Упаковка с дополнительными функциями

                                                             Введение 

     Стремление  максимально упростить (по крайней  мере, удешевить) упаковку вполне понятно  – покупатель не желает платить  лишние деньги за “фантик”, кроме того, довольно остро стоит вопрос утилизации отходов. Однако наряду с тенденцией к упрощению существует и противоположное направление: упаковке придают дополнительные полезные свойства, от которых потребитель не сможет отказаться. Обе тенденции имеют право на существование, что выберут покупатели – покажет время.

     В настоящее время функции упаковки расширяются, и она начинает играть все более активную роль по отношению  к продукту. Примерами могут служить  саморазогревающиеся и самоохлаждающиеся  упаковки, упаковки с консервантом или поглотителем кислорода, селективно-проницаемые для газов, с регулированием интенсивного микроволнового нагрева, с бактерицидными свойствами, “съедобные” упаковки и др. Эти типы упаковок для пищевых продуктов получили название smart (англ. – остроумный), но они объединяются также термином “активные” из-за непосредственного воздействия на пищевой продукт или процесс его обработки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Упаковка с дополнительными функциями 

     Часто покупателей привлекает упаковка, обладающая какими-либо дополнительными функциями, например, позволяющая разогревать продукт в микроволновой печи. 

     Разогреваемые упаковки

     Значительное  распространение во всем мире и за рубежом приобрели упаковки для  разогрева в микроволновых (СВЧ) печах. По популярности они значительно  превосходят упаковки, предназначенные для разогрева в обычных стационарных плитах и духовках с конвекционным воздушным нагревом. Среди продуктов для разогрева в СВЧ: пиццы, гамбургеры, куриные, мясные молочные и овощные блюда, супы, пироги, продукты долгосрочного хранения, низкокалорийные и овощные блюда, замороженные и другие пищевые продукты, готовые к употреблению. СВЧ используют не только для разогрева приготовленных блюд, но и для дожаривания или доваривания полуфабрикатов и полного приготовления свежих продуктов.

     Материалы, используемые для изготовления упаковки, способной обеспечить требуемый  режим приготовления продукта, должны обладать определенными свойствами, главные из которых:

• высокая проницаемость для микроволн без снижения барьерных характеристик материала;
• обеспечение равномерного распределения тепла при разогреве продукта;
• достаточная термостойкость, так как температура в СВЧ может превышать 200°С;
• способность регенерировать микроволновую энергию и превращать ее в тепло (вплоть до образования поджаристой корочки на поверхности блюда);
• физиологическая безвредность для организма человека;
• экономичность и доступность (возможность заказать искомый материал в любой стране мира, не тратя много времени на его поиски);
• экологическая безопасность для окружающей среды и способность к вторичной переработке (или другому способу утилизации).

     Выполнение  указанных требований исключает  применение алюминиевой фольги, так  как она, являясь непроницаемой  для микроволн, препятствует разогреву  продукта. Теоретически изготовление упаковки для СВЧ из фольги возможно, но потребуются специальные окна-волноводы для проникновения микроволн в продукт. Выгода от применения фольги в этом случае окажется несоизмерима с техническими сложностями.

     В изготовлении упаковки для СВЧ хорошо зарекомендовали себя ПЭТ (здесь и далее см. словарь сокращений) и ламинаты на его основе, ПА-66, полиэфирамиды, ПК, реактопласты и другие отверждаемые в процессе нагрева полимеры.  

     Список  сокращений:

     ПА  – полиамид;

     ПЭТ – полиэтилентерефталат;

     К-ПЭТ  – кристаллизующийся полиэтилентерефталат;

     ПВДХ  – поливинилиденхлорид (саран);

     СЭВА  – сополимер этилена  с винилацетатом;

     ПС  – полистирол; ПК – поликарбонат;

     СЭВОН – сополимер этиленвинилового спирта; ПФО –  полифениленоксид;

     МГС – модифицированная газовая среда;

     РГС – регулируемая газовая среда;

     ПЭВД  – полиэтилен высокого давления (ПЭНП);

     ПЭНД  – полиэтилен низкого  давления (ПЭВП);

     ПП  – полипропилен;

     ПВХ – поливинилхлорид;

     ОПП – ориентированный  полипропилен;

     ПАН – полиакрило-нитрил;

     ЭВА – этиленвини-лацетат;

     ДГК – соль дегидроцетовой кислоты;

     ПВС – поливиниловый  спирт;

     ВИМ – латексное покрытие в виде водной дисперсии  бутилкаучука и ВХВД (сополимер  винилхлорида и винилиденхлорида);

     Полисвэд  – латексное покрытие в виде водной дисперсии  сополимера винилацетата с этиленом. 

     В случаях, когда продукт не требует  нагрева выше температуры 177°С, целесообразно  применять ПЭТ с низкой степенью кристалличности. ПЭТ-упаковка для  разогрева в СВЧ получается методом  соэкструзии. Она состоит из двух слоев: верхнего (кристаллизующегося) и нижнего (аморфного). Обычно для ее изготовления используется вспененный кристаллизующийся ПЭТ низкой плотности, выпускаемый в США под названием Petlite. Он дешевле обычного ПЭТ и хорошо зарекомендовал себя как при воздушном, так и при микроволновом разогреве пищи. Правда, для хранения замороженных продуктов его использовать нецелесообразно, так как, обладая высокой теплоизоляцией, Petlite снижает эффект от работы промышленных холодильников.

     Самой распространенной является конструкция  разогреваемой упаковки, в которой используется чувствительный элемент. Он представляет собой тонкий (всего несколько мкм) слой металлизированной пленки, концентрирующей микроволновую энергию. Затем излучение трансформируется в тепло для разогрева продукта. В некоторых случаях используется алюминиевая стружка, равномерно вкрапленная в ПП-лотки. Частицы алюминия концентрируют тепло аналогично пленочному датчику. Применяются также активные элементы, способные увеличивать интенсивность нагрева в одних зонах продукта и экранировать от излучения другие. Это позволяет добиться эффекта обработки паром при полностью закрытой упаковке с последующим вентиляционным охлаждением до нужной температуры.

     Последнее достижение в области разогреваемых  упаковок – жаростойкая “банка FK”, которую можно подвергать тепловой обработке и разогревать в СВЧ-печах. Банки FK изготавливают из комбинированных полимерных материалов вместо традиционных металлических, которые не предназначены для СВЧ-разогрева. Структура материала может быть различной в зависимости от модификации. Один из вариантов банки представлен в авторской справке. Конструкция банки FK. Упаковка обладает значительным резервом теплостойкости и высокими барьерными свойствами. 

Рис.1. Конструкция банки FK: 

А –  легкооткрывающаяся крышка, материал, которой состоит из слоев:

1 –  пигментированного полипропилена, 

2 –  ристаллического полипропилена, 

3 –  алюминиевой фольги,

4 –  адгезива, не содержащего растворителей, 

5 –  сополимера кристаллического полипропилена.

Б –  корпус банки, соединяемый с крышкой сварным швом

6 (сварка  высокочастотная).

Материал  корпуса состоит из слоев:

7 –  соэкструдированного пропилена, 

8 –  полипропилена, 

9 –  кристаллического полипропилена, 

10 –  адгезива,

11 –  декорированной пленки,

12 –  адгезива, не содержащего растворителей,

13 –  сополимера кристаллического полипропилена, 

14 –  пленки, обладающей высокими барьерными  свойствами, но проницаемой для  электромагнитных волн.

К корпусу  высокочастотной сваркой, образующей шов 15, прикреплено:

В –  дно, состоящее из слоев 

16 –  сополимера кристаллического полипропилена, 

17 –  адгезива,

18 –  алюминиевой фольги,

19 –  кристаллического полипропилена, 

20 –  полипропилена. 

     Новый перспективный материал для разогреваемых  в СВЧ упаковок – термостойкий сополимер Noril EFC, состоящий из ПФО и ПС. Можно прогнозировать, что новые упаковки скоро заменят лотки из К-ПЭТ и ПП. Изделия из Noril EFC характеризуются высокой жесткостью и механической прочностью при температурах вплоть до 120°С. Форма и размер лотков могут быть довольно разнообразными, их можно закрывать прозрачной крышкой или обертывать герметично пленкой с последующей тепловой сваркой. Noril EFC относительно дешев, а его частичное вспенивание в процессе переработки позволяет еще более снизить стоимость получаемых из него изделий. По сравнению с лотками из вспененного ПП упаковка из сополимера весит на 70% меньше и значительно лучше сохраняет тепло блюда, подаваемого на стол. При этом обратная сторона лотка остается холодной, что позволяет доставать его из печи руками. При совместной экструзии сополимера Noril EFC c другими полимерами можно получать упаковки для разогрева в горячей воде, а также для использования в РГС и МГС.

     Рис.2 Упаковка для СВЧ. Верхняя пленка снимается перед разогревом 

     Рис. 3 Поп-корн готовится в СВЧ прямо в герметичном пакете 
 

     Упаковки, используемые для  МГС и РГС 

     Для свежих пищевых продуктов во всем мире уже давно используются два  вида герметичных упаковок с модифицированным газовым составом (МГС) и регулируемой газовой средой (РГС). Выбор состава  газовой среды зависит от характера продукта.

     Модифицированный  газовый состав внутри упаковки выполняет  следующие функции:

• подавляет рост микроорганизмов на поверхности пищевого продукта, поддерживая его микрофлору на необходимом уровне;
• сохраняет первоначальные органолептические (пищевкусовые, ароматические и др.) свойства в течение определенного времени;
• регулирует кислородовыделение из продукта и проникновение кислорода через упаковку таким образом, чтобы внутри нее сохранялось практически постоянное давление этого газа (около 2 МПа);
• значительно увеличивает сроки хранения продукта без изменения его качества.

     МГС предполагает фасовку продутка в  газонепроницаемые пакеты (в отличие  от РГС, где окружающая газовая среда  меняется за время хранения продукта).

     Пищевые продукты можно условно разделить на две основные группы:

• “дышащие” (с биохимической метаболической активностью), к которым относятся овощи, фрукты, свежее растительное сырье, сычужные сыры, свежее, так называемое “красное”, мясо и др. Подробнее см. авторскую справку – Как “дышат” фрукты;
• “не дышащие”, к которым относятся готовые и охлажденные блюда, готовые мясные изделия, молочная продукция, консервы, пасты, выпечки, крупы и др.

     Как “дышат” фрукты 

     “Дыхание” свежесорванных плодов и фруктов  происходит с поглощением кислорода и выделением углекислого газа, воды, тепла и летучих веществ по схеме: 

     С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 674 ккал 

          Кислород подавляет рост патогенных микроорганизмов, а при хранении свежих мясных продуктов необходим для сохранения оксимиоглобина в мясе и сохранения им первоначального красного цвета. Азот используется как наполнитель упаковки и инертный заменитель кислорода, так как он не подавляет рост микроорганизмов и не изменяет цвета мяса.

     Диоксид углерода замедляет микрообилогическую активность (подавляет рост бактерий), и при использовании его на ранних стадиях развития микроорганизмов достигается значительное увеличение срока хранения свежего мяса и других продуктов.

     Газопроницаемость и селективность зависят от химической природы и физической структуры полимера, присутствия наполнителя и его типа, толщины пленки, способа ее получения и т. д. Регулировать состав газовой среды внутри упаковки можно путем подбора материала соответствующей проницаемости (ПЭВД, ПЭНД, ПП, ПВХ и др.) Другим способом регулирования является использование силиконовых мембран с площадью, рассчитанной в соответствии с требуемым уровнем проницаемости. Такая мембрана имеет вид “окошка” в пленочной упаковке. Через нее поступает необходимое для “дыхания” упаковываемого продукта количество кислорода, а наружу выходит образующийся при этом углекислый газ. Наличие мембраны в упаковке значительно повышает срок сохранности растительной продукции, например, способствует хранению фруктов от урожая до урожая практически без изменения их качества.

     В среде модифицированного газового состава упаковывают и хранят мясные и рыбные блюда с гарнирами, полуфабрикаты, салаты, закуски, выпечку, различные хлебобулочные изделия  и др. С целью сохранения исходного  красного цвета свежих мясных продуктов  используют смеси газов в соотношении 80% О2 и 20% СО2 или 85- 90% О2 и 10-15% СО2.

     Цыплята лучше хранятся в атмосфере углекислого  газа и азота в соотношении 50:50 или 30:70.

     Для порционной упаковки твердых сыров  в последнее время применяют  РГС, так как сыр относится к “дышащим” продуктам и при хранении выделяет вещества, изменяющие газовую среду внутри упаковки. Оптимальная среда в этом случае должна иметь следующий состав: 100% N2 или 100% СО2. Возможно также соотношение: 30% N2 и 70% СО2. В упаковке с РГС из полиолефинов (ПЭВД, ПЭНД и др.) продукт сохраняется от окисления и бактериальной порчи от 1 до 2 месяцев. Сам процесс упаковки осуществляется по схеме: вакуумирование, заполнение смесью необходимого состава и закупорка тепловой сваркой.

     Возрастает  ассортимент пастообразных продуктов (таких как, например, тесто), упаковываемых в среде МГС. Наиболее типичной упаковкой для этой цели является лоток из ПВХ, обернутый ламинатом ПЭТФ/ПВДХ, во внутренний объем которого подается газовая смесь. Ее основные компоненты: углекислый газ (более 20%), азот (около 70%) и кислород. Внутрь лотка вкладывается небольшой пакетик с влагопоглотителем.

    При хранении свежие продукты могут выделять кислород. Обычно для его поглощения в упаковку вкладывается сорбент, который  представляет собой химическое соединение, способное поглощать не только молекулы О2 и воды, но и другие вредные для хранения продукта вещества. Хорошо справляются с этой задачей неорганические соли металлов, органометаллические соединения, керамика.

    Основными материалами для упаковывания в МГС являются: ПП или ОПП/ПЭТФ (для изготовления лотков), ПАН, ПВХ и ПВДХ, многослойные материалы на основе ПЭВД с ЭВА или ПВДХ, а также металлизированные пленки.

    Технология  данного процесса достаточна проста и заключается в упаковывании продукта в вакуумной камере с последующим заполнением внутреннего объема газом соответствующего состава. При этом на всех этапах производится тщательный санитарный контроль пищевых продуктов и упаковочных материалов, а также дозировочного и упаковочного оборудования.

    Упаковки  с МГС и РГС получили широкое  распространение за рубежом. По объемам  потребления они превосходят  разогреваемые, а по некоторым данным даже асептические.

    Упаковка  под вакуумом имеет и самостоятельное  применение, являясь эффективным и надежным способом защиты продукта от химической и микробиологической порчи. Главной задачей при этом представляется удаление кислорода из объема пребывания продукта. При вакуум-упаковке чаще всего используют полимерные материалы с высокими барьерными свойствами. К ним относятся комбинации на основе сарана, полипропилена, полиамидов с использованием ЭВОН для повышения барьерных свойств упаковки, а также металлизированные и фольгированные материалы. 

    Саморазогревающие упаковки 

    Такие упаковки получают на основе электропроводящих полимерных композиций. Создателем и разработчиком их являются российские ученые под руководством проф. В. Е. Гуля.

    Большинство полимеров являются электрическими изоляторами с удельным объемным сопротивлением от 1011 до 1014 Омoм. Электропроводящие полимерные композиции получают путем введения в полимеры разной природы (термопласты, реактопласты, каучуки и резины) таких дисперсных наполнителей, как технический углерод (сажа), графит, углеродные волокна или металлы. При использовании углеродных наполнителей получают материалы с удельным сопротивлением порядка 10-3 Омoм, а при использовании металлических наполнителей – порядка 10-6 Омoм.

    Большой интерес представляют электропроводящие  композиции на основе ПП и порошка  карбонильного никеля. При подключении упаковки к электрической цепи происходит нагрев содержимого до нужной температуры в результате преобразования энергии тока в тепловую.

    Саморазогреваемые упаковки удобны в дороге, отеле, на отдыхе, при выезде за город и  в любых других нестационарных условиях. Они удобны, доступны, могут быть использованы многократно.

    Правда, разработки, к сожалению, практически  остановились на стадии изготовления опытных образцов – для перехода на серийный их выпуск необходимо вложение серьезных средств и широкое маркетинговое исследование. 

Саморазлагающиеся упаковки 

     Созданию  фото-, био- и водоразлагаемых материалов в последнее время уделяется  существенное внимание, так как упаковки на их основе под воздействием солнечного света, тепла, воздуха и микроорганизмов почвы легко разлагаются до низкомолекулярных веществ (вода, углекислый газ), которые ассимилируются почвой, включаясь в замкнутый биологический цикл.

     К наиболее распространенным биоразлагаемым полимерным упаковочным материалов относятся:

     Polyclen, Bioplast, Ecostar, Ampacet – на основе ПО и крахмала;

     Ecolean – на основе карбоната кальция  и ПО в качестве связующего;

     Biopol – сополимер на основе природных  ферментов сахарозы (полигидроксибутирата  и полигидроксивалерата), получаемый  в процессе биосинтеза. Представляет собой природный продукт, который можно использовать самостоятельно или вводить в другие полимеры;

     Biocell-163 – полимер на основе ацетата  целлюлозы, в который вводят  специальные добавки и пластификатор  для придания ему способности  к саморазложению при воздействии природных факторов;

     Mater-Bi – на основе ПА и различных  добавок, имеющий взаимопроникающую  структуру входящих в его состав  компонентов в виде переплетений, что позволяет увеличивать поверхность  материала, атакуемую микроорганизмами, и сокращать срок разложения упаковки, выброшенной на свалку;

     Tone – семейство материалов на  основе поликапролактона, хорошо  совмещающегося механическим путем  с такими распространенными полимерами  как ПЭ высокого и низкого  давлений, ПП, ПС, ПК, ПВХ, ПЭТ. В зависимости от типа полимера вводится до 30% Tone (например, в ВЭВД достаточно введения 5% для получения саморазлагающегося материала).

     Такие материалы пока еще достаточно дороги, но они весьма эффективны с точки  зрения охраны окружающей среды. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Активная  упаковка 

     Хотя  активная упаковка появилась уже  около десяти лет назад, информации о ней явно не хватает. Мы решили восполнить этот пробел, поскольку  упаковка товаров в материалы, обладающие свойством не только продлевать срок хранения, но и менять в лучшую сторону сам состав продукта – дело чрезвычайно полезное и перспективное.

     Термин  “активная упаковка” появился в  научно-технической литературе в  начале 90-х гг. “Активная упаковка” содержит специальные добавки (поглотители газов и влаги, ароматизаторы, антимикробные и ферментные препараты), способствующие улучшению товарного вида и сохранению органолептических свойств пищевой продукции, то есть признаков, воздейтвующих на органы чувств.

     С развитием техники и технологии получения упаковочных материалов расширяются функции упаковки. Из инертного, индифферентного барьера между пищевым продуктом и окружающей средой упаковка в настоящее время все больше превращается в фактор производства, поскольку с ее помощью можно:

• направленно изменять состав продукта. В этом случае для изготовления упаковки применяются биологически активные материалы с иммобилизованными ферментами (добавка плотно удерживается в матрице полимерного материала).
• защищать продукты питания от микробиальной порчи, продлевая тем самым время их “жизни”. К примеру, срок хранения колбасной продукции в “активной”* оболочке увеличивается в 2-3 раза;
• создавать оптимальную газовую среду внутри оболочки, что широко используется при хранении продуктов питания в модифицированной и регулируемой среде. Применение такой упаковки для розничной продажи нецелесообразно из-за довольно высокой цены, однако на западе широко используется метод складского хранения овощей и фруктов в больших мешках с окошечком из селективно-проницаемого материала. Фрукты, сохраненные таким образом, гораздо дольше остаются свежими, упаковка окупается за счет устранения причин порчи и усыхания товара;
• регулировать температуру обработки продуктов питания в условиях микроволнового нагрева (например, используя металлизированные полимерные материалы). Продукт в металлизированной упаковке в СВЧ-печи может разогреваться до 200° С и выше. В этом случае большая часть тепла генерируется в покрытии, и продукт поджаривается как на сковородке, что недостижимо при микроволновом нагреве;

     Такие упаковки по праву носят название “активных”. Это направление представляет несомненный интерес, поскольку  введение добавки не в пищу, а  в матрицу полимерной оболочки позволяет  пролонгировать действие добавки, регулируя  скорость ее массопереноса в пищевой продукт. При этом обеспечивается необходимый градиент концентрации добавки на поверхности защитной оболочки, непосредственно контактирующей с пищевым продуктом. Важным преимуществом “активных” упаковок является то, что благодаря иммобилизации добавок миграция их в пищевой продукт сведена к минимуму (или оптимально регулируется), поскольку по последним данным многие пищевые добавки таят в себе определенную угрозу здоровью. Например, известная всем лимонная кислота, часто вводимая в состав продуктов, несмотря на свою кажущуюся “безобидность”, может оказаться вредной при избыточном потреблении. Конечно, при нормальном питании такое воздействие будет незаметным, однако для определенной группы людей, в рационе которых консервы и полуфабрикаты составляют значительную часть, такие пищевые добавки могут быть действительно вредными.

     Активная  упаковка для молока

     Организм  некоторых людей не усваивает  молоко, что генетически обусловлено  дефицитом выработки у них  фермента, расщепляющего молочный сахар (лактозу). Введение лактазы – фермента, гидролизующего молочный сахар, в полимерную основу упаковочного материала позволяет получать диетический продукт – “безлактозное молоко”.

     Высокое содержание холестерола (неправильно  называемого холестерином) в плазме крови человека обычно связывают с повышением риска сердечно- сосудистых заболеваний. Одним из путей снижения уровня холестерола в плазме может быть назначение больным специальных препаратов. Вместе с тем, при необходимости, можно эффективно снижать содержание холестерола в молоке и молочных продуктах с помощью холестеролредуктазы, иммобилизованной в упаковочном полимерном материале, который находится в непосредственном контакте с жидкими продуктами. 
 

     Бактерицидные упаковочные материалы

     Для защиты пищевой продукции от неблагоприятного воздействия патогенной микрофлоры и токсичных продуктов ее жизнедеятельности в последние годы применяют бактерицидные упаковочные материалы. Примером реализации такого способа является использование антимикробных защитных систем на основе гигиенически безопасных латексов (водных дисперсий синтетических полимеров). Путем создания латексной композиции оригинального состава на основе экологически безопасных водных систем, содержащих антимикробные добавки, и последующего формирования из них покрытий непосредственно на продуктах питания разработан способ защиты мясных изделий и сыров. Предложенный способ отличает сравнительная простота технического решения: нанесение на поверхность продукта многослойных полифункциональных покрытий, исключающих применение высоких температур, которое иногда негативно влияет на свойства продукта. При этом обеспечивается плотное и повсеместное облегание поверхности продукта, гарантирующее отсутствие микрополостей – областей потенциального развития нежелательной микрофлоры. В качестве антимикробных добавок используются отечественные оригинальные препараты – соли дегидрацетовой кислоты с широким спектром действия на различную микрофлору (дрожжи, грибы, актиномицеты), а также комплексы этих добавок в сочетании со специальными регуляторами жизнедеятельности микробных клеток (они защищают главным образом поверхность упакованного продукта, как известно, максимально подверженную инфицированию). Защитные покрытия, формируемые непосредственно на поверхности пищевых продуктов (незрелых сыров, колбас, деликатесной и обычной мясной продукции) отличаются антимикробной активностью, обеспечивают снижение потерь полезной массы, например, для сыра до 2% за период созревания, и экологическую безопасность производства, ускоряют биохимические процессы созревания, улучшают условия труда по уходу за сыром за счет ликвидации стадии мойки, переупаковки, снижения негативного воздействия экотоксикантов на продукт и обслуживающий персонал.