2.3. Товароведческая характеристика основного и дополнительного сырья для создания пленок и покрытий
В настоящее время в пищевой промышленности особое внимание уделяется созданию принципиально новых упаковочных материалов – нетоксичных, способных обеспечить эффективную защиту продукта от микробных загрязнений, воздействия кислорода воздуха, предупредить усыхание продукта в период хранения – в том числе наносимых на поверхность продукта и съедаемых вместе с ним.
Классификация пленкообразующих веществ осуществляется по: наличию разрешения к использованию вещества в качестве пищевой добавки; естественной родством; степенью кристалличности; растворимостью в воде; совместительству с другими пленкообразователями и вспомогательными веществами; способностью адсорбционно удерживать влагу; способностью изменять свойства при изменении температурно-влажностных режимов хранения.
Пленкообразующие материалы.
Гидроколоиды – гидрофильные полимеры растительного, животного, микробного или синтетического происхождения, которые, как правило, содержат много гидроксильных групп и могут быть полиэлектролитами (например, альгинат Натрия, каррагинан, карбоксиметилцеллюлоза, гуммиарабик, пектин, ксантановая камедь и тому подобное). В настоящее время, они широко используются в составе пленочных покрытий, контролируют текстуру, вкус и срок годности пищевых продуктов.
Все гидроколоиды полностью или частично растворимы в воде и используются в основном для увеличения вязкости непрерывной фазы (водной фазы), то есть как драглеобразующие компоненты или загустители. Они также могут быть использованы как эмульгаторы, так как их стабилизирующий эффект на эмульсии происходит в результате увеличения вязкости водной фазы съедобной пленки.
Пленки и покрытия на основе полисахаридов Крахмал является природным полисахаридом, который имеет ряд уникальных свойств и особенностей, к которым относятся: восстанавливаемость и неисчерпаемости сырьевых источников для его получения; нетоксичность; легкая смена и придания новых свойств, химической, бактериологической или комбинированной модификацией; возможность создания на основе крахмала или в сочетании с синтетическими полимерами новых биоразлагаемых материалов.
Крахмал и крахмалопродукт используются для получения биодеградированных пленок, чтобы частично или полностью заменить пластиковый полимер. Пленки из крахмала прозрачные или полупрозрачные, без запаха, вкуса и цвета. Многими исследованиями установлено, что условия образования пленки влияют на кристаличность пленок из крахмала и их другие свойства.
Установлено, что пленки с високоамилозного кукурузного крахмала или картофельного крахмала были более стабильными на протяжении старения и не имели или имели небольшое увеличение прочности на растяжение. Съедобные пленки из кукурузного и картофельного крахмала в сочетании с различными пищевыми добавками используют также для упаковки кондитерских изделий.
Пленки из тапиокового крахмала обладают достаточной гибкостью и низкой влагопроницаемостью. Пластификатор, как правило, нужен для съедобных пленок из крахмала для преодоления хрупкости пленки. Пленкообразующие смеси с високоамтлозных крахмалов устойчивы к перепаду температур в процессе замораживания-оттаивания, что дает перспективы для их применения в качестве покрытий для замороженной продукции.
На основе модифицированного крахмала успешно изготавливают упаковку для средств личной гигиены, сельскохозяйственные пленки, пенопластовые упаковочные материалы, одноразовую посуду и т.д. Крахмал является возобновляемым природным сырьем, которое доступно и относительно недорогое.
Хитозан – полисахарид, получаемый из панциря морских и пресноводных ракообразных, имеет фунгицидные и бактерицидные свойства, биологически разлагается, имеет повышенные сорбционные свойства, а также необходимые реологические характеристики для изготовления пленок и использования растворов в качестве покрытий.
Установлено, что процент гибели E. coli в случае использования 1%-го раствора хитозана зависит от его молекулярной массы и составляет 38-88%, B. subtilis – до 100%, Ps. aureofaciens – 80-90%.
Перспективным направлением является получение композиционных растворов и пленок на основе хитозана и различных поликислот, которые позволяют сочетать свойства различных полимеров, повышать прочность, изменять адгезионные характеристики, предоставлять упаковке способность к биоразложению. Водные растворы хитозана обладают высокой вязкостью. Хитозан может образовывать прозрачные пленки для повышения качества и продления срока хранения пищевых продуктов.
Пленки из чистого хитозана, как правило, способны к сцеплению, компактные и поверхность пленки имеет гладкий контур без пор и трещин. Пленки из хитозана, как и большинство пленок на основе полисахаридов, как правило, устойчивы к жиру и маслу, выборочно проницаемые для газов. Раствор хитозана повышает вязкость жидкой панировки, дает ей возможность плотно удерживать на поверхности изделия слой сухарей или муки. Основным недостатком хитозана в качестве пленкообразователя является его плохая растворимость в нейтральных растворах и не высокая устойчивость к прохождению влаги.
Необходимая степень деацетилювання, чтобы получить растворимый продукт, должна быть 80-85% и выше, что ограничивает его использование для изготовления покрытий.
Целлюлоза и ее производные – полисахариды, состоящие из линейных цепей β (1-4) глюкозидних единиц с метилом, гидроксипропилметилом или карбоксильными заменитель. Только четыре формы производных целлюлозы используются для пищевых покрытий или пленок: гидроксипропилцеллюлоза (E463), гидроксипропилметилцеллюлоза (E464), карбоксиметилцеллюлоза (E466) или метилцеллюлоза (E461).
Производные целлюлозы проявляют термогелеобразование – когда суспензия нагревается, они образуют гель, тогда как при охлаждении возвращаются в исходное состояние. Пленки, полученные из их водных растворов, как правило, устойчивы к масла и жира, гибкие, прозрачные, без запаха, цвета, вкуса и растворимые в воде. Для улучшения защиты продукта от влаги в матрицу простого эфира целлюлозы в состав композитной пленки включают гидрофобные соединения, такие как жирные кислоты.
Съедобные покрытия из целлюлозы и ее производных применяют для некоторых фруктов и овощей с целью обеспечения барьеров для кислорода и масла. Тем не менее, пленки из производных целлюлозы имеют невысокие барьерные свойства к водяному пару через гидрофильную природу полисахаридов и характеризуются невысокими механическими свойствами.
Альгинат (E400-E404) – это неперетравлюваний биоматериал из бурых водорослей, поэтому он также может быть рассмотрен как источник пищевых волокон. Альгинат используется как компонент для формирования биополимерной пленки или покрытия через его уникальные коллоидные свойства, которые включают в себя стабилизацию, пленкообразования и драглеобразование.
Съедобные пленки, полученные из альгината, прозрачные, имеют красивый внешний вид, высокие механические характеристики, что позволяет использовать их для машинной формовки колбасных изделий.
В состав альгинатных съедобных пленок могут добавляться различные добавки и антибактериальные компоненты. Известны положительные результаты с применением пробиотиков, масел чеснока и орегано в составе пленки на основе альгината. Пленки на основе альгината имеют низкое сопротивление к воде через их гидрофильную природу, особенностью растворов из альгинатов является их способность к драглеобразование в присутствии кальция, что ограничивает их использование. Камеди используются в приготовлении съедобных покрытий как структурообразователи.
Камеди делятся на три группы: собственно камеди (гуммиарабик, мескитова камедь); экстракты камедей (гуаровая камедь) и микробные камеди (ксантановая камедь).
В приготовлении съедобных покрытий гуаровая камедь (Е412) используется как эмульгатор, стабилизатор и для повышения вязкости. Гуммиарабик (Е414) вследствие его растворимости в горячей или холодной воде является наименее вязким гидроколоидом среди камедей.
Ксантановая камедь (Е415) легко растворяется в воде, поэтому можно быстро получить высокую консистенцию в ее горячих и холодных растворах. Смеси гуаровой камеди, гуммиарабика и ксантановой камеди образуют однородные покрытия.
Мескитова камедь образует пленки с высокими барьерными свойствами в случае добавления небольшого количества липидов. Пленочные покрытия на основе гуммиарабика позволяют уменьшить потемнение очищенного нарезанного картофеля. Недостатком использования камедей является их высокая стоимость.
Агар (Е406) – гидрофильный коллоид, состоящий из смеси агарозы и агаропектина, которые имеют способность образовывать обратимые студень путем охлаждения горячего водного раствора.
Из-за его способность образовывать очень жесткие студень при низких концентрациях, агар широко используется как желирующий компонент в пищевой промышленности. Фотодеградация, колебания температуры окружающей среды и влажность изменяют кристалличность агара, что приводит к образованию микротрещин и хрупкости полимера. Однако известно, что пленка на основе агара образует лучший барьер к воздействию влаги, чем пленки из тапиокового крахмала.
Несмотря на способность к биоразложение и высокую силу драглеобразование, агар мало использовался в составе съедобных пленок за его склонность к старению.
Каррагинан (E407) – водорастворимый линейносульфтный полимер. Сульфитированные полисахариды получают из клеточных стенок различных красных морских водорослей. Применение каррагинина в составе съедобных пленок и покрытий уже охватывает различные сферы пищевой промышленности: свежее и замороженное мясо, птица и рыба для предотвращения обезвоживания поверхности, колбасные оболочки, масло и проч.
Формирование пленок из каррагинина включает процесс гелеобразования с медленным высушиванием, что сопровождается образованием трехмерной сетки двойными спиралями полисахарида и твердой пленки после испарения растворителя. Пленки из каррагинана более прозрачны, чем из крахмала, но каррагинин является более дорогим и менее доступным сырьем.
Пектин (Е440) относится к классу улучшителей консистенции: стабилизаторов, загустителей и студнеобразователей. Степень этерификации пектинов влияет на их свойства (растворимость, гелеобразование, комплексообразования). Пектин хорошо сочетается с другими пленкообразователями, например, с хитозаном. Независимо от степени метоксилирования пектин образует пленки. Установлено антимикробное воздействие эфирных масел (орегано, лимонной травы, коричной масла в различных концентрациях) в составе съедобных покрытий на основе яблочного пектина. Известно также, что использование съедобных пленок, в состав которых входит пектин, предотвращает старение диетического бисквита. Пектин является перспективным сырьем для использования в составе съедобных пленок через его доступность.
Пленки и покрытия на основе белков. При создании современных съедобных упаковочных материалов особое внимание уделяют белкам растительного и животного происхождения, растворимым в воде, спирте или пищевых маслах и жирах: желатина, зейна, альбумина, казеина и др. Главными недостатками белковых пленок и покрытий являются их гигроскопичность и низкие механические свойства. Белки имеют не только высокую пищевую и биологическую ценность, но и функциональные свойства, необходимые для создания съедобных пленок. Полученные покрытия на основе белков, как правило, съедобные и водонерастворимые, вязкие, эластичные, отличаются высокими барьерными характеристиками.
Желатин получают термической денатурацией коллагена, выделенного из кожи животных, костей и рыбной кожи . Желатин хорошо растворим в воде при температуре выше 40 °С с образованием вязкого раствора. Во время охлаждения раствора желатина до 20ºC формируются спирали, хотя и не очень длинные, и только в той части материала, которая образует студень. Желатин имеет хорошие физические свойства и термостабильность.
Пленки из желатина кожи тунца, пластифицированные глицерином, имеют низкую влагопроницаемость по сравнению с пленкой на основе свиного желатина. Использования животного желатина в составе съедобной пленки или покрытия, в основном, в фармацевтической сфере изучено до 60-х годов прошлого века. Свойства и способность желатина к образованию пленки непосредственно связаны с молекулярной массой, то есть, чем выше средняя молекулярная масса, тем лучше качество пленки. Желатин является перспективным сырьем для изготовления съедобных пленок из-за его доступности и относительно небольшой стоимости.
Сывороточные белки. Изолят сывороточного белка образует полностью водорастворимые покрытия, но денатурированные растворы изолята сывороточного белка образуют покрытия, в которых белок является нерастворимым. Из сывороточных белков получают прозрачные, гибкие, бесцветные, без запаха пленки с низким барьером к влаге. Тем не менее, пленки на основе белка имеют красивый аромобарьер. Паропроницаемость может быть улучшена введением в состав пленки гидрофобных материалов, таких как липиды.
Установлено улучшение механических и оптических свойств пищевых пленок с сывороточным белком, содержащим пчелиный воск, сорбит и сорбат калия.
Изолят сывороточного белка и мекскитовой камеди показали полную совместимость для образования пленок. Сочетание изолята сывороточного белка с мескитовой смолой позволяет получить композиционные пленки с улучшенной гибкостью без увеличения содержания пластификатора. Сывороточные белки не перспективны для использования в составе съедобных пленок из-за их стоимости и относительной недоступности. Соевый белок. Для снижения хрупкости пленок из соевого белка их погружают в раствор ацетата натрия, промывают соленой водой и добавляют пластификатор (глицерин или пропандиола).
Кислородопроницаемость у соевых пленок достаточно мала, однако паропроницаемость достаточно велика, что ограничивает возможность их использования.
Итак, среди наиболее распространенных пленкообразователей перспективными являются различные виды крахмала, как возобновляемая, доступна и относительно дешевое сырье. Среди синтетических биоразлагаемых полимеров наиболее перспективным является поливиниловый спирт (ПВС-Е1203 – — влагоудерживающий и глазирующий агент, пленкообразующий и эмульгирующий полимер, способный адсорбировать влагу.
Как влагоудерживающий компонент ПВС участвует в технологических процессах производства пищевых продуктов, обеспечивая связывание влаги, которая остается в изделиях после производственных процессов, придает поверхности продуктов блеска. Применяется Е1203 в изготовлении покрытий и пленок для поверхностной обработки колбасных изделий и сыров. Кроме того, часто ПВС входит в состав БАД в количестве – 45 г/кг вещества.
Установлено, что пищевая добавка Е1203 не оказывает неблагоприятного воздействия на организм человека, однако максимальная норма потребления данного вещества неизвестна. Водорастворимые пленки из ПВС успешно конкурируют с другими видами упаковочных полимерных пленок, благодаря высокой прозрачности, эластичности, небольшому накоплению статического электричества. Их главной отличительной чертой является способность растворяться в воде, как при комнатной, так и при повышенной температуре.
Водорастворимость, высокая устойчивость к маслам, жирам и большинству органических растворителей, а также низкая кислородопроницаемость, позволяют использовать эту пленку для упаковки ядохимикатов, товаров бытовой химии, хирургических инструментов и тому подобное. Во время погружения упаковки в воду пленка растворяется, исключая, тем самым, контакт человека с вредными для здоровья веществами во время их транспортировки. Нерастворимые в воде пленки на основе ПВС и его сополимеров, например, с этиленом, применяют для упаковки пищевых продуктов и одежды, а также для изготовления мембран с регулируемой газо — и паропроницаемостью.
Пластификаторы добавления пластификатора способствует уменьшению межмолекулярных сил вдоль полимерных цепей, что повышает пластичность пленки, уменьшает хрупкость и позволяет избежать усадки во время разделки и хранения. В ряде исследований, однако, сообщается о неблагоприятном влиянии пластификаторов на съедобные характеристики пленки. Большинство из них отмечают повышение газо-, водо — и паропроницаемости и уменьшения когезии, что, главным образом, положительно влияет на механические свойства.
В случае превышения критической концентрации пластификатор может перейти предел совместимости с биополимером и тогда наблюдается распределение системы на фазы.
Пластификаторы являются жидкостями с высокой температурой кипения, средней молекулярной массой от 300 до 600 г/моль, с линейными или циклическими углеродными цепями (14-40 атомов углерода). Степень пластичности полимеров в значительной мере зависит от химической структуры пластификатора, а именно – его химического состава, молекулярной массы и функциональных групп. Изменение типа и уровня пластификатора влияет на свойства конечного пластического продукта.
Совместимость пластификатора и полимера имеет важное значение для эффективной пластификации и зависит от полярности, образование водородных связей, диэлектрической проницаемости и свойств растворимости этих веществ.
Вода является главным растворителем в технологии природных полимеров. Вода является самым мощным природным пластификатором пленок на гидроколлоидной основе.
Наиболее часто как пластификаторы используют многоатомные спирты, моно-, ди-, олигосахариды и многоатомный спирт. В последнее время много исследований сосредоточено на использовании в качестве пластификаторов в съедобных и/или биородеградабельных пленках полиолов, таких как глицерин, этиленгликоль, диетиленгликоль, триетиленгликоль, тетраэтиленгликоль и полиэтиленгликоль, пропиленгликоль, сорбит, маннитол и ксилит; а также жирных кислот; моносахаридов (глюкоза, манноза, фруктоза); этаноламина; мочевины; триэтаноламина; масла; лецитина; восков; аминокислот; поверхностно-активных веществ и воды.
Наиболее часто используются как пластификаторы для пленок из крахмала глицерин и сорбит. Пленки из окисленного картофельного крахмала с глицерином как пластификатором прозрачные и гибкие с хорошими механическими свойствами. Установлено, что повышенная концентрация пластификаторов в съедобных пленках с сывороточным белком снижает прочность на растяжение и модуль Юнга, но увеличивает удлинение.
Итак, наиболее распространенным и доступным среди природных пластификаторов для создания съедобных покрытий, в том числе на основе крахмала, является глицерин.
Функциональные компоненты.
TiO2 как антибактериальный компонент Новое поколение съедобных покрытий содержит природные или химические антимикробные компоненты. В последнее время распространяется использование диоксида титана (TiO2) как антибактериального компонента. Диоксид титана (ТіО2) – краситель белого цвета, широко применяется как пищевая добавка в средства личной гигиены, входит в состав оболочек фармацевтических препаратов. Е171 – обозначение ЕС для пищевой добавки белого цвета ТіО2.
Основные свойства ТіО2: высокая отбеливающая способность, химическая стойкость, нетоксичность, высокая влаго- и атмосферостойкость. На запах и вкус продуктов ТіО2 не влияет, его главное назначение заключается в предоставлении продуктам более аппетитного внешнего вида. Сейчас, благодаря химической и биологической инертности, нетоксичности, возможности продуцировать электроны с низкой скоростью рекомбинации под действием солнечных лучей и искусственного ультрафиолетового излучения, ТіО2 можно эффективно использовать для уничтожения вирусов и бактерий, разрушения раковых клеток, фотокаталитического разложения воды и водно-спиртовых смесей с выделением водорода, дезодорирования воздуха и др.Итак, перспективным направлением является исследование Тио2 как антибактериального компонента в составе съедобной пленки.
Биологически активные добавки.
Съедобные покрытия могут быть использованы как источники питательных веществ и/или биологически активных добавок, например, молочнокислых бактерий и йодскладових, внесением этих веществ в состав пленкообразующего раствора. Разработаны съедобные пленки на основе альгината и геллану для свежих яблок и папайи, содержащие пробиотические бактерии Bifidobacterium Lactis Bb-12.
Использование покрытий на основе фруктоолигосахаридов показали стимуляции роста полезных бифидобактерий в пищеварительном тракте. Приоритетным направлением в хлебопекарной отрасли является производство ржаного хлеба с использованием пробиотических молочнокислых культур Lactobacilli spp., Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp., Propionibacteruim spp., которые способствуют модуляции иммунной системы, поддержанию микрофлоры кишечника, дезактивации канцерогенов и т.д.
Одним из дефицитных микроэлементов в питании населения является йод. Его нехватка в рационе приводит к возникновению различных патологий и заболеваний.
Эламин – это натуральная пищевая добавка из бурой морской водоросли ламинарии. В ламинарии содержатся биологически активные углеводы, минеральные вещества, белки, аминокислоты и азотистые вещества, липиды, пигменты, α — и β-каротин, витамины групп В, С, Е.
Во время производства эламина, благодаря специальной обработке растительного сырья, происходит разрыв клеточных оболочек, облегчается доступ к биологически активным веществам, которые содержатся внутри клеток, высвобождаются альгиновая кислота и ее соли. Поэтому полезные вещества эламина усваиваются организмом на 80-95%, в то время как из морской капусты они усваиваются только на 10-15%.
Также показано, что эламин положительно влияет на кинетику обмена радионуклидов в организме и способствует снижению их накопления (цезия – на 28,8%, стронция – на 26%) в течение одного месяца наблюдения. Государственный комитет России по пищевой промышленности присвоил эламину знак «Продукт с радиопротекторными свойствами». Термообработка пищевых продуктов может привести к значительным потерям жизнеспособности пробиотика и йод-составляющей.
Именно поэтому решением данной проблемы может быть внесение функциональных нутриентов в состав съедобного покрытия, которое наносится на поверхность готового пищевого продукта, без последующей температурной обработки.
Другие функциональные компоненты.
Включение антиоксидантов в состав пищевых пленок увеличивает срок годности продукта, защищая его от окисления и изменения цвета. Природные антиоксиданты, такие как лимонная и аскорбиновая кислоты, были включены в съедобные покрытия на основе метилцеллюлозы для контролирования кислородопроницаемости и уменьшения потери витамина С в абрикосах во время хранения.
Установлено, что покрытия на основе карагинана или сывороточного протеина с добавлением аскорбиновой или лимонной кислоты эффективно поддерживают цвет яблока и продлевают срок хранения.
Исследовано, что банановые ломтики, покрытые хлоридом кальция, аскорбиновой кислотой и цистеином, предотвращают потерю массы продукта. Наличие в пленках на основе хитозана Ca, Zn, витамина Е обеспечивают сохранение свежести фруктов и овощей.
Доказано, что добавление Ca и витамина Е в съедобное покрытие улучшает питательную ценность моркови, свежей и замороженной клубники, малины. Разработаны съедобные пищевые пленки на основе концентрированных ягодных соков (черной и красной смородины) обогащают продукт минеральными веществами и витаминами A, C и группы B.
3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И МАРКЕТИНГОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПРОСА НА ХЛЕБОБУЛОЧНЫЕ ИЗДЕЛИЯ С ИННОВАЦИОННОЙ УПАКОВКОЙ
3.1. Обоснование экономической целесообразности внедрения в производство хлебобулочных изделий с покрытием
В процессе проведения расчетов определяли: оптовую цену продукции, которая складывается из полной себестоимости и прибыли от производства, отпускную цену с учетом налога на добавленную стоимость. В расчетах учитывали рентабельность продукции предприятия 20%.
Стоимость сырья и материалов рассчитывали на 1 т хлебобулочных изделий с учетом разработанного состава покрытия, расходов и цен на сырье и материалы. Хлебобулочные изделия с покрытием предполагается изготавливать массой 250 г. Для изготовления 1 т готовых изделий необходимо 56 кг покрытия. Размер транспортно-заготовительных расходов (доставка сырья на предприятие и осуществление погрузочно-разгрузочных работ) приняли на уровне 5 % от стоимости сырья и материалов. Результаты расчета стоимости сырья и материалов для изготовления 56 кг покрытия на 1 т хлебобулочных изделий приведены в табл. 3.1. и 3.2.
Таблица 3.1 — Расчет стоимости сырья и материалов для производства съедобного покрытия на 1 т хлебобулочных изделий
Таблица 3.2 — Расчет стоимости сырья и материалов для производства антибактериального покрытия на 1 т хлебобулочных изделий
Обобщенные результаты расчетов себестоимости нового вида продукции – съедобного покрытия для хлебобулочных изделий по статьям расходов приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3 Расчет себестоимости и отпускной цены съедобного покрытия по разработанной технологии на 1 т хлебобулочных изделий или 40 кг съедобного покрытия
* 1 – съедобное покрытие; 2 – съедобное покрытие с эламином; 3 – съедобное покрытие с сухой пробиотической закваской; 4 – антибактериальное покрытие
Установлена отпускная цена хлебобулочного изделия массой 250 г. В случае нанесения съедобного покрытия цена увеличивается на 1,30 руб. (съедобное покрытие без добавок); на 1,72 руб. (съедобное покрытие с эламином); на 3,58 руб. (съедобное покрытие с сухой пробиотической закваской); на 0,65 руб. (антибактериальное покрытие).