Комбинационный подход к разработке биоразлагаемой съедобной пленки на основе яблочного пюре

УДК 664.8/.9:604

Д.Е. Быков, Н.В. Макарова, А.В. Демидова, Н.Б. Еремеева

КОМБИНАЦИОННЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ БИОРАЗЛАГАЕМОЙ СЪЕДОБНОЙ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ЯБЛОЧНОГО ПЮРЕ

В работе предложен метод создания двойной съедобной пленки на основе яблочного пюре с добавлением в один из слоев пластификатора «желатин». Целью исследования является изучение влияния состава двойных съедобных пленок на органолептические свойства, структуру, водопоглощение, прочностные характеристики. Было получено семь образцов двойной съедобной пленки. Съедобные пленки имеют желтоватый оттенок, характерный для яблочного пюре. Наиболее приемлемыми вкусовыми свойствами обладает двойная пленка с желатином в первом слое и с КМЦ - во втором слое. Было проведено микроскопи-рование образцов съедобной пленки. Влагопоглотительная способность была определена для всех съедобных пленок: образцы выдерживают лишь погружение в дистиллированную воду при 23°С в течение 30 мин. Высокие показатели водопоглощения желатиновой пленки и каррагинановой пленки обеспечивают их хорошую прожевываемость и легкую усвояемость. Были проведены испытания на растяжение двойных съедобных пленочных материалов. Было установлено, что совокупность желатина в первом слое и каррагинана во втором слое способствует увеличению их механической прочности. Продолжение исследований в направлении создания и изучения свойств двойной съедобной пленки является перспективным.

Ключевые слова: двойная съедобная пленка, яблочное пюре, желатин.

D.E. Bykov, N.V. Makarova, A.V. Demidova, N.B. Eremeeva

COMBINATIONAL APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF BIODEGRADABLE EDIBLE FILM BASED ON APPLESAUCE

The paper deals with the technique of creating double edible film based on apple puree with the addition of the plasticizer "gelatin" in one of the layers. The aim of the study is to investigate the influence of composition of double edible film on organoleptic properties, structure, water absorption, strength characteristics. 7 samples of double edible film have been obtained. Edible films have a yellowish tint, characteristic of applesauce. Double film with gelatin in the first layer and with CMC in the second layer has the most acceptable taste properties. Microscopic examination of samples has been performed. Water absorption ability has been defined for all edible films: samples withstand only immersion in distilled water at 23 °C for 30 min. High rates of water absorption of gelatin and carageenan films provide their good prouniversity and easy digestibility. Tests have been conducted to stretch double edible film materials. It has been found that the combination of gelatin in the first layer and carageenan in the second layer helps to increase their mechanical strength. Further research on creating and studying the properties of double edible film is promising.

Key words: double edible film, applesauce, gelatin.

DOI: 10.17217/2079-0333-2017-41-33-39

С каждым годом биоразлагаемые полимеры, полученные из возобновляемого сырья, все больше завоевывают рынок упаковочных материалов, и по прогнозам European Bioplastics к 2016 г. среднегодовой рост их производства должен был приблизиться к 30% [1]. Среди различных типов биовозобновляемой биоразлагаемой упаковки съедобные пленки составляют объект нового направления исследований и привлекают пристальное внимание как ученых и производителей, так и потребителей. Этот вид биоразлагаемых пленок характеризуется альтернативным природному механизмом биоразложения: под действием внутриклеточных и неклеточных ферментов (эндо- и экзоэнзимов), содержащихся в желудке и кишечнике человека, полимер подвергается химическому воздействию, которое в основном сводится к окислению и гидролизу. Съедобные пленки можно определить как первичную упаковку, изготовленную из съедобных компонентов, которая может быть съедена вместе с пищей [2]. Тонкий слой съедобного материала либо наносят непосредственно на поверхность пищевого продукта, либо изготавливают в виде пленки, в которую пищевой продукт будет упакован. Съедобные покрытия и пленки как бы моделируют природные защитные оболочки продуктов питания растительного происхождения (ягод, семян). Они могут выполнять роль барьера или мембраны по отношению к воде и ее парам, газам (диоксид углерода, кислород, этилен), имеют необходимую прочность, обеспечивают защиту от микробов, удобны в применении, придают продукту привлекательный внешний вид, сохраняют вкус, увеличивают срок хранения различных продуктов и т. п.

В настоящее время основными пленкообразующими компонентами в составе съедобной упаковки являются: высокомолекулярные углеводы (производные крахмала, эфиры целлюлозы, хитозан, декстрины, альгинаты, каррагинаны, пектины), белки (коллаген, желатин, зеин, глютен, соевые изоляты, казеин), жиры (ацетоглицериды, глицериды, жирные кислоты) и их композиции. По пищевой ценности съедобные пленки и покрытия условно подразделяют на усвояемые и неусвояемые. К первым относятся пленки и покрытия на основе таких компонентов пищи, как белки, жиры, углеводы, а ко вторым - покрытия на основе восков, парафинов, водорастворимых природных и синтетических камедей, производных целлюлозы, поливинилового спирта, поли-винилпирролидона и др. [3].

Желатин - белковый продукт, представляющий смесь линейных полипептидов с различной молекулярной массой (50000-70000) и их агрегатов с молекулярной массой до 300000, не имеет вкуса и запаха. Аминокислотный состав желатина включает до 18 аминокислот, в том числе глицин (26-31%), пролин (15-18%), гидроксипролин (13-15%), глутаминовую кислоту (11-12%), ас-парагиновую кислоту (6-7%), аланин (8-11%) и аргинин (8-9%).

Желатин получают из коллагена, содержащегося в костях, хрящах и сухожилиях животных. Наиболее чистая форма желатина, выделенная из рыбьих пузырей, получила название «рыбный клей» (isinglass). Желатин растворяется в воде, молоке, растворах солей и сахара при температуре выше 40°С. Растворы желатина имеют низкую вязкость, которая зависит от рН и минимальна в изоэлектрической точке. При охлаждении водного раствора желатина происходит повышение вязкости с переходом в состояние геля. Это так называемый золь-гель-переход. Для образования геля необходимы достаточно высокая концентрация желатина и соответствующая температура, которая должна быть ниже точки затвердевания (примерно 30°С).

Механизм образования геля желатином, как и любым другим желирующим агентом, связан с формированием трехмерной сетчатой структуры. При температуре выше 40°С молекулы желатина в растворе имеют конфигурацию отдельных спиралей. При охлаждении сегменты, богатые аминокислотами различных полипептидных цепей, принимают спиральную конфигурацию. Водородные связи с участием или без участия молекул воды стабилизируют образовавшуюся структуру. Эти связи распределены по всей длине цепи, что объясняет уникальные свойства желатиновых гелей.

Наиболее интересное свойство желатина - это образование термически обратимых гелей. В противоположность полисахаридам гелеобразование желатина не зависит от рН и не требует присутствия других реагентов, например сахаров, солей или двухвалентных катионов [4]. В литературе существует несколько примеров производства съедобных пленок на основе желатина и исследования их свойств.

К съедобной пленке из желатина чешуи зубатки полосатой были добавлены 0, 50, 100 и 150% триацетина и эмульгатор Twen-80 [5]. Микроструктуру пленки изучали с помощью рентгеновского микроскопа. Введение триацетина снижало прочность пленки на разрыв, но увеличивало ее растяжимость, растворимость в воде.

В состав пленки из желатина вводили [6] соевый лецитин и экстракт Yicca. Для этих пленок исследованы прочность на разрыв, эластичность, проницаемость для водяного пара, растворимость. Многие характеристики для пленки с экстрактом Yicca имеют очень высокие значения.

В состав съедобных пленок из желатина вводили гидрофобные пластификаторы, полученные на основе лимонной кислоты и соевого лецитина [7]. Для пленок изучена прочность на разрыв. Однако нет прямой связи между количеством пластификатора и растяжимостью пленки.

Пищевую пленку получили на основе рыбьего желатина, пластифицированного 20 и 25% глицерина двумя способами: литья и экструзии при 110 и 120°С с последующим прессованием. Для полученных пленок изучены прочностные характеристики. Именно экструдированные пленки являются лучшей альтернативой литым пленкам [8].

На основе желатина с использованием нанокристаллов бактериальной целлюлозы получены [9] съедобные, биоразлагаемые, дешевые, высокоэффективные наногликозидные пищевые пленки. Для получения нанокристаллов бактериальную целлюлозу подвергали кислотному гидролизу в контролируемых условиях. Методами микроскопии изучена структура этих нанокристаллов: внутри желатина образуется сетка. Прочностные характеристики имеют сложную зависимость от количества нанокристаллов. Например, прочность максимальна при 4%, эластичность - при 0%.

На основе желатина, глицерина с добавкой оливкового масла получали [10] съедобную пленку, для которой изучена структура ИК-спектроскопии, дифференцирующей сканирующей колориметрии, лазерной сканирующей микроскопии, прочностные характеристики, проницаемость для водного пара. Увеличение содержания оливкового масла в пленках повышает прочность и эластичность пленки.

Целью данной работы является оценка органолептических свойств, структуры, влагопогло-щения, механических характеристик для съедобных двухслойных пленок, полученных на основе яблочного пюре, первый слой которых в качестве пластификатора содержит пектин.

Материалы и методы исследования

Для получения яблочного пюре яблоки подвергают подготовке, предусматривающей инспекцию, сортировку, калибровку и мойку, удаляют несъедобные части: плодоножку, семенную камеру и кожуру, измельчают до пюреобразного состояния, пюре протирают, к полученной массе добавляют пластификатор (табл. 1) 2,0% от массы яблочного пюре, равномерно распределяют по всему объему.

Таблица 1

Состав двойных пленок

Код 1 слой 2 слой

ЯП/Ж-ЯП/КМЦ Яблочное пюре - КМЦ

ЯП/Ж-ЯП/КЛ Яблочное пюре - клетчатка

ЯП/Ж-ЯП/Ж Яблочное пюре - желатин

ЯП/Ж-ЯП/П Яблочное пюре - желатин Яблочное пюре - пектин

ЯП/Ж-ЯП/А Яблочное пюре - агар-агар

ЯП/Ж-ЯП/К Яблочное пюре - каррагинан

ЯП/Ж-ЯП/КК Яблочное пюре - ксантановая камедь

Аналогично получают второй слой с другим пластификатором. Слои совместно вальцуют. Двойную пленку сушат при температуре 55-70^ в течение 1-3 ч, а затем охлаждают до комнатной температуры. На рис. 1 представлена технологическая схема процесса производства съедобной двойной пленки.

Рис. 1. Технологическая схема производства двойной съедобной пленки

Были изготовлены шесть образцов пленки с различными видами и содержанием пластификаторов (табл. 1). Для полученных образцов пленки изучены органолептические характеристики, структура, водопоглотительная способность и прочностные свойства.

Органолептические характеристики. Исследования органолептических показателей были проведены по ГОСТ 8756.1-79 [11].

Сканирующая электронная микроскопия. Микроскопирование проводилось на лабораторном микроскопе Celestron Laboratory с линзой стократного увеличения по методу George J., Sid-daramaiah [9].

Влагопоглотительная способность пленки. Влагопоглотительная способность была определена для всех пленок по методу Gialamas H. с изменениями [12]. Образцы пленок помещают в дистиллированную воду и выдерживают при 23°С в течение 30, 60, 90 мин и при 90°С в течение 30, 60, 90 мин. Определяют степень водопоглощения как отношение массы пленки после эксперимента к массе пленки до эксперимента в процентах.

Толщина пленки. Толщину пленки измеряют с помощью цифрового микрометра FIT 19909. Выполняют пять измерений для каждой пленки: один в центре образца и четыре на различных участках периметра пленки. Рассчитывается среднее значение толщины пленки.

Испытание на растяжение пленочных материалов. Проводили на лабораторном испытательном комплексе, включающем разрывную машину INSTRON-5988 (испытательная лаборато-

рия по определению механических свойств и химического состава конструкционных материалов, научный сотрудник А.Е. Горбунов), со скоростью приложения нагрузки в больших пределах от 0,001 мм/мин до 508 мм 0,001 мм/мин. Испытывались образцы шириной 10 мм при расстоянии между зажимами 150 мм. Определение деформационных свойств материалов с получением графика зависимости «нагрузка-перемещение», «напряжение-перемещение» и математическую обработку результатов проводили по программному обеспечению В1иеЫП 3. Исследования прочностных характеристик и толщины были проведены по ГОСТ Р 53226-2008 [13].

Результаты и обсуждение

Все пленки имеют специфический темно-желтый оттенок, характерный для яблочного пюре. Различия в оттенках цвета пленок незначительное. Структура у всех образцов пленок однородная, губчатая. Для пленки с добавлением КМЦ во второй слой наблюдается наиболее равномерное распределение пузырьков воздуха. На вкус все пленки имеют слабовыраженный привкус яблочного пюре. Наиболее приемлемыми вкусовыми свойствами обладает пленка с добавлением КМЦ во второй слой. Однако при увеличении количества пластификатора желатина в первом слое уменьшается пережевываемость пленок.

Применение яблочного пюре как основы для изготовления съедобной упаковки позволяет получить более привлекательный вид по сравнению с традиционной целлофановой оболочкой, что приведет к повышению потребительских свойств продукта (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид съедобной пленки из яблочного сырья с добавлением пластификаторов во второй слой: а - ЯП/Ж-ЯП/КМЦ, б - ЯП/Ж-ЯП/КЛ, в - ЯП/Ж-ЯП/Ж, г - ЯП/Ж-ЯП/П, д - ЯП/Ж-ЯП/А, е - ЯП/Ж-ЯП/К, ж - ЯП/Ж-ЯП/КК

Результаты микроскопирования продемонстрировали, что образцы имеют неоднородную структуру с включением пузырьков воздуха (рис. 3). Наиболее гомогенизированным образцом является пленка со вторым слоем, содержащим клетчатку.

Рис. 3. Микроскопирование съедобных пленок на основе яблочного сырья с добавлением пластификатора: а - ЯП/Ж-ЯП/КМЦ, б - ЯП/Ж-ЯП/КЛ, в - ЯП/Ж-ЯП/Ж, г - ЯП/Ж-ЯП/П, д - ЯП/Ж-ЯП/А, е - ЯП/Ж-ЯП/К, ж - ЯП/Ж-ЯП/КК

Также установлено, что значение показателя водопоглощения выше у съедобной пленки, в первый слой которой входит 2% желатина по сравнению с другими пленочными материалами (табл. 2). Высокие показатели водопоглощения желатиновой пленки и каррагинановой пленки обеспечивают их прожевываемость и легкую усвояемость. При низкой температуре и в течение 1 ч почти все пленки более или менее устойчивы.

Результаты физико-механических испытаний двухслойных пленочных материалов на основе яблочного пюре с разными пластификаторами во втором слое представлены на рис. 4, анализ которого показывает, что совокупность желатина в 1 -м слое и каррагинана во 2-м слое способствует увеличению их механической прочности. Необходимо отметить, что показатели прочности пленки с двумя слоями, в которые добавлены 2% желатина, наиболее высокие, тогда как все другие пластификаторы только снижают это значение.

Таблица 2

Водопоглотительная способность двойных пленок с желатином в 1-м слое

Условия а т) Водопоглотительная способность, %

ЯП/Ж-ЯП/КМЦ ЯП/Ж-ЯП/КЛ ЯП/Ж-ЯП/Ж ЯП/Ж-ЯП/П ЯП/Ж-ЯП/А ЯП/Ж-ЯП/К ЯП/Ж-ЯП/КК

23°С, 30 мин 356 321 388 537 448 688 986,67

23°С, 60 мин 505 469 505 456 749 702 1027,27

23°С, 90 мин Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился 1036,36

40°С, 30 мин 480 516 499 421 424 895 655,6

40°С, 60 мин Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился

40°С, 90 мин Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился Образец растворился

Рис. 4. Физико-механические свойства двухслойной пленки

Выводы

На основании проведенных исследований микроструктуры, водопоглощения, механических свойств съедобных пленок можно сделать вывод: создание двухслойных композитных пленок является перспективным направлением не только в области производства съедобных пленок, но и в области изготовления упаковочных материалов. Комбинирование разных по составу и свойствам слоев позволит улучшить свойства конечной съедобной пленки.

Литература

1. Савицкая Т.А., Готина Л.А. Съедобные пленки - будущее упаковки пищевых продуктов // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2015. - № 4. - С. 87-94.

2. Кудрякова В.А., Кузнецова Л.С. Съедобная упаковка: состояние и перспективы // Упаковка и Логистика. - 2007. - № 6. - C. 24-25.

3. Palvath A.E., Orts W. Edible Films and Coatings: Why, What and How? - N-Y.: Springer, 2009. - 237 p.

4. Valguera V. Edible films and coatings: structure, active functions and trends in their use // Trends in Food Science and Technology. - 2011. - Vol. 22, № 6. - P. 292-303.

5. Jiang M., Liu S., Du X., Wang Y. Physical properties and internal microstructures of films made from catfish skin gelatin and triacetin mixtures // Food Hydrocolloids. - 2010. - Vol. 24, № 1. -P.105-110.

6. Effect of surfactants on the functional properties of gelatin-based edible films / C. Andreuccetti, R.A. Carvalho, T. Galicia-Garcia, F. Martinez-Bustos, C.R.F. Grosso // International Journal of Food Engineering. - 2011. - Vol. 103, № 2. - P. 129-136.

7. Andreuccetti C., Carvalho R.A., Grosso C.R.F. Effect of hydrophobic plasticizers on functional properties of gelatin-based films // Food Research International. - 2009. - Vol. 42, № 8. - P. 1113-1121.

8. Krishna M., Nindo C.I., Min S.C. Development of fish gelatin edible films using extrusion and compession compression molding // International Journal of Food Engineering. - 2012. - Vol. 108, № 2. - P.337-344.

9. Siddaramaiah G.J. High performance edible nanocomposite films containing bacterial cellulose nanocrystals // Carbohydrate Polymers. - 2012. - Vol. 87, № 3. - P. 2031-2037.

10. Characterization of gelatin-based edible films incorporated with olive oil / W. Ma, C.-H. Tang, S.-W. Yin, X.-Q. Yang, Q. Wang, F. Liu, Z.-H. Wei // Food Research International. - 2012. - Vol. 49, № 1. - P. 572-579.

11. ГОСТ 8756.1-79. Продукты пищевые консервированные. Методы определения органолептических показателей, массы нетто или объема и массовой доли составных частей (с Изменениями № 1, 2). Canned food products. Methods for determination of organoleptic characteristics, net mass or volume and component relationship and net mass. - М.: Стандартинформ, 2009. - 14 с.

12. Development of a novel bioactive packaging based on the incorporation of Lactobacillus sakei into sodium-caseinate films for controlling Listeria monocytogenes in foods / H. Gialamas, K.G. Zino-viadou, C.G. Biliaderis, K.P. Koutsoumanis // Food Research International. - 2010. - Vol. 43, № 10. -P.2402-2408.

13. ГОСТ Р 53226-2008. Полотна нетканые. Методы определения прочности. Nonwoven fabrics. Methods of strength determination. - М.: Стандартинформ, 2009. - 20 с.

Информация об авторах Information about the authors

Быков Дмитрий Евгеньевич - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; доктор технических наук, профессор, ректор Самарского государственного технического университета; rector@samgtu.ru

Bykov Dmitry Evgenevich - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Doctor of Technical Sciences, Professor, Rector of Samara State Technical University; rector@samgtu.ru

Макарова Надежда Викторовна - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология и организация общественного питания»; makarovanv1969@yandex.ru

Makarova Nadezhda Viktorovna - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of Technology and Organization of Public Catering Chair; makaro-vanv 1969@yandex.ru

Демидова Анна Владимировна - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; аспирант кафедры «Технология и организация общественного питания»; demian-na23@gmail.com

Demidova Anna Vladimirovna - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Postgraduate of Department of Technology and Organization of Public Catering; demianna23@gmail.com

Еремеева Наталья Борисовна - Самарский государственный технический университет; 443100, Россия, Самара; аспирант кафедры «Технология и организация общественного питания»; rmvnata-sha@rambler.ru

Eremeeva Natalya Borisovna - Samara State Technical University; 443100, Russia, Samara; Postgraduate of Department of Technology and Organization of Public Catering; rmvnatasha@rambler.ru