بخشی از مقاله
استفاده از فیلم های خوراکی بر پایه کلاژن در بسته بندی مواد غذایی
چکیده
فیلمها، لایههای نازک پوششدهنده مواد هستند که محصول را در برابر عوامل مکانیکی و عوامل فساد حفظ میکنند. فیلمهای خوراکی به دلیل حفظ مناسب کیفیت، رطوبت و طعم ، تجزیه پذیری زیستی و مصرف راحت همراه محصول امروزه رواج زیادی پیدا کردهاند. پروتئینها یکی از ترکیبات بیوپلیمری مناسب برای تولید فیلم هستند که خصوصیات ممانعت کنندگی مناسبی برای اکسیژن، دیاکسیدکربن و چربی بویژه در رطوبت نسبی پایین دارند . کلاژن یکی از کاربردیترین فیلم پروتئینی خوراکی در مقیاس تجاری است که بطور عمده در صنعت گوشت برای تولید پوششهای خوراکی سوسیسها مورد استفاده قرار میگیرد و خصوصیات مکانیکی خوبی دارد. با افزایش رطوبت نسبی نفوذپذیری اکسیژن از آن افزایش مییابد. عوامل اتصال دهنده متعدد شیمیایی برای بهبود خصوصیات مکانیکی، کاهش حلالیت و افزایش پایداری حرارتی این فیلمها مورد استفاده قرار میگیرد. مناسبترین روش استخراج آن، استخراج با اسید استیک است چراکه روشی ملایم تر می باشد.
کلمات کلیدی:
بیوپلیمر، پروتئین، کلاژن، فیلم خوراکی.
1- مقدمه
فیلم ها به عنوان لایه های نازک پوشش دهند مواد تعریف می شوند که معمولا شامل پلیمر هایی هستند که قادر به تامین مقاومت مکانیکی ساختار های ظریف و نازک مواد هستند. فیلم ها طی فرایند های مختلف می توانند بصورت کیسه، کپسول، لفاف و پوشش درآیند. پوشش ها شکل خاصی از فیلم ها هستند که بطور مستقیم روی سطح مواد بکار گرفته می شوند و می توانند از آن جدا شوند، ولی انتظار کلی از پوشش ها این است که از ماده پوشش داده شده جدا نشده و به عنوان قسمتی از محصول نهایی باشند. بنابراین استفاده از فیلم ها و پوشش های خوراکی حامل مواد فعال به عنوان کاربرد امید بخش بسته بندی فعال مواد غذایی پیشنهاد شده است
در واقع قابلیت تجزیه پذیری زیستی و خوراکی فیلم ها عملکرد های بیشتری هستند که توسط مواد رایج بسته بندی تامین نمیشوند. بطور کلی اهداف تولید فیلم های خوراکی جلوگیری از نفوذ رطوبت ، اکسیژن و ٍCO، جلوگیری از آسیبهای مکانیکی و کاربرد آسانتر، جداکردن اجزای مختلف در غذاهای چند جزئی، کاهش مصرف بسته بندیهای سنتزی و چند لایه و نگهداری بهتر کیفیت و رطوبت و طعم ماده غذایی میباشد
فیلم ها و پوشش های خوراکی از پلیمر های زیستی و افزودنی های خوراکی تولید میشوند. پلاستیسایزر ها و سایر افزودنی ها با بیوپلیمر تشکیل دهنده فیلم ترکیب می شوند تا ویژگی های فیزیکی و کاربردی فیلمها را بهبود بخشند همچنین ترکیبات فعالی مانند آنتی اکسیدانها، آنتی میکروبها و مواد مغذی برای افزایش مدت ماندگاری، حفظ رنگ و افزایش ارزش تغذیه ای مواد غذایی می توانند به پوشش ها اضافه شوند. پلیمرهای زیستی موادی هستند که از منابع قابل تجدید گرفته شده و می توانند برای مواد غذایی بکار گرفته شوند ]ْ.[ طبق استاندارد اروپا این دسته از مواد قابلیت تجزیه زیستی نیز دارند که البته در دو گروه قابل تجدید و غیر قابل تجدید دسته بندی شده اند. پلیمرهای زیستی ممکن است در َ گروه بر پایه منشاء و نحوه تولید آنها، تقسیم بندی شوند.
گروه اول پلیمرهایی که مستقیما از توده زیستی گرفته و استخراج می شوند مثل پلی ساکاریدهایی از قبیل نشاسته و سلولز و پروتئینهایی مثل کازئین و گلوتن.
گروه دوم پلیمرهایی که از سنتزهای شیمیایی مرسوم و با استفاده از منومرهای قابل تجدید تولید می شوند. مثل پلی لاکتیک اسید که یک بیو پلی استر پلیمریزه شده از منومر اسید لاکتیک است. همچنین منومر ها ممکن است طی تخمیر منابع کربوهیدراتی حاصل گردند.
گروه سوم پلیمرهای تولیدی توسط میکرو ارگانیسمها و یا باکتریهای تغییر ژنتیکی یافته هستند که تا به امروز اساسا شامل پلی هیدروکسی آلکانوآتها می باشند و پیشرفتهایی در مورد سلولز باکتریایی نیز در مرحله تحقیق و بررسی است.
پلیمرهای گروه اول که بیشتر در دسترس اند از منابع حیوانی، گیاهی و دریایی استخراج می شوند. این گروه از بیو پلیمرها ممکن است منشاء پلی ساکاریدی، پروتئینی و یا چربی داشته باشند. پلیمرهای پلی ساکاریدی و پروتئینی طبیعتا هیدروفیل بوده و فاکتورهای کریستالی تا حدی باعث مشکلات فرایندی می شود خصوصا در مورد بسته بندی مواد مرطوب . از طرف دیگر این پلیمرها خصوصیات مانع بودن خوبی نسبت به گازها دارند
پروتئینها یکی از ترکیبات بیوپلیمری خوبی برای تولید فیلم هستند که خصوصیات ممانعت کنندگی مناسبی برای اکسیژن، دیاکسیدکربن و چربی بویژه در رطوبت نسبی پایین دارند. گزارش شده است که فیلمهای خوراکی بر پایه پروتئین خصوصیات مکانیکی مناسبی دارند ولی ویژگی هیدروفیلی غالب آن منجر به خصوصیت ممانعت کنندگی ضعیف در برابر رطوبت میشود که برای رفع این مشکل میتوان خصوصیات پروتئین را توسط فرایندهای شیمیایی، ترکیب با سایر بیوپلیمرها و یا استفاده از پلیمرهایی با زنجیره های جانبی متنوع بهبود بخشید. همچنین به نظر میرسد افزایش چسبندگی بین رشته های پلی - پپتیدی پروتئین برای توسعه ویژگی ممانعت کنندگی فیلمها موثر باشد
2- خواص بیوپلیمرهای پروتئینی:
1-2- خصوصیت مانع بودن نسبت به گازها:
بسیاری از مواد غذایی برای حفظ تازگی و کیفیت خود نیازمند اتمسفر خاصی هستند. برای حفظ چنین شرایطی لازمست از مواد بسته بندی استفاده شود که قادر به حفظ ترکیب گازهای داخل بسته باشد. معمولا گازهای ٍN ,ٍO ,ٍCo و یا ترکیبی از انها استفاده می شود. بیوپلیمرهای پروتئینی مانع خوبی نسبت به نفوذ اکسیژن می باشند (medium) در حالیکه در مورد بخار آب میزان انتقال بالاست. (High) همچنین لازم به ذکر است که با افزایش رطوبت نسبی محیط میزان انتقال گازها تحت تاثیر قرار گرفته و افزایش می یابد که بدلیل هیدروفیل بودن چنین ترکیباتی است. البته نفوذ پذیری PLA و PHA کمتر تحت تاثیر رطوبت نسبی محیط است لذا از این مواد در ترکیب با بیو پلیمر های حساس پلی ساکاریدی و پروتئینی چند لایه استفاده می شود .(multi Layer) تعداد بسیار کمی از بیوپلیمرها مانع خوبی به بخار آب هستند. روشهای جدید تر در بهبود خاصیت مانع بودن بیوپلیمرها نسبت به گازها و بخار آب استفاده از پوششهای سیلیکاته Siox و استفاده از نانو کامپوزیتهای حاصل از پلیمرهای طبیعی و خاک رس اصلاح شده میباشند
ٍ2-2- خصوصیات حراتی و مکانیکی بیو پلیمرها:
برای بهبود خواص مکانیکی و حراتی بیوپلیمرها از روشهای مختلفی مانند ایجاد اتصالات عرضی، استفاده از پلاستیسایزر ها، ترکیب با سایر بیو پلیمرها و یا فیلرها، افزودن فیبرها و همراه کردن با سلولز باکتریایی در موارد خاصی که نیاز به خواص مکانیکی ویژه ایست، استفاده کرد]ٌَ,َ.[
3-2- قابلیت تجزیه زیستی و یا به کود تبدیل شدن:((Compost ability
Composting Time بصورت مدت زمان تقریبی یا دوره ای تعریف می شود که برای تجزیه یک ترکیب تا میزان خاصی لازمست. باید توجه شود که این تجزیه کامل نبوده و تا سطح خاصی تعریف شده است. طبق بررسی های انجام یافته، این دوره در مورد پروتئینها بسیار کوتاه و در حدود یک ماه است، در حلیکه در مورد چوب ُ-ّ ماه طول می کشد
َ3- کلاژن
کلاژن یک پروتئین ساختاری و فیبری در بافتها حیوانی خصوصا پوست، استخوان و تاندون می باشد که از واحدهای تکرار شونده گلیسین، پرولین و هیدروکسی پرولین ساخته شده است. ترکیب اسیدهای آمینه کلاژن در جدول ٌ نشان داده شده است. کلاژن یک پلیمر قابل انعطاف بوده ولی بدلیل ساختمان فیبری و مارپیچی بسیار غیر محلول و سخت فرایند شونده است. پایداری ساختاری سه زنجیره ای و مارپیچی کلاژن توسط اتصالات هیدروژنی متعدد و ملکولهای اب درون ساختاری تامین می گردد
کلاژن ماده اصلی برای تولید ژلاتین است که یک افزودنی غذایی با پتانسیل تولید فیلم و فوم می باشد. ژلاتین از هیدرولیز اسیدی، قلیایی و یا آنزیمی کلاژن بدست می آید. چنین فرآیندی ساختمان مارپیجی و محکم کلاژن را از بین برده و بخشهای محلول در آب تولید می شود که قابلیت ایجاد ژل، فیلم و فوم های شفاف را داراست. ژلاتین به راحتی قابل فرآیند کردن است ولی حساس به رطوبت می باشد که برای اصلاح این خصوصیت نیاز به تحقیق و بررسی است
کلاژن موفق ترین فیلم پروتئینی خوراکی در مقیاس تجاری است. کلاژن فیلمساز بطور عمده در صنعت گوشت برای تولید پوششهای خوراکی سوسیسها مورد استفاده قرار میگیرد. این پروتئین بطور وسیع جایگزین پوششهای رودهای سوسیسها شده است. با وجودی که فیلمهای کلاژنی مانند سلوفان قوی و مستحکم نیستند، ولی خصوصیات مکانیکی خوبی دارند. فیلم کلاژنی در رطوبت نسبی ً% ممانعت کنندگی بسیار خوبی در مقابل اکسیژن دارند، ولی با افزایش رطوبت نسبی نفوذپذیری اکسیژن بطور سریع افزایش مییابد(رفتاری مشابه سلوفان) ]ٌِ،ُ.[ عوامل اتصال دهنده متعدد شیمیایی برای بهبود خصوصیات مکانیکی، کاهش حلالیت و افزایش پایداری حرارتی این فیلمها مورد استفاده قرار میگیرد.کربودیمید، ترانسگلوتامین میکروبی و گلوترآلدهید عوامل اتصالدهنده متداولی هستند که استفاده میشوند ]ٌَ،ٌٍ.[ وقتی که محلول آبی ژلاتین در حضور پلاستیسایزرها قالبگیری میشود، فیلم شفاف، انعطافپذیر، محکم و غیرقابل نفوذ به اکسیژنی را بوجود میآورد. کاربردهای صنعتی ژلاتین شامل تهیه پوششهای کپسولی و میکروانکپسولاسیون میباشد. پوششهای خوراکی با ژلاتین انتقال اکسیژن، رطوبت و چربی را کاهش میدهد، همچنین می تواند حامل عوامل آنتیاکسیدان و آنتی میکروبی باشد ]ٌَ،َ.[
مقاومت کششی و درصد افزایش طول واریتهای از فیلم ژلاتینی توسط آروانیتویانیس و همکارانش ارزیابی شد.
ترکیبی از فرایندهای دمای بالا و پایین در تولید فیلمهای شامل انواع مختلف ترکیبات ژلاتین-کربوهیدرات با سوربیتول و نسبت-های مختلف آب بکار گرفته شد. فیلم تولید شده از ترکیب ژلاتین-چیتوزان-سوربیتول و آب با فرایند دمای پایین بیشترین مقاومت کششی را از خود نشان داد و فیلمهای تهیه شده از ژلاتین در ترکیب با نشاسته محلول، سوربیتول و آب در فرایند دمای بالا کمترین مقاومت کششی و بیشترین میزان افزایش طول را داشتند]ٌ.[
َ1-3-حلالیت کلاژن
همانطور که قبلا نیز اشاره شد کلاژن در آب کاملا غیر محلول است اما با کاهش pH میتوان حلالیت را افزایش داد. کلاژن غیر محلول با اسیدی و یا قلیایی کردن به ژلاتین تبدیل می شود که حلالیت بیشتری داشته ولی در عین حال استحکام کلاژن نیز از بین می رود. بنابر این مهمترین مشکل فیلمهای حاصل از پروتئینهای محلول مثل ژلاتین، خصوصیت ضعیف مکانیکی و و نفوذپذیری بالا به بخار آب است. در شکل نحوه تغییر حلالیت کلاژن با تغییرات pH نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود حداکثر حلالیت در pH ٍ و حداقل مشاهده می شود. میزان حلالیت نیز متغیر است. علت بالا بودن حلالیت در pH ٍ-ِ بالا بودن میزان پروتون اتصالی با فیبرهای کلاژنی است که در نهایت منجر به آبگیری بیشتر پروتئین می گردد
َ2-3- استخراج کلاژن و روشهای آن:
کلاژن قابلیت منحر به فردی برای تولید فیبرهای غیر محلول دارد که قدرت کشش بالایی دارند. (Tensile Strength) منابع قدیمی کلاژن بطور کلی پوست خوک و چرم گاو بود اما امروزه پس مانده های ماهی مثل استخوان، تیغ و پوست می تواند بعنوان یک منبع بهتر کلاژن بکار گرفته شود. کلاژن پستانداران با ماهی متفاوت است بدین صورت که کلاژن ماهی دمای ژلاسیون و ذوب پایین تری داشته در حالیکه ویسکوزیته نسبتا بالاتری نسبت به انواع گاوی ایجاد می کند. استخراج کلازن از انواع ماهی توسط محققین بسیاری بررسی شده که گاها بعلت شرایط نامساعد استخراج، خواص عملکردی و کاربردی کلاژن آسیب می بیند. برای داشتن کلازن کاربردی، کلاژنی باید تولید شود که بی رنگ، بی بو و بدون بافتهای پیوندی باشد. خصوصیات فیزیکی کلاژن ماهی نشان می دهد که پتانسیل تولید فیلمهای خوراکی بیوپلیمری از چنین ترکیباتی وجود دارد. روشهایی که در زیر توضیح داده شده اند بر اساس استخراج از ماهی می باشند]ٌَ.[
1-2-3- استخراج با پراکسید هیدروژن
در این روش ابتدا پوست ماهی گرفته شده با آب شسته شده و تا °Cٍ خنک می شود. سپس پوستها تکه تکه شده و با آب مقطر، آب اکسیژنه به مدت ًٌ دقیقه مخلوط می شود. بعد توسط یک پرس مارپیچی آبگیری شده و مرحله شستشو تکرار می شود]ٌٍ.[
