Застосування ПВП в упаковці та покривках продуктів харчування - інноваційні матеріали для підвищення бар'єру та безпеки

Основна вимога до упаковки для харчових продуктів — це блокування кисню, вологи та мікроорганізмів з метою подовження терміну придатності харчових продуктів. Однак традиційні матеріали для упаковки (наприклад, пластики та папір) схильні до таких проблем, як недостатні бар’єрні властивості та міграція хімічних речовин. Полівінілпіролідон (PVP), завдяки своїм властивостям утворювати плівку, антибактеріальним властивостям та сумісності з основою, може використовуватися як покриття або допоміжний матеріал для упаковки харчових продуктів, щоб підвищити ефективність упаковки й зменшити ризики міграції хімічних речовин. Він охоплює кілька галузей, зокрема паперову упаковку, пластикову упаковку та з’їдальні покриття.

一 、Основна функція PVP в упаковці для харчових продуктів

Основними проблемами, з якими стикається упаковка харчових продуктів, є «порушення бар’єрних властивостей» та «небезпека для безпеки», а механізм дії ПВП переважно включає:

1. Покращення бар’єрних властивостей: ПВП може утворювати щільну плівкову структуру, яка покриває поверхню підкладки упаковки, зменшуючи проникнення кисню та вологи й уповільнюючи окиснення продуктів та поглинання ними вологи;

2. Антибактеріальна дія: молекули ПВП можуть зв’язуватися з клітинними мембранами мікроорганізмів, порушувати структуру клітинної мембрани, пригнічувати ріст бактерій (наприклад, Escherichia coli та Staphylococcus aureus) та плісняв (наприклад, Aspergillus та Penicillium), а також зменшувати мікробне забруднення всередині упаковки;

3. Зниження ризику міграції: ПВП може взаємодіяти з пластифікаторами та стабілізаторами в упаковкових матеріалах, запобігаючи їхньому переходу в харчові продукти й підвищуючи безпеку упаковки.

Дослідження, опубліковане в журналі «Packaging Engineering», показує, що паперова упаковка без покриття ПВП має швидкість проникнення кисню (OTR) 300 см³/(м² · 24 год · 0,1 МПа), тоді як паперова упаковка з покриттям ПВП у концентрації 0,5 % має OTR, знижену до 120 см³/(м² · 24 год · 0,1 МПа), і на 60 % покращені бар’єрні властивості; одночасно упаковка з покриттям ПВП забезпечує антибактеріальну ефективність понад 90 % щодо Escherichia coli, значно зменшуючи ризик мікробного забруднення.

два 、Сценарії застосування ПВП для різних типів харчової упаковки

1. Паперова харчова упаковка (наприклад, пакети для хліба, коробки для фастфуду)

Паперова упаковка має низьку вартість, але погані бар’єрні властивості, що легко призводить до зволоження та окиснення продуктів харчування. Під час застосування ПВП необхідно перетворити на розчин для нанесення покриття: ПВП K90 (високомолекулярна форма, сильна здатність до утворення плівки) і гліцерин (пластифікатор, у співвідношенні 10:1) розчиняють в етанолі, щоб отримати розчин для нанесення покриття концентрацією 5–8 %, який рівномірно наносять на поверхню паперової основи за допомогою машини для нанесення покриття й сушать для утворення прозорої плівки. Використання ПВП для покриття пакетів для хліба знизило швидкість передачі водяної пари (WVTR) з 40 г/(м²·24 год) до 15 г/(м²·24 год) і подовжило термін придатності хліба з 3 до 7 днів; крім того, покриття з ПВП запобігає міграції флуоресцентних оптичних відбілювачів у папері, підвищуючи безпеку упаковки.

2. Пластикові харчові упаковки (наприклад, пляшки з ПЕТ, плівки з ПЕ)

Пластикове упакування схильне до небезпек для безпеки через міграцію пластифікаторів (наприклад, фталатів) та недостатні властивості бар’єру проти кисню. Під час переробки пластику як добавку додають 0,5–1,0 % PVP K80 (високомолекулярна форма, добре сумісна з пластиками): PVP може зв’язувати пластифікатори, запобігаючи їхньому проникненню в харчові продукти (кількість міграції зменшується з 0,5 мг/кг до менше ніж 0,1 мг/кг); одночасно PVP утворює в пластиковій матриці структуру мікрофазового розшарування, що скорочує шляхи проникнення кисню. Швидкість проникнення кисню крізь пляшки з ПЕТ зменшується більше ніж на 35 %, що робить їх придатними для упаковки харчових продуктів із високими вимогами до бар’єрних властивостей, наприклад, соків і рослинних олій.

3. З’їдальні харчові покриття (наприклад, покриття для збереження фруктів, обгортки для цукерок)

Їстівні покриття можна безпосередньо наносити на поверхню їжі, забезпечуючи таким чином як її безпеку, так і функціональність. Змішайте PVP K30 (водорозчинний, безпечний і нетоксичний) з хітозаном (засобом проти бактерій) та гліцеролом (пластичним агентом) у співвідношенні 5:3:2, щоб отримати розчин їстівного покриття, який можна розпилювати на поверхні фруктів, таких як яблука й груші. Плівка, утворена PVP, зменшує випаровування води й контакт із киснем, знижує втрату маси фруктів з 10 % до 3 % та подовжує термін придатності на 15–20 днів; одночасно хітозан і PVP синергічно запобігають росту бактерій, пригнічують розвиток плісняви й зменшують ризик гниття. Для цукерок PVP можна використовувати як матеріал для покриття замість традиційного клею на основі комах, що надає поверхні цукерок блиску, беззапаховості та полегшує їхнього розкладання, що відповідає вимогам охорони навколишнього середовища.

три 、Процес застосування та перевірка безпеки

Застосування ПВП у харчовій упаковці вимагає коригування процесу залежно від основи: для паперової упаковки застосовується процес «нанесення покриття з подальшим сушінням» (температура сушіння — 60–80 °C, щоб уникнути розкладання ПВП); ℃для пластикової упаковки — процес «змішування з екструзією» (температура екструзії — 180–200 °C, щоб забезпечити рівномірне змішування ПВП і пластику); ℃для з’їдного покриття — процес «розпилення з природним сушінням» (щоб уникнути пошкодження якості харчових продуктів високою температурою).

З точки зору безпеки, ПВП як матеріал для упаковки харчових продуктів пройшов сертифікацію на відповідність вимогам щодо матеріалів, що контактує з харчовими продуктами (FCN), встановленим Управлінням з контролю за харчовими продуктами та ліками США (FDA), із рівнем міграції ≤ 0,05 мг/кг, що відповідає Регламенту ЄС № 10/2011. Крім того, ПВП має добру біорозкладність і повільно розкладається в природних умовах, не завдаючи шкоди навколишньому середовищу. Порівняно з традиційними матеріалами для покриття упаковки, такими як полівініловий спирт і полівініліденхлорид, ПВП характеризується вищою безпекою та кращою сумісністю й став важливим допоміжним матеріалом для упаковки преміум-класу та екологічно чистої упаковки, сприяючи розвитку галузі упаковки харчових продуктів у напрямку «безпека, ефективність та охорона навколишнього середовища».