с 01.01.2017 по настоящее время
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Красноярский край, Россия
сотрудник с 01.01.2025 по 01.01.2025
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Цель работы – изучение функционально-технологических свойств современных и перспективных видов тароупаковочных материалов, признанных в мировом пространстве как биологически безопасных для потребителя, хорошо сохраняющих качество, экологически безопасных для окружающей среды и информационны. Задачи: на базе функционально-технологических свойств провести аналитический обзор перспективных видов тароупаковочных материалов, определяя возможность сохранять их наилучшие показатели качества и увеличивать хранимоспособность пищевых продуктов, осуществлять функции контроля в процессе хранения и информирования потребителя, обладать биоразлагаемостью, быть экологически безопасными, поддерживая экологическое равновесие в природе. Объектами научного обзора являлась общедоступная научная информация, представленная в базах данных PubMed от National Center for Biotechnology Information (США), Elsevier (Scopus, ScienceDirect), на платформе Web of Science и отечественной электронной библиотеке eLibrary.ru. Глубина поиска составляла 10 лет. В ходе литературного поиска установили роль биоразлагаемых полимеров в решении проблемы безопасности окружающей среды с рекомендациями сочетания биополимеров с синтетическими полимерами для производства биологической упаковки. Изучали свойства биоразлагаемых упаковочных материалов, достоинством которых является способность разлагаться под действием внешней среды и сохранять гарантированное качество продуктов до момента их реализации. Изложены принципы и научные подходы по применению биополимеров в производстве биоразлагаемых материалов. Многообразие существующих биоразлагаемых пленок позволит очистить экосистему от загрязнения и полностью перейти на интеллектуальную биоразлагаемую упаковку.
интеллектуальная упаковка, пищевые продукты, полимеры, пленка, нанокомпозит
Введение. Большинство синтетических полимеров нефтяного происхождения, таких как полиолефины, нейлоны, полистирол и т.д., устойчивы к биологическому разложению, а их углеродные соединения не разрушаются ферментами микроорганизмов. Гидрофобность и низкая площадь поверхности полимеров по сравнению с их высокой молекулярной массой делают синтетические полимеры устойчивыми к воздействию ферментов микроорганизмов [1]. Биоразлагаемые полимеры – это полимеры, разлагаемые в окружающей среде. Биополимеры, которые используются в упаковочной промышленности, можно разделить на четыре категории в зависимости от химической структуры: белки, содержащиеся в кукурузной шелухе, глютенине, желатине, коллагене, мясной миофибрилле, молоке; полисахариды, целлюлоза и ее производные, такие как метилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза, крахмал и его производные, пектиновые соединения, хитин и хитозан, камеди, такие как альгинат, каррагинан, ксантан; липиды, содержащиеся в растительном и животном сырье, воски, производные глицеридов; полиэфиры, такие как полимолочная кислота и т.д. [2].
Биополимеры в сочетании с синтетическими полимерами или без них используются для производства биологической упаковки. Биопакеты, изготовленные из чистых биополимеров, обладают более высокой способностью к биоразложению, чем композитные пленки, но их механическое качество ниже. Биопакеты можно разделить на съедобные и несъедобные по усвояемости. Нанокомпозиты – наиболее широко используемые материалы в нанотехнологиях для упаковки пищевых продуктов [3]. Нанокомпозиты состоят из полимеров, содержащих нанонаполнители с высоким отношением поверхности к объему. Основной целью использования нанокомпозитов в упаковочной промышленности является повышение барьерных свойств (непроницаемости), эти упаковки обладают более высокой физической прочностью, лучшими тепловыми свойствами (температура плавления, температура прохождения стекла).
Цель исследований – анализ существующих типов интеллектуальных упаковок, их функциональных свойств, использования в качестве фактора увеличения хранимоспособности пищевых продуктов [3].
Объекты и методы. Объектом исследованиий является общедоступная научная информация, поиск которой осуществлялся в базах данных PubMed от National Center for Biotechnology Information (США), Elsevier (Scopus, ScienceDirect), на платформе Web of Science и отечественной электронной библиотеке eLibrary.ru. Глубина поиска составляла 10 лет, язык поиска – английский и русский.
Результаты и их обсуждение. Съедобные пленки представляют собой тонкий слой биополимерного материала толщиной менее 250 мкм, который помещается на поверхность или между пищевыми компонентами и действует как барьер против переноса материалов (влаги, жира и газов) [4]. Эти пленки защищают продукт от роста микроорганизмов и механических ударов и помогают улучшить внешний вид, качество и долговечность продукта. Пищевые пленки задерживают обмен влаги между пищевым продуктом и окружающей средой, а также между компонентами пищи внутри упаковки, что предотвращает ухудшение качества текстуры пищевых продуктов, порчу и сохраняет экономическую ценность продукта. Упаковочные пленки уменьшают обмен дыхательных газов (кислорода и CO2) между окружающей средой и пищевыми продуктами. Механическое повреждение может усугубить микробную и химическую порчу (особенно ферментативное потемнение фруктов) [4]. Преимущество использования разлагаемых пластиков в упаковочной промышленности заключается в том, что в течение их срока службы, по прошествии определенного периода времени, они превращаются микроорганизмами в такие натуральные продукты, как CO2, вода, этан и биомасса. Биоразлагаемые пленки могут защитить пищевые продукты от химических, физических и механических повреждений. Кроме того, эти материалы можно легко использовать для микрокапсулирования ароматообразующих соединений [3, 4].
Нанокомпозит – это композитный материал, в котором по крайней мере одна из составляющих его фаз имеет наноразмеры (от 1 до 100 нм). Нанокомпозиты – это новые альтернативы традиционным методам улучшения свойств полимеров. Нанокомпозиты в настоящее время используются для упаковки безалкогольных напитков и пищевых продуктов из-за их улучшенных термических, прочностных и электропроводных свойств [5]. Нанокомпозиты состоят из двух основных частей: матрицы и наполнителя. Матрица состоит из одного или нескольких соединений, которые в зависимости от природы матрицы подразделяются на полимерные, керамические и металлические нанокомпозиты. Полимерные нанокомпозиты сейчас широко используются в качестве новых материалов в промышленности. Кроме того, традиционные композиты непрозрачны и имеют неподходящую поверхность, и эти неподходящие свойства в значительной степени устранены в полимерных нанокомпозитах [5, 6].
Интеллектуальная и активная упаковка
Умная упаковка относится к типу упаковки, которая содержит интеллектуальные агенты, такие как детекторы, датчики и трекеры, для передачи информации о качестве пищевых продуктов и помощи в принятии решений по повышению безопасности, улучшению качества, сбору информации и предупреждению о пищевых проблемах. Датчики и маркеры способны измерять физические, химические или биологические переменные, и среди них газовые сенсоры и биосенсоры широко используются в индустрии упаковки пищевых продуктов [6].
В основе активной упаковки лежит использование внутренних свойств полимеров или размещение в них специальных материалов. Активный агент можно добавлять в упаковочную пленку или размещать на поверхности и внутри ее многослойной структуры. Активный агент также можно использовать внутри небольших упаковок как этикетку или на крышке бутылок [6]. К наиболее важным активным системам относятся системы адсорбции кислорода, системы выделения и адсорбции диоксида углерода, регулирование влажности, высвобождение антиоксидантов и антимикробных препаратов, высвобождение или абсорбция ароматизирующих веществ и запахов. Фактически активная упаковка относится к упаковке, которая, помимо преимуществ традиционной упаковки в качестве новой упаковки, изменяет условия упаковки, чтобы продлить срок годности или улучшить безопасность и сенсорные свойства пищевого продукта при сохранении его качества (рис 1).
Рис. 1. Классификация умной и активной упаковки
Биоразлагаемые пленки в умной упаковке
Хитозан – это полиненасыщенный полимер, состоящий из звеньев глюкозамина и N-ацетилглюкозамина. Хитозан получают в результате децилирования хитина [7]. Этот катионный полимер является вторым по важности полисахаридом в природе после целлюлозы, обладает антиоксидантными свойствами и способен образовывать биоразлагаемые пленки. Антимикробные свойства хитозана обусловлены положительно заряженными аминогруппами. Хитозановая пленка имеет умеренную водопроницаемость и хорошее ингибирование кислорода. Пленки из хитозана также прочные, гибкие, прозрачные и жаростойкие. Этот полимер также используется в композитах с различными химическими и растительными пигментами для интеллектуальной упаковки пищевых продуктов [7].
Изолят сывороточного протеина (WPI)
Сывороточные белки используются в качестве добавки в виде концентрата сывороточного протеина (WPC) или изолята сывороточного протеина (WPI) во многих обработанных пищевых продуктах, таких как кондитерские изделия, хлебобулочные изделия, мороженое и детское питание. Концентрированный сывороточный белок обычно содержит 30–70 % белка, а изолят сывороточного белка содержит не менее 90 % белка [8]. Пищевые пленки на основе сывороточного протеина безвкусны, без запаха, гибкие, прозрачные и полупрозрачные в зависимости от рецептуры. Все эти особенности делают их пригодными для использования в активной и интеллектуальной упаковке. Были проведены многочисленные исследования изолированного потенциала сывороточного протеина в качестве упаковочного материала в виде пленок и покрытий [8].
Съедобные и несъедобные пленки в интеллектуальной упаковке
Важный вопрос, связанный с использованием индикаторов в упаковке пищевых продуктов, заключается в том, контактируют ли эти индикаторы с пищевым продуктом (внешняя упаковочная пленка) или нет прямого контакта между пищевым продуктом и индикатором (внутренняя упаковочная пленка) [9]. Исходя из этого, показатели делятся на две части. Первая часть – это полностью органические и съедобные индикаторы, все компоненты индикатора съедобны и нет ограничений на использование этих индикаторов в пищевой упаковке. Эти типы индикаторов могут использоваться в упаковке пищевых продуктов только при отсутствии прямого контакта между детектором и продуктами питания [9, 10].
В качестве примера интеллектуальной упаковки, в которой индикатор (в виде съедобной пленки) находится в прямом контакте с пищей, использовали съедобную пленку пигмента хлорофилла, содержащего пшеничный глютен в качестве индикатора срока годности кунжутного масла. В этой упаковке индикатор находился в непосредственном контакте с кунжутным маслом и показывал срок годности кунжутного масла, изменяя цвет с зеленого на желтый [9, 10].
На рисунке 2, А показана интеллектуальная упаковочная система с индикатором (пшеничный глютен, содержащий хлорофилл) при контакте с пищевыми продуктами (кунжутным маслом). Кроме того, в качестве примера интеллектуальной упаковки, в которой детектор (как несъедобная пленка) не имеет прямого отношения к продуктам питания, использовали индикатор несъедобного этилена для оценки срока годности бананов.
Рис. 2. Интеллектуальная система упаковки:
А – с индикатором, находящимся в прямом контакте с пищевыми продуктами;
В – интеллектуальная система упаковки с детектором без прямого контакта
с пищевыми продуктами
По мнению ученых, индикатор этилена не находился в прямом контакте с пищевыми продуктами, а выделяющийся из банана газообразный этилен изменил цвет индикатора и использовался для оценки срока хранения банана. На рисунке 2, B показана интеллектуальная упаковочная система с индикатором (целлюлоза, содержащая перманганат) без прямого контакта с пищей (банан) [9].
Заключение. Интеллектуальные системы упаковки обеспечивают безопасность пищевых продуктов, информируя розничных продавцов и конечных пользователей о потенциальных проблемах с пищевыми продуктами во время транспортировки и хранения, а также гарантируют безопасность пищевых продуктов для клиентов. Исследования в настоящее время сосредоточены на возобновляемых органических и натуральных материалах для использования в качестве нанокомпозитных биоматериалов в упаковке пищевых продуктов. Эти натуральные материалы могут решить проблемы безопасности. В целом умная упаковка помогает повысить безопасность, качество, долговечность, подлинность, отслеживаемость и стабильность пищевых продуктов. Несомненно, использование интеллектуальной упаковки – это новые подходы в упаковочном секторе. В ближайшей перспективе инновационные технологии упаковочных материалов найдут применение в отраслях.
1. Andretta R., Luchese C.L., Tessaro I.C., & Spada J.C. (2019). Development and characterization of pH-indicator films based on cassava starch and blueberry residue by thermo¬compression. Food Hydrocolloids, 93, 317–324.
2. Arfat Y.A., Ejaz M., Jacob H., & Ahmed J. (2017). Deciphering the potential of guar gum/Ag-Cu nanocomposite films as an active food packaging material. Carbohydrate. Polymers, 157, 65–71.
3. Costa C., Antonucci F., Pallottino F., Aguzzi J., Sarria D. & Menesatti P. (2013). A review on agri-food supply chain traceability by means of RFID technology. Food and Bioprocess Technology, 6(2), 353–366.
4. Dai L., Zhang J. & Cheng F. (2019). Effects of starches from different botanical sources and modification methods on physicochemical properties of starch-based edible films. International Journal of Biological Macromolecules, 132, 897–905.
5. Dobrucka R. & Cierpiszewski R. (2014). Active and intelligent packaging food-research and development: a review. Polish Journal of Food and Nutrition Sciences, 64(1).
6. Domínguez R., Barba F.J., Gomez B., Put-nik P., Kov´aˇcevi´c D.B., Pateiro M. & Lorenzo J.M. (2018). Active packaging films with natural antioxidants to be used in meat industry: a review. Food Research International, 113, 93–101.
7. Almendarez B.E., Calde´ron-Domínguez G., Mendez-Мendez J.V., Regalado-Gonzalez C. (2019). Effect of transglutaminase cross-linking in protein isolates froma mixture of two quinoa varieties with chitosan on the physicochemical properties of edible films. Coatings, 9 (11), 736.
8. Escamilla-García M., Reyes-Basurto A., Gar-cía-Almendarez B.E., Hernandez-Hernan-dez E., Calde´ron-Domínguez G., Rossi-´Mar-quez G. & Regalado-Gonzalez C. (2017). Modified starch-chitosan edible films: Physicochemical and mechanical characterization. Coatings, 7(12), 224.
9. García A., Perez L.M., Piccirilli G.N. & Verdi-ni R.A. (2020). Evaluation ofantioxidant, antibacterial and physicochemical properties of whey protein-based edible films incorporated with different soy sauces. LWT, 117, Article 108587.
10. Ge Y., Li Y., Bai Y., Yuan C., Wu C. & Hu Y. (2020). Intelligent gelatin/oxidized chitin nanocrystals nanocomposite films containing black rice bran anthocyanins for fish freshness monitorings. International Journal of Biological Macromolecules, 155, 1296–1306.
11. Genskowsky E., Puente L.A., P´erez-Alva-rez J.A., Fernandez-Lopez J., Munoz L.A. & Viuda-Martos M. (2015). Assessment of antibacterial and antioxidant properties of chitosan edible films incorporated with maqui berry (Aristotelia chilensis). LWT- Food Science and Technology, 64(2), 1057–1062.
