Саморазлагающаяся упаковка

Особое внимание при создании современных съедобных упаковочных материалов уделяют белкам растительного и животного происхождения, растворимым в воде, спирте или пищевых маслах и жирах: желатину, зеину, альбумину, казеину и т.д. – поскольку покрытия на основе белковых пленкообразователей обладают высокими барьерными свойствами в отношении некоторых газов, в том числе О2 и СO2. Однако главным недостатком белковых пленок и покрытий являются их гигроскопичность и низкие прочностные свойства. Поэтому для улучшения механических свойств и водостойкости белковых покрытий в съедобную композицию вводят различные нетоксичные добавки, главным образом пластификаторы (моно-, ди- и олигосахариды – глюкозу, фруктозу, глюкозный сироп, мед, полиспирты, липиды), проводят обработку пленок и покрытий «сшивающими» агентами, повышающими прочность (пищевыми кислотами, хлористым кальцием, танином).

Однако попытки создания съедобного водонепроницаемого пленочного покрытия из молочного белка – казеина были в течение нескольких лет неудачны, поскольку казеиновые производные не выдерживали контакта с водой. Для устранения указанного недостатка инженер-химик П. Томасула из US Agricultural Research Service (ARS) разработала съедобную упаковку методом экстракции казеина с помощью двуокиси углерода высокого давления. Этот способ позволил воспользоваться природной способностью протеина формировать водонепроницаемые пленки. Полученные таким образом пищевые казеиновые пленки сохраняют влажность продукта и могут использоваться для упаковки мясных деликатесов, твердого сыра, а ламинированный пленочный казеин – для упаковки йогуртов.

В качестве основы для изготовления съедобных пленок в пищевой индустрии в последнее время довольно часто используют соевый белок. Для снижения хрупкости белковых пленок из сои их погружают в раствор ацетата натрия, промывают соленой водой и добавляют пластификатор. Пластификатором для таких пленок может служить глицерин или пропандиол. Кислородопроницаемость у соевых пленок мала и соизмерима с пленками из распространенных полимеров, однако паропроницаемость слишком велика, и это ограничивает возможность их использования. С целью снижения паропроницаемости в состав композиций вводят жирные кислоты (лауриновую, миристиновую, пальмитиновую, олеиновую). Уменьшение таким образом паропроницаемости одновременно приводит и к некоторому снижению растворимости пленок в воде. Полученные композиции рекомендованы не только для упаковки пищевых продуктов из мяса, птицы, рыбы, но и для сухих завтраков, десертов и др. Например, на основе водной дисперсии, состоящей из соевого и некоторых других белков – в частности, казеина, коллагена, яичного белка, желатина, полисахаридов (крахмала или производных целлюлозы), – а также многоатомных спиртов (глицерин, сорбит, манит, пропиленгликоль), в настоящее время производят съедобный упаковочный материал для ветчин, сосисок и других мясных продуктов.

Упакованная в такой материал ветчина может успешно храниться без отделения влаги при температуре минус 5 С больше одного месяца.

Несомненный лидер среди съедобных упаковок в мясной промышленности – это натуральные кишечные оболочки. Данный вид упаковки очень близок по химическому составу к составу мясных продуктов, поэтому при использовании их в колбасном производстве наблюдается максимальное соответствие изменений, происходящих в фарше и оболочках в технологическом процессе производства колбас.

Кишечные оболочки применяют при производстве различных видов колбасной продукции: вареных и копченых колбас, сосисок, сарделек, шпикачек и т.д. Их достоинства неоспоримы и сравнимы лишь с такими их недостатками, как неравномерность калибра (что затрудняет автоматизацию технологического процесса), неустойчивость к воздействию микроорганизмов и большие трудозатраты при подготовке к использованию.

Попытки сохранить все лучшие свойства натуральных кишечных оболочек и при этом устранить их недостатки привели к созданию искусственных белковых оболочек. Впервые коллагеновые или белковые оболочки были произведены в 1933 году в Германии компанией «Натурин».

 «Съедобная»  коллагеновая оболочка, производимая  из высококачественного говяжьего  спилка, отличается от обычной  белковой оболочки небольшой  толщиной стенки и характеризуется  улучшенными показателями давления, пенетрации и прокусываемости. При этом оболочка должна быть достаточно прочной. Это достигается использованием при ее производстве различных технологических приемов, в том числе добавлением различного количества целлюлозы. «Съедобная» коллагеновая оболочка чаще всего используется при производстве сосисок, сарделек, сырокопченых колбас и варено-копченых колбасок типа «Охотничьи».

Поскольку ресурсы коллагенсодержащего сырья, весьма ограничены, в настоящее время ведется активный поиск по их замене растительными материалами. Такой альтернативой служит крахмал как модифицированный, так и немодифицированный, пленка из которого предохраняет продукт от потери влаги. Пленкообразующие составы из высокоамилозных крахмалов устойчивы к знакопеременным температурам в процессе замораживания – оттаивания, что открывает перспективы для их применения в качестве окрытий для замороженной мясной продукции. Съедобные пленки из кукурузного и картофельного крахмала с различными пищевыми добавками используются также для упаковки сахаристых кондитерских изделий, консервированных плодов (варенье), печенья и др.

Прозрачные съедобные пленки получают и из водных растворов кукурузного зеина в спирте либо в ацетоне, прочность таких пленок сопоставима с прочностью пленок из ПВХ. Пленки, полученные из ацетонового раствора зеина, имеют лучшую водостойкость. Водостойкость зеиновых пленок можно повысить, добавив «сшивающий агент» (1,2-эпокси-3-хлорпропан), одновременно повышается и прочность, однако первоначальная эластичность пленок теряется. Эти пленки съедобны, так как легко деструктурируются α-химотрипсином.

Хорошо изучены и широко используются в пищевой промышленности простые эфиры целлюлозы. В настоящее время созданы двухслойные съедобные пленки, в которых гидроколлоидный слой состоит из смеси метилцеллюлозы, полиэтиленгликоля, воды и спирта, а липидный слой состоит из смеси этилцеллюлозы, стеариновой и пальмитиновой кислот, спирта и пчелиного воска. Прочностные и влагоизоляционные свойства таких пленок зависят также от способа нанесения воскового слоя. Лучшими прочностными и влагоизоляционными свойствами обладают пленки, на которые восковой слой наносится в расплавленном виде.

Весьма перспективно использование съедобных покрытий, пленкообразующей основой которых являются природные полимеры – полисахариды. Пленки на основе полисахаридов защищают пищевой продукт от потерь массы (за счет снижения скорости испарения влаги) и создают определенный барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляя тем самым процессы, обусловливающие порчу (окисление жира) продукта.

Съедобные пленки на основе природных полимеров обладают высокой сорбционной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие. Так, при попадании в организм эти вещества адсорбируют и выводят ионы металлов, радионуклиды (продукты радиоактивного распада) и другие вредные соединения, выступая в роли детоксиканта.

В пищевой промышленности в течение последних 20 лет особое внимание направлено на создание съедобных пленок и покрытий на основе хитозана. Хитозан – полисахарид, получаемый из панциря морских и пресноводных ракообразных. Пленки из хитозана, нанесенные на поверхность плодов и овощей (яблок, апельсинов, томатов, перца и т.д.), обладают высокими барьерными свойствами. Однородные, гибкие, не дающие трещин хитозановые пленки имеют избирательную проницаемость, на поверхности плодов и овощей играют роль микробного фильтра и регулируют состав газов у поверхности и в толще тканей, влияя тем самым на активность и тип дыхания, что в целом способствует продлению сроков хранения растительного сырья. Помимо этого, покрытие из хитозана вызывает некоторые морфологические изменения у возбудителей порчи томатов и перца, например у Botritis cinerea, стимулирует закупорку межклеточного пространства в местах повреждения тканей, ограничивая проникновение фитопатогенной микрофлоры. Функциональные свойства хитозана как загустителя, адгезива и пленкообразователя используют при обжаривании и бездымном копчении рыбы. Раствор хитозана повышает вязкость жидкой панировки, придает ей способность прочно удерживать на поверхности изделия слой сухарей или муки. Наличие прочного слоя панировки предупреждает излишнее испарение воды из продукта во время обжаривания, способствует образованию равномерной хрустящей корочки и сохраняет количество масла, в котором ведется обжарка.

Интерес представляют также съедобные покрытия на основе каррагинана с добавлением многоатомного спирта (этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, сорбит, маннит, глюкоза, фруктоза и др.) и воды. На готовую пленку может быть нанесен покровный слой казеина, соевого белка, смеси соевого белка и желатина. Полученный пленочный материал можно использовать для упаковки порошкообразных, сухих пищевых продуктов, жиров и др. Эти пленки обладают комплексом таких ценных свойств, как эластичность, прочность, высокие барьерные свойства и т.д.

Уже более 50 лет в пищевой промышленности используют альгинаты Na и Са (гидроколлоиды, выделенные из бурых морских водорослей). Съедобные пленки на основе альгинатов имеют уникальные функционально-технологические характеристики: они прозрачны, имеют красивый внешний вид и не требуют предварительного удаления при подготовке пищевого продукта к потреблению. Такие оболочки имеют высокие прочностные характеристики при растяжении, что позволяет использовать их при машинном формовании колбасных изделий, таких как сосиски, сырокопченые и варено-копченые колбасы. Для улучшения свойств колбасной оболочки, а в частности прочности, к раствору альгината могут добавляться хлопковые волокна длиной не менее 1 мм. Для придания им большей механической прочности и способности не растворяться в воде добавляют декстрин в присутствии минеральных и органических веществ. На сегодняшний день наблюдается повышенный интерес к использованию альгинатов как в мясных, так и в рыбных производствах.

Американские ученые разработали новую упаковочную пленку на основе различных фруктов и овощей, предназначенную для защиты продуктов. Съедобная оболочка состоит из фруктовых или овощных пюре с добавлением жирных кислот, спиртов, воска, растительного масла. Такая упаковка не только увеличивает срок хранения продуктов и выглядит привлекательно, но и хороша на вкус. Пленка имеет вид непрозрачного листа бумаги: оранжевая (из моркови, томатов), красная (из красного болгарского перца, клубники), зеленая (из брокколи). В отличие от других съедобных тонких пленок она очень гибкая, хотя не содержит таких пластификаторов, как глицерин.

Авторы разработки предлагают заранее изготавливать вкусные упаковки в виде конвертов и заворачивать в них продукты питания. Например, если мясо упаковывать в пленку из персикового пюре, то в процессе тепловой обработки пленка расплавится и превратится в ароматную глазурь.

Повышенное внимание в наши дни уделяют разработке съедобных покрытий, способных образовывать капсулы, растворимые в воде или плавящиеся при повышенной температуре. Такие капсулы можно применять в качестве упаковок для целого ряда пищевых добавок (жир, ароматизаторы, ферменты, витамины), обезвоженных супов, подсластителей. В этой связи особенно хотелось бы отметить способность съедобных пленок удерживать в своем составе различные соединения, что позволяет обогащать продукты питания минеральными веществами, витаминами, комплексами микроэлементов и т.п., компенсируя таким образом дефицит необходимых человеку пищевых ингредиентов. Более того, съедобные пленки и покрытия на основе природных полимеров обладают высокой сорбционной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие.

Заключение

Среди тароупаковочных полимерных материалов наиболее распространены полиолефины (ПО), к которым относятся полиэтилен высокого давления или низкой плотности (ПЭВД или ПЭНП), полиэтилен низкого давления или высокой плотности (ПЭНД или ПЭВП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полипропилен (ПП) и его различные модификации (биаксиально-ориентированная пленка БОПП и др.). Наряду с полиолефинами очень часто применяются полистирольные (ПС) и поливинилхлоридные (ПВХ) пластики.

Замечательные свойства высокомолекулярных соединений объясняются тем, что молекула полимера состоит из низкомолекулярных фрагментов-мономеров, соединенных химическими связями. Однако со временем в полимерной таре и упаковке при эксплуатации и хранении под воздействием тепла, солнечного света, различных излучений, кислорода, озона, механических воздействий может происходить разрушение макромолекул с разрывом молекулярных цепей. Именно способность макромолекул подвергаться деструкции под воздействием различных факторов и послужила научной основой для создания саморазлагающихся упаковок.

В фоторазлагаемых полимерных упаковочных материалах макромолекулярные цепи распадаются на более короткие звенья и сегменты под воздействием солнечных лучей; в биоразлагаемых - при участии ферментов, содержащихся в грибах и бактериях почвы; в водоразлагаемых - благодаря влаге.

Одним из первых природных полимеров, на основе и с участием которого стали производить биоразлагаемые упаковочные материалы, был крахмал. Благодаря своей полисахаридной природе он легко подвергается биоразложению, к тому же недорог.

В России на основе крахмала в конце прошлого века был создан полимерный упаковочный материал Биодем. Он предназначен для пищевой продукции с небольшим сроком хранения, а также для одноразовой посуды. Сегодня крахмал вытесняют другие биоразлагаемые добавки.

В США на основе поликапролактона с добавлением необходимого катализатора биодеструкции выпускают биодеструктируемый полимерный упаковочный материал TONE. Он быстро разлагается на открытом воздухе под действием биологических факторов, хорошо совмещается с такими распространенными полимерами, как полиэтилен различного давления, ЛПЭНП, ПП, ПС, ПВХ, ПЭТ, ПК и др.

Последнее достижение в области биоразлагаемых полимеров - термопласт Biopol на основе сополимера полигидро-ксибутирата (ПГБ) и полигидроксивалерата (ПГВ), получаемого путем ферментации сахарозы.

Водоразлагаемые упаковки делают из водорастворимых полимеров на основе поливинилового спирта (ПВС), а также сополимеров на основе ПВС и винилацетата (Vinex). Большой популярностью в Европе пользуются полимеры под названием Бланозе. Хотя количество и ассортимент саморазлагающихся упаковок год от года увеличиваются, тем не менее их процент в упаковочных материалах, поступающих на российские свалки и мусороперерабатывающие заводы, пока не такой большой.