Эффективные инновационные решения в развитии упаковочных систем для пищевых продуктов

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 кар-боксиметилцеллюлоза, 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 хранимоспособно-сти пищевых продуктов [3].

Объекты и методы. Объектом исследовани-ий является общедоступная научная информация, поиск которой осуществлялся в базах данных PubMed от National Center for Biotechnology Information (США), Elsevier (Scopus, ScienceDi-rect), 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 CO 2 ) 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 CO 2 , 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 безалко- гольных 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).

маркетинг

Коммуникация и

Влагопоглотитель Излучатели Поглощатели Высвобождал ели

Противомикробная упаковка .Антиоксидантная упаковка УФ-блокировка

[ умная упаковка:

Датчики ( Газовый датчик. Биосенсор. Печатный датчик. Химический датчик. Электронный нес) Индикатор (Индикатор Индикатор. Свежесть. ...) Временная температура (TTI) Радиочастотный идентификатор (RFID)

Поглотитель газа (02. СО2, С2Н2)

Рис. 1. Классификация умной и активной упаковки

Активная Упаковка:

Биоразлагаемые пленки в умной упаковке

Хитозан – это полиненасыщенный полимер, состоящий из звеньев глюкозамина и N-ацетил-глюкозамина. 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 сыво- роточного 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.