بخشی از مقاله
مروری بر ساختار فیلمهای خوراکی و بررسی
خصوصیات فیلمهای کفیران و متیل سلولز
چکیده
فیلمها و پوششهای خوراکی لایه نازکی از جنس مواد خوراکی هستند که نقش مهمی در نگهداری و محافظت محصولات غذایی ایفا میکنند. پوششها و فیلمها همچنین نقش مهمی درموفق بودن محصول در زنجیره توزیع و بازاریابی به عهده دارند. یکی از نقشهای بستهبندی محافظت از محصول در برابر صدمات فیزیکی، مکانیکی و فعالیت-های میکروبی است. فیلمهای خوراکی بر پایه ترکیبات طبیعی ازجمله پروتئینها، کربوهیدراتها و چربی درنسبتها و فرمولاسیونهای متفاوتی تهیه میشوند. امروزه فیلمهای خوراکی این قابلیت را دار هستند که به عنوان حاملی برای ترکیبات ضدمیکروبی و آنتیاکسیدانی به کار روند. رشد روزافزون کاربرد فیلمهای خوراکی با خواص مساعد مکانیکی و ممانعت در برابر نفوذ، رقابتی بس عظیم را در مبحث پیشرفته بستهبندی مواد غذایی ایجاد نموده است . لذا در این فرصت با مروری بر فیلمهای خوراکی با پایههای مختلف از جمله پلی ساکاریدی به معرفی و بررسی فیلمهای کفیران و متیل سلولز و روشهای ارتقا خصوصیات فیزیکو مکانیکی این فیلمها میپردازیم.
کلمات کلیدی: فیلم خوراکی، بسته بندی، خواص مکانیکی، کفیران، متیل سلولز
مقدمه
کاربرد مواد پلاستیکی به عنوان مواد بستهبندی به دلایل مختلفی از قبیل؛ هزینه پایین، دسترسی آسان و برخی خصوصیات مطلوب مثل نرمی، سبکی و شفافیت بسیار افزایش یافته است. البته پلاستیکهای سنتزی به خاطر زیست تخریب ناپذیر بودن، استفاده بیش از حد آنها باعث ایجاد مشکلات جدی برای محیط زیست می شود.[1] از طرف دیگر مهاجرت مواد نامطلوب (مواد نرم کننده، آنتی اکسیدان ها، پایدار کننده ها) از پلاستیکهای سنتزی به درون مواد غذایی که تهدید کننده سلامت انسان می باشند[2]، باعث شده در دهه گذشته تحقیقات گستردهای جهت پیداکردن جایگزین مناسب برای پلاستیکهای سنتزی جهت بسته بندی مواد غذایی صورت بگیرد. با استفاده از سیستم بسته بندی زیستی از جمله فیلمهای خوراکی میتوان به مشکلات ناشی از بسته بندی پلاستیکی غلبه کرد.
فیلمهای خوراکی به لایه نازکی از مواد خوراکی گفته میشود که یا به عنوان پوشش در سطح مواد غذایی تشکیل می-شوند یا به صورت یک فیلم پیرامون مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرند. فیلمها و پوششهای خوراکی میتوانند حامل مواد فعال متنوعی از قبیل؛ آنتیاکسیدانها،مواد مغذی، مواد دارویی، مواد مولد طعم و مخصوصاً مواد ضدمیکروبی باشند. از جمله مهم ترین ویژگی فیلمهای خوراکی، زیست تخریب پذیری ذاتی و خوراکی بودن آنها است که آنها را به عنوان یک ماده بستهبندی بسیار مناسب کرده است4]،.[3
فیلمهای خوراکی در اثر گستردن محلولهای فیلم ساز روی یک سطح و خشک کردن آن پدید میآیند. پوششهای خوراکی نیز در اثر غوطهور کردن مواد غذایی در محلولهای سازنده یا پاشیدن محلول سازنده بر سطح آنها ایجاد می-شوند.[5] بیوپلیمرهای تشکیل دهنده فیلمهای خوراکی میتوانند از نوع پروتئین، پلی ساکارید یا لیپیدی باشند. در این میان پروتئین ها و پلی ساکاریدها دو دسته بسیار مهم جهت ساخت فیلمهای خوراکی میباشند. پلی ساکاریدهای مورد استفاده در صنعت عبارتند از: کربوکسی متیل سلولز((CMC، پکتین، دکسترین، نشاسته و نشاستههای اصلاح شده و آلژیناتها هستند7]،.[6 عموما فیلمهای خوراکی مورد استفاده در غذاهای سرخ شده بر پایه کربوهیدراتها می باشد. به ویژه میتوان در این زمینه از CMC,Gum,Gellan نام برد9]،[8پرو تئینهای مورد استفاده در ساخت فیلمهای خوراکی در بستهبندی مواد غذایی نیز عبارتند از : پروتئین غلات((Corn Zein، گلوتن گندم( Wheat
(Gluten، پروتئن سویا((Soy Protein، پروتئن آب پنیر((Whey Protein، کازئین شیر، کولاژن و ژلاتین هستند11]،. [10
کفیران یکی از منابع تهیه فیلم خوراکی بر پایه ترکیبات پلی ساکاریدی است، که علاوه بر منابع پلی ساکاریدی ذکر شده، امروزه به عنوان یک ترکیب جدید معرفی شده است که به خاطر خصوصیات فیزیکو مکانیکی و میکروبی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[12]در این مجال به مروری در مورد فیلمهای تهیه شده بر پایه متیل سلولز و کفیران پرداخته و قابلیت این ترکیبات را در بالا بردن و بهبود دادن و خصوصیات فیزیکو ومکانیکی و ضدمیکروبی فیلمها و پوششهای خوراکی مورد بررسی قرار میدهیم.
معرفی کربوکسی متیل سلولز
فیلمها و پوششهای خوراکی را میتوان به چهار گروه پلی ساکاریدی، پروتئینی، لیپیدی و مرکب تقسیم کرد. فیلم-های پلی ساکاریدی شامل آلژینات، پکتین،کاراگینان، نشاسته و مشتقات سلولز میشوند.
سلولز، یک پلیمر طبیعی است و ساختار اولیه، در گیاهان سبز را تشکیل میدهد. دیواره سلولی اولیه در گیاهان سبز از سلولز ساخته شده است. سلولز از فراوان ترین و ارزان ترین منابع گیاهی تجدیدپذیر است که قابلیت بازیافت دارد و به وسیله میکروارگانیسمها تجزیه و به عناصر کربن، هیدروژن و اکسیژن تبدیل میشود.مهم ترین مشتقات سلولز، اتر سلولز، متیل سلولز،کربوکسی متیل سلولز و هیدروکسی پروپیل سلولز هستند که برای تولید فیلم مناسب هستند .[13]
برندبرگر در سال 1908 میلادی سلوفان را به عنوان اولین پوشش سلولزی توسعه داد و از دهه 1980 میلادی به بعد فیلمها و پوششهای خوراکی از سلولز تهیه شد15]،[14 متیل سلولز یک ترکیب ، شیمیایی است که به صورت
طبیعی وجود ندارد . با متیله کردن حدود%30 گروههای هیدروکسیل در سلولز به دست میآید. در آب سرد حل می-شود و محلولی شفاف تولید میکند، ولی در آب داغ، نامحلول است و با افزایش حرارت به محلول اشباع متیل سلولز تبدیل شده و به صورت ته نشست از محلول خارج میشود.[16]
فیلمهای سلولزی مانع خوبی در برابر اکسیژن و ترکیبات معطر هستند و مقاومت آنها در برابر اکسیژن و ترکیبات معطر هستند و مقاومت آنها در برابر بخار آب با افزودن چربیها افزایش مییابد.[17] همچنین با افزودن چربی به فیلمهای سلولزی میتوان قابلیت نفوذ آنها را به گازهای اکسیژن و دی اکسید کربن کاهش داد.[18] فیلم های متیل سلولز ترد و شکننده هستند، مقاومت کششی بالا و میزان کش آمدگی پایینی دارند. افزودن پلاستی سایزرها به ویژه گلیسرول و پلیاتیلن گلایکول به فیلمهای سلولزی خواص کششی آنها را بهبود میدهد، یعنی مقاومت کششی فیلم را کاهش و میزان کشآمدگی آن را افزایش میدهد.
مروری بر فیلمهای تهیه شده با استفاده از متیل سلولز
دونها و فمنا در سال 1993 نشان دادند که پلاستی سایزرهای گلیسرول، پلی اتیلن گلایکول و پروپیلن گلایکول باعث کاهش مقاومت کششی و افزایش میزان کش آمدگی و نفوذپذیری در برابر اکسیژن و بخار آب فیلم نسبت به فیلم متیل سلولزی خالص و بدون پلاستی سایزر میشوند.[14]
آیرانسی و تونسی در سال 2001 اعلام کردند که با افزودن اسید چرب به فیلمهای سلولزی مقدار سرعت انتقال بخار آّب نسبت به نمونه ساده کاهش مییابد.[18] زیرا اسیدهای چرب باعث کاهش تراوایی در فیلم های سلولزی می-شوند.تورهان و همکاران در سال 2001 نشان دادند که فیلمهای متیل سلولز به آهستگی در آب حل میشوند و میزان حلالیت پایینی دارند. چون پیوندهای هیدروژنی بیشماری بین زنجیرههای متیل سلولز((MC وجود دارد. در حالی که فیلمهای حاوی پلی اتیلن گلایکول با وزن مولکولی (PEG400) 400 خیلی سریع در آب حل میشوند. زیرا تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین MC و PEG400 باعث شکستن ساختار سه بعدی متیل سلولز و درنتیجه افزایش حلالیت
آن در آب میشود.[19]
تورهان و همکاران در سال 2004، اثر نوع حلال را برخواص مکانیکی فیلمهای متیل سلولزی را مورد مطالعه قرار دادند و به این تنیجه رسیدند که فیلمهای تهیه شده با آب و اتانول مقاومت کششی کمتری نسبت به فیلمهای تهیه شده در آب دارند.
دارایی و همکاران،1388 اثر افزودن 4 پلاستی سایزر از جمله گلیسرول،پلی اتیلن گلایکول 400، اسید چرب پالمتیک و ترکیب گلیسرول و اسید چرب پالمتیک با هم اضافه شده را مورد بررسی قرار دادند، سرعت انتقال بخار آب، مقاومت کششی، میزان کش آمدگی و مقدار مواد محلول در آب فیلمها اندازهگیری شد. نتایج آزمون ها نشان داد فیلمهای خالص متیل سلولز ترد و شکننده هستند. پلاستی سایزرهای با وزن مولکولی کم (گلیسرول) بیشترین تأثیر را روی کاهش مقاومت کششی و افزایش میزان کش آمدگی فیلم های متیل سلولز دارند. در حالی که پلاستی سایزرهای با وزن مولکولی بالا اسید چرب پالمیتیک بیشترین تأثیر را در کاهش میزان انتقال بخار آب فیلم های متیل سلولز دارند . در مواردی مانند پوشش دادن میوه ها، فیلمهای حاوی ترکیب گلیسرول و اسید چرب پالمیتیک به علت نفوذپذیری کمتر به بخار آب، مناسب تر هستند.
رامیرز و همکاران،2012 اثر افزودن عصاره گیاه مورتا را بر ویژگیهای فیزیکو مکانیکی از جمله مرطوب شدن، نفوذپذیری به بخار آب را در فیلمهای کربوکسی متیل سلولز اندازه گرفت و گزارش کرد که استفاده از عصاره برگ گیاه مورتا مقدار رطوبت پذیری و زاویه تماس فیلم را تغییر نکرده بود. با توجه به نتایج به دست آمده او گزارش کرد افزودن عصاره گیاه مورتا باعث ایجاد تغییرات چشمگیر در خواص فیزیکی فیلم کربوکسی متیل سلولز نشده بود.[20]
شکل-1 نمایی از پودر کربوکسی متیل سلولز پرز- گاکو و همکارانش در مقالهای اثر کامپوزیت فیلم خوراکی شامل پروتئین آب پنیر و هیدروکسی پروپیل متیل
سلولز (HPMC) را برروی تغییر رنگ تکههای بریده شده سیب مورد بررسی قرار دادند واکنش قهوه ای شدن آنزیمی یک مساله بسیار اساسی در ماندگاری تکههای بریده شده میوه و سبزیجات است. واکنش قهوهای شدن آنزیمی به دلیل واکنش ترکیبات فنلی با اکسیژن موجود در محیط است. برای کاهش این مساله می توان از عوامل آنزیمی ضد قهوهای شدن مانند اسید اسکوربیک و یا اسید سیتریک استفاده نمود.[21]
در ضمن بستهبندی از نوع اتمسفر اصلاح شده نیز راه دیگری برای رفع این معضل میباشد. با استفاده از فیلمهای خوراکی میتوان شبه مانعی در برابر عبور گازهایی مانند اکسیژن و بخار آب ایجاد نمود تا نرخ تنفس، واکنش قهوهای شدن و از دست دادن آب کاهش یابد. فیلم خوراکی مورد استفاده در این مقاله از نوع امولسیونی است. در مرحله اول
از تهیه این فیلم خوراکی ابتدا محلول %5وزنی از HPMCتهیه میشود. هیدراسیون HPMC زمانی کامل می شود که در حین همزدن به مدت 30 دقیقه دمایش به 30 درجه سانتیگراد در انتها برسد. اسید استئاریک و گلیسرول به عنوان امولسیفایر و نرم کننده به محلول اضافه میشود . فاز چربی که میتواند موم زنبور عسل باشد به میزان %40وزنی محلول اضافه میشود. برای ذوب شدن فاز چربی دمای محلول باید 10 تا 20 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای ذوب فاز چربی باشد. حال به محلول مقداری آب مقطر افزو ده تا ماده خشک محلول %8 گردد . محلول وارد دستگاه هموژنایزرشده تا امولسیونی یکنواخت حاصل شود. سپس امولسیون هوازدایی شده و در دمای 5 درجه سانتی گراد نگهداری میشود. همین عمل نیز برای پروتئین آب پنیر انجام میشود . با این تفاوت در مرحله اول که محلول %10 پروتئین آب پنیر آماده شده را در دمای 90 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه قرار داده تا پروتئینها دناتوره شود.
بعد از شستشوی سیبها و قرار دادن در محلول اسید سیتریک، آنها را برش داده و در درون امولسیون برای مدت 5 دقیقه قرار میدهند . برای سیبهای تهیه شده، میزان کاهش وزن، اندیس قهوهای شدن(از تعیین پارامترهای مربوط به رنگ توسط دستگاه رنگ سنج به دست میآید). و تست طعم و مزه توسط گروه پانل تعیین میشود.
نتایج نشان میدهد که فیلم خوراکی پایه آب پنیر در کاهش پدیده قهوهای شدن آنزیمی نسبت بهHPMC بسیار موثرتر است. به نظر میرسد که علت آن اثر آنتیاکسیدان آمینو اسیدها و ممانعت در برابر عبور اکسیژن است. اثر نوع چربی بر روی پدیده قهوه ای شدن تکه های سیب به اندازه ای نیست که توسط گروه پانل تشخیص داده شود . در نهایت اینکه افزودن عامل ضد قهوه ای شدن به پروتئین آب پنیر با شرایط مساعد نگهداری، منجر به افزایش قابل دملاحظهای در زمان ماندگاری سیب میشود.[22]
معرفی کفیر و اگزوپلی ساکارید کفیران
ستفاده از پلی ساکاریدهای با منبع میکروبی در دهههای اخیر بصورت چشمگیری مورد توجه قرار گرفتهاند، به طور مثال از زانتان به عنوان یک افزودنی در صنعت غذا مورد استفاده قرار میگیرد، زانتان از میکروارگانیسم زانتوموناس کمپستریس تولید میشود. همچنین ترکیب ژلان از سودوموناس الودا تهیه میشود.[23] اگرچه خواص فیزیکی این ترکیبات تا کنون به طور کامل مورد شناسایی قرار نگرفته است. اما به دلیل تقاضایی که در مورد این ترکیبات جدید ایجاد شده است، پژوهش در زمینه ویژگیهای رئولوژیکی این ترکیبات نیاز است.[24]
برخی از میکروارگانیسم ها از جمله اسید لاکتیک باکتریا، پلی ساکاریدهای با وزن مولکولی ارتقا یافته تولید می-کنند(.(MW این ترکیبات خارج سلولی یا اگزوپلی ساکارید((EPS، ترکیبات مهم و باارزشی هستند، به دلیل اینکه می توانند نقش عملکردی مواد غذایی را ارتقا دهند و مزایای سلامتی بخش مواد غدایی را بالا ببرند.
اسید لاکتیک باکتریا به طور کل به عنوان یک ترکیب ایمن شناخته میشوند، اگزوپلی ساکاریدهای ایزوله شده از این میکروارگانیسمها به عنوان گزینهای برای استفاده گسترده در فرمولاسیون ترکیبات محصولات غذایی شناخته می-شوند.کفیر،یک نوشیدنی اسیدی، ویسکوز و اندکی کربناته لبنی است. .[25 ]
سازمان بهداشت جهانی به همراه سازمان خوار و بار جهانی((WHO/FAO، یک تعریف بر اساس پایهی میکروبی اجزای تشکیل دهنده دانههای کفیر ارائه داده است: دانههای کفیر از یک کشت مخلوط سیمبیوتیک از لاکتیک اسید باکتریا(لاکتوباسیلوس، لاکتوکوکوس، لکونوستوک و استرپتو کوکوس)، استیک اسید باکتریا( استوباکتر) و مخمرها( کلورومایسسز، ساکارومایسسز و تورولا) در یک ماتریکس پلی ساکاریدی – پروتئینی تشکیل میشوند28]،27،.[26
شکل-2 دانکهای قارچ کفیر
کفیران
پلیساکاریدی که از کفیر تهیه میشود، کفیران نامیده میشود، یک ترکیب گلوگالاکتان محلول در آب، که فعالیت ضد میکروبی و ضد سرطانی از آن گزارش شده است و در سیستم گوارش مصونیت نسبت به میکروارگانیسم ها ایجاد می-کند و میتواند از سلولهای اپی تلیال در برابر فاکتورهای خارج سلولی باسیلوس سرئوس محافظت میکند31]،30،.[29 این اگزوپلی ساکارید در دانههای کفیر حضور دارد وو بعد از تخمیر شدن در محصول تخمیر شده( شیر یا آب پنیر) هم وجود دارد.[32]
کفیران میتواند به عنوان یک ترکیب افزودنی برای محصولات غذایی تخمیری جهت بالا بردن خصوصیات رئولوژیکی ژل شیر پس چرخ اسیدی شیمیایی اضافه شود، و ویسکوزیته ظاهری و ویسکوزیته واقعی و افت مدولهای این ژلها میشود. این پدیده با پیش حرارت دهی تشدید شده اتفاق میافتد و معمولا -برای تهیه ماستهای صنعتی به کار می-رود(.[30] همچنین به دلیل خصوصیات یاد شده از کفیران، کفیران میتواند به یک افزودنی عملگرا به کار رود.
