Развитие и тенденции в области новых материалов для упаковки пищевых продуктов 

В настоящее время наиболее распространенные новые материалы для упаковки пищевых продуктов можно разделить на четыре категории: разлагаемые материалы, съедобные материалы, перерабатываемые материалы и другие упаковочные материалы (например, новые наноматериалы для упаковки). В данной статье основное внимание уделяется наиболее изученным и широко применяемым биоразлагаемым материалам и съедобным материалам. Кроме того, дается краткое описание активных и интеллектуальных упаковок, которые в настоящее время привлекают все большее внимание на рынке. Мы надеемся, что эта статья станет источником вдохновения для будущих исследований и разработок в области упаковки пищевых продуктов.

01

Разлагаемые материалы

Биоразложение — это процесс ферментативного разложения углеродсодержащих соединений под действием микроорганизмов до низкомолекулярных соединений. Биоразлагаемые пищевые упаковочные материалы на биологической основе — это новый тип пищевых упаковочных материалов, изготовленных из пищевых возобновляемых ресурсов, таких как целлюлоза, крахмал, белки, хитозан, липиды, с помощью таких технологических процессов, как сухое смешивание сырья, многокомпонентное смешивание с модификацией, прививочная полимеризация, стабилизация и формование. Их основными характеристиками являются биоразлагаемость, избирательная проницаемость, антибактериальные свойства, безопасность и удобство.

В зависимости от источника материала его можно разделить на натуральные полимерные материалы, микробиологические синтетические материалы, химические синтетические материалы и смешанные материалы.

①Натуральные полимерные материалы

Натуральные биоразлагаемые материалы обладают очевидными преимуществами, такими как широкая доступность, низкая стоимость, отличная биосовместимость, безопасность и нетоксичность, а также полная разлагаемость. Однако их недостатки также очевидны: как правило, они не устойчивы к высоким температурам, обладают низкими механическими свойствами, трудно поддаются обработке и сложны в формовке.

Например, целлюлоза — это широко распространенный в природе природный полимер. Растения содержат около 35 % целлюлозы, и ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется миллиарды тонн целлюлозы. Целлюлоза, необходимая для промышленного производства, в основном получается из древесной массы и хлопка.

Однако из-за недостаточных физических свойств природного целлюлозы, тонкие пленки, изготовленные только из нее, не обладают необходимой водостойкостью и прочностью, поэтому в большинстве случаев ее смешивают с другими полимерами, такими как деацетилированные полисахариды, полученные из хитозана.

Кроме того, наноцеллюлоза, полученная физическими, химическими или биологическими методами, представляет собой жесткие стержневидные волокна диаметром от 1 до 100 нм и длиной от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров.

Наноцеллюлоза обладает хорошей механической стабильностью, разлагаемостью, воспроизводимостью и биологической адаптируемостью, что делает ее высокоэффективным материалом с огромным потенциалом применения.

② Микробиологически синтезированные полимерные материалы

Поли-3-гидроксибутират и поли-3-гидроксивалерат (PHBV) — это термопластичные биополиэфиры, синтезируемые прокариотическими микроорганизмами в условиях дисбаланса питательных веществ, таких как углерод. Они обладают многими полезными свойствами, в том числе хорошей биоразлагаемостью, биосовместимостью и оптической активностью.

Британская компания ICI первой начала использовать ферментацию микроорганизмов для получения PHBV и его производных. Токийский технологический университет также разработал полигидроксибутират (PHB).

Однако собственные структурные особенности биополиэфиров обусловливают некоторые недостатки их эксплуатационных характеристик, такие как низкая термостойкость, высокая кристалличность, склонность первичных волокон к слипанию, хрупкость изделий и низкая гидрофильность. Кроме того, оба эти материала являются довольно дорогостоящими.

В настоящее время ведется много исследований по модификации структуры PHBV и формообразованию волокон с целью улучшения тепловых характеристик и обрабатываемости материалов PHBV, а также повышения эксплуатационных характеристик продукции.

③Химически синтезированные полимерные материалы

Полимолочная кислота (PLA), полученная путем ферментативного полимеризации органических отходов, таких как кукуруза, пшеница, картофель, свекла и их корни, стебли и листья, также является предметом активных исследований в области биоразлагаемых материалов для упаковки пищевых продуктов.

Полимолочная кислота — это биосовместимый и разлагаемый полиэфирный полимер, который в естественных условиях подвергается гидролизу, разрушению молекулярного скелета, образованию компонентов с относительно низкой молекулярной массой, дальнейшему разложению на низкомолекулярные мономеры молочной кислоты и, в конечном итоге, полному разложению на углекислый газ и воду, возвращаясь в экологический цикл и не оказывая никакого токсического воздействия на окружающую среду. Пищевые стаканчики из полимолочной кислоты разлагаются всего за 60 дней.

Полимолочная кислота может быть переработана в волокна и пленки с превосходными механическими свойствами, прочность которых в целом сопоставима с прочностью нейлоновых и полиэфирных волокон. Она подходит для различных методов переработки, таких как выдувное формование и термопластификация, и проста в обработке.

Кроме того, полимолочная кислота обладает хорошими влагоотталкивающими, маслоотталкивающими и герметичными свойствами, а также стабильными характеристиками при комнатной температуре. В будущем полимолочная кислота, скорее всего, заменит традиционную пластиковую упаковку и будет иметь широкие перспективы примене

Крахмалопластик — это материал, содержащий более 90% крахмала, причем добавленные другие компоненты также поддаются полному разложению. В настоящее время японская компания Корпорация Сумитомо, американская компания Вамер-Ламбер и итальянская компания Ферриз заявляют об успешных исследованиях в области производства крахмалопластика с содержанием крахмала от 90% до 100%, который подвергается полному биологическому разложению в течение от одного месяца до одного года, не оставляя никаких следов.

Принцип производства полностью крахмального пластика заключается в дезорганизации молекул крахмала, в результате чего образуется крахмальная смола с термопластичными свойствами, поэтому его еще называют термопластичным крахмальным пластиком.

Потенциальные преимущества разработки биоразлагаемых пластиков на основе крахмала заключаются в том, что крахмал полностью разлагается в различных условиях. Продукты биологического разложения — углекислый газ и вода — безвредны для окружающей среды. Применение соответствующих технологических процессов позволяет улучшить механические свойства материала.

④Смешанные полимерные материалы

Смешанные биоразлагаемые материалы — это полимерные материалы, полученные путем смешивания или сополимеризации двух или более натуральных или синтетических биоразлагаемых материалов, причем по крайней мере один из них является биоразлагаемым компонентом.

Например, «Новон» американской компании Вамер-Ламберявляется типичным материалом смешанного типа. Он изготовлен из кукурузного крахмала с добавлением разлагаемого поливинилового спирта, обладает хорошей формуемостью и может использоваться для производства различных контейнеров, пленок, мусорных пакетов, бутылок и банок. В то же время он полностью разлагается в течение от одного месяца до одного года, что делает его очень перспективным материалом.

В настоящее время в Китае производится в основном наполнитель на основе крахмала, то есть в небиоразлагаемый полимер добавляется определенное количество крахмала. Разложение продукта происходит за счет разложения крахмала, что приводит к разрушению структуры, но неразлагаемые компоненты остаются в окружающей среде и загрязняют ее. За рубежом материалы этого типа не относятся к биоразлагаемым пластмассам.

02

Пищевые упаковочные материалы

Съедобные упаковочные материалы включают съедобную упаковочную пленку и съедобные чернила. Съедобная упаковочная пленка — это упаковочный материал, изготовленный на основе белков, жиров, полисахаридов и других веществ, который позволяет сохранять свежесть продуктов, не токсичен и съедобен. Этот материал чаще всего имеет форму тонкой пленки. Главная особенность такой упаковки заключается в том, что помимо функции упаковки продуктов, она может быть съедена животными и людьми.

Съедобная упаковка обычно изготавливается из съедобных материалов, таких как крахмал и белок, которые комбинируются, нагреваются, прессуются, наносятся и экструдируются для получения упаковочной пленки, не влияющей на вкус продуктов.

Съедобные чернила получают путем изменения состава красителей и связующих веществ. Например, красители в основном извлекаются из натуральных растительных и животных красителей, таких как желтый горький, красный шафрановый и т. д. Связующие вещества получают из растительных масел, таких как арахисовое масло, салатное масло и т. д., или из жидкого сахара. Этот материал не только безвреден для человека, но и не наносит вреда окружающей среде, легко разлагается.

В зависимости от сырья, из которого изготовлены упаковочные материалы, они подразделяются на крахмальные, белковые, полисахаридные, жирные, комплексные и растительные.

①Крахмальная упаковочная пленка

Этот тип материалов в основном производится из кукурузы, батата, картофеля, тофу и пшеницы, смешивая их крахмал с определенным количеством клеящего вещества, а затем обрабатывая методом экструзии или горячего прессования. Клеящее вещество также чаще всего представляет собой натуральный нетоксичный растительный или животный клей, например, желатин, агар-агар, натуральный смоляной клей и т. д.

② Белковая упаковочная пленка

Основными сырьевыми материалами для этой категории являются соя, кукуруза, пшеница и сыворотка. Из соевого белка получают соевый белок, добавляют глицерин в качестве пластификатора и в кислой и щелочной среде получают соевую белковую мембрану, которая обладает хорошими механическими свойствами и водостойкостью. Кукурузный спиртовой белок в смеси воды и спирта образует нерегулярные линейные группы, которые после выпаривания растворителя дают прозрачную мембрану с гладкой поверхностью.

Эта пленка обладает хорошими антибактериальными свойствами, проницаемостью для кислорода, водостойкостью, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и маслоотталкивающими свойствами, что позволяет значительно продлить срок хранения продуктов и делает ее идеальным материалом для упаковки продуктов, хранящихся в холодильнике.

③ Полисахаридная упаковочная пленка

Полисахаридные упаковочные пленки в основном используют гелеобразующие свойства полисахаридов. Они изготавливаются из крахмала, целлюлозы или хитозана с добавлением определенных пищевых пластификаторов. Полисахариды имеют относительно стабильную структуру, что облегчает их транспортировку.

Однако его гидрофильность может повлиять на вкусовые качества и срок хранения содержимого. Поэтому в процессе производства часто добавляют в соответствующих пропорциях сорбитол и глицерин, что не только придает пластичность, но и увеличивает прочность пленки.

Кроме того, при добавлении в состав соответствующего количества пчелиного воска, стеариновой кислоты, агар-агара и гиалуроновой кислоты можно получить прозрачную, прочную и гладкую упаковочную пленку. А добавление хитозана и лигнина позволяет получить маслостойкую, нерастворимую в воде упаковочную пленку с высокими барьерными свойствами.

④ Жиронепроницаемая упаковочная пленка

Этот вид упаковочной пленки изготавливается из волокон жировой ткани продуктов питания. Данный материал эффективно предотвращает потерю влаги, поэтому используется для транспортировки и хранения свежих фруктов. Однако он обладает низкой прочностью на разрыв, поэтому не нашел широкого применения.

⑤Композиционная упаковочная пленка

Композиционная упаковочная пленка — это упаковочный материал, изготовленный из нескольких видов основного материала с использованием различных технологий обработки. Например, упомянутые выше крахмал, белок и полисахариды смешиваются в различных пропорциях и под действием других добавок и вспомогательных веществ образуют композиционную пленку. Особенностью такой пленки является возможность добавления различных количеств сырья в зависимости от содержимого. Например, для сохранения влаги внутри можно добавить относительно большое количество высокомолекулярных жирных кислот.

03

Активная упаковка и интеллектуальная упаковка

Кроме того, стоит упомянуть об упаковке, которая постепенно набирает популярность, – это активная и интеллектуальная упаковка. В 2001 году 12 европейских исследовательских организаций, занимающихся упаковкой пищевых продуктов, и пищевых предприятий в рамках исследовательского проекта «Эффективность активной и интеллектуальной упаковки, ее влияние на экономику и окружающую среду, а также степень ее принятия потребителями» предложили следующие определения активной и интеллектуальной упаковки:

Активная упаковка — это технология упаковки, которая изменяет условия хранения продуктов питания с целью продления срока их хранения или улучшения безопасности и органолептических качеств.

Интеллектуальная упаковка — это технология упаковки, позволяющая контролировать условия хранения упакованных продуктов в процессе их обращения и реализации, а также получать информацию о качестве и безопасности продуктов.

В настоящее время требования к упаковке продуктов питания не ограничиваются только защитой от повреждений. Потребители хотят, чтобы упаковка сохраняла свежесть продуктов, обладала антибактериальными свойствами, продлевала срок хранения и защищала от подделки. Например, в Японии разработана интеллектуальная этикетка, которая при порче мяса микроорганизмы выделяют аммиак, вступающий в реакцию с химическим веществом в этикетке, в результате чего она меняет цвет с белого на фиолетовый и становится нечитаемой, что делает продукт непригодным для продажи.

Активная упаковка и интеллектуальная упаковка обладают функциями контроля, распознавания и оценки факторов окружающей среды. Она может контролировать, распознавать и отображать такие важные параметры, как температура, влажность, давление в упаковке, а также степень и время герметичности, что позволяет контролировать качество продуктов, предоставлять информацию о качестве продуктов, эффективно продлевать срок хранения продуктов и сохранять свежесть свежих продуктов, максимально сохраняя качество и питательную ценность продуктов.

Кроме того, активная и интеллектуальная упаковка позволяет повысить эффективность логистики, сократить логистические расходы, эффективно контролировать качество содержимого и упаковки, уменьшить количество повреждений, обеспечить безопасность и качество товаров, а также имеет положительное значение для повторного использования и переработки упаковки.

04

Резюме

Несмотря на то, что в настоящее время многие страны достигли значительного прогресса в разработке биоразлагаемых и съедобных упаковочных материалов, их практическое применение еще требует дальнейшего совершенствования. Например, некоторые материалы еще не обладают достаточной твердостью и прочностью, а производственные технологии нуждаются в усовершенствовании. Кроме того, хотя сырье для некоторых материалов является широко доступным и недорогим, стоимость производственного процесса остается высокой, и одной из ключевых проблем, сдерживающих применение биоразлагаемых материалов, является снижение производственных затрат.