Хитозан является водорастворимым биосовместимым и биодеградируемым полимером. Он был получен как производное хитина в 1859 г. [1]. Хитозан в производстве продуктов питания стали целенаправленно применять в последние годы. В зависимости от характера прикладных задач хитозан вводится в состав изделий или используется как внешний технологический фактор [2]. Использование хитозана в технологии производства пищи определяется функциональными свойствами и практически полным его соответствием требованиям, предъявляемым к пищевым добавкам. В производстве пищевых продуктов в качестве растворителя хитозана используют преимущественно слабые водные растворы уксусной кислоты 0,5-2,0 %-й концентрации. Растворимость хитозана в кислых средах существенно облегчает его переработку в пленки и волокна. По химическому составу хитозан представляет собой полимер глюкозамина. Эмпирическая формула хитозана имеет вид (C6H11NO5)n. На рис. 1 приведена структурная формула хитозана. Рис. 1. Структурная формула хитозана Специалисты называют хитозан веществом XXI века, т. к. у него широчайший диапазон применения: данный полисахарид используется в настоящее время более чем в 100 направлениях народного хозяйства (медицина, пищевая промышленность, косметика, сельское хозяйство, экология и др.), при этом ученые продолжают находить новые области его применения. Высокая упорядоченность макромолекулы хитина обуславливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, в том числе и в условиях щелочного гидролиза. В небольших количествах хитозан встречается в природе, в частности, имеются сообщения, что хитозан образует часть клеточных стенок некоторых плесеней и встречается в морском луке [3-5]. Российскими исследователями хитин (хитозан) был получен из панцирей ракообразных гидробионтов: антарктического криля, крабов и речных раков. Как и хитин, хитозан представляет собой аморфно-кристаллический полимер, для которого также характерно явление полиморфизма, причем количество структурных модификаций при переходе от хитина к хитозану увеличивается до 6. В процессе деацетилирования хитина заметно уменьшается общая упорядоченность структуры (степень кристалличности снижается до 40-50 %). Основными характеристиками хитозана являются степень деацетилирования и молекулярная масса (ММ). Степень деацетилирования может колебаться от 20 до 95 %. Хитозаны различаются по величине ММ, которая определяется количеством звеньев глюкозамина в биополимерной цепочке. Этот показатель существенным образом влияет на область применения хитозана. Так, хитозаны с ММ до 35 кДа используют в качестве иммуностимулятора, радиопротектора, для покрытия микрокапсул и образования пленок. Полимер с ММ 30-100 кДа включают в состав биологически активных добавок, применяют в производстве вакцин и сывороток. В бумажной и текстильной промышленности, а также для очистки сточных вод и сорбции тяжелых металлов целесообразно использование хитозана с диапазоном ММ 80-250 кДа. В пищевой и косметической промышленности преимущественно используют хитозан с ММ свыше 200 кДа [6]. Известно, что для защиты поверхности пищевых продуктов от вредных факторов окружающей среды и удлинения сроков хранения в основном применяется полиэтиленовая пленка, которая используется для изготовления упаковочных материалов. Полиэтилен относится к трудноразлагаемым упаковочным материалам, требующим утилизации, период разложения которых составляет более 100 лет. Процесс утилизации трудноразлагаемых материалов ухудшает степень экологичности окружающей среды. В последнее время изыскиваются упаковочные материалы для пищевых продуктов легкоразлагаемые и биоразлагаемые. Ранее исследователями были предложены биоразлагаемые пленки для использования в медицине и пищевой промышленности. Цель проведения исследований состояла в выявлении возможности использования хитозана, полученного из панциря речных раков, с молекулярной массой 19 кДа в изготовлении пищевой биоразлагаемой пленки. Материалы и методы исследования Использованный хитозан является производным хитина, полученного обработкой панцирьсодержащего сырья [7], представляющего собой отходы от разделывания вареных речных раков, который по качеству соответствовал требованиям ТУ 9289-003-48203178-2001. В составе использованного образца хитозана содержание воды составляло 9 %, минеральных веществ 0,2 % и нерастворимых веществ 0,3 %. Методика исследования предусматривала определение следующих механических показателей качества биоразлагаемой пленки: - предел прочности при растяжении, МПа; - удлинение при растяжении, которое достигается при растягивающей нагрузке 1,0 × 10 МПа; - удлинение при растяжении - при разрыве (максимальное), %. Для исследования использовалась разрывная машина марки РТ-250 М с тензометрической системой регистрации усилий на образце. Для испытания использовались образцы пищевой биоразлагамой пленки, полученной с внесением хитозана с состав рабочей смеси, размером 210 × 280 мм в количестве 2-х единиц в соответствии с ГОСТ 938.12-70. Толщина пленки составляла 0,09-0,12 мм, среднее значение 0,10 мм в соответствии с ГОСТ 938.15-70. Из каждой полученной пластины пленки вырезались образцы для испытаний штампом специальной формы и размера (в мм) Lобр = 100; Вобр = 10; Lобщ = 130; В1 = 20; R = 5. Форма образца пленки для испытаний приведена на рис. 2. Рис. 2. Форма образца пленки для испытаний Из каждой пластины пленки вырезались 2 образца для проведения испытаний, расположение которых образует прямой угол (рис. 3). Рис. 3. Расположение образцов для проведения испытаний пленки на пластине Образцы пленки вырезались в двух взаимоперпендикулярных направлениях: «вдоль волокна» и «поперек волокон». Испытания таких разнорасположенных образцов позволяет выявить степень анизотропии материала. Образец пленки помещался в разрывную машину РТ-250 М. В результате испытаний в материале образца возникало напряжение, Па, определяемое по формуле Q где F - сила растяжения, Н; S - площадь поперечного сечения материала, м2. По закону Гука для упругих тел сила растяжения (F) определяется по формуле где ΔL - удлинение образца материала, м; k - коэффициент упругости материала (коэффициент Гука). В процессе испытания производились замеры следующих показателей: - Li - длина образца, при этом рассчитывается удлинение по формуле - Fi - сила нагрузки на подвижную часть, Н; - ơi - толщина образца, мм; - Вi - ширина образца, мм. Таким образом, замер вышеуказанных параметров позволяет определить величину напряжения, возникающего в материале. При достижении Q = 1,0 ∙ 10 МПа производится замер величины ΔL, используемой в формуле, которая позволяет определить удлинение при напряжении, %: Удлинение при натяжении = При продолжении испытания величина ơi увеличивается до ơmax, которая определяется в момент разрушения материала при разрыве. В момент разрыва фиксируется величина △Lmax. Исходя из полученных данных удлинение при разрыве, %, определяется по формуле Удлинение при разрыве = Результаты исследований и их обсуждение Для изготовления образцов биоразлагаемой пленки были использованы желатин, частично заменяющий его хитозан, трансглутаминаза, глицерин и краситель пищевой [8]. Хитозан, полученный из панциря речных раков, был использован в виде 2 %-го раствора в 2 %-м растворе уксусной кислоты. Для растворения хитозана при комнатной температуре необходимо продолжительное время, которое составляет почти сутки. При этом хитозан вначале набухает при непрерывном перемешивании в условиях окружающей среды в 2 %-м растворе уксусной кислоты, после чего растворяется почти полностью. Количество нерастворимого осадка составляет не более 1,0 %. В табл. 1 приведено количество материалов, внесенных в состав смеси для пищевой биоразлагаемой пленки. Таблица 1 Количество материалов, внесенных в состав смеси для пищевой биоразлагаемой пленки Материал Количество, % Раствор желатина 10 %-й 49,5 Раствор хитозана в уксусной кислоте 29,7 Глицерин 3,6 Раствор трансглутаминазы 4 %-й 16,2 Краситель пищевой 1,0 К приготовленному уксуснокислому раствору хитозана при постоянном перемешивании добавляется 10 %-й раствор желатина. В смесь вначале вносится глицерин, затем раствор трансглутаминазы при постоянном перемешивании продолжительностью две минуты при температуре смеси не более 45-55 °С. На завершающем этапе добавляется раствор красителя, и перемешивание продолжается в течение минуты. Для приготовления раствора хитозана была апробирована вода, разделенная при помощи прибора «Электроактиватор воды АП-1» на анионитную и катионитную, т. е. «мертвую» и «живую», в которых растворимость хитозана намного уступала раствору 2 %-й уксусной кислоты. Выбор уксусной кислоты в качестве растворителя хитозана сделан с учетом того, что она используется в пищевой промышленности. Ввиду того, что производство хитозана в России пока не осуществляется в достаточном количестве, в качестве основного компонента использовался желатин как наиболее дешевый по сравнению с хитозаном. Желатин также может способствовать улучшению физико-механических показателей готовой пищевой пленки и ее усвояемости при поступлении в организм вместе с продуктом. Для повышения прочности пленки был использован препарат трансглутаминаза, изготавливаемый на основе фермента класса трансфераз (изомераз), обладающий способностью «склеивать» молекулы белков и углеводов (полисахаридов) и использующийся в пищевой промышленности. Введение глицерина связано с необходимостью придания функции смазывания в качестве наполнителя (пластификатора) в слоях (волокнах) высокомолекулярных цепей, образующих каркас создаваемого полимера (пленки). Глицерин как вещество, разрешенное к применению в пищевой промышленности, способствует улучшению физико-механических показателей пленки, повышая эластичность полимера и устойчивость к многократно возможным изгибам без образования трещины. Краситель пищевой является необязательным компонентом, вносится в малом количестве с целью изменения внешнего вида биоразлагаемой пленки для придания ей привлекательного вида. В эксперименте был использован краситель красно-оранжевого цвета «для лососевых рыб». Приготовленный раствор пленкообразующего состава наносился на подготовленную поверхность и оставлялся для остывания, т. е. высушивания, в результате которого протекал процесс пленкообразования. Толщина готовой пленки зависит от количества приготовленной смеси. Пленкообразующий состав был нанесен на ровную чистую горизонтальную поверхность и оставлен на 24 часа для завершения процесса пленкообразования. Изготовленная указанным способом пищевая биоразлагаемая пленка с внесением в состав смеси хитозана имела толщину 0,09-0,10 мм. Физико-механические характеристики пленки приведены в табл. 2. Таблица 2 Физико-механические характеристики образца пищевой биоразлагаемой пленки Образец биоразлагаемой пленки Механический показатель Предел прочности при растяжении, МПа Удлинение при напряжении 1,0 × 10 МПа Удлинение при растяжении (при разрыве), % Без использования трансглутаминазы 7,5 - 114 С использованием трансглутаминазы 14,9 154 242 Из данных табл. 2 следует, что пищевая биоразлагаемая пленка с использованием трансглутаминазы имеет повышенные качественные характеристики и может использоваться как в изготовлении упаковочных материалов для пищевой промышленности, так и наноситься непосредственно на продукт. Биоразлагаемой пленкой можно покрывать поверхность пищевых продуктов, таких как формованные фаршевые изделия (котлеты, фрикадельки, сосиски) из фарша теплокровных животных, рыбы, птицы и комбинированного рыбного фарша с использованием мяса животных и мышечной ткани задней лапки лягушки (Rana Radibunda). При применении биоразлагаемой пленки в пищевой промышленности формованные изделия смачиваются приготовленным пленкообразующим составом, который закрепляется циркуляцией воздуха при температуре 25-30 °С в течение 10 минут. Процесс смачивания повторяется 3-4 раза до образования на поверхности формованного изделия пищевой биоразлагаемой пленки необходимой толщины. Биоразлагаемая пленка защищает поверхность формованных пищевых продуктов от воздействия вредных факторов, удлиняет срок хранения и может употребляться в пищу вместе с продуктом, т. к. обладает свойствами биологически активных добавок, которые обеспечивает добавленный хитозан как вещество, обладающее свойством удаления из организма тяжелых металлов, радионуклидов и улучшающее работу кишечника. Пищевая биоразлагаемая пленка с использованием хитозана является заменой современным трудноразлагаемым упаковочным материалам. Выводы В результате проведения исследований была установлена возможность использования хитозана, полученного из панциря речных раков, с молекулярной массой 19 кДа в изготовлении пищевой биоразлагаемой пленки. Для изготовления образцов биоразлагаемой пленки были использованы желатин, частично заменяющий его хитозан, трансглутаминаза, глицерин и краситель пищевой. Биоразлагаемой пленкой можно покрывать поверхность пищевых продуктов, таких как формованные фаршевые изделия (котлеты, фрикадельки, сосиски) из фарша теплокровных животных, рыбы, птицы и комбинированного рыбного фарша с использованием мяса животных и мышечной ткани задней лапки лягушки (Rana Radibunda). Биоразлагаемая пленка защищает поверхность формованных пищевых продуктов от воздействия вредных факторов, удлиняет срок хранения и может употребляться в пищу вместе с продуктом, т. к. обладает свойствами биологически активных добавок. Пищевая биоразлагаемая пленка с использованием хитозана является заменой современным трудноразлагаемым упаковочным материалам.