Биоразлагаемый материал для изготовления съедобной посуды и упаковки на основе отрубей зерновых культур и способы его получения
BIODEGRADABLE MATERIAL FOR MANUFACTURE OF EDIBLE TABLEWARE AND PACKAGING BASED ON GRAIN BRAN AND METHODS FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к материалам на основе полисахаридного сырья для получения съедобной биоразлагаемой одноразовой посуды и упаковки, и может быть использовано в пищевой промышленности и в области животноводства.
Изобретение позволит снизить экологическую нагрузку в результате сокращения объемов потребления неразлагаемой одноразовой пластиковой посуды и упаковки, а также применения продуктов переработки полисахаридного сырья для изготовления изделий. Основным направлением применения разработанных съедобных материалов представляется изготовление одноразовых столовых приборов и посуды, в том числе тарелок и мисок, упаковочных изделий одноразового использования, а также вспомогательных элементов для продуктов питания, в том числе палочек для мороженного, мешалок для напитков, трубочек для коктейлей. Сфера использования разработанной съедобной посуды может быть расширена за счет внедрения разработки в отрасль животноводства. На основе разработанных материалов возможно изготавливать контейнеры и лотки для кормления животных. Благодаря использованию съедобных материалов нет необходимости в утилизации посуды после использования.
Конструкция съедобной посуды и упаковки может быть различной в зависимости от назначения изделий и предъявляемых к ним требований. Известны ряд изобретений и полезных моделей, предлагающих различные подходы к конструкции и техническому исполнению изделий из пищевых ингредиентов, которые служат емкостями для принятия пищи и одновременно выполняют роль блюда. В полезной модели RU 188313 U1 «Съедобная емкость для пищевых продуктов» предложена конструкция емкости в форме объемного тела, развернутого вершиной вниз с усеченной вершиной. Предлагается изготавливать съедобную емкость на основе муки из различных источников. Полезная модель RU 58106 U1 «Съедобная вафельная упаковка для мороженого» описывает конструкцию, выполненную в виде чашеобразной полуоболочки с пониженной вероятностью растрескивания и/или разламывания. Полезная модель RU 96735 U1 «Съедобный контейнер» и патент на изобретение RU 2714285 С1 «Съедобный контейнер для пищевых продуктов» относятся к изобретениям конструкций, состоящих из двух половин из печеного теста, имеющих форму тонкостенного лотка с боковыми стенками с волнообразным профилем, на которых выполнены выпуклые и вогнутые сегменты, что обеспечивает герметичность емкости.
Известны изобретения, относящиеся к материалам и технологиям изготовления съедобных пленок и контейнеров. Многочисленные патенты посвящены изобретению композиций для получения съедобных покрытий и пленок. Как правило, основным компонентом таких пленок является желатин и его производные. Патенты RU 2501280 С1 «Способ получения съедобного защитного покрытия для мясных продуктов» и RU 2693776 С1 от «Состав для получения биоразлагаемой полимерной пленки на основе природных материалов» относятся к изобретению покрытий/пленок на основе желатина для продления срока хранения пищевых продуктов. В патенте RU 2655740 С1 «Съедобная пищевая пленка» описываются композиции биоразлагаемых гидрофобных пленок на основе ихтиожелатина для изготовления упаковочной пленки для пищевых продуктов. В патенте RU 2694956 С1 «Пленкообразующая композиция пищевого назначения» описан способ получения съедобной пленочной структуры из композиции этерифицированных пектинов и растительных масел. Недостатком перечисленных изобретений является невозможность использования предложенных составов для изготовления толстостенных емкостей и контейнеров, характеризующихся достаточной жесткостью.
Композиции, пригодные для получения контейнеров, сохраняющих форму при использовании, предложены в патентах RU 2706075 С1 «Одноразовая съедобная посуда», RU 2710151 С1 «Съедобная посуда». Стоит отметить, что оценить эксплуатационные характеристики изделий, в указанных патентах, не представляется возможным поскольку отсутствуют сведения об их физико-механических характеристиках.
В патенте RU 2706075 С1 описан способ получения изделий в виде тарелок на основе композиций из теста путем его выпечки в формах, при этом композиция для получения теста содержит отруби пшеничные (30-35 мас. %), муку пшеничную (20-26 мас. %), порошок свекловичный (4-6 мас. %) и воду. Недостатком данного изобретения является то, что при изготовлении изделий требуется несколько технологических стадий, в том числе выпекание, что приводит к усложнению процесса получения и удорожанию изделий. Кроме того, получаемые изделия характеризуются высокой хрупкостью в связи с низким содержанием пластификаторов.
Композиция, предложенная в патенте RU 2710151 С1, представляет собой смесь пшеничного крахмала (16,0-17,1 мас. %) и отрубей (16,6-17,1 мас. %) с добавлением воды (57,1-60 мас. %). В качестве пластификаторов предложены глицерин и желатин в дозировке 7,4-8,4 мас. %. Основным недостатком этого изобретения является предложенный способ получения изделий смешение ингредиентов с последующей сушкой в термостате, без литья, прессования или формования. В результате изделия, полученные таким образом, характеризуются разнотолщинностью, негомогенной структурой, нестабильностью формы и неравномерными прочностными свойствами.
Патент RU 2006101065 «Саморазлагающаяся одноразовая посуда и способ ее производства» описывает способ производства съедобной посуды методом горячего формования на основе остатков урожая (1-30 мас. %), кукурузной муки (1-30 мас. %), смеси муки и зерна (30-96 мас. %), мха (1-10 мас. %), коры шелковицы бумажной (1-10 мас. %) и дополнительных ингредиентов. Предложенная технология представляется близкой к заявленному изобретению. Однако, столь широкие диапазоны содержания компонентов не позволяют использовать данное изобретение в качестве прототипа по причине чрезвычайно широкого варьирования свойств получаемых изделий. Кроме того, наличие в составе композиции мха и коры шелковицы бумажной вызывает сомнение в съедобности подобной посуды.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному изобретению является способ получения биоразлагаемой посуды и упаковки, описанный в патенте WO/2014/051447 «Method for manufacturing biodegradable mouldings in particular tableware and packages». Согласно авторам патента, предложенный способ представляет собой формование изделий с созданием давления водяного пара внутри формы. Композиция представляет собой смесь на основе пшеничных отрубей (95-100 мас. %), содержащих 14 мас. % структурно связанной воды. Данное изобретение взято за прототип.К недостаткам съедобной посуды-прототипа можно отнести высокую хрупкость и склонность к расслаиванию получаемых изделий в виду малого содержания пластификаторов и связывающих компонентов.
Задачей заявляемого изобретения является создание композиционных материалов на основе природного сырья для изготовления толстостенных прессованных или формованных съедобных емкостей и упаковки, обладающих гомогенностью свойств, повышенными механическими характеристиками и достаточной гибкостью.
Технический результат достигается разработкой:
3
1. Материала для изготовления одноразовой посуды и упаковки на основе зерновых культур и крахмала, характеризующегося повышенной способностью к биоразложению и имеющего плотность 0,8-1,2 г/см, при следующем соотношении компонентов в исходной рецептуре в мас. %:
очищенная вода / смесь воды и глицерина
57-65;
отруби зерновых культур / смесь отрубей и
крахмала в соотношении 1:1
33-40;
связующая добавка
0-3;
вспомогательные добавки
остальное,
при этом в качестве зерновых культур используются отруби с размером частиц менее 2 мм, выбранные из ряда: пшеничные отруби, ржаные отруби, ячменные отруби, а в качестве крахмала используются выбранные из ряда: пшеничный, кукурузный, картофельный, рисовый или ячменный крахмалы.
2. Материала по п. 1, отличающегося тем, что связующие добавки могут быть выбраны из следующего ряда: желатин (Е441), гуаровая камедь (Е412), камедь рожкового дерева (Е410) или ксантановая камедь (Е415), при этом в качестве вспомогательных добавок используются технологические и/или вкусоароматические добавки.
При этом вода или смесь воды и глицерина в соотношении 6-8÷1 являются растворителем-пластификатором, обеспечивающим возможность получения гомогенной композиции и пластификацию как индивидуального крахмала, так и крахмала в составе отрубей, отруби зерновых культур или смесь отрубей и крахмала, полученного из разных источников, представляют собой наполнитель-структурообразователь для материалов.
В ходе исследований связующие добавки: желатин (Е441), гуаровая камедь (Е412), камедь рожкового дерева (Е410), ксантановая камедь (Е415) показали высокую эффективность в формировании повышенных физико-механических характеристик получаемых материалов. Камеди обладали высокой адгезией к наполнителю и пленкообразующей способностью.
В качестве вспомогательных добавок могут быть использованы технологические добавки, например, лимонная кислота, способствующая пластификации крахмала, или вкусоароматические добавки. Содержание вспомогательных добавок варьируется в диапазоне от 0 до 0,5 мас. %.
Разработанные материалы, согласно изобретению, являются пригодными и безопасными для употребления в пищу, характеризуются повышенной способностью к биоразложению, обладают оптимальными технологическими свойствами для возможности получения изделий стандартными методами и имеют высокие физико-механические показатели.
Пример 1.
К очищенной воде (57 мас. %) при температуре 80±5°С добавляют глицерин (8,5 мас. %), пшеничный крахмал (17 мас. %) и лимонную кислоту (0,5 мас. %) и перемешивают смесь при помощи верхнеприводной мешалки / гомогенизатора / смесительной камеры со скоростью 1000 оборотов в минуту в течение 15 минут; далее к полученной смеси добавляют пшеничные отруби с размером частиц менее 2 мм (17 мас. %) и перемешивают при тех же условиях еще 20 минут; выкладывают полученную массу в металлическую пресс-форму с полимерными подложками и сушат под грузом 2 кг в сушильном шкафу / термошкафу при температуре 60±5°С в течение 2-3 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %.
2
Пример 2: отличается от примера 1 технологией формования образцов, а именно, массу, выложенную в пресс-форму, прессуют на гидравлическом прессе при температуре 110±5°С и давлении 20 кгс/см в течение 1-2 минут; далее сушат образец в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 2 кг при температуре 60±5°С в течение 2-3 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %. Состав композиции и режим смешения компонентов соответствует примеру 1.
2
Пример 3: отличается от примера 1 технологией формования образцов, а именно, массу, выложенную в форму, оставляют предварительно сушиться в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 2 кг при 60±5°С в течение 30-60 минут до содержания остаточной влаги 30-35 мас. %; далее прессуют на гидравлическом прессе при температуре 110±5°С и давлении 20 кгс/см в течение 1-2 минут; далее сушат образец в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 2 кг при температуре 60±5°С в течение 1-2 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %. Состав композиции и режим смешения компонентов соответствует примеру 1.
Пример 4.
2
К очищенной воде (60 мас. %) при температуре 70±5°С добавляют пшеничные отруби с размером частиц менее 2 мм (40 мас. %) и перемешивают смесь при помощи верхнеприводной мешалки / гомогенизатора / смесительной камеры со скоростью 1000 оборотов в минуту в течение 35 минут; выкладывают полученную массу в металлическую пресс-форму с полимерными подложками; массу, выложенную в форму, оставляют предварительно сушиться в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 3 кг при 60±5°С в течение 30-60 минут до содержания остаточной влаги 30-35 мас. %; далее прессуют на гидравлическом прессе при температуре 110±5°С и давлении 20 кгс/см в течение 1-2 минут; далее сушат образец в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 3 кг при температуре 60±5°С в течение 1-2 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %.
Пример 5.
2
К гуаровой камеди (1,5 мас. %), растворенной в очищенной воде (57 мас. %) при температуре 80±5°С, добавляют глицерин (8 мас. %), пшеничный крахмал (16,5 мас. %) и лимонную кислоту (0,5 мас. %), и перемешивают смесь при помощи верхнеприводной мешалки / гомогенизатора / смесительной камеры со скоростью 1500 оборотов в минуту в течение 15 минут; далее к полученной смеси добавляют пшеничные отруби с размером частиц менее 2 мм (16,5 мас. %) и перемешивают при тех же условиях еще 20 минут; выкладывают полученную массу в металлическую пресс-форму с полимерными подложками; массу, выложенную в пресс-форму, прессуют на гидравлическом прессе при температуре 110±5°С и давлении 20 кгс/см в течение 1-2 минут; далее сушат образец в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 3 кг при температуре 60±5°С в течение 2-3 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %.
2
Пример 6: отличается от примера 5 технологией формования образцов, а именно, массу, выложенную в форму, оставляют предварительно сушиться в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 3 кг при 60±5°С в течение 30-60 минут до содержания остаточной влаги 30-35 мас. %; далее прессуют на гидравлическом прессе при температуре 110±5°С и давлении 20 кгс/см в течение 1-2 минут; далее сушат образец в сушильном шкафу / термошкафу под грузом 3 кг при температуре 60±5°С в течение 1-2 часов до содержания остаточной влаги 5±1 мас. %. Состав композиции и режим смешения компонентов соответствует примеру 5.
Пример 7: отличается от примера 6 составом компонентов, а именно, пшеничные отруби с размером частиц менее 2 мм (16 мас. %), пшеничный крахмал (16 мас. %), глицерин (8 мас. %), желатин (2,5 мас. %), очищенная вода (57 мас. %) лимонной кислота (остальное). Порядок смешения компонентов и технология получения соответствует примеру 6.
3
Согласно примерам, были получены листы материалов на основе указанных композиций толщиной 1,8±0,1 мм и плотностью 0,8-1,2 г/см. Характеристики полученных материалов приведены в Таблице 1. В качестве прототипа был выбран образец съедобной посуды торговой марки Biotrem (Польша) (патент WO/2014/051447 «Method for manufacturing biodegradable mouldings in particular tableware and packages»).
В результате оценки образцов, полученных согласно примерам, формование изделий без этапа прессования способствовало получению неравномерной структуры с многочисленными дефектами в виде короблений и полостей. Для более детального анализа механических характеристик при растяжении и трехточечном изгибе образцов, проанализированы прототип и образцы, соответствующие примерам 3, 4, 6, 7. Измерение физико-механических свойств выполняли на универсальной испытательной машине по методикам, изложенным в ГОСТ 32656-2014 и ГОСТ Р 57749-2017 (образец прямоугольной 10x40 мм, скорость 1 мм/мин).
В результате анализа изученных свойств образцов было установлено, что отруби зерновых культур являются эффективными наполнителями-структурообразователями, придающими вязкость за счет содержания арабиноксиланов и β-глюканов и прочность изделий за счет лигноцеллюлозы. Наиболее предпочтительно использование смесей отрубей и крахмала в соотношении в которых дополнительный крахмал подвергается пластификации под действием глицерина и воды с формированием более термопластичной композиции. При этом, в качестве пластификаторов для отрубей и крахмала предпочтительно использование смеси глицерина и воды, увеличивающих показатель гибкости. Использование лимонной кислоты как катализатора гидролиза крахмала в составе отрубей также позволяет улучшить механические свойства материалов.
Показано, что наибольшей гибкостью и устойчивостью к растягивающим и изгибающим деформациям характеризуются образцы на основе смесей отрубей и крахмала с добавлением глицерина, обеспечивающего пластификацию индивидуального крахмала в составе отрубей, и связующих добавок желатина и камедей. Жесткость таких композиций снижается, однако, образцы характеризуются достаточным модулем упругости при растяжении и изгибе, обеспечивающим жесткость конструкции изделий и сохранение формы при эксплуатации.
Добавление дополнительной связующей добавки из ряда: желатин (Е441), гуаровая камедь (Е412), камедь рожкового дерева (Е410), ксантановая камедь (Е415), обеспечивает более гомогенную структуру и увеличение гибкости материалов, способствует устойчивости к водным средам. Кроме того, указанные связующие добавки предохраняют материалы от термодеструкции в процессе получения, что проявляется в сохранении естественного цвета и запаха отрубей.
Таким образом, предлагаемые материалы и изделия на их основе применимы для получения толстостенной одноразовой посуды, упаковки для пищевой промышленности и области животноводства, за счет использования в составе компонентов, разрешенных для применения в пищевой продукции, являющимися пригодными и безопасными для употребления в пищу, и характеризующимися повышенной способностью к биоразложению. Предлагаемая технология получения заявляемых материалов является легко реализуемой и позволяет изготавливать изделия стандартными методами прессования и формования с минимальными затратами на сырье и дополнительное оборудование, а также обеспечивает изделиям гомогенную структуру без дефектообразования и достаточные прочностные показатели.