Перспективные направления исследований в области разработки съедобных пищевых пленок и покрытий для сыров

В течение последнего десятилетия инженерами пищевой промышленности ведутся активные исследования пищевых пленок и покрытий с целью увеличения сроков годности и улучшения качества продуктов, а также разработки экологически чистой упаковки. Использование пищевых пленок и покрытий может быть полезно и иметь коммерческое значение для молочной промышленности с точки зрения сохранения массы сыра, улучшения его органолептических показателей и предотвращения микробной контаминации в процессе хранения.

В настоящее время основными пленкообразующими компонентами для получения съедобных упаковок являются: полисахариды (крахмалы, эфиры целлюлозы, хитозан, пуллулан, декстрины, альгинаты, каррагинаны, пектины, камеди), белки (коллаген, желатин, зеин, глютен, соевые изоляты, казеин), липиды (воски: пчелиный, карнаубский и другие; ацетоглицериды, глицериды) или их комбинации.

Пленки и покрытия полисахаридов гидрофильны и позволяют получить широкий спектр композиционных упаковочных материалов

Съедобные пленки и покрытия, полученные на основе этих классов химических соединений, различаются по свойствам. Пленки и покрытия полисахаридов гидрофильны и позволяют получить широкий спектр композиционных упаковочных материалов, поскольку можно ввести различные водорастворимые добавки, например, ароматизаторы и красители. Эти пленки и покрытия являются хорошим барьером для кислорода, но плохим для влаги. Белковые пленки и покрытия также гидрофильны, поэтому, как и полисахаридные хорошо пропускают пары воды. Липидные пленки и покрытия, напротив, обладают хорошими барьерными свойствами по отношению к влаге, но характеризуются невысокой механической прочностью. Поэтому при получении съедобных пленок и покрытий с заданными свойствами целесообразно использовать композиции, составленные для решения конкретной задачи.

Помимо биодеградируемых компонентов, в состав пленки должны входить пластификаторы

Помимо основных компонентов в состав композиции для получения покрытия или пленки должны входить пластификаторы (глицерин, пропиленгликоль, сорбитол, сахароза, полиэтиленгликоль, кукурузный сироп, вода), при необходимости – эмульгаторы (лецитин, твины, спаны); эмульсии липидов (съедобных восков, жирных кислот); вкусовые, антиоксидантные, антимикробные добавки, витамины, красители и другие. Иногда в композицию дополнительно вводят сшивающие агенты.

Белковые и полисахаридные пленки хрупкие

В большинстве случаев добавление пластификаторов требуется для получения пленки или покрытия на основе белков и полисахаридов, так как они являются хрупкими из-за взаимодействия между полимерными цепями. Пластификаторы улучшают механические свойства, уменьшают напряжение деформации, твердость, плотность и вязкость и увеличивают гибкость полимерной цепи, а также устойчивость к разрушению. Однако их добавление может вызвать значительные изменения барьерных свойств, например, увеличить проницаемость для газов или уменьшить способность притягивать воду.

Добавление в систему эмульгатора приводит к уменьшению поверхностного натяжения жидкости и увеличению значения коэффициента растекания, таким образом улучшается совместимость раствора и поверхности сыра.

Антимикробные съедобные пленки и покрытия разрабатываются для того, чтобы ингибировать рост микроорганизмов на поверхности продуктов. Использование таких упаковочных материалов не может заменить соблюдение необходимых санитарных требований, однако может повысить безопасность продуктов. Наиболее часто используемыми биоконсервантами для противомикробных препаратов являются низин, натамицин, лизоцим, лактицин и педиоцин, хитиназа и глюкозооксидаза, а также эфирные масла и органические кислоты.

Популярно внесение в состав пленок антиоксидантов 

Обычно пищевые пленки и покрытия включают липиды с целью снижения переноса водяного пара. Поэтому включение антиоксидантов в съедобные пленкообразующие препараты для увеличения срока годности продукта за счет защиты продуктов от прогорклости, деградации и обесцвечивания становится очень популярным. Широко используются природные антиоксиданты - фенольные соединения, витамины Е и С.

Пищевые пленки и покрытия могут использоваться для переноса основных питательных веществ и/или нутрицевтиков, которые отсутствуют или присутствуют только в небольшом количестве в обрабатываемом продукте. Для улучшения сенсорных качеств пищевых продуктов к съедобным покрытиям могут также добавляться ароматизаторы и пигменты. Однако в литературе недостаточно информации об этих приложениях.

Большинство исследователей считает, что тонкий слой, нанесенный непосредственно на продукт, следует называть съедобным покрытием, а предварительно полученную пленку, в которую затем упаковывают продукт, − съедобной пленкой

Съедобные пленки и покрытия из пищевых полимеров, как правило, получают формованием из их растворов в воде, ее смеси с этиловым спиртом, в чистом этиловом спирте или в разбавленной уксусной кислоте. Покрытия наносятся путем погружения, глазирования, распыления, электростатического распыления и смазывания щетками; пленки применяются как индивидуальная упаковка методом обертывания ими продукта.

Погружение – наиболее распространенный метод в лабораторных условиях, отличается простотой, низкой стоимостью и хорошим покрытием неровных поверхностей. Однако он имеет существенные недостатки, например, имеет большие потери и часто приводит к росту микроорганизмов в погружной емкости. Кроме того, основными проблемами применения этого метода являются управление технологическим процессом и его автоматизация. Во время процесса глазирования раствор липкого покрытия течет вертикально к обработанным пищевым продуктам, а продукты покрываются им благодаря вязкости и гравитационной силе. Метод распыления обеспечивает равномерное покрытие, возможность контролировать толщину и наносить раствор последовательно, без загрязнения. С помощью электростатического метода можно контролировать размер капель, увеличивать поверхность покрытия и осаждения капель, обеспечивать однородное распределение и уменьшать потери. Покрытие распылением обычно используется, когда образующий покрытие раствор не очень вязкий.

В таблице представлены полисахариды, белки и липиды, используемые в качестве покрытий для разных типов сыра, состав пленки или покрытия и метод нанесения.

Таблица – Примеры полисахаридов, белков и восков, использующихся для формирования съедобного покрытия для нанесения на различные виды сыра

Эффективность пленки - ее барьерные свойства для газов, водяного пара и ароматических соединений

При выборе упаковочного материала следует обращать внимание на такие факторы, как проницаемость для газов и влаги, физические, механические и оптические свойства.

Эффективность пищевой пленки или покрытия сильно зависит от их барьерных свойств для газа, водяного пара и ароматических соединений, что, в свою очередь, зависит от химического состава и структуры входящих в состав полимеров, характеристик продукта и условий хранения. Измерение проницаемости водяного пара проводят гравиметрически по адаптированному к съедобным пленкам и покрытиям стандартному методу ASTM E96-80. Проницаемость по кислороду и диоксиду углерода определяют на основе метода ASTM D 3985-02 или манометрическим методом в соответствии со стандартом ISO 15105-1.

Для измерения толщины пленок используют микрометр - контактный метод, или сканирующий электронный микроскоп, Раман-спектрометр, Фурье-Раман спектрометр – бесконтактный метод

Толщина съедобных пленок и покрытий является важным параметром, поскольку он влияет на морфологию, непрозрачность, механические свойства и барьерные свойства получаемых пленок, что сказывается на биологических свойствах и сроке годности продуктов с покрытием. Для измерения толщины пленок используют микрометр - контактный метод, или сканирующий электронный микроскоп, Раман-спектрометр, Фурье-Раман спектрометр – бесконтактный метод. Некоторыми исследователями разрабатываются альтернативные методы, например, в статье показана возможность использования свойства флюоресценции для простого визуального определения толщины пленки.

Механические свойства зависят от состава пленки и от природы компонентов

Эффективность съедобных пленок зависит в первую очередь от контроля свойств смачиваемости, то есть угла контакта, поверхностной энергии, поверхностного натяжения, а также сил адгезии и когезии. Краевой угол смачивания определяют методом сидячей капли. Для оценки адгезии пленки или покрытия к сыру в некоторых случаях проводят испытание на отслаивание путем определения силы, необходимой для отслаивания. Поверхностное натяжение измеряют методом сидячей капли с приближением Лапласа-Юнга. Критическое поверхностное натяжение оценивается путем экстраполяции графиков Зисмана.

Механические свойства зависят от состава пленки и от природы компонентов. Измерение этих свойств позволяет прогнозировать, как материал будет вести себя в различных условиях обработки пищевых продуктов и сравнивать полученные результаты с коммерческими полимерами. Механическое сопротивление пленок изучают по трем параметрам: предел прочности при растяжении, модуль Юнга и процент удлинения при разрыве. Для определения предела прочности на растяжение, процент удлинения при разрыве и модуль упругости Юнга материала упаковки можно использовать метод ASTM D882-12. Альтернативой является тест на прокол, когда нет зондов или приспособлений для испытаний на растяжение.

Оптические свойства влияют на такие важные аспекты качества продукта как придание эстетического вида и улучшение сохраняемости в процессе хранения. Цвет съедобных пленок оценивают колориметром или спектрофотометром. Глянец покрытия измеряют в соответствии со стандартом ASTM D-523 под углами 20, 60 и 85º от нормали к поверхности покрытия с помощью блескомера. Непрозрачность образцов определяют в соответствии с лабораторным методом Хантера с колориметром или по спектрам поверхностного отражения в спектроколориметре.

Таким образом, на данный момент имеется большой объем исследований и предложений, но очень мало видов реально выпускаемой продукции. Это связано с отсутствием систематических исследований, позволяющих установить взаимосвязь между структурой и свойствами, особенностями межфазной совместимости, составом и условиями получения, а также их влиянием на механические, термические характеристики и газопроницаемость композиций биополимеров.

Исследовательские работы в области создания съедобных пленок и покрытий надо расширить и разнообразить. Разработка «идеального состава» съедобной упаковки для сыра, подбор методов определения физико-механических свойств растворов для пленок и покрытий и выявление оптимальных критериев для их лучшего проявления являются перспективными направлениями научной деятельности

Источник: Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке – 2019 – 156-161с.