Биополимерная композиция для пищевой упаковки Российский патент 2025 года по МПК C08L5/08 C08L101/16 B65D65/46 C08J5/18 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может быть использовано для получения съедобной биополимерной пленки, которая выполняет функции защитного барьера от контаминации и механических повреждений пищевых продуктов, в том числе плодов овощей и фруктов, сохраняющая свою целостность в условиях контактирования с водой, а при попадании в желудочно-кишечный тракт человека, разлагающаяся на безвредные соединения.

На сегодня увеличивается производство упаковочных материалов на основе нефтепродуктов, однако негативное влияние данных материалов на окружающую среду хорошо известно и требует внедрения экологически чистого аналога, не уступающего в эксплуатационных характеристиках. В качестве реагентов для создания альтернативных упаковочных материалов могут быть использованы хорошо зарекомендовавшие себя в пищевой промышленности следующие вещества: белки, полисахариды и их производные, а также их смеси с различным соотношением взаимодействующих компонентов.

Также повышению заинтересованности со стороны потребителей к данному упаковочному материалу будет способствовать не только нетоксичность и биосовместимость предлагаемого решения, но и минимизирование изменения органолептических свойств упакованных продуктов, что часто наблюдается при традиционном варианте хранения с использованием углеводородсодержащего сырья в результате миграции низкомолекулярных остаточных реагентов на поверхность продуктов питания.

Известен состав биоразлагаемой полимерной композиции для упаковки продуктов, включающий картофельно-крахмальную мезгу и сорбитол в качестве пластификатора или смесь клеточного сока картофеля и дибутилсебацинат в качестве пластификатора, пектин, карбоксиметилцеллюлозу, альгинат натрия, воду (Патент RU 2651034 C1, опубликовано 18.04.2018, МПК C08L 3/04 (2006.01), C08L 5/06 (2006.01), C08L 1/10 (2006.01), C08J 5/18 (2006.01), B65D 65/46 (2006.01), B65D 81/34 (2006.01)).

Недостатком данного изобретения является использование в качестве пищевого эмульгатора карбоксиметилцеллюлозы, которая может способствовать развитию заболеваний, связанных с дисбактериозом микробиоты, что ограничивает пригодность и безопасность для употребления материала в пищу. Кроме того, получаемые изделия являются достаточно хрупкими.

Известен состав биоразлагаемой полимерной пленки для упаковки продуктов питания, в том числе творог, мягкие сыри и сливочное масло. Состав содержит желатин, каррагинан, агар-агар и/или гидроксипропилметилцеллюлозу и воду (Патент RU 2693776 C1, опубликовано 04.07.2019, МПК C08L 1/32 (2019.02); C08L 5/12 (2019.02); C08L 101/16 (2019.02); C08J 5/18 (2019.02)).

Недостатками данного изобретения являются: большое поглощение воды упаковочным материалом, вследствие чего материал становится гелеобразным. Достаточно высокая хрупкость материала в сухом состоянии. При изготовлении материала используются такие дорогостоящие компоненты, как агар-агар и каррагинан, что приводит к снижению рентабельности предлагаемой упаковки и получение материала производится методом экструзии с раздувом рукава, что требует высокотехнологичного, дорогостоящего оборудования.

Также известен состав биоразрушаемого пластика для создания формовочных изделий пищевого назначения. Состав включает в себя следующие вещества: основной компонент – полипропилен; биоразлагаемые наполнители – рисовая лузга и кукурузный крахмал; краситель - двуокись титана; технологические добавки - рисовое масло, капролактам 1,5, моностеарат глицерина, полиэтиленовый воск (Патент RU 2724249 C1, опубликовано 22.06.2020, МПК C08L 101/16 (2019.08); C08L 23/12 (2019.08); C08L 91/06 (2019.08)).

Недостатком данного изобретения является использование в качестве красителя двуокиси титана (E171), наночастицы которого могут мигрировать на поверхность упакованных продуктов. Наличие Е171 в продуктах питания может оказывать генотоксичное действие, поэтому данная добавка запрещена европейским агентством по продовольственной безопасности. Кроме того, содержание полипропилена, являющегося синтетическим полимером, создает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Известен состав биоразлагаемого материала для изготовления съедобной упаковки и посуды, включающий отруби зерновых культур или смесь отрубей и крахмала, очищенную воду или смесь воды и глицерина, желатин, гуаровую камедь, камедь рожкового дерева, ксантановую камедь, а также вспомогательные добавки (Патент RU 2767348 C1, опубликовано 17.03.2022, МПК A21D 13/33 (2021.08); B65D 65/46 (2021.08)).

Недостатком данного изобретения является изготовление толстостенных прессованных или формованных съедобных емкостей и упаковки, что не предполагает получение пленок.

Известен состав защитного пленкообразующего покрытия для мяса и мясопродуктов, включающий одно-трехосновную органическую кислоту, хитозан, полимер и воду, где в качестве полимера выступает желатин пищевой, или крахмал, или клетчатка (Патент RU 2352126 C2, опубликовано 20.04.2009, МПК A23B 4/10 (2006.01), A23B 4/20 (2006.01)).

Недостатком данного изобретения является получение пленки, пригодной для упаковки только охлажденных или замороженных продуктов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является композиция представленная в способе получения пленочного материала, описанный в работе «Изучение влияния состава самосборных гидрогелей на основе (био)полиэлектролитных комплексов между хитозаном и желатином на их структурные, сорбционные и физико-механические свойства», Литвинов М.Ю., Кашурин А.И., Подшивалов А.В., Бутлеровские сообщения С. 2024. Т.7. №1. Id.15. DOI: 10.37952/ROI-jbc-01/24-77-3-122/ROI-jbc-RС/24-7-1-15. Композиция представляет собой пленочный материал на основе полиэлектролитного комплекса между хитозаном и желатином, полученный методом литья пленкообразующего раствора с последующей сушкой. Недостатком данного состава, принятого за ближайший аналог, является хрупкость не позволяющая произвести упаковку небольших порций продуктов.

Технической задачей решаемой предлагаемым изобретением является повышение эластичности биополимерного съедобного упаковочного материала для пищевых продуктов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении пластических физико-механических свойств материала.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что биополимерная композиция для пищевого упаковочного материала, состоящая из полиэлектролитного комплекса, образованного желатином, растворенным в воде и хитозаном, растворенном в 0,5 М растворе уксусной кислоты, оттитрованного гидроксидом натрия с образованием ацетата натрия отличается тем, что на каждые 100 г полиэлектролитного комплекса дополнительно вводят глицерин и эфирное масло имбиря так, что обеспечивается следующее соотношение компонентов, г/100г:

желатин 2,86–3,53;

хитозан 0,12–0,29;

глицерин 0,95–1,10;

эфирное масло имбиря 0,16–0,18;

ацетат натрия 0,47–1,14;

уксусная кислота 0,023–0,056;

вода – остальное.

Предлагаемый состав биополимерной композиции содержит в качестве основного пленко- и структурообразующего компонента желатин в количестве 2,86–3,53 г/100г. Данный белок обладает высокой способностью к пленкообразованию, хорошими влагоудерживающими свойствами и сравнительно низкой температурой растворения в воде. Кроме того, под действием желудочного сока, который содержит соляную кислоту, а также различных ферментов, в числе которых пепсин, трипсин и химотрипсин, происходят денатурационные процессы в структуре белков, способствуя его расщеплению на более мелкие пептиды, что делает желатин наиболее привлекательным для использования в качестве основного компонента съедобного упаковочного материала.

Дополнительный структурообразующий компонент, хитозан, в количестве 0,12–0,29 г/100г, являясь широко распространенным полисахаридом, способствует значительному повышению влагоудерживающих свойств упаковочного материала. Помимо этого, данная добавка повышает эксплуатационные характеристики готового покрытия, в частности проницаемость паров воды, физико-механические и антибактериальные свойства, а также снижает растворимость покрытия в воде в результате формирования с желатином полиэлектролитного комплекса в ходе реакции электростатического взаимодействия между противоположно заряженными ионизированными группами. Кроме того, данный компонент также способен к деградации в организме под действием лизоцима и бактериальных ферментов.

Глицерин (Е422) введенный в количестве 0,95–1,10 г/100г в составе пленкообразующего раствора используется в качестве биосовместимого полярного пластификатора, который значительно снижает хрупкость упаковочного материала. Кроме этого, данная добавка препятствует предварительному высыханию пленочного материала, поддерживая требуемое влагосодержание в результате формирования наиболее прочных водородных связей с водой, что увеличивает сроки годности продуктов питания.

Водная эмульсия эфирного масла имбиря в количестве 0,16–0,18 г/100г в составе пленкообразующего раствора используется в качестве бактериостатической добавки, обладающей высоким фунгицидным и антибактериальным эффектом, способствуя снижению вероятности контаминации и продлению сроков годности упакованных пищевых продуктов.

Водный раствор уксусной кислоты (Е260), применяемый в пищевой промышленности как консервант, используется в составе пленкообразующего раствора в качестве растворителя хитозана и вводится в количестве 0,023–0,056 г/100г.

Ацетат натрия (Е262), применяемый в пищевой промышленности как консервант, в составе пленкообразующего раствора используется в качестве агента для поддержания требуемого уровня pH и присутствует в композиции в количестве 0,47–1,14 г/100г, что способствует наличию противоположно заряженных ионизированных групп на макромолекулах хитозана и желатина, с их последующим взаимодействием при формировании полиэлектролитного комплекса.

Пределы представленных значений ингредиентов композиции являются необходимыми и достаточными. Так, при значениях, меньше указанных количество противоположно заряженных групп на макромолекулах хитозана и желатина недостаточно для обеспечения требуемых условий формирования полиэлектролитного комплекса, составляющего основу пленочного материала. При значениях выше указанных наблюдается понижение диссоциации ионизированных групп, что приводит к снижению выхода продукта и ухудшению эксплуатационных характеристик упаковки. Полиэлектролитный комплекс из хитозана и желатина представляет собой пространственную сетку, в структуру которой внедрены молекулы глицерина и эфирного масла имбиря, что обеспечивает улучшение пластических свойств материала.

Совокупность перечисленных выше признаков приводит к реализации технического результата.

Примеры

При получении упаковочного материала использовался хитозан марки ТУ 9289-067-00472124-03, со степенью деацетилирования СД = 83,1% и желатин типа Б со средневязкостной молекулярной массой M_v = 63,1±8,7 кДа.

Изобретение предлагаемого состава биополимерной композиции реализуется посредством приготовления пленкообразующих растворов для дальнейшего получения упаковочного материала.

Нижеперечисленные примеры описывают технологию приготовления пленкообразующих растворов с разными концентрациями компонентов:

Пример 1. Приготовление индивидуальных растворов биополимеров происходило путем растворения навесок хитозана в 0,5 М растворе уксусной кислоты с обеспечением концентрациии хитозана - 1 мас.% и растворение желатина в дистиллированной воде с обеспечением концентрациии желатина - 4 мас.%. Приготовление смеси из индивидуальных растворов биополимеров осуществлялось путем смешения хитозана, в количестве 29 г раствора хитозана, что содержит 0,29 г полимера хитозана, и желатин, в количестве 71 г раствора желатина, который содержит 2,86 г желатина, с добавлением 0,95 г глицерина, что составляет 30 мас.% от общей массы полимеров, с последующей гомогенизацией. После гомогенизации в раствор вводят эфирное масло имбиря в количестве 0,16 г, что составляет 5 мас.% от общей массы полимеров. Далее полученную смесь титруют 2-молярным раствором гидроксида натрия (2М NaOH) до рН = 6, что приводит к образованию ацетата натрия в количестве 1,14 г. Затем полученную дисперсию коацерватов термостатируют и, далее, отстаивают до полного гелеобразования. Для получения пленочного материала, полученные ранее термообратимые гидрогели плавят и отливают в виде пленки с последующей сушкой в сушильном шкафу при 35°С.

В последующих примерах приготовление термообратимых гелей, и получение пленок осуществляется аналогично Примеру 1.

Пример 2. Приготовление индивидуальных растворов осуществляется по Примеру 1. Приготовление смеси из индивидуальных растворов биополимеров осуществляется путем смешения хитозана в количестве 21 г раствора хитозана, что содержит 0,21 г полимера хитозана, и желатина в количестве 79 г раствора желатина, который содержит 3,15 г желатина, с добавлением 1,01 г глицерина, что составляет 30 мас.% от общей массы полимеров, с последующей гомогенизацией. После гомогенизации в раствор вводят эфирное масло имбиря в количестве 0,17 г, что составляет 5 мас.% от общей массы полимеров. Далее полученную смесь титруют 2М раствором гидроксида натрия до рН = 6, что приводит к образованию ацетата натрия в количестве 0,84 г.

Пример 3. Приготовление индивидуальных растворов осуществляется по Примеру 1. Приготовление смеси из индивидуальных растворов биополимеров осуществлялось путем смешения хитозана в количестве 12 г раствора хитозана, что содержит 0,12 г полимера хитозана и желатина в количестве 88 г раствора желатина, который содержит 3,53 г желатина, с добавлением 1,1 г глицерина, что составляет 30 мас.% от общей массы полимеров, с последующей гомогенизацией. После гомогенизации в раствор вводят эфирное масло имбиря в количестве 0,18 г, что составляет 5 мас.% от общей массы биополимеров. Далее полученную смесь титруют 2М раствором гидроксида натрия до рН = 6, что приводит к образованию ацетата натрия в количестве 0,47 г.

Настоящее изобретение относится к биополимерной композиции для пищевого упаковочного материала, состоящей из полиэлектролитного комплекса, образованного желатином, растворенным в воде и хитозаном, растворенном в 0,5 М растворе уксусной кислоты, оттитрованного гидроксидом натрия с образованием ацетата натрия отличающейся тем, что на каждые 100 г полиэлектролитного комплекса дополнительно вводят глицерин и эфирное масло имбиря так, что обеспечивается следующее соотношение компонентов, г/100г: желатин 2,86–3,53; хитозан 0,12–0,29; глицерин 0,95–1,10; эфирное масло имбиря 0,16–0,18; ацетат натрия 0,47–1,14; уксусная кислота 0,023–0,056; вода – остальное. Настоящее изобретение обеспечивает повышение пластических физико-механических свойств материала. 3 пр.

Биополимерная композиция для пищевого упаковочного материала, состоящая из полиэлектролитного комплекса, образованного желатином, растворенным в воде, и хитозаном, растворенном в 0,5 М растворе уксусной кислоты, оттитрованного гидроксидом натрия с образованием ацетата натрия, отличающаяся тем, что на каждые 100 г полиэлектролитного комплекса дополнительно вводят глицерин и эфирное масло имбиря так, что обеспечивается следующее соотношение компонентов, г/100г:

желатин 2,86–3,53;

хитозан 0,12–0,29;

глицерин 0,95–1,10;

эфирное масло имбиря 0,16–0,18;

ацетат натрия 0,47–1,14;

уксусная кислота 0,023–0,056;

вода - остальное.