FISH GELATIN AS A BASE OF EDIBLE FILM COATINGS FOR FOOD PRODUCTS
Journal: VESTNIK OF ASTRAKHAN STATE TECHNICAL UNIVERSITY. SERIES: FISHING INDUSTRY
Volume 2015 № 2
, 2015
Rubrics: TECHNOLOGY OF HYDROCOLE PROCESSING
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Technology of Products and Merchandising)
Russian Federation
Russian Federation
3.
Astrakhan State Technical University
(Assistant Professor of the Department of Technology of Goods and Commodity Science)
Type:
Article
Pages:
from 123
to 128
Status:
Published
Received:
05.06.2015
Accepted:
25.06.2015
Published:
25.06.2015
Subject area:
UDK [665.931.7:664.959.5]:[621.798.1-036.7.416:664]
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
edible film, edible gelatin, fish gelatin, glycerin
Abstract (English):
The use of gelatin from fish scales, as a basis for the formation of film coatings can simultaneously solve two actual tasks: the development of the technologies of ecologically pure natural edible coatings for food and the use of waste products of the fishing industry. It was found, that gelatin obtained from fish scales corresponds to the stipulated requirements for gelatin of the type P-11, except the melting temperature indicator. This distinctive feature of gelatin is conditioned with the chemical composition and fish collagen structure, in particular the reduced content of proline and oxyproline. While studying the quality indicators of fish gelatin, high values of the dynamic viscosity, which is 1.7 times higher than the maximum rate for food gelatin of the type P-11, were fixed. As the plasticizing agent, glycerol was used. For the selection of the optimum formulation of film-forming solutions aqueous solutions of 5 and 10 % fish gelatin were made, in each of them 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 and 40 % glycerol was added. Time of drying of the films was about 14 hours. The analysis of the experimental data on the effect of the ratio of fish gelatin and glycerol in the mixture on the process of film-formation showed that the films obtained from the aqueous fish gelatin solution at a concentration of glycerin of from 5 to 40 % after drying had easily detectable differences in their characteristics. Thus, the films containing from 5 to 15 % glycerol after drying had a high degree of shrinkage, that was shown in the deformation (screwing edges) of the plate. Optimum organoleptic properties were discovered in the films with plasticizer content from 30 to 40 %. The results show that gelatin prepared from fish scales may be used as a polymer for the production of edible films. Various contents of gelatin and glycerin in the film-forming composition makes it possible to adjust the film properties depending upon their intended application.
The use of gelatin from fish scales, as a basis for the formation of film coatings can simultaneously solve two actual tasks: the development of the technologies of ecologically pure natural edible coatings for food and the use of waste products of the fishing industry. It was found, that gelatin obtained from fish scales corresponds to the stipulated requirements for gelatin of the type P-11, except the melting temperature indicator. This distinctive feature of gelatin is conditioned with the chemical composition and fish collagen structure, in particular the reduced content of proline and oxyproline. While studying the quality indicators of fish gelatin, high values of the dynamic viscosity, which is 1.7 times higher than the maximum rate for food gelatin of the type P-11, were fixed. As the plasticizing agent, glycerol was used. For the selection of the optimum formulation of film-forming solutions aqueous solutions of 5 and 10 % fish gelatin were made, in each of them 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 and 40 % glycerol was added. Time of drying of the films was about 14 hours. The analysis of the experimental data on the effect of the ratio of fish gelatin and glycerol in the mixture on the process of film-formation showed that the films obtained from the aqueous fish gelatin solution at a concentration of glycerin of from 5 to 40 % after drying had easily detectable differences in their characteristics. Thus, the films containing from 5 to 15 % glycerol after drying had a high degree of shrinkage, that was shown in the deformation (screwing edges) of the plate. Optimum organoleptic properties were discovered in the films with plasticizer content from 30 to 40 %. The results show that gelatin prepared from fish scales may be used as a polymer for the production of edible films. Various contents of gelatin and glycerin in the film-forming composition makes it possible to adjust the film properties depending upon their intended application.
Keywords:
edible film, edible gelatin, fish gelatin, glycerin
edible film, edible gelatin, fish gelatin, glycerin
Введение В настоящее время в пищевой промышленности перспективно производство органической продукции, которая изготавливается без химически синтезированных добавок, с применением компонентов только природного происхождения. В упаковочной индустрии решение этого вопроса возможно при использовании для сохранения продуктов свойств природных полимеров. Для производства натуральных упаковочных материалов рациональным будет использование коллагенсодержащих отходов сельского хозяйства, животноводства или рыбопереработки [1, 2]. Коллаген - это фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани живых организмов. У рыб он преобладает в чешуе, шкуре, костях, которые являются в основном неиспользуемыми отходами. Применение коллагена в пищевых продуктах ограничено в связи со сложностями при его извлечении и неполноценностью аминокислотного состава. Ранее в Астраханском государственном техническом университете была разработана технология получения ихтиожелатина из чешуи рыб [3]. Предварительные исследования показали, что ихтиожелатин может быть использован для разработки «барьерных технологий», базирующихся на использовании пленкообразующих растворов [4]. Это позволяет одновременно решать две актуальные задачи: разработка технологии экологически чистых природных съедобных защитных покрытий пищевых продуктов и использование при этом продуктов переработки отходов рыбной промышленности. Цель наших исследований - определить возможности использования ихтиожелатина в качестве структурообразователя для получения пленочных покрытий. Материалы и методы исследования Исследование органолептических, физико-химических показателей ихтиожелатина проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 11293-89 «Желатин. Технические условия» и ГОСТ 25183.1-82 - ГОСТ 25183.10-82 «Желатин фотографический. Методы испытаний». В качестве пластифицирующего вещества при изготовлении пленочных покрытий использовали глицерин. Такой выбор обусловлен широким применением глицерина в качестве пластификатора для пленок, предназначенных для упаковки пищевых продуктов, доступностью, а также невысокой стоимостью. Для подбора оптимальной концентрации были приготовлены растворы 5 и 10 % ихтиожелатина, в каждый из них было добавлено 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 % глицерина. Для приготовления пленкообразующего раствора к расчётному количеству измельченного желатина добавляли глицерин, смешивали и заливали расчетным количеством воды, аккуратно перемешивали, накрывали и оставляли для набухания при комнатной температуре в течение 1-го часа. Во время набухания желатин периодически перемешивали. Емкость с набухшим желатином помещали на водяную баню, нагретую до температуры 35 °С, и при осторожном перемешивании желатин растворяли в течение 30-40 минут. Смесь перемешивалась до полного растворения, до достижения однородности, без видимого разделения фаз. Из приготовленных водных растворов ихтиожелатина формовали пленки на пластиковых подложках. Поверхность, предназначенную для формирования и последующей сушки пленок, обезжиривали и устанавливали строго горизонтально. На подготовленные подложки наносили пленкообразующие растворы методом налива, с последующим равномерным распределением раствора по площади подложки с использованием силиконовой плоской кулинарной лопатки (шпателя). Пленки изготавливали путем нанесения подготовленного пленкообразующего раствора в количестве 30 мл на поверхность размерами 208 × 295 мм. Сушка пленок осуществлялась до их отверждения в помещении при комнатной температуре без дополнительной конвекции. Степень высыхания определяли сенсорным методом оценки внешних признаков пленок [5]. Испытание заключалось в определении времени высыхания пленочного покрытия, необходимого для достижения им степени высыхания 4, являющейся оптимальной для рассматриваемых пленочных покрытий. Для установления степени и времени высыхания испытание проводят последовательно, как показано в табл. 1. Таблица 1 Характеристика свойств плёнок в процессе высыхания Степень высыхания Условия испытания (нагрузка) Результаты испытания 1 - При легком прикосновении пальцем к слою пленкообразующего раствора отсутствует липкость 2 20 г После снятия нагрузки бумага не прилипает к покрытию и не оставляет следа 3 200 г После снятия нагрузки бумага не прилипает к покрытию и не оставляет следа 4 200 г После снятия нагрузки бумага не прилипает к покрытию и не оставляет следа При испытании на пленочное покрытие помещают листок бумаги. На листок бумаги накладывают резиновую пластинку, на середину которой устанавливают гирю массой, соответствующей требованиям к условиям испытаний в табл. 1; через 60 (± 2) секунд снимают гирю и резиновую пластинку. Если при этом листок бумаги не прилипает к пленке, то требуемая степень высыхания достигнута. Допускается удаление бумаги любым способом, не приводящим к видимым повреждениям пленки. Испытание проводят, как описано выше, применяя нагрузки и фиксируя состояние поверхности по табл. 1. Если бумага не прилипает к пленке, а поверхность под ней соответствует характеристикам, указанным в табл. 1, то фиксируют время, необходимое для достижения требуемой степени высыхания [5]. Результаты исследований и их обсуждение Для получения пленок нами были исследованы качественные показатели ихтиожелатина, полученного из чешуи рыбной (полуфабрикат карпа и белого амура), по традиционной технологии [3, 6]. При исследовании качественных показателей полученного ихтиожелатина были установлены высокие значения динамической вязкости продукта, которая в 1,7 раза превышает максимальный показатель для пищевого желатина марки П-11 (табл. 2). Установлено, что ихтиожелатин соответствует регламентированным требованиям на пищевой желатин марки П-11, кроме показателя «Температура плавления», который является отличительной особенностью желатина рыбного происхождения. Эта индивидуальная особенность ихтиожелатина обусловливается химическим составом и строением коллагена рыбного происхождения, в частности пониженным содержанием специфичных аминокислот: пролина и оксипролина. Таблица 2 Органолептические и физико-химические свойства полученного ихтиожелатина и нормированные показатели качества желатина марки П-11 Показатель Характеристика и норма для желатина Ихтиожелатин Норма для желатина млекопитающих по ГОСТ 11293-89 «Желатин. Технические условия», марка П-11 Внешний вид Пластинки Гранулы, крупинки, пластинки, порошок Цвет Светло-желтый От светло-желтого до желтого Запах Без постороннего запаха Без постороннего Вкус Пресный Пресный Продолжительность растворения, мин 20 Не более 25 рН водного раствора с массовой долей желатина 1 % 6,1 От 5-7 Массовая доля влаги, % 7 Не более 16 Массовая доля золы, % 1,2 Не более 2 Динамическая вязкость раствора с массовой долей ихтиожелатина 10 %, мПа·с 38 Не менее 20 Температура плавления студня с массовой долей ихтиожелатина 10 %,ºС 28 Не менее 32 Прозрачность раствора с массовой долей ихтиожелатина 5 % 80 Не менее 45 Посторонние примеси, % Отсутствуют Не допускаются Анализ экспериментальных данных по определению влияния соотношения ихтиожелатина и глицерина в смеси на процесс плёнкообразования (табл. 3) показал, что пленки, полученные из водных растворов ихтиожелатина с концентрацией глицерина от 5 до 40 %, после высушивания имели в характеристиках легко детектируемые различия. Таблица 3 Характеристика пленок, полученных из водных растворов ихтиожелатина с глицерином Концентрация глицерина, % Характеристика пленки 5 Снимается не полностью. При снятии рвется. При высыхании вызывает сильную обратимую деформацию подложки. Тонкая, хрупкая 10 Снимается не полностью. При снятии рвется. При высыхании вызывает обратимую деформацию подложки. Тонкая, хрупкая 15 Снимается не полностью. При снятии рвется. При высыхании вызывает обратимую деформацию подложки. Тонкая 20 Снимается хорошо. При высыхании вызывает слабую обратимую деформацию подложки. Тонкая 25 Снимается хорошо. Тонкая. Слабоэластичная 30 Снимается отлично. Тонкая. Эластичная 35 Снимается отлично. Тонкая. Эластичная 40 Снимается отлично Тонкая. Эластичная 5 Снимается отлично. Плотная. При высыхании вызывает обратимую деформацию подложки. Хрупкая 10 Снимается отлично. При высыхании вызывает слабую обратимую деформацию подложки. Плотная. Хрупкая 15 Снимается отлично. Плотная. Менее хрупкая, слабоэластичная 20 Снимается отлично. Плотная. Менее эластичная 25 Снимается отлично. Плотная. Эластичная 30 Снимается отлично. Плотная. Эластичная 35 Снимается отлично. Плотная. Эластичная 40 Снимается отлично. Плотная. Эластичная Время высыхания полученных пленок до требуемой степени (4) составляло в среднем 14 часов. У пленок, содержавших от 5 до 15 % пластификатора, при высыхании была отмечена высокая степень усадки, что проявлялось в деформации (заворачивании краев) подложек. После снятия пленок с подложек, видимые проявления деформации исчезали. При достижении первоначальной степени высыхания (1), при легком контакте с поверхностью пленки верхний слой оставался без видимых изменений, однако при более сильном воздействии формирующаяся структура пленки нарушалась. Данные стадии высыхания можно рассматривать как испарение растворителя из верхних слоев и со свободной поверхности. При дальнейшем отвердевании и достижении больших степеней высыхания (2-3) испарение воды всё больше зависит от внутренней диффузии, которая, вследствие всё возрастающей вязкости раствора и снижения внутреннего конвективного перемешивания, протекает всё медленнее. На последних стадиях формирования покрытия (4) коэффициент диффузии крайне мал, однако в пленке всегда имеет место определенный градиент концентрации растворителя по толщине: его содержание возрастает от периферии к подложке. На этой стадии высыхания окончательно завершается переход пленкообразующего раствора в состояние твердого тела. Теоретически изменение свойств растворов с различной концентрацией ихтиожелатина и пластификатора при переходе в состояние твердого тела объясняется скачкообразным и резким замедлением релаксационных процессов в полимерах. При любых сочленениях двух твердых разнородных материалов обычно возникают напряжения, обусловленные различием их физических свойств и наличием адгезионного контакта. Основным внутренним фактором, вызывающим возникновение напряжений, является процесс испарения растворителя (воды). При уменьшении содержания растворителя в момент достижения определенного его значения пленка начинает приобретать упругие свойства; одновременно в ней возникают внутренние напряжения, являющиеся результатом усадки. Введением пластификаторов в полимеры, особенно аморфного строения, можно снизить, а при определенных концентрациях и полностью устранить возникающие напряжения [7]. Молекулы пластификатора предназначены для уменьшения сил притяжения между молекулами белка при низких значениях влажности и для увеличения гибкости пленок. Важно отметить, что остаточное содержание влаги в пленке также выступает в качестве пластификатора для гидрофильных пленок, и, вероятно, поэтому белковые пленки становятся более хрупкими в условиях низкой влажности. В то же время, если при изготовлении пленки используется большое количество пластификатора, то влагобарьерные и механические свойства пленки ухудшаются [8]. Таким образом, именно концентрация 10 % ихтиожелатина с 25-35 % глицерина в растворе позволяет получить плёнки, свойства которых можно положить в основу разработки барьерных технологий в пищевой промышленности и общественном питании. Заключение Результаты исследований показывают, что желатин, полученный из рыбьей чешуи, может быть использован в качестве полимера для изготовления съедобных пленок. Различное содержание глицерина и структурообразователя в составе пленкообразующей смеси даёт возможность регулировать свойства пленок в зависимости от их применения. Добавление пластификатора способствует улучшению качественных характеристик плёнки, её пластических свойств, а также снижению внутренних напряжений, в результате чего снижается степень её усадки и улучшается отделение высохших пленок от подложки.
1. Eliseeva L. G. Mezhdunarodnaya integraciya v oblasti obespecheniya bezopasnosti i povysheniya konkurentosposobnosti produkcii agropromyshlennogo proizvodstva / L. G. Eliseeva // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv. 2011. № 3. S. 235-241.
2. O proizvodstve organicheskoy sel'skohozyaystvennoy produkcii i vnesenii izmeneniy v zakonodatel'nye akty Rossiyskoy Federacii. Proekt Federal'nogo zakona // URL: http://base.consultant.ru.
3. Yakubova O. S. Razrabotka tehnologii polucheniya ihtiozhelatina iz cheshui ryb: avtoref. dis.. kand. tehn. nauk / O. S. Yakubova. Voronezh, 2006. 24 s.
4. Pokusaeva O. A. Razrabotka pischevyh plenok na osnove ihtiozhelatina / O. A. Pokusaeva, K. S. Zaharova, N. V. Dolganova, O. S. Yakubova // Nauchnye dostizheniya v reshenii aktual'nyh problem proizvodstva i pererabotki syr'ya, standartizacii i bezopasnosti prodovol'stviya: tez. IV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. molodyh uchenyh, aspirantov, studentov. Kiev: Nac. un-t bioresursov i prirodopol'zovaniya Ukrainy, 2014. S. 37-38.
5. Mogil'nyy M. P. Teoreticheskie i prakticheskie aspekty sozdaniya innovacionnyh tehnologiy myasnyh produktov funkcional'nogo naznacheniya dlya obschestvennogo pitaniya: avtoref. dis.. d-ra tehn. nauk / M. P. Mogil'nyy. M., 2012. 51 s.
6. Yakubova O. S. Svoystva ihtiozhelatina iz cheshui ryb Kaspiyskogo basseyna / O. S. Yakubova, N. V. Dolganova // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. 2005. № 11. S. 53-55.
7. Yakovlev A. D. Himiya i tehnologiya lakokrasochnyh pokrytiy / A. D. Yakovlev. SPb.: Himizdat, 2008. 448 s.
8. Coupland John T. Modeling the effect of glycerol on the moisture sorption behavior of whey protein edible films / John T. Coupland, Niamh B. Shaw, Frank J. Monahan, E. Dolores O’Riordan, Michael O’Sullivan // Journal of food engineering. 2000. N 43. P. 25-30.
