Введение. На сегодняшний день самым популярным упаковочным материалом для продуктов питания являются пакеты из синтетических полимеров [1], которые отличаются невысокой стоимостью, легкостью, гибкостью и прозрачностью. Однако их неспособность к биоразлагаемости и миграция составных микрокомпонентов в продукты питания в процессе хранения представляют серьезную опасность для окружающей среды и здоровья потребителей. В связи с этим создание альтернативных материалов и способов упаковки продуктов становится как никогда актуальным [2].
Как правило, биоразлагаемые пленки представляют собой тонкие слои органических макромолекул, состоящие из белков и полисахаридов, с добавлением пластификатора. Композитный состав биопленок может широко варьироваться, что будет влиять на био- и термопластические свойства конечного материала. К веществам, которые могут входить в состав пленок и изменять их свойства, относятся белки, полиэфиры, липиды и полисахариды [3]. При добавлении к биополимерам активных веществ возможно получение не только биоразлагаемых, но и биоактивных материалов, позволяющих увеличивать сроки хранения продуктов питания [4, 5].
Среди биополимеров, используемых для разработки пищевых упаковочных материалов, большое внимание уделяется пектину. Пектин представляет собой природный водорастворимый анионный полисахарид, который получают из отходов переработки фруктов и овощей, – кожуры цитрусовых и яблочного жмыха. Благодаря своей биоразлагаемости, способности к пленкообразованию и разнообразным физико-химическим свойствам (гелеобразующие и эмульгирующие свойства, антиоксидантная способность и избирательная проницаемость) пектин является перспективным сырьем для изготовления упаковки для пищевых продуктов. Однако пленки, изготовленные с использованием только пектина, имеют перечень недостатков, в т. ч. неприемлемые механические характеристики и слабо выраженные антимикробные свойства. Вследствие высокой гидрофильности пектина пленка на его основе интенсивно адсорбирует влагу, что ограничивает ее применение в пищевой упаковке. Поэтому пектины часто комбинируют с другими природными веществами, что позволяет нивелировать данные недостатки [6, 7].
Известно, что белки обладают отличной способностью блокировать углекислый газ, кислород и липиды. Следовательно, белки являются оптимальным компонентом упаковочного материала для эффективного предотвращения потери влаги и аромата упакованных продуктов. Также доказано, что белковые гидролизаты могут быть включены в съедобные пленки для снижения интенсивности окислительного повреждения, вызванного свободными радикалами, образующимися в пищевой системе в период хранения [8].
Цель исследования – установить структуру и свойства биоактивных пленок на основе пектина.
Задачи: анализ микроструктуры пленок; исследование влияния биоактивных добавок на физико-химические свойства и биоразлагаемость пленок; изучение биоактивных свойств пектиновых пленок.
Материалы и методы. Материалом для исследования служили контрольные образцы пектиновых биопленок и опытные образцы пленок с добавлением 1 % белкового гидролизата. Для получения пленки использовали пектин со степенью этерификации 36–40 % (Dangshan Haisheng Pectin Co., Ltd., Китай), пластификатор глицерин (ООО «Йодные технологии и маркетинг», Россия), в качестве активного компонента – белковый гидролизат, полученный ферментацией желудков цыплят-бройлеров. Пленки получали по технологии и рецептуре, описанной в работе [9].
У изготовленных пленок определяли микроструктуру с помощью сканирующей электронной микроскопии; физико-химические свойства – биоразлагаемость, растворимость, толщину, содержание влаги; биоактивные свойства – антиоксидантную способность, антирадикальную DPPH активность, содержание полифенолов и флавоноидов. Для исследования микроструктуры поперечного сечения биопленок применяли сканирующую электронную микроскопию (SEM). Поперечный срез биопленки покрывали тонким слоем золота в высоковакуумной системе нанесения покрытий (MSP-30T, Showa Shinku Devices Inc., Япония), затем визуализировали при рабочем напряжении 10 кВ в вакууме. Поперечную структуру пленок наблюдали при увеличении 500×, 2000× и 5000×.
Тест на биоразлагаемость проводили в соответствии с методиками, описанными в DIN V 54900-2-1998 “Testing of the compostability of plastics – Part 2: Testing of the complete biodegradability of plastics in laboratory tests”, в биокомпосте, помещая в него образцы пленок. Изменение структуры пленок анализировали через каждые 2 дня, просеивая содержимое компоста через сито и проверяя состояние неразложившихся остатков. Содержание влаги определяли термогравиметрически, высушиванием образцов пленок при 105 °С. Растворимость пленок в воде определяли по разности масс высушенной пленки до растворения в воде температурой 25 °С в течение 6 ч при перемешивании и высушенного нерастворимого остатка после проведения опыта.
Толщину пленки измеряли цифровым микрометром (тип KW06-85, Krisbow, Индонезия) в 5 различных положениях с точностью 0,001 мм.
Для проверки растворимости пленок в воде использовали модифицированный метод Farhan-Hani [10]. Образцы нарезали на небольшие кусочки размером 2×2 см2 и сушили при 105 °C в течение 6 ч перед взвешиванием (m1). Каждый образец помещали в колбу, содержащую 100 см3 дистиллированной воды, и перемешивали с помощью магнитного миксера при 240 об/мин. Образцы оставляли на водяной бане на 6 ч при комнатной температуре (25 °C), после чего содержимое колбы фильтровали, а фильтровальную бумагу с нерастворенными частицами сушили при температуре 105 °C до получения постоянной массы. Наконец, измеряли массу фильтровальной бумаги для определения нерастворимого сухого вещества (m2). Растворимость в воде (WS, %) рассчитывали в соответствии со следующим уравнением:
. (1)
Способность белковых гидролизатов удалять свободные радикалы DPPH определяли спектрофотометрически. К 2 мл этанольного экстракта образца добавляли 2 мл раствора DPPH (0,4 ммоль/л) и выдерживали смесь в течение 30 мин. Затем регистрировали поглощение при длине волны 515 нм. Общее содержание фенольных соединений определяли методом Фолина-Чикальтеу в этанольном экстракте образца на спектрофотометре Jenway при 760 нм. Рассчитанные значения выражали в эквиваленте галловой кислоты (GAE), мг GAE/г сухой массы. Содержание флавоноидов определяли по уровню светопоглощения при образовании комплекса флавоноид-алюминий. Оптическую плотность измеряли при длине волны 415,0 нм. Для построения калибровочной кривой в качестве стандарта использовали кверцетин. Значения рассчитывали и выражали в кверцетиновом эквиваленте, мг EQ/г сухой массы.
Статистический анализ. Исследования проводились в трех повторностях. Результаты выражали как средние значения трех повторов ± стандартное отклонение. За статистическую значимость принимались значения вероятности p ≤ 0,05.
Результаты и их обсуждение. Одними из важнейших свойств экологически безопасных для окружающей среды пленок являются биоразлагаемость и водорастворимость. При оценке биоразлагаемости в почве установили, что контрольный образец пленки полностью превратился в биогумус через 10 дней, а с добавлением белкового гидролизата – через 14 дней.
Растворимость в воде является важным свойством пленки для определения ее пригодности к использованию в качестве упаковки для пищевых продуктов. Растворимость пектиновых пленок снижалась при добавлении белкового гидролизата из-за возможного образования ковалентных связей в пленке, что согласуется с результатами определения биоразлагаемости (табл.).
Физико-химические показатели пектиновых пленок
|
Показатель |
Образец пленки |
|
|
Контроль |
С добавлением 1 % БГ |
|
|
Толщина, мкм |
36,1±0,04 |
32,8±0,06 |
|
Растворимость в воде, % |
88,2±0,23 |
73,1±0,16 |
|
Содержание влаги, % |
12,4±0,01 |
10,3±0,01 |
|
Антиоксидантная способность, мг-экв. аскорбиновой кислоты / г |
1,31±0,12 |
1,95±0,15 |
|
Поглощающая DPPH активность, % |
63,8±2,50 |
70,6±3,10 |
|
Содержание полифенолов, мг-экв. галловой кислоты/г |
0,253±0,009 |
0,504±0,012 |
|
Содержание флавоноидов |
0,0195±0,0002 |
0,0106±0,0001 |
Примечание: БГ – белковый гидролизат.
При изучении микроструктуры пленок с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) также устанавливали толщину пленок. Результаты СЭМ показали, что пектиновые пленки имеют однородную сетчатую структуру, которая наиболее выражена у пленок с добавлением белкового гидролизата (рис.). Толщина пектиновой пленки без добавления белкового компонента оказалась несколько выше, что может быть связано с действием пептидов в составе гидролизата как сшивающего агента. Пектиновая сетка способствует уменьшению набухания пептидов, снижая толщину и создавая пленку с плотной структурой. Однако толщина обоих образцов пленок оказалась в пределах требований ГОСТ Р 57432 – не более 0,5 мм. Установлено более высокое содержание влаги для контрольного образца пленки по сравнению с опытным образцом (табл.).
|
Образец пленки с добавлением 1 % белкового гидролизата |
Контрольный образец пленки |
|
Увеличение ×500
|
|
|
|
|
|
Увеличение ×2000
|
|
|
|
|
|
Увеличение ×5000
|
|
|
|
|
Микроструктура пектиновых пленок
В результате оценки биоактивных свойств пектиновых пленок установлены их выраженные антиоксидантные свойства, однако добавление белкового гидролизата способствует повышению антирадикальной активности до 70,6 % и антиоксидантной способности до 1,95 мг-экв. аскорбиновой кислоты / г (см. табл.). Полученные результаты позволяют предположить, что пектиновые пленки с белковым гидролизатом в составе матрицы окажут антиокислительное действие при хранении упакованной продукции. Данный аспект будет установлен в дальнейших исследованиях при оценке хранимоспособности продуктов питания, упакованных в разработанные биоактивные пленки.
Заключение. Результаты исследований доказали, что введение белкового гидролизата в состав пектиновых пленок способствует не только улучшению структурных характеристик, но и формирует их биоактивные свойства. Установленные данные о высоких антиоксидантных свойствах пектиновых пленок позволяют продолжить работу в направлении получения пищевых пленочных покрытий с активными свойствами, позволяющими увеличивать сроки хранения продуктов питания.
