Защитные покрытия на основе биополимеров для пищевой индустрии

и

УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА

ТЕМА НОМЕРА

УДК 637.354.056:678.06

Защитные покрытия на основе биополимеров

для пищевой индустрии

М.Н. Нагула, канд. техн. наук, Л.С. Кузнецова, д-р техн. наук Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Ключевые слова: защитные покрытия; биополимеры; хитозан; антимикробный состав; мясные и молочные продукты.

Упаковка играет главную роль в сохранении качества пищевых продуктов, обеспечении их биологической безопасности и предохранении от внешних воздействий. Кроме того, правильный выбор упаковочных материалов придает пищевой продукции привлекательный товарный вид и увеличивает сроки ее хранения.

В настоящее время для пищевой продукции используют самую разнообразную упаковку: из бумаги, картона, целлофана, полимерных и комбинированных материалов, из жести, стекла, алюминия и т.д. Большое распространение получают удобные лотки для хранения готовых пищевых изделий и полуфабрикатов, особенно позволяющие разогревать их в микроволновой печи.

Однако у широко используемых полимерных синтетических упаковочных материалов и пленок есть существенные недостатки: во-первых, они производятся из невосстанавливаемых природных ресурсов (нефти, угля, газа и пр.), а во-вторых, долговечность пластика, которая до недавнего времени считалась главным его достоинством, в перспективе представляет серьезную угрозу для экологии нашей планеты.

В связи с обострением экологических проблем, связанных с утилизацией полимерных упаковочных материалов, в середине 70-х годов ученые обратили внимание на возможность использования биополимеров для производства биоразлагаемой упаковки. В последнее время особое внимание уделяется биополимерам, способным сохранять эксплуатационные характеристики только в течение определенного времени, а в дальнейшем - претерпевать в природных условиях такие физико-химические и биологические превращения, которые позволят им легко включаться в процессы метаболизма природных биосистем, инициируемых жизнедеятельностью микроорганизмов. В конечном итоге разложившиеся в природных условиях биополимеры будут образовывать компоненты, участвующие в круговороте природных веществ, - воду, углекислый газ, биомассу и др., способствующие поддер-

жанию экологического равновесия в окружающей среде.

В настоящее время в пищевой промышленности большое значение придается созданию принципиально новых упаковочных материалов - нетоксичных, легко утилизируемых, способных обеспечить эффективную защиту продуктов от микробных поражений и воздействия кислорода воздуха, предотвратить их усушку в процессе производства и хранения. В этой связи ученые всего мира обращают внимание на создание и расширение ассортимента съедобных упаковочных материалов, употребляемых вместе с пищевыми продуктами, упрощающих дозирование и порционирование продукции, не засоряющих внешней среды.

В качестве основы для получения съедобных пленок и покрытий используют самые разнообразные природные вещества, имеющие полимерную структуру, например, белки растительного и животного происхождения, полисахариды, липиды и др. В состав защитных пленок и покрытий на их основе вводят различные добавки, главным образом, пластификаторы, жирные кислоты, «сшивающие» агенты, а также консерванты, антиоксиданты, бактери-оцины и др. Такие «активные» упаковки, обладающие более высокими защитными и эксплуатационными характеристиками, способствуют длительному сохранению полезных свойств и микробной стабильности упакованного в них продукта. Кроме того, большинство природных полимеров служат хорошей основой для иммобилизации минимальных количеств консервирующих добавок, что позволяет получать съедобные защитные упаковки с выраженными антимикробными свойствами. В настоящее время уже известны съедобные покрытия из коллагена, молочного белка - казеина, соевого белка, желатина, крахмала, эфиров целлюлозы, которые находят применение для упаковки таких пищевых продуктов, как мясо, птица, сухие завтраки, кондитерские изделия, овощи, фрукты и др.

Анализ общемировых тенденций в материаловедении свидетельствует о приоритетном использовании в соста-

ве съедобных покрытий биополимеров, обладающих высокой сорбцион-ной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие на организм человека. В этом отношении заслуживают внимания упаковочные пленки и покрытия на основе хитозана, который считают биоматериалом будущего.

Интерес к хитозану в пищевой промышленности связан с такими его уникальными свойствами, как биосовместимость, биодеструкция, физиологическая активность при отсутствии токсичности, способность к селективному связыванию тяжелых металлов. Хитозан относится к разрешенным Минздравом РФ пищевым добавкам в соответствии с СанПиН 2.3.2.1293-03 «Гигиенические требования по применению пищевых добавок». Совокупность сведений о бактерицидном действии хитозана позволяет также отнести его к соединениям, обладающим барьерными свойствами. Он представляет несомненный интерес для тароупаковоч-ной промышленности как воспроизводимый природный ресурс.

Мясные и молочные продукты - наиболее полноценные, жиросодержа-щие, но одновременно трудоемкие и дорогостоящие пищевые изделия. Кроме того, они служат благоприятной средой для развития разнообразных микроорганизмов, главным образом плесневых грибов и дрожжей. Поэтому важнейшая задача в процессах технологической переработки и хранения пищевых продуктов - повышение их устойчивости к микробной порче.

Анализ имеющихся в литературе данных по разработке съедобных и биодеградируемых покрытий на основе хитозана свидетельствует, что использование этого биополимера в составе упаковки позволяет получать высококачественные продукты с длительным сроком хранения, обладающие лечебно-профилактическими свойствами.

Защитные покрытия на основе хитозана в настоящее время предлагается использовать в мясной, птицеперерабатывающей и рыбной промышленности. Например, во ВНИИ мясной промышленности разработан состав для покрытия мяса и мясных продуктов, включающий глицерин, хитозан, жидкий дым и водный раствор коллагена [1]. Помимо улучшения питательной ценности такое покрытие характеризуется высокой

прочностью, пластичностью, способствует снижению микробной обсеме-ненности и тем самым увеличивает срок хранения продукта.

В Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий выполнено исследование по созданию технологии мясных продуктов эмульсионного типа с защитным пищевым пленкообразующим покрытием на основе хи-тозана, сбалансированных по основным макро- и микронутриентам [2]. Разработанная технологическая схема производства мясных паштетов практически не отличалась от традиционной, однако дополнительное нанесение методом опрыскивания защитного покрытия на основе хитозана позволяет увеличить продолжительность хранения продукта в 2,0-2,5 раза по сравнению с контрольными образцами [2].

В работе О.В. Магомедовой (2005 г.) показано, что орошение мелкокусковых и крупнокусковых отрубов баранины и тушек кроликов композиционными консервирующими смесями, состоящими из хитозана, органических кислот и регуляторов кислотности, позволяет пролонгировать сроки хранения отрубов в охлажденном виде в 1,5-2 раза [3].

Согласно литературным данным, хи-тозан при использовании в качестве пищевого компонента улучшает функционально-технологические и реологические свойства эмульсий, предназначенных для изготовления мясорасти-тельных консервов [4].

Поскольку покрытия на основе хито-зана все чаще находят применение в пищевой промышленности, авторами изучена возможность использования защитного покрытия на основе этого биополимера в технологии сыров. В Проблемной научно-исследовательской лаборатории биозащиты сырья и продуктов питания МГУПБ разработан способ модификации хитозана, позволивший получить антимикробный состав «Хит-Асепт», предназначенный для защиты поверхности сыров в период созревания.

Установлено, что ведущая роль в поражении поверхности полутвердых и твердых сыров принадлежит плесневым грибам [5]. Именно эти микроорганизмы ухудшают товарный вид продукции, снижают ее вкусовые качества, вызывают изменения белков, жиров, продуцируют высокотоксичные вещества, представляющие угрозу для здоровья людей. Развиваясь на поверхности твердых сыров, плесневые грибы могут поражать продукт по всей его массе, что приводит к довольно существенным потерям - до 15 %.

Для защиты поверхности сыров чаще всего применяют полимерные покры-

тия или пленки, а также разнообразные антимикробные препараты, содержащие в своем составе антибиотики или химические консерванты. Однако в случае их использования необходимо строго контролировать уровень перехода в продукт этих химических веществ, а также продуктов деструкции полимеров.

В ходе эксперимента изучали растворы хитозанов в концентрации от 0,5 до 2 %. Хитозаны растворяли в органических кислотах и исследовали их фунги-цидную активность, которую характеризовали размером зоны подавления роста тест-объекта на момент окончания эксперимента - 15 сут. В качестве тест-объектов выбраны культуры грибов Р. roquefortii, Р. ехрапзит, Р. сЬгузодепит, являющиеся инициаторами микробных поражений на современных сыродельных предприятиях.

Результаты выполненных исследований показали, что полученные растворы хитозанов не обладают необходимыми фунгицидными свойствами. Для повышения их фунгицидной активности было предложено модифицировать растворы хитозана консервирующими добавками. В ходе проведения экспериментов был разработан антимикробный состав «Хит-Асепт», обладающий выраженной противоплесневой активностью в отношении тестируемых грибов. Антимикробные композиции на основе хитозана с молекулярной массой 120 кДа и степенью деацетили-рования 85,3 % имеют большую фун-гицидную активность по сравнению с другими пищевыми хитозанами.

Следующий этап исследований -изучение антимикробных свойств пленок на основе хитозана с целью возможности их использования для защиты поверхности сыров от плесневых грибов. Оценку противоплесневой активности модифицированных пленок на основе хитозана определяли по степени развития плесневых грибов на их поверхности.

Модифицированные пленки на основе хитозана обладали высокой про-тивоплесневой активностью в течение всего периода испытаний. Наиболее выраженный фунгицидный эффект обнаружен у модифицированных пленок по отношению к штамму мицелиально-го гриба Р. roquefortii. (рис. 1).

Выполненные исследования физико-механических, физико-химических характеристик и структуры модифицированных пленок на основе хитозана подтвердили возможность их использования для защиты поверхности твердых сыров в период созревания.

Испытания защитного действия антимикробного состава «Хит-Асепт», предназначенного для обработки поверхности твердых сыров, проводили в

Рис. 1. Результат исследования «грибостойкости» модифицированной пленки на основе хитозана по отношению к Р. roquefortii

лабораторных и промышленных условиях. Объектом исследований служили образцы сыров «Российский» и «Швейцарский» (блочный), выработанные в соответствии с требованиями действующей нормативной документации.

На поверхности сыров, обработанных антимикробным составом «Хит-Асепт», не было обнаружено видимого развития колоний мицелиальных грибов, вследствие чего они не нуждались в зачистке и последующей мойке. Поверхность контрольных головок сыров (без обработки) на 15 сут созревания была полностью поражена видимыми колониями плесневых грибов (рис. 2). Таким образом, установлено, что разработанное покрытие надежно защищает поверхность сыров «Российский» и «Швейцарский» (блочный) от пора-

Рис. 2. Внешний вид опытного и контрольного образцов сыра «Российский»

Р УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА

Ш ТЕМА НОМЕРА

жения плесневыми грибами в течение всего периода созревания продукта.

В связи с особой значимостью полиненасыщенных жирных кислот для продолжительности и здорового образа жизни человека в последние годы особую актуальность приобретают исследования жирнокислотного состава пищевых продуктов. Поскольку многие диеты, рекомендуемые для профилактики и лечения ряда заболеваний (сердечно-сосудистых, онкологических, диабета и др.), требуют строгой корректировки липидного состава пищи, считается, что сохранение доли ненасыщенных жирных кислот в составе пищевых продуктов может рассматриваться как благоприятный и даже лечебный фактор. Поэтому в представленной работе было уделено большое внимание изучению изменений в жир-нокислотном составе липидов в поверхностном слое исследуемых сыров («Российский» и «Швейцарский») в процессе созревания.

Сравнительный анализ жирнокис-лотного состава липидов в поверхностном слое контрольных и опытных образцов сыра показал, что покрытие «Хит-Асепт» препятствует окислению жиров и позволяет сохранить в их составе такие важнейшие эссенциальные полиненасыщенные жирные кислоты, как линолевая, линоленовая и арахи-доновая в течение всего периода созревания сыров.

Особый интерес представляет тот факт, что сыры, обработанные антимикробным составом «Хит-Асепт», к концу созревания имели наименьшую потерю массы. Выполненные исследования достоверно показали, что защитное покрытие «Хит-Асепт» предотвращает потерю влаги в поверхностном слое сыров в течение всего периода

созревания, в результате чего на поверхности сырной головки не образуется сухой корки, которая была характерна для сыров, обработанных растворами сорбата калия. В ходе проведения эксперимента выявлено также, что обработка антимикробным составом «Хит-Асепт» не влияет на процесс созревания сыров, а по своим качественным и сенсорным показателям опытные образцы сыров превосходят контрольные.

На основании исследований, выполненных в лабораторных и производственных условиях, разработан проект НД (технические условия и технологическая инструкция), а также предложена технологическая схема процесса получения и применения антимикробного состава «Хит-Асепт», предназначенного для формирования защитного покрытия на поверхности твердых сыров в период созревания.

Результаты исследований по формированию защитного покрытия на основе хитозана могут представлять интерес не только в сыроделии, но и в других отраслях пищевой промышленности при получении экологически безопасных защитных упаковок для широкого ассортимента продуктов питания, таких как мясные, рыбные продукты (ординарные и деликатесного профиля), кондитерские и хлебобулочные изделия, лечебно-профилактические продукты питания.

Разработанное покрытие «Хит-Асепт» для созревания полутвердых и твердых сыров было награждено золотой медалью и дипломом 6-й Международной специализированной выставки «Мир микробиологии» (2008).

В настоящее время коллектив ПНИЛ биозащиты сырья и продуктов питания плодотворно работает над расширени-

ем ассортимента съедобных покрытий на основе биополимеров, предназначенных для защиты мясной, рыбной и другой жиросодержащей продукции. Наибольший интерес представляет возможность получать съедобные пленки и покрытия на основе белков растительного и животного происхождения, поскольку они помимо пищевой ценности обладают многочисленными функциональными свойствами, представляющими чрезвычайный интерес при использовании таких упаковок в различных отраслях пищевой индустрии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Евстафьева Е.А., Голованова П.М., Украинская Е.И. и др. Состав для покрытия мяса и мясных продуктов. Пат. 2289931 РФ А 23 В 4/10/|№ 2005114956/ 13. Заявл. 18.05.2005. Опубл. 27.12.2006.

2. Гинзбург Л.И. Защитные пищевые покрытия//Мясные технологии. 2008. № 1.

3. Магомедова О.В. Влияние орошения мяса баранины и крольчатины ор-гано-минеральными консервантами на биохимические, микробиологические процессы и сроки хранения в охлажденном виде: дисс. ... канд. биол. наук. - Дубровицы: Всероссийский гос. НИИ животноводства, 2005.

4. Шестопалова И.А., Колодязная В.С. Влияние режимов гомогенизации и хитозана на качество мясораститель-ных консервов//Мясная индустрия. 2008. № 11.

5. Нагула М.Н., Кузнецова Л.С., Озерская С.М., Иванушкина Н.Е. Особенности состава мицелиальных грибов, поражающих поверхность полутвердых сыров//Сыроделие и маслоделие. 2009. № 2.

ir

л\

УВАЖАЕМЫЕ КОЛЛЕГИ! Российские и польские ученые приглашают Вас принять участие в XVII МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО КРАХМАЛУ (International Starch Convention, Москва-Краков),

которая будет проходить в Москве 16-18 июня 2009 г.

Конференция посвящена памяти ВЛАДИМИРА ПАВЛОВИЧА ЮРЬЕВА -выдающегося ученого, внесшего большой вклад в физическую химию крахмалов и его полисахаридов

ТЕМАТИКА

Крахмал и его полисахариды: структура; анализ; реакционная способность; химическая, физическая и энзиматическая модификация крахмалов и его полисахаридов; производство и технология.

МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ

Конференция будет проходить в Институте биохимической физики РАН (Москва, ул. Косыгина, д. 4).

ЗАЯВКИ НА УЧАСТИЕ

просим направлять научному секретарю XVII ISC

канд. хим. наук Вассерман Любови Александровне

по адресу: 119334, Москва, ул. Косыгина, 4, ИБХФ РАН

или по E-mail: lwasserma@sky.chph.ras.ru; lwasserma@mail.ru,

или по факсу 007 (495) 137-41-01;

телефоны для справок: 007 (495) 939-74-40; 938-24-84; http://www.ISCmoscow2009.narod.ru