агара в количестве 4 г/100 г и глицерина в количестве 2 г/100 г, и дистиллированной воды до 100 г. Введение низина и эуфлорина в состав базового пленочного раствора препятствует ухудшению органо-лептический показателей и тормозит развитие микробиологической порчи охлажденных мясных полуфабрикатов, упакованных в разработанную пленку.
© КОНТАКТЫ:
Кудряшов Леонид Сергеевич а skudryashov@yandex.ru Тихонов Сергей Леонидович а tihonov75@bk.ru Тихонова Наталья Валерьевна а tihonovanv78@icloud.com Ногина Анна Александровна а mother_89@mail.ru
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: REFERENCES:
1. Skurtys, O. Food hydrocolloid edible films and coatings. In Food Hydrocolloids: Characteristics, Properties and Structures / O. Skurtys, C. Acevedo, F. Pedreschi, J. Enronoe, F. Osorio, J.M. Aguilera. — USA: Nova Science Publishers, 2010. — P. 6-9.
2. Chiumarelli, M. Stability, solubility, mechanical and barrier properties of cassava starch — Carnauba wax edible coatings to preserve fresh-cut apples / M. Chiumarelli, M.D. Hubinger // Food hydrocolloids. — 2012. — V. 28 (1). — № 1. — P. 59-67.
3. Han, J.H. Innovations in food packaging / J.H. Han. — Academic Press, 2014. — P. 345-353.
4. Dos Santos, N.S.T. Efficacy of the application of a coating composed of chitosan and Origanumvulgare L. essential oil to control Rhizopusstolonifer and Aspergillus niger in grapes (Vitis labrusca L.) / N.S.T. Dos Santos, A.J.A.A. Aguiar, C.E.V. de Oliveira, C.V. de Sales, S. de Melo e Silva, R.S. da Silva, T.C.M. Stamford, E.L. de Souza // Food Microbiology. — 2012. — V. 32. — №2. — P. 345-353.
5. Aider, M. Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry: review / M. Aider // LWT-Food Science and Technology. — 2010. — V. 43. — №6. — P. 837-842.
6. Peretto, G. Electrostatic and conventional spraying of alginate-based edible coating with natural antimicrobials for preserving fresh strawberry quality / G. Peretto, W.X. Du, R.J. Avena-Bustillos, J. De J. Berrios, P. Sambo, T.H. McHugh // Food Bioprocess Technol, 2017. — P. 165-174.
7. Suput, D. Edible films and coatings — sources, properties and application / D. Suput [et al.] // Food and Feed Research. — 2015. — V. 42. — №1. — P. 11-22.
8. Mu, C. Preparation and Properties of dialdehydecarboxymethyl cellulose crosslinkedgelatine edible films / C. Mu [et al.] // Food Hydrocolloids. — 2012. — V. 27. — №1. — P. 22-27.
9. Khan, M.I. Spreading behavior of silicone oil and glycerol drops on coated papers / M.I. Khan, M.M. Nasef // Leonardo J. Sci. — 2009. — V. 14. — P. 18-30.
10. Mu, C. Preparation and Properties of dialdehydecarboxymethyl cellulose crosslinkedgelatine edible films / C. Mu [et al.] // Food Hydrocolloids. — 2012. — V. 27. — №1. — P. 22-27.
11.
11. Khan, M.I. Spreading behaviour of silicone oil and glycerol drops on coated papers / M.I. Khan, M.M. Nasef // Leonardo J. Sci. — 2009. — V. 14. — P. 18-30.
