Рациональное применение пищевых функциональных композитов на основе белковых полимеров в производстве пищевых продуктов
Введение
Нанонауки и нанотехнологии применяются в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и безопасности пищевых продуктов относительно недавно по сравнению с их использованием в косметике и средствах личной гигиены (60%), красках и покрытиях, катализаторах и смазках, защищенной печати, доставке лекарств и фармацевтических препаратов, медицинской терапии и диагностика, производство энергии, молекулярные вычисления и конструкционные материалы [1]. В 2017 году в исследования и разработки в области нанотехнологий было инвестировано более 17,8 млрд. долл. США, и к 2020 году эта сумма возрастет до 3 трлн. долл. Сектор упаковки пищевых продуктов составляет около 50% рыночной стоимости для всех продуктов с поддержкой нанотехнологий. Ежегодный прирост составляет 11,65%. Нанотехнологии в основном применяются в упаковочных материалах с чрезвычайно высокими газовыми барьерами, обладающих антимикробными свойствами, и в наноинкапсулянтах для доставки питательных веществ, ароматизаторов или ароматов [2].
В соответствии с постановлением (ЕС) = № 1935/2004 хорошая упаковка должна иметь следующие функции: «защищать пищу от грязи или пыли, кислорода, света, патогенных микроорганизмов, влаги и ряда других разрушительных или вредных веществ. Упаковка также должна быть безопасной в соответствии с намеченными условиями использования, инертной, дешевой в производстве, легкой, легко утилизируемой или повторно используемой, способной выдерживать экстремальные условия во время обработки или наполнения, невосприимчивой к множеству условий хранения и транспортировки в окружающей среде и устойчивой к физической силе»[3].
Наноматериалы применяются в упаковке для безопасности пищевых продуктов. Она представлена в различных формах, таких как: полимерные нанокомпозиты с высокими барьерными свойствами, интеллектуальная упаковка, нанопокрытия, поверхностные биоциды, активная упаковка, наночастицы серебра в качестве антимикробных агентов, наносенсоры и анализы для обнаружения пищевых аналиты (газы, небольшие органические молекулы и пищевые патогены) и биопластики.
Основные направления последних разработок в области упаковки:
1. улучшенная упаковка, которая предлагает улучшенные механические свойства, такие как гибкость, улучшенные барьерные свойства в отношении воды, газов, загрязнений, долговечности, стабильности температуры / влажности и т. д.;
2. активная / биоактивная пищевая упаковка обладает антимикробными, антиоксидантными или биокаталитическими функциями. Она может быть получен путем включения активных / биоактивных соединений в матрицы, используемые в существующих упаковочных материалах, или путем нанесения покрытий с упомянутой функциональностью посредством физической или химической модификации поверхности. Активная упаковка применяется для упаковки пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и потребительских товаров с целью увеличения срока годности, безопасности или качества упакованных пищевых продуктов. Вариант покрытия является предпочтительным, поскольку объемные свойства упаковочных материалов сохраняются почти нетронутыми благодаря использованию минимального количества активного агента, необходимого для придания эффективности, и, следовательно, также снижается стоимость.
3. умная / интеллектуальная упаковка как перспективное направление для активного упаковочного покрытия разработана путем производства нано (био) сенсоров, которые могут указывать на качество пищевых продуктов, нано (био) переключения на высвобождение консервантов и нанопокрытий как противомикробных, противогрибковых, антиоксиданты, барьерные покрытия, материалы, реагирующие на внешние раздражители, и самоочищающиеся поверхности, контактирующие с пищевыми продуктами. Интеллектуальные чернила, такие как наночастицы и реактивные нанослои, позволяют распознавать аналиты в наноразмерном масштабе. Печатные этикетки наносятся для указания: температуры, времени, патогена, свежести, влажности, целостности [3]. Интеллектуальная упаковка может отслеживать различные параметры упакованных продуктов, такие как: температура, кислород, pH, влажность и т. д. [4,15].
1. Полимерные нанокомпозиты
Полимерные нанокомпозиты в основном получают путем диспергирования наноразмерного наполнителя в полимерную матрицу.
Полимеры, обычно используемые в пищевой упаковке в качестве матриц или подложек для биологически активных покрытий, являются синтетически неразлагаемыми в виде полиэтилена низкой плотности и высокой плотности (ПЭНП и ПЭВП), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТ), этиленвинилового спирта (EVOH), сополимера, полиамида (PA), полистирол (PS) и разлагаемые в виде полигидроксиалканоатов (полигидроксибутират (PHB), поли (гидроксибутират-гидроксивалерат) (PHBV)), поли (молочная кислота) (PLA), поликапролактон (PCL), поливиниловый спирт (PVOH) и биополимеры как полисахариды и белки с критической проблемой водостойкости, миграции и проницаемости и т
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. д. Эти свойства могут быть улучшены путем добавления армирующих соединений (нанонаполнителей), образующих бионанокомпозиты [6]. Из-за различных характеристик их применение в пищевой упаковке является специфическим. Например, HDPE используется в качестве молочных бутылок и пакетов, LDPE для лотков и контейнеров общего назначения, PP имеет высокую температуру плавления, идеально подходит для жидкостей с горячей заливкой, пленок и емкостей для микроволновой печи, в то время как ПЭТ прозрачный, прочный и имеет хорошие газо- и влагобарьерные свойства, поэтому его используют для бутылок с безалкогольными напитками, напитков и минеральных вод, газированных напитков и пр. [7]. Хотя синтетические полимеры образуют огромное количество отходов и оказывают негативное воздействие на окружающую среду, использование разлагаемых полимеров позволяет избежать этих проблем, поскольку они биосовместимы и безопасны в использовании. Однако большинство разлагаемых полимеров находятся на стадии исследования или их стоимость высока, в Европе используется упаковка для пищевых продуктов на основе PLA (самый дешевый материал на основе био) и упаковки на основе поли (бутиленадипат-терефталата) (PBAT), Япония и Северная Америка [8,9]
Кроме того, в последнее время была изготовлена серия из биоразлагаемых нанокомпозитных пленок на основе PBAT, усиленных нанолистами из органофильного слоистого двойного гидроксида OLDH (0,5-4 мас.%). Се и др. сообщили о таких материалах с «выдающимися тепловыми, оптическими, механическими и водонепроницаемыми барьерными свойствами: снижение мутности на 37% и растяжение при растяжении на 41,9% лучше, чем у чистой пленки PBAT и коммерческих полиэтиленовых упаковочных материалов» [10].
Активные вещества, используемые в активной упаковке и покрытиях, включают противомикробные препараты, антиоксиданты и ферменты, которые контролируют рост микроорганизмов, ингибируют реакции окислительной деградации и обеспечивают целевой биокатализ, который поддерживает безопасность и качество продуктов питания и контролирует порчу.
Наиболее используемыми нанонаполнителями и нанонапряжениями являются: глинистый монтмориллонит (MMT) и нанолитики из каолинита и силиката (двумерные слои толщиной 1 нм и длиной несколько микрон), наночастицы кремнезема, углеродные нанотрубки, графеновые нанолистки, серебро, оксид цинка, титан диоксид, оксиды меди и меди, нанокристаллы крахмала, нановолокна и нановолокна целлюлозы, нитриды хитозана и хитина и другие. Что касается их геометрии, то наноразмерные наночастицы имеют три нанометровых внешних размера, в то время как нанотрубки или усы представляют собой удлиненные структуры с двумя внешними размерами в нанометровом масштабе, а третий больше [11]. Другая классификация - это нульмерные, одномерные, двумерные и трехмерные наноструктурированные материалы [12]. Нановолокна могут быть также известны как нанопроволоки (электропроводящие нановолокна), нанотрубок (нановолокон Hallow) и наностержней (сплошных нановолокон) [13].
Когда в нанометровом диапазоне находится только одно измерение, композиты известны как слоистые нанокомпозиты на основе полимерных слоев [14]. Роль нанонаполнителей и наноармирующих добавок в композитах заключается в улучшении механических, термических (температура стеклования, температуры плавления и разложения) и барьерных свойств за счет увеличения длины пути для диффузии газа, изменения смачиваемости поверхности и гидрофобности и т. д. Для упаковки пищевых продуктов они используют следующие свои свойства антимикробную активность, поглощение кислорода, иммобилизация ферментов, биосенсирование и т. д. Нанокомпозиты обычно представляют значительные изменения свойств при низких нагрузках 5 мас.% от нанонаполнителей и 2% объема. Кроме того, нанокомпозиты улучшают стабильность органолептических свойств, таких как вкус, улучшают сохранение цвета и текстуры, повышают стабильность продукта в пищевой цепи и уменьшают порчу. Хорошо известно, что межфазная область в нанокомпозитах чрезвычайно велика, поэтому взаимодействие полимера с наночастицами является сильным, и это изменит подвижность полимера и динамику релаксации, уменьшит подвижность цепи из-за наномодификации[14].
Известно несколько типов полимерных нанокомпозитов в зависимости от используемого нанонаполнителя. Примеры включают в себя поглотители ультрафиолетового излучения для предотвращения разложения ультрафиолетовых лучей пластиковых полимеров (например, наночастиц диоксида титана, оксидов железа, диоксида кремния, глинозема), нитрид титана (TiN), используемых для улучшения прочности материалов, композиты из нанокальцийкарбоната и полимера, биоразлагаемый крахмал и / или полимолочная кислота с различными наноглиновыми композитами, газобарьерными покрытиями и т
50% статьи недоступно для прочтения
Закажи написание статьи по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Задать вопрос
