Упаковка пищевых продуктов с использованием искусственного интеллекта

У бактерицидной упаковки довольно широкий спектр воздействия на вредную среду. Она может легко воздействовать на грибы, дрожжи, актиномицеты, препятствуя при этом порче пищи (сыр, колбаса, готовые мясопродукты и т.д.) и потере её качества. Вещество «Дельвоцид» обладает ограниченным спектром противомикробного действия, а вот дегитроцетовая кислота и её соли, являясь при этом экологически безопасным средством, обладают более высокой биологической активностью к огромному микроорганизменному спектру, практически не токсичные и имеют пролонгированное действие.

В неблагоприятной экологической обстановке пища может стать источником и носителем потенциально опасных для человека химических и биологически активных соединений, являющихся продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. Соединения, опасные для здоровья, содержатся как в сырье, так и в пищевых продуктах на различных технологических стадиях переработки, фасовки, хранения и реализации. В то же время, безопасность и качество пищи – одно из основных условий, определяющих здоровье нации. В России в последние годы из-за резкого спада производства продуктов питания и оттока сельскохозяйственного сырья в сферу предприятий малой мощности возрастает опасность микробного заражения и, как следствие, снижения качества пищевой продукции.

Для снижения содержания влаги внутри упаковки в полимерный материал вводят специальные поглотители, в основном минеральные (например, цеолиты, пермутиты и т. п.) При этом процесс поглощения влаги может сопровождаться подавлением роста микроорганизмов. График, демонстрирующий рост плесени на сырах, обработанных по традиционной и новой технологии представлен на рис.1.3.

Рис.1.3 График, демонстрирующий рост плесени на сырах

В последние годы в состав полимерных упаковочных материалов начали вводить ферментные добавки. Особый интерес и социальную значимость имеют разработка и использование биологически активных упаковочных материалов с ферментами, иммобилизованными в полимерном материале. Такие материалы способны регулировать состав, биологическую и органолептическую (вкус, консистенция, цвет и запах) ценность продуктов питания, ускорять технологические процессы получения готовой продукции. В России это направление еще недостаточно широко развито и находится в стадии становления. Активная упаковка для сыра позволяет дольше сохранить его свежим, рис.1.4. Слева – сыр, упакованный в обычную пленку, справа – в активную. Все головки сыра выдержаны одно и то же время. Как показали исследования, при иммобилизации на полимерном носителе определенные ферменты, сохраняя свою биологическую активность (на 70-80%), способны приобретать некоторые новые свойства.

Рис.1.4. Активная упаковка для сыра

Так, для материалов с иммобилизованными ферментами характерно расширение диапазонов рабочих температур и рН, что весьма положительно сказывается на скорости технологических процессов гидролиза биологических субстратов (белков, жиров, углеводов). Известно, что свободные ферменты и их смеси относятся к дорогостоящим препаратам, часто закупаемым по импорту. Производственные испытания новых материалов с иммобилизованными ферментами на перерабатывающих предприятиях АПК показали возможность их многократного использования. Так, биологически активный полимерный материал (БАПМ) с иммобилизованным пепсином (фермент, расщепляющий протеины), выдержал свыше 90 производственных циклов при проведении холодной ферментации молока перед приготовлением сырного сгустка. Таким образом, применение БАПМ позволяет в 2-3 раза сократить расход ферментов и ферментных смесей. Одновременно в результате использования БАПМ повышается качество готовой продукции (сортность продукта увеличивается на 20-30%) и достигается более эффективная переработка пищевого сырья (полнота использования пищевого сырья увеличивается на 50-80%).

Съедобные покрытия. Весьма перспективным является также использование таких “активных” оболочек, как съедобные покрытия. Пленкообразующей основой в этом случае являются природные полимеры – полисахариды. Наибольшее распространение получили здесь производные крахмала и целлюлозы. Свойства этих полимеров поистине уникальны: обладая прекрасной пленкообразующей способностью (съедобные пленки), они широко используются как компоненты пищевых продуктов, например, в качестве структурообразующих агентов (загустителей) в пастообразной молочной, кондитерской и плодоовощной продукции. Пленки на основе производных целлюлозы (например, карбоксиметилцеллюлоза и ее натриевая соль) и модифицированных крахмалов (например, карбоксиметилкрахмал, КМК) защищают пищевой продукт от потерь массы (за счет снижения скорости испарения влаги) и создают определенный барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляя тем самым процессы, обуславливающие порчу пищевого продукта (окисление жира, денатурализация белка и т. д.) Съедобные пленки на основе природных полимеров обладают высокой сорбционной способностью, что предопределяет их положительное физиологическое воздействие. Так, при попадании в организм эти вещества адсорбируют и выводят ионы металлов, радионуклиды (продукты радиоактивного распада) и другие вредные соединения, выступая таким образом в роли детоксиканта. Благодаря введению специальных добавок – ароматизаторов, красителей – в полимерную оболочку можно регулировать вкусо- ароматические свойства собственно пищевого продукта в съедобной пленке. Таким образом, “активная” съедобная оболочка может изменять сенсорное восприятие продукта потребителем, что особенно важно при приеме продуктов лечебно- профилактического действия, например, пищи с пониженным содержанием жира, сахарозы, с добавлением растительного (например, соевого) белка. Кроме того, способность съедобной пленки удерживать различные соединения позволяет обогащать продукты питания минеральными

Примерами областей использования съедобных пленок на основе природных полимеров являются покрытия на быстрозамороженной мясной продукции. Следует напомнить, что глубокое охлаждение признано лучшим способом хранения мяса (при -18° С говядина сохраняется в течение 1 года, при -30°С до 2 лет). Однако в неупакованном виде замороженное мясо в процессе хранения теряет от 1 до 3% массы (за счет вымораживания влаги), а также подвергается негативным качественным изменениям. Формирование же на блоках замороженного мяса покрытий на основе карбоксиметилеллюлозы существенно снижает действие перечисленных факторов. Кроме того, эти покрытия исключают загрязнение окружающей среды отходами использованной упаковки, поскольку дальнейшая переработка мяса осуществляется вместе с покрытием. Аналогичные съедобные покрытия разработаны и используются для защиты мясных и мясорастительных полуфабрикатов, выпускаемых заводами быстрозамороженных блюд.

Активная упаковка продлевает срок хранения и повышает безопасность продуктов, взаимодействуя с ними или с окружающей средой. Активная упаковка — это не просто пассивный барьер. В ней используются такие элементы, как противомикробные вещества, поглотители кислорода и влагопоглотители. Эти элементы изменяют внутренние условия, чтобы поддерживать высокое качество продукта.

Последние разработки направлены на использование натуральных противомикробных соединений, особенно эфирных масел и растительных экстрактов, смешанных с биополимерными матрицами. Например, покрыли говядину хитозановой пленкой, обогащенной маслом орегано, чтобы подавить рост микроорганизмов. Они пришли к выводу, что пленка подавляет рост золотистого стафилококка лучше, чем кишечной палочки O157:H7, и при этом срок хранения увеличивается до 10 дней. Аналогичным образом нанокомпозитные пленки из оксида графена и серебра в качестве активного упаковочного материала показали снижение количества золотистого стафилококка и кишечной палочки на 80–85 % в свежих продуктах, что привело к увеличению срока их хранения. Наночастицы серебра и оксида цинка продемонстрировали значительное антибактериальное действие на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами. Недавно. разработали пленку из полимолочной кислоты, пропитанную розмарином (растительным поглотителем кислорода), которая значительно замедляет окислительную порчу говядины.

Кроме того, бактериальные экзополисахариды в последнее время привлекают внимание как перспективные биоматериалы для съедобной и «умной» упаковки пищевых продуктов. По данным Aziz et al. съедобные пленки на основе пенополистирола не только служат эффективным барьером для кислорода и влаги, но и повышают безопасность пищевых продуктов, обладая антимикробными и антиоксидантными свойствами. Однако остаются нерешенными такие проблемы, как восприятие продукта потребителями и долговечность материала, но активная упаковка имеет решающее значение для сокращения пищевых отходов. Она хорошо вписывается в глобальный переход к натуральным консервантам и экологически чистым материалам.

1.2. Биоразлагаемая упаковка

Биоразлагаемая упаковка — это не один материал, а группа полимеров с разными свойствами и требованиями к утилизации.

Умные биоразлагаемые и экологичные материалы — это инновационные решения, которые сочетают способность к биоразложению с дополнительными функциональными свойствами, такими как сенсорность, самовосстановление, контроль условий хранения или адресная доставка веществ. Они играют ключевую роль в снижении экологического воздействия в различных отраслях — упаковке, медицине, сельском хозяйстве, текстильной промышленности и электронике

Одни материалы действительно способны компостироваться (например, PLA-пластик), другие лишь распадаются на более мелкие фрагменты под воздействием солнечного света и кислорода (например, пластик с оксо-добавками). Поэтому маркировка «био» ещё не означает, что упаковка безопасно разлагается в природе или домашнем компосте. Наиболее распространённый компостируемый биополимер — PLA (полилактид) — рассчитан на промышленный коспост. Без специализированной инфраструктуры он не реализует свои преимущества и может затруднять переработку вторсырья.

Основные типы биоразлагаемых материалов.

1. Биоразлагаемые полимеры — материалы, которые разлагаются под воздействием микроорганизмов (бактерий, грибков) и ферментов в естественных условиях (в почве, воде, компосте) до простых веществ: углекислого газа, воды и биомассы. К ним относятся следующие виды:

-Полилактид (PLA). Получают из возобновляемых источников, таких как кукурузный крахмал, сахарный тростник или маниок. Используется для производства упаковки, одноразовой посуды, медицинских имплантатов. В условиях промышленного компостирования при температуре 60°C и влажности 90%. PLA может разлагаться за несколько недель.

-Полигидроксиалканоаты (PHA). Производятся бактериями из возобновляемого сырья — растительных масел, сахара, отходов сельскохозяйственного производства. Обладают хорошей биосовместимостью и биоразлагаемостью, могут быть жёсткими или гибкими, термопластичными или термореактивными.

-Крахмальные полимеры. Получаются путём модификации крахмала для улучшения его свойств. Отличаются низкой стоимостью и доступностью, но часто требуют модификации для повышения прочности и водостойкости.

-Хитозан — биоразлагаемый полимер, который обладает противомикробной активностью против бактерий, грибов и некоторых вирусов. Его положительная зарядность позволяет взаимодействовать с отрицательно заряженными компонентами клеточных мембран микроорганизмов, нарушая их целостность и проницаемость. Кроме того, хитозан может проникать в клетки, взаимодействовать с нуклеиновыми кислотами, белками и питательными веществами, что приводит к ингибированию роста.

-Эфирные масла — многокомпонентные смеси летучих органических соединений (терпенов, терпеноидов, фенилпропаноидов и др.), которые обладают антимикробными свойствами. Однако их активность может снижаться из-за испарения, разложения под воздействием света, тепла или кислорода.

-Наноэмульсии используются для инкапсуляции эфирных масел в полимерную матрицу (например, хитозановую), что обеспечивает контролируемое высвобождение активных веществ, повышает их стабильность и эффективность. Это позволяет эффективнее бороться с микроорганизмами.

В некоторых исследованиях наноэмульсии на основе хитозана и эфирных масел применяли для защиты других продуктов, например, томатов или говядины. Также есть данные о создании наноэмульсий с эфирными маслами анибы розовой, орегано, тимьяна и других растений.

Таким образом, технология наноэмульсий с хитозаном и эфирными маслами представляет собой перспективное направление для снижения микробной нагрузки на пищевые продукты,

-Мицелий (грибной мицелий). Волокнистая корневая структура грибов, которую выращивают на сельскохозяйственных отходах (конопляной костре, кукурузных стеблях и т. д.). После сбора урожая материал выпекают, чтобы уничтожить грибки, и получают гибкое, прочное и биоразлагаемое вещество.

2. Материалы с интегрированными датчиками, красителями или электроникой. Позволяют мониторить состояние продукта, условия хранения, взаимодействовать с потребителем и производителем.

3. Экологичные материалы. Это материалы, которые при производстве используют возобновляемое сырьё, минимизируют использование токсичных химикатов и снижают негативное воздействие на окружающую среду. К ним относятся, например:

-Бамбук. Быстро восстанавливается после сбора, используется как альтернатива пластику.

- Пробка. Эластична, водонепроницаема и более экологична, чем кожа, пена, пластик и дерево.

-Материалы на основе целлюлозы. Лёгкие, прочные, с хорошей термостойкостью, возобновляемые, биоразлагаемые и компостируемые.

-Ткани из органического хлопка, конопли, водорослей и другие варианты, созданные с учётом принципов экологичности.

Перспективные направления развития биоразлагаемых материалов:

-развитие нанокомпозитов на основе биоразлагаемых полимеров и органомодифицированных слоистых силикатов, которые могут улучшать механические и теплофизические свойства материалов;

-создание биоразлагаемых сенсоров, аккумуляторов и других компонентов электроники;

-интеграция умных технологий в текстиль и носимую электронику;

-развитие инфраструктуры для промышленного компостирования и правильной утилизации биоразлагаемых материалов.

Биоразложение представляет собой разрушение сложных органических соединений под воздействием живых организмов, преимущественно микроскопического размера — бактерий, грибов и водорослей. Процесс протекает в несколько последовательных стадий:

1.Фрагментация (деполимеризация). Под влиянием тепла, влаги, ультрафиолетового излучения или механического воздействия длинные полимерные цепи материала распадаются на более короткие фрагменты. На этой стадии материал теряет прочность и рассыпается на мелкие части.

2.Ассимиляция. Микроорганизмы колонизируют поверхность фрагментов полимера и выделяют ферменты (внеклеточные белки-катализаторы). Эти ферменты расщепляют короткие углеродные цепи на еще более простые молекулы, которые способны пройти сквозь клеточные мембраны микроорганизмов. 3.Минерализация. Внутри клеток микроорганизмов полученные вещества используются в качестве источника энергии. В результате их жизнедеятельности образуются конечные продукты: углекислый газ, вода, минеральные соли и новая клеточная биомасса.

Бактерии, синтезирующие природный полимер полигидроксибутират (РНВ) На рис. 1.5, полученном с помощью светового микроскопа, представлены палочковидные бактериальные клетки. Темные округлые включения внутри клеток — это гранулы полигидроксибутирата (РНВ), который относится к классу полигидроксиалканоатов (РНА). Микроорганизмы синтезируют этот полимер естественным путем и накапливают его внутри себя в качестве резервного источника питания и энергии. При аэробном разложении (в присутствии кислорода) основным газообразным продуктом является углекислый газ (CO₂). При анаэробном разложении (в условиях отсутствия кислорода) образуется метан (CH₄).

Рис.1.5. Бактерии, синтезирующие природный полимер

Скорость всех трех стадий зависит от структуры самого полимера (наличия гидролизуемых связей, степени кристалличественности) и внешних параметров: температуры, влажности, уровня pH, доступности кислорода и концентрации необходимых штаммов микроорганизмов, рис.1.6.

Рис.1.6. Гидролитическая деструкция макромолекул биополимера

Зависимость разложения от типа окружающей среды. Разные среды обладают принципиально разными физико-химическими характеристиками.

1.Промышленное компостирование. Это искусственно созданная среда, оптимизированная для максимально быстрого разложения органики. В промышленных установках поддерживается постоянная температура в диапазоне от 55 до 60°C. Обеспечивается высокая влажность (около 50-60%), непрерывная принудительная подача кислорода (аэрация) и контроль соотношения углерода и азота. В таких условиях большинство сертифицированных биопластиков полностью разлагаются в течение нескольких недель или месяцев.

2. Домашнее компостирование. Условия в обычном садовом компостере нестабильны. Температура в нем напрямую зависит от времени года и редко поднимается выше 30-40 °C. Влажность и доступ кислорода распределяются неравномерно. Материалы, разработанные для промышленного компостирования, в таких условиях могут не разлагаться годами.

3. Почва. В естественном грунте температура значительно ниже, чем в компосте, а состав микрофлоры зависит от географического положения и типа почвы. Разложение полимеров в почве происходит медленнее, так как активность ферментов микроорганизмов снижается при средних уличных температурах.

4. Водная среда (реки, моря, океаны). Морская вода характеризуется низкими температурами (часто ниже 10°C), высокой соленостью и специфическим составом микроорганизмов. Большинство современных биопластиков в воде не разлагаются. Они сохраняют свою структуру, опускаясь на дно или дрейфуя в толще воды, где представляют такую же опасность для морской фауны, как и традиционный пластик.

5. Полигоны твердых коммунальных отходов (свалки). Современные санитарные полигоны устроены так, чтобы изолировать мусор от внешней среды с целью предотвращения загрязнения грунтовых вод. Отходы утрамбовываются тяжелой техникой и пересыпаются слоями грунта. В результате внутри тела полигона создаются анаэробные условия (полное отсутствие кислорода) и дефицит влаги. В таких условиях биологические процессы практически останавливаются. Даже обычная бумага или остатки пищи могут сохраняться на свалке без изменений в течение десятилетий, не говоря уже о биопластиках.

Анализ полилактида (PLA) как основного биополимера. Полилактид (PLA) — наиболее распространенный биоразлагаемый термопластичный полимер. Его производят из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. По своим физико-механическим свойствам он близок к полиэтилентерефталату (PET), из которого делают бутылки для напитков.

Химическая структура PLA представляет собой эфирную цепь. Чтобы началось ее разрушение, требуется запустить процесс гидролиза — расщепления связей под воздействием молекул воды. Этот процесс эффективно инициируется только при температуре выше температуры стеклования полимера, которая для PLA составляет около 55-60°C. Если температура ниже этого порога, молекулярная структура PLA остается жесткой, вода не может проникнуть внутрь материала, и гидролиз происходит крайне медленно. Именно поэтому бутылка или стаканчик из PLA, выброшенные в лесу или водоеме, будут сохранять свою форму годами, практически не отличаясь по поведению от обычного пластика нефтехимического происхождения.

Стандарты оценки биоразлагаемости и проблема фрагментации. Для регулирования рынка биоразлагаемой упаковки были разработаны специальные стандарты и методы испытаний. Они определяют, в какой среде и за какой срок материал должен распасться, чтобы получить соответствующий сертификат. Рассмотрим некоторые из них.

1.EN 13432 (Европейский стандарт) и ASTM D6400 (Американский стандарт): эти нормативы регулируют требования к упаковке, утилизируемой путем промышленного компостирования. Согласно стандартам, не менее 90% органического углерода в составе материала должно превратиться в углекислый газ (CO₂) за период, не превышающий 180 дней при температуре около 58°C. Также оценивается влияние полученного компоста на рост растений (тест на экотоксичность) и содержание тяжелых металлов.

2. ISO 14855: описывает метод определения конечной аэробной биоразлагаемости пластиков в контролируемых условиях компостирования путем измерения объема выделившегося углекислого газа.

3. OECD 301: серия тестов Организации экономического сотрудничества и развития, оценивающая «быструю биоразлагаемость» химических веществ в водной среде.

Вещество считается быстроразлагаемым, если в течение 28 дней уровень его биоразложения достигает 60-70% в зависимости от метода измерения.

Проблема промежуточной фрагментации. Серьезным недостатком многих биоразлагаемых материалов является то, что в процессе распада они сначала рассыпаются на мелкие частицы. Этот процесс может занимать недели и месяцы. В течение этого переходного периода фрагменты материала размером менее 5 миллиметров классифицируются как микропластик.

Хотя эти частицы теоретически должны разложиться в будущем, на промежуточном этапе они способны накапливаться в почве, сорбировать на своей поверхности токсичные вещества из окружающей среды и попадать в пищевые цепи животных.

Текущие стандарты сертификации не всегда учитывают экологические риски, возникающие именно на этапе фрагментации материала.

Экологические риски и побочные эффекты биоразложения. Использование биоразлагаемой упаковки сопряжено с рядом неочевидных экологических проблем, которые часто игнорируются при продвижении таких товаров.

1. Выбросы парниковых газов. Если биоразлагаемый пластик попадает на обычную свалку, где преобладают анаэробные условия, микроорганизмы перерабатывают его без доступа кислорода. Конечным продуктом такого метаболизма является метан (CH₄).

Метан обладает значительно более высоким потенциалом глобального потепления, чем углекислый газ: в столетней перспективе его парниковый эффект в 28-36 раз сильнее, чем у аналогичного объема CO₂. Таким образом, захоронение биоразлагаемой упаковки на обычных полигонах способствует ускорению изменения климата в большей степени, чем захоронение традиционного пластика, который в условиях свалки химически инертен и не выделяет газов.

2. Нарушение баланса экосистем (закисление). При попадании больших объемов биоразлагаемых материалов в естественную среду (например, в домашний компост или верхний слой почвы) происходит локальная концентрация продуктов распада. Выделение большого количества органических кислот (в случае PLA — молочной кислоты) приводит к снижению уровня pH среды (закислению). Это меняет структуру локального микробиома: чувствительные к кислотности микроорганизмы погибают, а популяции других видов неконтролируемо растут. Это может замедлить процессы естественного почвообразования и негативно сказаться на росте растений.

3.Токсичность добавок. Для придания пластикам эластичности, цвета и стойкости к ультрафиолету в их состав вводят различные пластификаторы, красители и стабилизаторы. Даже если базовый полимер (например, крахмал или PLA) является полностью биоразлагаемым, эти химические добавки могут не обладать этим свойством. В процессе распада полимерной матрицы они высвобождаются в почву или воду в неизменном виде, оказывая токсичное воздействие на живые организмы.

4.Инфраструктурный тупик и проблемы переработки. Основная проблема биоразлагаемой упаковки заключается в отсутствии инфраструктуры для ее раздельного сбора и переработки в большинстве стран мира.

5. Отсутствие специализированных предприятий. Для утилизации упаковок с маркировкой Industrial Compostable требуются промышленные заводы по компостированию. Однако в большинстве городов системы обращения с отходами рассчитаны только на механическую переработку, сжигание или захоронение на полигонах. Без доступа к промышленным компостерам биоразлагаемая упаковка теряет свои экологические преимущества и утилизируется стандартными методами — сжигается или закапывается.