Мировая индустрия пищевой упаковки переживает кардинальные изменения в сторону устойчивых альтернатив, поскольку экологические проблемы и растущее загрязнение пластиком требуют разработки экологически чистых материалов. Биоразлагаемые пищевые упаковочные пленки (БППП), получаемые из возобновляемых природных полимеров, предлагают перспективное решение. Эти пленки обладают такими желаемыми свойствами, как биосовместимость, биоразлагаемость и экономичность, что хорошо согласуется с растущим спросом на экологически чистые упаковочные материалы для пищевых продуктов. Однако, несмотря на эти преимущества, большинство биополимеров, используемых в БППП, имеют присущие им ограничения, прежде всего, отсутствие собственных антимикробных свойств. Этот недостаток ограничивает их эффективность в консервации пищевых продуктов, где рост микроорганизмов может привести к порче и загрязнению. Следовательно, значительные исследования были направлены на улучшение антимикробных свойств БППП путем включения активных веществ. Среди этих веществ ε-полилизин привлек особое внимание благодаря своим замечательным антимикробным свойствам, что делает его основным кандидатом для улучшения функциональности БППП.
Биоразлагаемые упаковочные пленки для пищевых продуктов обычно изготавливаются из биополимеров, таких как полисахариды (например, крахмал, хитозан), белки (например, желатин, соевый белок) и алифатические полиэфиры (например, полимолочная кислота, полигидроксиалканоаты). Эти биополимеры обладают рядом преимуществ перед традиционными синтетическими полимерами, таких как меньшее воздействие на окружающую среду, повышенная биоразлагаемость и возобновляемая база источников.
Полисахариды широко используются в биопленках благодаря их распространенности, легкости модификации и пленкообразующим свойствам. Крахмал и хитозан — распространенные полисахариды, используемые для создания пленок, потенциально пригодных для консервации пищевых продуктов. Однако их восприимчивость к микробному воздействию ограничивает их применение, что требует включения антимикробных агентов.
Белки, такие как желатин и соевый белок, все чаще исследуются на предмет их функциональных свойств, включая способность образовывать съедобные пленки. Эти материалы, хотя и биосовместимы и биоразлагаемы, часто обладают низкой механической прочностью и водостойкостью, что ограничивает их применение в реальной упаковке пищевых продуктов.
Алифатические полиэфиры, такие как полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA), обладают превосходной механической прочностью и термической стабильностью по сравнению с полисахаридами и белками. Они также демонстрируют хорошую биоразлагаемость, но сталкиваются с проблемами, связанными с их ограниченными антимикробными свойствами, которые можно смягчить путем включения антимикробных агентов, таких как ε-полилизин.
ε-Полилизин — это природный катионный пептид, состоящий из остатков L-лизина, связанных амидными связями, синтезируемый некоторыми видами микроорганизмов, такими как Streptomyces albulus. Он широко известен своей мощной антимикробной активностью, которая в основном объясняется его способностью разрушать клеточные мембраны микроорганизмов, приводя к их гибели. Антибактериальные свойства ε-полилизина сделали его привлекательным кандидатом для различных применений, в том числе для консервирования пищевых продуктов, где он может подавлять рост широкого спектра бактерий, грибов и плесени.
Синтез: ε-Полилизин обычно получают методом микробной ферментации. Процесс включает культивирование Streptomyces albulus или других подобных штаммов в богатой питательными веществами среде. Затем полимер выделяют, очищают и характеризуют. Этот биосинтетический процесс относительно экономически выгоден и экологичен, что делает ε-полилизин привлекательным вариантом для промышленного применения, особенно в пищевой упаковке.
Химические свойства: Уникальная структура ε-полилизина наделяет его как гидрофильными, так и катионными свойствами. Положительно заряженные остатки лизина могут взаимодействовать с отрицательно заряженными поверхностями клеточных мембран микроорганизмов, вызывая лизис клеток. Кроме того, ε-полилизин растворим в воде и обладает относительно низкой токсичностью для человека, что делает его безопасным для использования в пищевой промышленности. Химическая стабильность ε-полилизина является еще одним ключевым фактором, способствующим его применению в системах упаковки пищевых продуктов.
Было показано, что включение ε-полилизина в BFPF улучшает как антимикробную активность, так и механические свойства пленок. В этом разделе рассматривается, как ε-полилизин действует в качестве антимикробного агента и сшивающего агента в различных биополимерных матрицах.
Антимикробное действие: При включении ε-полилизина в состав BFPF он действует как функциональная добавка, придающая упаковочному материалу прямую антимикробную активность. Это особенно полезно для пищевых продуктов, подверженных загрязнению микроорганизмами, вызывающими порчу. Предотвращая рост бактерий и плесени, ε-полилизин помогает продлить срок хранения пищевых продуктов, сохраняя их свежесть и качество. Исследования показали, что ε-полилизин может эффективно подавлять рост распространенных пищевых патогенов, таких как сальмонелла, кишечная палочка, листерия моноцитогенная и виды Penicillium, что делает его ценным дополнением к системам пищевой упаковки.
Сшивающие свойства: Помимо антимикробного действия, ε-полилизин также выступает в качестве сшивающего агента в BFPF. Аминогруппы в молекуле ε-полилизина могут взаимодействовать с гидроксильными группами полисахаридов, белков и других биополимерных цепей, приводя к образованию ковалентных связей. Это сшивание улучшает структурную целостность пленок, повышая их механические свойства, такие как прочность на разрыв и удлинение. Кроме того, сшивание может улучшить водостойкость и барьерные свойства пленок, делая их более подходящими для использования в пищевой упаковке.
Влияние на свойства пленки: Добавление ε-полилизина может существенно повлиять на физические и механические свойства биопленок на основе биополимеров. Например, пленки, изготовленные из биополимеров на основе хитозана или желатина, демонстрируют улучшенную прочность на разрыв, удлинение при разрыве и сопротивление проколам при добавлении ε-полилизина. Кроме того, включение ε-полилизина может снизить проницаемость пленки для кислорода и влаги, что является критически важным фактором для предотвращения роста микроорганизмов и продления срока хранения пищевых продуктов. Сама биополимерная матрица также может получить пользу от пластифицирующего эффекта ε-полилизина, что приводит к повышению гибкости пленки.
Функционализация BFPF с помощью ε-полилизина открывает широкий спектр применений в упаковке и консервировании пищевых продуктов. В этом разделе рассматриваются практические применения этих антимикробных упаковочных материалов в различных сценариях консервирования пищевых продуктов.
Упаковка мяса и птицы: Мясные и птицепродукты особенно подвержены микробному загрязнению, что может привести к порче и пищевым отравлениям. Было показано, что BFPF, содержащий ε-полилизин, эффективно подавляет рост патогенных микроорганизмов, таких как сальмонелла и кишечная палочка, которые часто встречаются на поверхности мяса. Антимикробные пленки не только продлевают срок хранения мясных продуктов, но и снижают риск пищевых отравлений, что делает их идеальными для использования в мясной и птицеводческой промышленности.
Упаковка фруктов и овощей: Свежие продукты — еще одна категория продуктов питания, для которых антимикробная упаковка приносит пользу. Высокое содержание влаги в фруктах и овощах делает их склонными к росту микроорганизмов, что приводит к порче. Пленки, содержащие ε-полилизин, успешно используются для сохранения свежести фруктов и овощей, предотвращая рост плесени и бактерий. В частности, пленки, функционализированные ε-полилизином, показали свою эффективность в продлении срока хранения ягод, листовой зелени и других скоропортящихся продуктов.
Молочные продукты: Молочные продукты, такие как сыр и йогурт, часто упаковываются в пленки, которые обеспечивают как защитный барьер, так и антимикробное действие. Функционализированный ε-полилизином BFPF может подавлять рост микроорганизмов, вызывающих порчу молочных продуктов, обеспечивая их качество и продлевая срок хранения. Кроме того, антимикробная активность ε-полилизина может предотвращать рост лактобактерий и других бактерий, которые могут вызывать порчу молочных продуктов.
Закуски: Закуски, особенно с высоким содержанием жира, подвержены загрязнению плесенью и дрожжами. Функционализированный ε-полилизином BFPF можно использовать для упаковки закусок, предотвращая рост микроорганизмов и продлевая срок их свежести. Кроме того, эффект сшивания ε-полилизина может улучшить механические свойства упаковки, обеспечивая ее целостность во время хранения и транспортировки.
Несмотря на ряд преимуществ, которые дает включение ε-полилизина в BFPF (биоразлагаемый пищевой пластик), в коммерциализации этих материалов все еще существуют проблемы. Одна из таких проблем — масштабируемость производства ε-полилизина. Хотя микробная ферментация является экономически эффективным методом производства ε-полилизина, масштабирование производственного процесса для удовлетворения промышленных потребностей остается сложной задачей. Кроме того, необходимо тщательно изучить долговременную стабильность ε-полилизина в упаковочных материалах, чтобы гарантировать его эффективность на протяжении всего срока годности упакованных пищевых продуктов.
Ещё одна проблема — получение разрешения регулирующих органов на использование ε-полилизина в пищевой упаковке. Хотя ε-полилизин в целом признан безопасным (GRAS) регулирующими органами, такими как FDA, необходимо дополнительно уточнить конкретные условия его использования в пищевой упаковке.
Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на повышении эффективности синтеза ε-полилизина, оптимизации его включения в биополимерные пленки и изучении взаимодействия ε-полилизина с другими активными веществами для разработки многофункциональных упаковочных материалов для пищевых продуктов. Кроме того, следует разработать пленки на основе ε-полилизина с улучшенными механическими свойствами.
