СОСТАВ БИОДЕГРАДИРУЕМОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
COMPOSITION OF BIODEGRADABLE POLYMER FOR FOOD PROCESSING

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для получения биодеградируемого и экологически чистого биополимерного защитного покрытия пищевых продуктов, таких как плоды овощей и фруктов, для продления их срока годности и сохранения товарного вида.
В настоящее время использование в пищевой промышленности защитных и экологически чистых покрытий представляет высокий интерес в связи с повышением требований к условиям хранения и потребления продуктов питания, таких как плоды овощей и фруктов.
Функциональное биодеградируемое полимерное покрытие для пищевой упаковки представляет собой пленочный материал на основе биополимеров с включением функциональных пищевых добавок, создающий барьерный слой между продуктом питания и окружающей средой с целью продления срока годности и товарного вида продукта. Для создания таких материалов могут быть использованы нетоксичные вещества, являющиеся биосовместимыми и инертными к организмам людей и животных, а также являющиеся съедобными и перерабатываемыми пищеварительной системой. К таким веществам, в основном, относятся белки, полисахариды и их производные, а также их смеси.
Для оптимизации свойств покрытий согласно их применению возможно введение в их состав различных пищевых наполнителей, например, таких как нетоксичные и биосовместимые пластификаторы, антиоксиданты, армирующие и антибактериальные агенты. Биополимерные покрытия могут защитить продукт от механического воздействия, микроорганизмов и замедлить потерю качества из-за массопереноса (влаги и газов).
Покрытия могут быть использованы для индивидуальной упаковки небольших порций продуктов, в частности, таких как яблоки, груши, ягоды, бобы и орехи и т.д. Производство биокомпозиционных съедобных покрытий может осуществляться из вторичного сырья и отходов пищевой и сельскохозяйственной промышленности, что значительно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду.
Известен состав защитного и съедобного покрытия для мяса и мясных продуктов, включающий сухую смесь на основе животных белков, диацетат натрия, лактат натрия, жидкий дым, пищевой краситель, поваренную соль и воду (Патент RU 2411738, публ. 2009 г.).
Указанный состав позволяет продлить срок годности продукта, но является нецелесообразным и не рентабельным по отношению к упаковке плодов овощей и фруктов, значительно модифицируя их свойства и товарный вид. Более того, влияние синтетических консервантов на организмы людей и животных до конца не изучено.
Известны составы защитной и съедобной композиции для тех же продуктов, содержащие сухой гранулированный сок красной или черной смородины, сахар и желатин (Патент RU 2501280, публ. 2012 г.) или картофельный крахмал (Патент RU 2415592, публ. 2009 г.) в качестве пленкообразующего и структурирующего компонента.
Используемые в данных составах сухие экстракты смородины могут приводить к снижению микробиальной обсемененности обрабатываемого продукта, однако предполагают сильную неоднородность микроструктуры покрытия и, следовательно, ухудшение его защитных свойств.
Известны составы биодеградируемой защитной и съедобной композиции для тех же продуктов, включающие хитозан, одно-, трехосновную органическую кислоту, желатин, или картофельный крахмал, или клетчатку в качестве структурообразователя и водоудерживающего агента (Патент RU 2352126, публ. 2005 г.).
Указанные покрытия обладают бактериостатическими свойствами и замедляют испарение влаги из продукта, но использование такого компонента, как хитозан, в их составе снижает рентабельность покрытия при промышленной обработке овощей и фруктов.
Также известна биополимерная съедобная композиция для обработки рыбной продукции на основе хитозана с добавками пектина или альгината натрия в качестве структурообразователя и сополимера винилпирролидона и кротоновой кислоты в качестве антибактериального агента (Патент RU 2297151, публ. 2005 г.).
Данный состав также позволяет создавать высокоэффективные защитные покрытия для рыбной продукции, однако сложность состава и стоимость компонентов ограничивают его применение при обработке плодов овощей и фруктов в промышленных масштабах, значительно увеличивая себестоимость готовой продукции.
Известна композиция для обработки хлеба и хлебобулочных изделий, включающая белковый компонент растительного происхождения, нутовую муку, а также соль, воду и рябиновый порошок (Патент RU 2539800, публ. 2013 г.).
Компоненты данного состава позволяют создать съедобное защитное покрытие, совместимое с поверхностями хлебобулочных изделий и продлевающее срок их годности. При этом наличие в составе покрытия указанного белкового компонента может приводить к неоднородности покрытия и его пониженным эксплуатационным, в частности механическим, свойствам.
Анализ указанных изобретений показывает, что в основном покрытия или упаковочные пленки для обработки пищевых продуктов являются сложными по структуре многокомпонентными материалами, свойства которых зависят как от структурообразующих компонентов, так и от функциональных наполнителей, чаще всего бактериостатических. Повышенная технологичность изобретений и их широкий компонентный состав в большинстве случаев не подходят для обработки плодов овощей и фруктов с целью продления срока годности и сохранения их товарного вида.
Известно покрытие на основе фиброина - белка, лежащего в основе паутины и коконов насекомых, в частности шелка. Данное покрытие практически невидимо, не имеет запаха, а процесс его производства основан на воде (www.geektimes.ru).
Свойства фибриона позволяют ему стабилизироваться в виде покрытия и защищать другие поверхности, оставаясь при этом биоразлагаемым и экологичным. Однако это покрытие пока не тестировано в отношении изменения свойств пищевых продуктов.
Известен состав для покрытия фруктов и овощей, содержащий йод, калий йодистый, крахмал, гидрокарбонат натрия и воду (Авторское свидетельство №858733, публ. 1982 г.).
Данный состав обладает бактерицидными свойствами и пригоден для обработки яблок, слив, винограда, персиков, мандаринов, помидор, моркови, капусты и т.д. Однако перед употреблением в пищу эти фрукты и овощи необходимо тщательно мыть.
Задачей предлагаемого изобретения является создание защитного и съедобного состава биокомпозиции для покрытия пищевых продуктов, таких как фрукты и овощи, обеспечивающего продление срока их годности и сохранение товарного вида. В рамках изобретения состав полимерной композиции реализуется физически в виде приготовленного по составу пленкообразующего раствора, позволяющего сформировать покрытие на поверхности обрабатываемого продукта.
Задача достигается за счет того, что состав полимерной композиции для обработки пищевых продуктов, таких как овощи и фрукты, содержащий крахмал и воду, дополнительно содержит пищевой желатин, глицерин, бентонит и эфирное масло имбиря при следующем соотношении компонентов, г/100 г:
Желатин пищевой
1,8-4,5
Крахмал
0,2-0,5
Глицерин
0,6-1,5
Бентонит (микрочастицы)
0,06-0,15
Имбирь (масло эфирное)
0,1-0,25
Вода
остальное
Предлагаемый состав полимерной композиции содержит в качестве основного пленко- и структурообразующего, а также влагоудерживающего компонента пищевой желатин. Желатин, являясь продуктом гидролиза животного белка коллагена, обладает высокими пленкообразующими свойствами и сравнительно низкой температурой растворения в воде, что делает его наиболее привлекательным для использования в качестве компонента матрицы биокомпозиционного покрытия.
Дополнительный структурообразующий компонент, крахмал, являясь дешевым, растительным и водорастворимым полисахаридом, также является влагоудерживающим агентом. Данная добавка стабилизирует эксплуатационные характеристики готового покрытия, в частности проницаемость паров воды и механические свойства, а также снижает растворимость покрытия в воде.
Глицерин в составе пленкообразующего раствора используется в качестве биосовместимого и инертного к организму человека полярного пластификатора, значительно увеличивая эластичность покрытия, а также совместителя, усиливая межмолекулярное взаимодействие между желатином и крахмалом.
В качестве дополнительного агента, армирующего биополимерную матрицу, используется эмульсия микрочастиц глинистого минерального наполнителя бентонита, также являющегося природным энтеросорбентом. В пищевой промышленности бентонит зарегистрирован в качестве пищевой добавки E 558, препятствующей слеживанию и комкованию. В предлагаемом составе наличие данного компонента обуславливает повышенные механические и защитные свойства покрытия. Более того, изменение степени дисперсности микрочастиц в матрице композиционного покрытия позволяет контролировать процессы паро- и газопереноса между упакованным объектом и окружающей средой.
Водная эмульсия эфирного масла имбиря в составе пленкообразующего раствора используется в качестве бактериостатической добавки, предотвращающей преждевременную микробиальную обсемененность упакованного продукта.
Пределы представленных значений ингредиентов композиции являются необходимыми и достаточными. Так, при значениях меньше указанных - состав покрытия не даст заявляемого эффекта, при значениях выше указанных появляются дополнительные затраты и снижается качество покрытия за счет увеличения его толщины и появления неоднородности структуры.
Изобретение предлагаемого состава полимерной композиции реализуется посредствам приготовления пленкообразующих растворов для дальнейшего получения конечного покрытия. Нижеперечисленные примеры описывают технологию приготовления 100 г пленкообразующих растворов с разными концентрациями компонентов, реализующих предлагаемый состав.
Пример 1. Приготавливается 2% пленкообразующий раствор на основе желатина и крахмала общей массой биополимеров 2 г на 100 мл дистиллированной воды с добавлением 30 масс. % глицерина от общей массы желатина и крахмала (0,6 г). Для этого навеску картофельного крахмала 10 масс. % от общей массы желатина и крахмала (0,2 г) растворяют в 100 мл дистиллированной воды при температуре 90°C в течение 10 мин при постоянном перемешивании. Раствор крахмала подвергают ультразвуковому диспергированию с использованием ультразвуковой ванны при 60°C в течение 25 мин, после чего в раствор вводят навеску глицерина. После того как крахмал и глицерин образуют гомогенный раствор, в него медленно вводят навеску желатина 90 масс. % от общей массы желатина и крахмала (1,8 г) с последующим ультразвуковым диспергированием при 60°C в течение 50 мин. Затем в полученный раствор медленно вводят навеску микрочастиц бентонита 3 масс. % от общей массы желатина и крахмала (0,06 г) при температуре раствора 60°C и постоянном перемешивании, избегая их агрегации. Далее в раствор вводят эфирное масло имбиря в количестве 5 масс. % от общей массы желатина и крахмала (0,1 г). Полученную систему эмульгируют с использованием погружного механического диспергатора при скорости вращения ротора 6000 об/мин до получения стабильной суспензии, избегая вспенивания. В завершение полученный раствор дегазируют с использованием ультразвуковой ванны в течение 10 мин при температуре 60°C. Готовый пленкообразующий раствор возможно наносить на поверхность обрабатываемого продукта, используя методы окунания в раствор и распыления раствора под давлением. Свойства конечного покрытия сильно зависят от метода нанесения покрытия, параметров метода нанесения и режима температурной обработки (сушки) раствора.
Наиболее экономически эффективным способом нанесения покрытия является распыление раствора под давлением на поверхность обрабатываемого продукта. В связи с этим для реализации указанного по примеру состава 2 кг яблок обрабатывали 100 г раствора. В результате в течение часа на поверхности яблок формировалось покрытие толщиной до 100 мкм. Последующее хранение обработанных яблок в течение трех месяцев не выявило сильных изменений их газового состава и товарного вида.
Пример 2. Приготовление раствора по примеру 1. Концентрация раствора желатина и крахмала 3,5%. Процентное соотношение массовых долей наполнителей в растворе по примеру 1. Содержание компонентов в пленкообразующем растворе по примеру указано в таблице 1. Указанный по примеру состав обеспечивает повышение вязкости раствора по сравнению с составом по примеру 1, что позволяет варьировать толщину покрытия и снижать его парогазопроницаемость. Данный состав может реализовываться при покрытии продуктов с повышенным влагосодержанием, например, спелых груш. На 2 кг плодов спелых груш напылением наносили 100 г раствора состава по указанному примеру. В результате сформированное в течение двух часов покрытие имело небольшую толщину в среднем 150 мкм. Образцы груш с нанесенным покрытием по примеру сохраняли свое влагосодержание и товарный вид в течение двух месяцев.
Пример 3. Приготовление раствора по примеру 1. Концентрация раствора желатина и крахмала 5%. Процентное соотношение массовых долей наполнителей в растворе по примеру 1. Содержание компонентов в пленкообразующем растворе по примеру указано в таблице 1. Указанный по примеру состав позволяет сильно увеличить вязкость раствора, что приводит к облегчению процесса его нанесения на обрабатываемый пищевой продукт. При использовании данного состава возможно значительно повысить механические свойства поверхности продукта. Данный состав является эффективным при сохранении товарных свойств растительных продуктов с повышенным влагосодержанием и тонкой кожурой поверхности. В качестве примера реализации данного состава 1 кг красного винограда обрабатывали 100 г пленкообразующего раствора состава по примеру. Обработанные раствором грозди винограда сушили при комнатных условиях в течение трех часов. Образцы винограда с покрытием сохраняли свой товарный вид, плотность и влагосодержание в течение полутора месяцев в комнатных условиях с момента нанесения покрытия.
Отсутствие токсичности состава по изобретению к живым организмам обуславливается использованием природных, в основном водорастворимых компонентов, усваиваемых или инертных для организма человека. Все используемые компоненты являются хорошо зарекомендовавшими себя в пищевой промышленности пищевыми добавками, соответствующими нормам СанПиН 2.3.2.1293-03. Нанесенное покрытие формирует защитный слой от механических повреждений и обеспечивает оптимальный контроль процессов паро- и газопроницаемости, препятствуя эффектам порчи и спиртового брожения во всем объеме обработанного плода.