Download Михальченко ХО-11мн реф7

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНЫЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ
СІКОРСЬКОГО»
ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра органічної хімії та технології органічних матеріалів
РЕФЕРАТ
на тему:
«Біологічно активні системи для зберігання та пакування продуктів
харчування та косметичних засобів»
з дисципліни
Сучасні технології отримання органічних матеріалів
Виконав: студент 5 курса
ХТФ, гр. ХО-11мн
Михальченко О.А.
Прийняв: д.т.н., професор Чигиринець О.Е.
Київ 2021
ПЛАН
ВСТУП ......................................................................................................................3
1 Біополімери............................................................................................................4
2 Волокна ..................................................................................................................5
3 Наночастинки ........................................................................................................6
4 Антимікробні плівки на основі хітозану, ламіновані на пластикові або
біорозкладні плівки для нарізаної їжі ....................................................................7
ВИСНОВКИ .............................................................................................................9
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ .......................................................................................10
ВСТУП
До 2050 року нам потрібно буде додатково прогодувати 2,2 мільярда людей, а
з підвищенням рівня життя це означатиме збільшення потреб у їжі більш ніж
на 50%. Це вимагає не лише кращого використання сільськогосподарських
угідь, але й, перш за все, оптимізації збереження сировини та готової харчової
продукції. Останнє вимагає, зокрема, використання відповідної упаковки,
здатної захистити харчові продукти, забезпечити більш тривалий термін
зберігання, водночас відповідаючи очікуванням суспільства, включаючи
збереження навколишнього середовища та здоров’я.
Сьогодні лише пластикові матеріали, отримані переважно з нафти (переважно
поліетилен низької та високої щільності, LDPE та HDPE), здається, здатні
задовольнити це необхідне зростання в агропродовольчому виробництві.
Справді, виробництво пластикових полімерів для використання в упаковці
стабільно зростає протягом 40 років, з приблизно 50 мільйонів тонн на початку
1980-х до понад 360 мільйонів тонн у 2019 році. У 2018 році в Європі було
зібрано 9,4 мільйона тонн пластикових відходів після споживання. для
переробки, оскільки споживачі та промисловість приділяють більше уваги
утилізації та кінцевому використанню пластику. Але це все ще охоплює лише
невеликий відсоток (< 20% виробництва), решту в кращому випадку
спалюють, у гіршому видають у природу.
Еталоном екологічної упаковки буде біологічно розкладна, бар’єрна та
переробна упаковка відновлюваного походження без використання харчових
ресурсів. Справді, біологічно розкладні пакувальні плівки, які є сьогодні на
ринку, на основі крохмалю або полімолочної кислоти (PLA), виготовляються
із злаків (переважно кукурудзи), які можна використовувати для харчування
людей, враховуючи, що 10% людей страждають від недоїдання.
Використання відходів або побічних продуктів харчової промисловості для
пакування – це напрямок, який вивчається багатьма дослідницькими
лабораторіями, що привертає великий інтерес з боку харчової промисловості
та, меншою мірою, з виробництва пакувальних матеріалів. Концепція
біопереробки має ключове значення, щоб відповісти на ці виклики, щоб
виробляти комерційні продукти, придатні для пакувальної промисловості з
відходів або побічних продуктів агропродовольчого сектору.
1 Біополімери
Біополімери, отримані з біомаси харчової промисловості, є ключовим
елементом для створення упаковки. Біополімери забезпечують вирішення
проблем з відходами, але вимагають створення системи управління відходами,
яка підходить для цього типу продукції. Таким чином, організація ланцюга
збору та обробки є важливою для забезпечення оптимального відновлення цих
біополімерів для використання в упаковці, що піддається біологічному
розкладу.
Залежно від походження (рослинний або тваринний і тип відходів) і способу
виробництва біополімери можна розділити на чотири групи:
1. Біополімери, отримані безпосередньо шляхом концентрування з біомаси
(полісахариди, наприклад, крохмаль, целюлоза, хітин і хітозан, пектин тощо,
або білки, такі як колаген і желатин, казеїн, глютен тощо). Ця група є найбільш
перспективною для упаковки, але обмежена вартістю вилучення та чутливістю
до води. Кілька плівок на основі крохмалю вже є на ринку.
2. Біополімери, отримані звичайним хімічним синтезом з мономерів.
Найпоширенішим способом отримання такого мономеру є вуглеводне
бродіння. Найбільш розробленим і комерційним біополімером є PLA
(полілактид).
3. Біополімери, що утворюються в результаті діяльності мікроорганізмів.
Основними представниками цієї групи полімерів біологічного походження є
переважно
такі
поліефіри,
як
полігідроксиалканоати
PHA
(полігідроксибутират PHB, полігідроксибутилвалерат PHBV); проте більшість
матеріалів на основі бактеріальної целюлози в даний час розробляються, і їх
вартість залишається обмеженням для промислового виробництва.
4. Біополімери, отримані шляхом хімічного синтезу з біологічних мономерних
продуктів, отриманих в результаті гідролізу біомаси, таких як
полібутиленсукцинат, терефталева кислота на біологічній основі, PP і PE на
біологічній основі тощо. Однак ця остання група в даний час лише незначною
мірою отримана від утилізації відходів і не всі вони біологічно розкладаються.
Біополімери мають цікаві властивості для упаковки. Окрім своєї основної
функції механічного захисту продуктів завдяки їх здатності утворювати
безперервні та стійкі мережі, біополімери мають інші функції, пов’язані з
їхніми внутрішніми властивостями. Наприклад, паропроникність (корисна для
пакування свіжих продуктів, таких як фрукти та овочі), перміселективність
(співвідношення газопроникності, яке сильно відрізняється від такового у
синтетичних полімерів), прозорість і блиск, пам’ять форми (висока здатність
до складання), обмеження поверхневої конденсації завдяки їх здатності
поглинання води, здатності до масштабування при відносно низьких
температурах, бар'єрних властивостей до запахів і ароматів, бар'єрних
властивостей для жирів і олій, низькому коефіцієнту тертя та антистатики (що
полегшує друк), а також здатності до інкапсуляції.
Біополімери використовуються в основному як структурна матриця, але також
можуть бути використані для їх цікавих взаємодій з активними сполуками,
такими як антимікробні або антиоксидантні агенти, природні пігменти,
ароматизатори та нейтрацевтики. Тому їх властивості для інкапсуляції,
захоплення та, отже, контрольованого вивільнення дуже затребувані харчовою
пакувальною промисловістю для активних пакувальних матеріалів на
біологічній основі [1].
2 Волокна
Запропоновані у вигляді порошків, отриманих в результаті екстрагування або
подрібнення переважно рослинної речовини, натуральні та стійкі волокна
забезпечують рішення для розробки упаковки, що піддається біологічному
розкладу. Вони використовуються як зміцнюючий матеріал для біокомпозитів,
як рослинні наповнювачі для біополімерів і смол або як текстуруючі агенти
для створення різних тактичних і поверхневих структур. Спочатку
використовувався як наповнювач для зменшення кількості полімеру, зараз
розглядається додавання волокна для інших функцій. Дійсно, включення
волокон у біополімери або покращує їх механічні та/або бар’єрні
характеристики, або забезпечує баланс між різними функціональними
властивостями. Включення волокон в мікро- або нанорозмірі полімери чи
біополімери є справжньою проблемою для майбутнього пакувальних
матеріалів, особливо для упаковки, що піддається біологічному розкладу.
Волокна, включені в біополімери, мають інші дуже цікаві функції, наприклад,
для включення або інкапсуляції активних молекул, таких як антимікробні
речовини або ароматизатори. Ці композиційні матеріали, що складаються з
біополімеру та волокон, мають властивості вивільнення (дифузії та розподілу),
які сумісні для створення активної упаковки. Волокна, які найбільш широко
використовуються для виготовлення композиційних матеріалів, по суті,
отримують з целюлозних матеріалів (деревина, солома, висівки тощо). Однак
існують також композити, що містять волокна хітозану, лігніну, пектину або
зеїну.
В даний час на ринку для цілей пакування є нові волокна, отримані з побічних
продуктів фруктової або олійної промисловості, таких як порошки з волоських
горіхів, фісташок або арганової шкаралупи, кісточок абрикоса, персика або
авокадо або кісточок оливок. Наприклад, желатинові плівки, що містять
волокна ячмінних висівок, демонструють значну здатність зменшувати
проліферацію Escherichia coli та Listeria monocytogenes, інокульованих на
упакованому лососі [2].
3 Наночастинки
Додавання наноматеріалів, таких як наноглини або діоксид титану, може
покращити властивості матеріалу, наприклад зробити його легшим і
міцнішим. Крім того, наноматеріали можуть запобігти потраплянню газів і
світла в упаковку та спричинити деградацію, а також вони можуть мати
антимікробні властивості, тим самим допомагаючи зберігати продукти
свіжими протягом тривалого періоду зберігання та вільними від шкідливих
бактерій. Переважна більшість наноматеріалів, що використовуються для
пакування, є неорганічними (наноглини, діоксид титану тощо), але деякі з них
надходять від утилізації відходів агропромислового виробництва. Однак
існують наноматеріали біологічного походження, які є предметом все більшої
уваги вчених.
Сюди входять, наприклад, нановолокниста целюлоза, нанокристали целюлози
або нановолокна. Ці матеріали, отримані безпосередньо з натуральних
волокон, можуть покращити стійкість і газонепроникність, але все ще дуже
чутливі до вологості. Їх застосування в плівках і покриттях описано як
нанокомпозитні системи. Хоча вони все ще знаходяться в зародковому стані.
Біополімери широко використовуються для синтезу різних наночастинок у
фармацевтичному секторі і все частіше переходять у харчовий сектор і сектор
упаковки. Таким чином, біополімери, такі як хітозан, крохмаль, целюлоза,
желатин, полівінілацетат, полівінілпіролідон тощо, можуть замінити різні
реагенти та синтетичні, навіть токсичні, полімери в синтезі різноманітних
наночастинок. Дійсно, наночастинки лігніну, включені в гідрогель
хітозан/полівініловий спирт для покриття упаковки, продемонстрували
антиоксидантні властивості [3].
Протягом десятиліть крохмаль вивчався як матеріал вибору для упаковки
харчових продуктів, у тому числі у формі наноматеріалів, наприклад, як
інкапсуляційні матриці. Відомо кілька пов’язаних переваг: велика кількість,
біосумісність, нетоксичність, низька вартість, здатність до біологічного
розкладання, доступність і стабільність пояснюють інтерес до цього
біополімеру для упаковки. Гранули нативного крохмалю можуть бути піддані
гідролізу, що дозволяє відокремити кристалічні пластинки. Частинки
кристалічного крохмалю мають морфологію тромбоцитів товщиною 6–8 нм,
що при введенні в плівки на основі пулулану покращує їх механічну стійкість.
Крім того, позитивний поверхневий заряд сприяє антимікробній активності
[4].
Хітозан, гетерополісахарид, відомий своєю біосумісністю, здатністю до
біологічного розкладання та полікатіонною природою, що надає йому
широкий спектр протимікробної та протигрибкової дії. Наночастинки хітозану
утворюються шляхом іонного гелеутворення, де позитивно заряджені
аміногрупи хітозану електростатично взаємодіють з поліаніонами, які
використовуються як зшиваючі агенти. Включення наночастинок хітозану,
вбудованих у плівку на основі полівінілового спирту, може продовжити термін
зберігання томатів, контролюючи розвиток E. coli, S. aureus та Bacillus subtilis
[5].
4 Антимікробні плівки на основі хітозану, ламіновані на пластикові або
біорозкладні плівки для нарізаної їжі
Хітозан і желатин є переважними біополімерами для виробництва упаковки
завдяки їх чудовим плівкоутворюючим властивостям і здатності набувати
певної форми через сухі або мокрі процеси. Однак у них є серйозний недолік
– чутливість до вологи. При цьому те, що може бути недоліком з точки зору
пароізоляції або розчинності у воді, може бути реальною перевагою для
активної розробки упаковки. Наприклад, тонкий шар на основі хітозану,
нанесений на внутрішню поверхню (лицьова сторона, яка контактує з їжею)
упаковки, буде набрякати під час впливу вологи харчового продукту і
дозволить вивільнити активну молекулу, таку як антимікробний засіб. Курек
та ін. [6] розробили концепцію нанесення на монополімерні плівки
(поліетилен, поліпропілен та поліетилентерефталат) шару покриття на основі
хітозану, що містить основну сполуку орегано (карвакрол) або чебрецю
(тимол), що має антимікробні властивості. Ці пластмасові матеріали можна
переробити, а шар покриття легко відокремити від пластикової опори шляхом
промивання гарячою водою, а його природне очищення здійснюється на
очисних спорудах або шляхом розкидання сільськогосподарських культур.
ВИСНОВКИ
На сьогоднішній день найбільш легко досяжним є використання активних
компонентів і біополімерів, які просто екстрагуються як покриття на
пакувальні плівки, які вже промислово виробляються, або плівки, що
піддаються біологічному розкладанню (PLA), або плівки з моношару або
мономатеріалу, що легко переробляються (ПЕТ, поліолефіни). Це шлях,
заблокований багатьма перешкодами до успіху: необхідно налагодити
збирання відходів, що підлягають переробці, слід розвивати процеси
видобутку в промислових масштабах (розширювати), витрати повинні
контролювати, щоб бути конкурентоспроможними з існуючими системами
пакування, впровадження «чистих» процесів перетворення (зелена хімія або
біопереробка) все ще знаходиться на зародковому етапі, контроль ризиків для
здоров’я по всьому ланцюжку створення цінності необхідно контролювати,
необхідна адаптація нормативних документів , а консультації між науковцями,
виробниками, клієнтами та урядами слід збільшити. Нарешті, споживач і
громадянин повинні бути асоційовані. Справді, сьогодні споживачі все більше
і більше недовіряють науці та вченим, оскільки на них сильно впливають
фейкові наукові новини. Тому ми повинні навчати та навчати майбутніх
споживачів, а отже і громадян, щоб краще розуміти ці проблеми та приймати
майбутні рішення, навіть якщо вони менш ефективні, але більш стійкі.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Benbettaieb N, Debeaufort F and Karbowiak T (2019) Bioactive edible films for
food applications: mechanisms of antimicrobial and antioxidant activity. Crit Rev
Food Sci Nutr 59, 3431– 3455.
2. Song HY, Shin YJ and Song KB (2012) Preparation of a barley bran proteingelatin composite film containing grapefruit seed extract and its application in
salmon packaging. J Food Eng 113, 541– 547.
3. Yang W, Fortunati E, Bertoglio F, Owczarek JS, Bruni G, Kozanecki M, Kenny
JM, Torre L, Visai L and Puglia D (2018) Polyvinyl alcohol/chitosan hydrogels
with enhanced antioxidant and antibacterial properties induced by lignin
nanoparticles. Carbohydr Polym 181, 275– 284.
4. Wang S and Copeland L (2015) Effect of acid hydrolysis on starch structure and
functionality: a review. Crit Rev Food Sci Nutr 55, 1081– 1097.
5. Tripathi S, Mehrotra GK and Dutta PK (2009) Physicochemical and bioactivity
of cross-linked chitosan–PVA film for food packaging applications. Int J Biol
Macromol 45, 372– 376.
6. Kurek M, Ščetar M, Brachais CH, Voilley A, Couvercelle JP, Galić
K and Debeaufort F (2013) Carvacrol affects interfacial, structural and transfer
properties of chitosan coatings applied onto polyethylene. Carbohydr
Polymers 97, 217– 225.