Являются ли съедобные покрытия ответом на более свежую и экологически чистую упаковку для фруктов и овощей?

В недавнем обзоре, опубликованном в журнале Продукты питания, Исследователи сопоставили имеющуюся литературу о съедобных покрытиях и их потенциале в пищевой промышленности. Их исследования показывают, как эти покрытия на основе биополимеров могут представлять собой идеальную альтернативу консервантам и обычным пластиковым упаковочным материалам при консервировании пищевых продуктов, особенно скоропортящихся, таких как свежие фрукты и овощи. В этом обзоре подробно рассказывается о различных типах съедобных покрытий, изучаемых в настоящее время, о том, как они разрабатываются и производятся, а также об их потенциальном применении в будущем.

Обзор: Съедобные покрытия как натуральная система упаковки для увеличения срока годности и качества фруктов и овощей. Изображение предоставлено: Бесконечная удача / Shutterstock

Необходимость консервирования пищевых продуктов нового поколения

Исследования вредного воздействия пищевых консервантов на здоровье и достигнутая в результате осведомленность потребителей вызвали сдвиг на рынке, на котором свежие и «органические» пищевые продукты все чаще отдаются предпочтение их более обработанным аналогам. Поскольку общественность все больше осознает влияние антропогенных загрязнителей на окружающую среду, пищевые компании теперь сталкиваются с дилеммой, связанной с сокращением пластиковых отходов, а также с необходимостью продлить срок годности быстропортящихся свежих продуктов в результате этого сдвига.

В то время как биотехнология предложила альтернативу генетически модифицированным сельскохозяйственным культурам с увеличенным сроком хранения, генная инженерия может зайти настолько далеко в увеличении продолжительности, в течение которой фрукты и овощи остаются вкусными, не говоря уже о свежести. Растущий спрос в развитых странах на «органические» свежие продукты, многие из которых являются экзотическими и импортируются из зарубежных стран, вынуждает пищевую промышленность искать альтернативы, которые могут предотвратить порчу продуктов питания из-за окисления, микробного заражения или ухудшения сенсорных характеристик, не принося при этом дополнительных добавок. к существующему переизбытку пластика, который скапливается на свалках по всему миру.

Недавние исследования показали, что съедобные покрытия могут стать решением, которое ищет пищевая промышленность. Съедобные покрытия представляют собой пленки на основе биополимеров, непосредственно наносимые на поверхность пищевых продуктов для формирования защитного барьера (первичной упаковки) от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Эти экологически чистые пленки считаются безопасными для потребления человеком, а также удовлетворяют требованиям сохранности (проницаемость для кислорода и углекислого газа) и сенсорным свойствам (должны быть прозрачными, без вкуса и запаха). В зависимости от состава съедобные покрытия могут иметь дополнительные преимущества, улучшая сенсорные свойства продуктов, которые они защищают, или улучшая их биохимическую, физико-химическую и микробную стабильность.

В зависимости от состава биопленки подразделяют на три типа: гидроколлоиды (состоящие из полисахаридов и липидов), липиды и их комбинации. Кроме того, некоторые съедобные покрытия содержат неорганические наночастицы (НЧ), эфирные масла (ЭО) и другие элементы для удовлетворения конкретных пищевых потребностей.

Схематическое изображение процессов нанесения покрытия на фрукты и овощи. (А): окунание; (Б): распыление; (С): вакуумная пропитка.

Процесс изготовления и нанесения пленки

Литье и экструзия являются двумя наиболее часто используемыми и широко изученными методами формирования пленок. Литье — это трехэтапный процесс, в котором биополимер сначала растворяют в нетоксичном растворителе, затем отливают в форму, а затем сушат. Благодаря когезионному взаимодействию частиц этот метод позволяет получить однородную съедобную пленку. Кастинг представляет собой недорогой метод производства пленки, не требующий специального производственного оборудования. К сожалению, учитывая необходимость как в растворителе, так и в форме, литье по своей сути требует много времени, ограничивается производством только листов и трубок и склонно к денатурации белка, вызванной растворителем, что ограничивает его использование лабораторными исследованиями и пилотным промышленным применением.

В отличие от «мокрого» процесса литья с использованием растворителя, экструзия представляет собой сухой метод, включающий прямое смешивание компонентов биопленки, которые затем сжимаются при высоких температурах и давлениях. Он устраняет недостатки литья, поскольку является быстрым и энергоэффективным процессом с возможностью включения широкого спектра составляющих компонентов. Его недостатком является потребность в дорогостоящем специализированном оборудовании, требующем частого обслуживания, что ограничивает его использование крупномасштабным промышленным применением.

На сегодняшний день разработаны три основных метода нанесения экструзионного покрытия – окунание, распыление и вакуумная пропитка. Распыление – самый старый и наиболее часто используемый метод. Как следует из названия, биополимерный состав распыляется на все поверхности пищевых продуктов. Хотя это обеспечивает гомогенную упаковку, распыление может даже не привести к потере биополимера и чистому снижению пищевой ценности консервированных продуктов. При методе погружения продукты питания погружают в раствор для покрытия на 5–300 секунд, после чего излишки раствора сливают. Этот метод гарантирует равномерное покрытие всех поверхностей пищевых продуктов с минимальными потерями компонентов пленки.

Вакуумная пропитка — это новый метод, следующий за погружением. После погружения пищевого продукта он подвергается воздействию чрезвычайно низкого давления, которое удаляет остаточный воздух и создает состояние «вакуума», увеличивая срок хранения.

Составляющие фильма

Полисахариды являются наиболее часто используемыми из различных макромолекул, используемых в съедобных покрытиях. Эта группа характеризуется как эффективная O₂ и CO₂ барьеры, но, учитывая их гидрофильную природу, плохие барьеры для влаги. Хитозан (CH), полученный из хитина, крахмала, пектина, альгината и целлюлозы, является широко используемым полисахаридом, хотя его обычно комбинируют с другими соединениями, чтобы уменьшить недостатки удержания влаги.

Съедобные покрытия на белковой основе являются следующей основной группой пленок, преимущества которых заключаются в их газонепроницаемых свойствах и их потенциальном использовании в качестве прямых белковых добавок к пищевым продуктам, которые они покрывают. Сыворотка, соя, глютен и кукурузный зеин — широко используемые белковые компоненты съедобного покрытия, которые все чаще исследуются на предмет их возможности вторичной переработки в пищевой промышленности.

Липиды составляют последнюю основную группу биомолекул, традиционно используемых для производства пленок. Липиды обычно обладают лучшими свойствами устойчивости к влаге и окислению по сравнению с любым из вышеупомянутых компонентов пленки. Однако их высокая гидрофобность приводит к тому, что их пленки сравнительно гораздо более хрупкие, чем полисахариды или белки. Обычно их необходимо наносить толстыми слоями, которые, хотя и нетоксичны, но их необходимо удалять перед употреблением в пищу. Парафин был одним из первых компонентов съедобных оболочек и остается самым популярным компонентом липидных пленок, используемым сегодня.

Эфирные масла (ЭМ) представляют собой ароматические соединения, почти повсеместно получаемые из растительных экстрактов. Эти масла выбраны из-за их улучшающих сенсорные ощущения (запах) и гидрофобных свойств. ЭО редко используются изолированно, но часто встречаются в качестве добавок в пленках, состоящих в основном из полисахаридов, белков или липидов. В последнее время исследования начали сосредотачиваться на выявлении ЭМ с дополнительным преимуществом наличия собственных антимикробных свойств и их применении в качестве натуральных консервантов, которые могут продлить срок хранения пищевых продуктов.

«Наноэмульсии представляют собой растворы масло в воде или вода в масле, которые можно использовать в рецептурах съедобных покрытий для улучшения их физико-химических свойств. Наноэмульсии «масло в воде» больше подходят для этого применения, поскольку их можно легко сплавить с пищевыми компонентами, что позволяет лучше масштабировать процесс. Наноэмульсии «масло в воде» считаются съедобными покрытиями следующего поколения, поскольку их можно соединять с пищевыми компонентами, что открывает больше возможностей для расширения масштабов производства в отрасли за счет применения подхода гомогенизации».

Бионанокомпозиты — это новые компоненты пленок, которые включают в себя неорганические наночастицы (НЧ), нановолокна и нанонаполнители в различных комбинациях и толщинах пленок для достижения желаемой степени воздухо- и влагостойкости. Было показано, что некоторые из этих соединений улучшают механические свойства и термостойкость основного компонента пленки на основе полимера. НЧ представляют собой твердые коллоидные частицы наноразмера, которые стабильны, функциональны и биологически активны. Большинство этих коллоидов выбраны из-за их антимикробных свойств, что существенно увеличивает срок хранения пищевых продуктов.

Пищевые побочные продукты как материалы для формирования съедобной оболочки

Во всех съедобных покрытиях, используемых в настоящее время в пищевой промышленности, в качестве основного биополимера выступает по крайней мере одна природная макромолекула – полисахарид, липид или белок. Большинство, если не все, из них можно получить непосредственно из побочных продуктов пищевой промышленности, особенно во время уборки продовольственных культур.

Крупномасштабные промышленные и научные исследования изучают возможность получения всех компонентов покрытия из побочных продуктов пищевого производства или переработанных липидов, что в случае успеха внесет существенный вклад в эффективность и экологичность съедобной упаковки. Таким образом, пищевые отходы и воздействие пищевой промышленности на окружающую среду будут сведены к минимуму.

Выводы

Настоящее исследование обобщило предыдущую литературу о съедобных покрытиях, уделив особое внимание их составу, рецептуре, применению, а также относительным плюсам и минусам. Как промышленные, так и научные данные подтверждают, что когда конкретные требования к стойкости пищевых продуктов оптимизированы, съедобные покрытия значительно продлевают срок хранения скоропортящихся пищевых продуктов без необходимости использования обычных потенциально токсичных консервантов. Было доказано, что съедобные покрытия улучшают физико-химические и сенсорные привлекательность инкапсулированных продуктов, что еще раз подтверждает их преимущества.

«Съедобные покрытия являются подходящей альтернативой традиционной пластиковой упаковке, которая в настоящее время широко изучается, особенно для скоропортящихся продуктов, таких как фрукты и овощи. Необходимость сокращения пищевых отходов, заинтересованность потребителей во включении в свой рацион большего количества свежих продуктов, а также осведомленность общества об окружающей среде являются ключевыми моментами и основными причинами, по которым съедобные покрытия вызывают такой большой интерес со стороны научного сообщества. Собранные данные о съедобных покрытиях показывают, что этот путь должен быть рассмотрен пищевой промышленностью не только из-за преимуществ с точки зрения продления срока годности скоропортящихся продуктов, но и из-за возможности использования других пищевых побочных продуктов. такие как пектин и хитозан, в качестве биополимеров для составов покрытий».