XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Использование биопленок из крахмала для сохранности яблок

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Некрасов В.Г. 1

---

1МАОУ "Гимназия № 3 в Академгородке"

Воронина Е.Н. 1

---

1Региональный центр выявления и поддержки одарённых детей «Альтаир»

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы все сталкиваемся с тем, что самые полезные для здоровья продукты питания, такие как фрукты и овощи имеют короткий срок хранения и быстро портятся. Проблема исследования состоит в том, что для сохранения быстро портящихся продуктов питания требуется обработка продуктов замедляющая порчу. Химическая обработка, конечно, защищает продукты от быстрой порчи, но и делает их небезопасными в еде, а также загрязняет окружающую среду. Поэтому важно, чтобы способы защиты продуктов были безопасными для здоровья и окружающей среды, эффективными, не дорогостоящими.

Исследование в области разработки безопасных пищевых пленок и покрытий продуктов питания имеет высокую актуальность, потому что существует высокий спрос людей на пищевые продукты, имеющие высокое качество, длительный срок хранения, а также экологически чистую упаковку. Кроме того, развитие человечества влечёт за собой загрязнение окружающей среды, поэтому разработки в области безотходной и экологичной пищи приобретают актуальность.

В этой работе проведено исследование в области создания съедобного или биоразлагаемого покрытия, способного обеспечить защиту продуктов от усушки, пагубного воздействия кислорода и микроорганизмов в процессе движения товара к потребителю и, в дальнейшем, защиту окружающей среды от неблагоприятного воздействия отходов от пищевых продуктов. В качестве пищевого продукта для эксперимента были выбраны садовые яблоки, выращенные в экологически чистом районе республики Горный Алтай. В качестве материалов для изготовления покрывающего раствора был выбран крахмал в различных концентрациях.

Разработка съедобных пленок и покрытий для продуктов представляет собой перспективное направление для создания экономически-выходных и промышленных решений.

Целью данного проекта является изучение возможностей использования биопленок из крахмала для сохранности фруктов (яблок). Для достижения поставленной цели в проекте будут решены следующие задачи:

1) Приготовить биопленки из крахмала в различной концентрации;

2) Покрыть получившимися пленками яблоки, обеспечить высыхание;

3) Провести анализ получившихся покрытий;

4) Заложить опыт по хранению обработанных образцов, по сравнению с контрольным необработанным, при комнатной температуре;

5) Сделать вывод о влиянии биопленок на сохранность продукта;

6) Оценить экономический потенциал внедрения технологии использования биопленок для сохранения продуктов.

2. Теоретическая часть

2.1. От чего портятся фрукты и овощи

Когда говорится о том, что свежие фрукты и овощи быстро портятся, имеются ввиду, прежде всего, такие процессы, как усушка, пагубное влияние кислорода и повреждения, вызываемые микроорганизмами.

На порчу овощей и фруктов влияет усушка

Усушка – это потеря воды в результате испарения. Усушка является одной из основных причин естественного сокращения потребления продуктов питания, содержащих воду даже в небольших количествах. Этот процесс вызывает от 50 до 100 процентов всех естественных потерь фруктов и овощей.

Сразу после сбора фрукты и овощи, находясь в неблагоприятных для себя условиях жизнедеятельности - при высоких температурах (от 20 до 35°С) и низких значениях относительной влажности воздуха (от 30 до 65%), интенсивно теряют влагу, питательные, ароматические и другие вещества, что ухудшает их товарные качества и снижает цену при продаже. Величина потерь зависит от многих факторов, но основными являются видовые и сортовые особенности, параметры окружающей среды и длительность хранения. Только за сутки хранения на сырьевой площадке убыль массы овощей или фруктов может составить от 3,7% (свекла) до 50% (клубника).

Потеря массы из-за усушки прямо пропорциональна испарительной способности, поэтому потери свежесобранной моркови выше, чем у яблок и некоторых других продуктов. После начального периода хранения (например, через сутки) темп потерь влаги снижается в 3-4 раза. Резкая и быстрая усушка, которая происходит с овощами и фруктами в самом начале хранения, отрицательно влияет на результаты последующего хранения.

Овощи и фрукты портятся из-за влияния кислорода

Чем больше кислорода, тем активнее клетки, из которых состоят овощи и фрукты дышат и быстрее изменяется состав веществ, которые в них содержатся. А значит, чем больше кислорода, тем быстрее портятся овощи и фрукты.

Порча продуктов из-за воздействия кислорода называется окислительной порчей. Окислительная порча продуктов питания вызвана реакциями окисления содержащихся в них веществ кислородом воздуха. При этом в продуктах, пострадавших от окисления, накапливаются токсичные вещества, снижается их биологическая ценность и ухудшаются полезные свойства. Склонность овощей и фруктов к окислению приводит к уменьшению сроков их хранения. В результате окисления кислородом из воздуха на овощах и фруктах появляются бурые и коричневые пятна. Также из-за окислительной порчи в продуктах образуются продукты окисления, которые называются альдегиды. Они придают овощам и фруктам неприятный запах и вкус.

Интенсивность процессов окисления заметно возрастает с увеличением влажности продукта. Окислительную порчу еды также усиливают повышенная температура, свободный доступ кислорода и присутствие ионов металлов.

Порчу продуктов могут вызывать микроорганизмы

Микроорганизмы тоже способны оказывать пагубное влияние на фрукты и овощи. Жизнедеятельность таких микроорганизмов, как бактерии, плесневые грибки и дрожжи (дрожжевые грибки) – это главная причина порчи овощей и плодов. Все микроорганизмы имеют очень малые размеры, исчисляемые микронами или микрометрами (1 мкм равен 0,001 мм). Бактерии, плесени и дрожжи различаются по многим признакам - размерам, форме, способности к передвижению и жизни при разных условиях температуры и влажности, видам пищевых продуктов, на которых они могут развиваться. Микробы, которым для жизнедеятельности необходим кислород, - аэробы, живущие без кислорода - анаэробы. Однако всем им нужна вода, достаточная влажность той среды, в которой они обитают, а также определенная температура; подавляющее большинство микробов лучше развивается в таких ее пределах, как 20 - 40°С. Но и здесь немало их видов, приспособившихся к более высоким и низким температурам. Например, если продукты, в которых находятся микробы, заморозить и выдержать некоторое время, то последние не погибают, а лишь временно прекращают свою жизнедеятельность. После повышения температуры они вновь возобновляют свою активность. Значительное же повышение температуры для микробов губительно: при 70°С и выше, особенно при 100°С (температура кипения воды), погибает большая часть их. Существует много видов бактерий, переносящих длительное кипячение в воде и даже нагревание при значительно более высоких температурах, даже более чем 1000°С. В таких неблагоприятных условиях они образуют споры, которые сохраняются, а при снижении температуры дают новые бактерии. В концентрированных растворах кислот и рассолах микробы не развиваются.

Бактерии размножаются делением клеток, плесени - своих нитей (мицелия) и путем образования спор, дрожжи - почкованием. Все микроорганизмы при благоприятных условиях размножаются очень быстро - через каждые 15 - 20 - 25 мин. Из одной клетки образуется две, а через такой же промежуток времени происходит следующее очередное деление. Питаются микроорганизмы теми веществами, из которых и состоят овощи и фрукты. В процессе усвоения ими пищи происходит распад некоторых веществ, при этом образуются различные продукты – жидкие вещества и газы, некоторые из них имеют неприятный гнилостный запах, что свойственно испорченным пищевым продуктам. Эти вещества, которые организмы выделяют в продукты питания в процессе своей жизнедеятельности, могут быть токсичными (ядовитыми) для человека. Поэтому продукты, поврежденные бактериями или плесенью, опасно употреблять в пищу.

Из перечисленных основных видов микроорганизмов овощам и фруктам вред наносят главным образом плесени и дрожжи, поскольку плодоовощная продукция представляет собой основной источник их питания из-за высокого содержания углеводов. Жизнедеятельность же вредных бактерий в большей мере вызывает порчу мясных, рыбных и других продуктов с высоким содержанием белков.

В природе имеется также множество микробов, которые весьма полезны, а некоторые настолько необходимы, что их жизнедеятельность служит основой производства целых крупных отраслей ряда пищевых (и непищевых) производств. Так, квашение капусты, засолка овощей и мочение фруктов и ягод осуществляются благодаря полезным молочнокислым бактериям. Повышенная концентрация молочной кислоты, которую они выделяют в процессе жизнедеятельности, предохраняет продукт от порчи другими бактериями. Без полезных микроорганизмов невозможно было бы производство спирта и вин, уксуса и многих других продуктов.

2.2. Как сохраняют овощи и фрукты

Для сохранения овощей и плодов необходимы условия, при которых невозможно развитие микробов, способных вызывать их порчу. В настоящее время для создания необходимых оптимальных условий для сохранения овощей и плодов практическое значение имеют способы, которые перечислены ниже.

Способ 1. Охлаждение и замораживание. При холодильном хранении овощи и плоды используют в большинстве случаев в целом виде без предварительной обработки, поскольку в них должен продолжаться, хотя и сильно замедленный, процесс дыхания. В зависимости от их вида (в ряде случаев и от сорта) хранение при 0°С (на 0,5 - 1°С ниже без подмораживания) или на 2 - 5°С выше может продолжаться несколько недель, иногда - месяцев. Для замораживания - непрерывного хранения без кратковременного оттаивания овощи и плоды предварительно чистят, иногда разрезают или измельчают, бланшируют (ошпаривают кипятком для разрушения ферментов). Охлаждают их быстро при температуре минус 35°С, в новых современных скороморозильных аппаратах (криогенных) - минус 78°С (в жидкой углекислоте) и даже при минус 196°С (в жидком азоте) для лучшего сохранения качества продукта. Это самый эффективный способ переработки (консервирования) "овощей, плодов и многих других продуктов питания.

Способ 2. Сушка - высушивание плодов и овощей до определенной концентрации сухих веществ в них при сохранении питательных веществ. Обычно в высушенных овощах остается 12 - 14% воды, в плодах - 18 - 20%, в некоторых до 24 - 25% и до более низкой влажности - 4 - 5% и менее. Но такие сухие продукты хранят в герметически укупориваемой таре (металлические или стеклянные банки) во избежание поглощения ими влаги из окружающего воздуха.

Способ 3. Консервирование сахаром предусматривает сохранение плодов и ягод путем уваривания их в высококонцентрированном сахарном сиропе (60 - 65% - ном и даже выше), в котором не могут развиваться микроорганизмы. Такой способ применяют для приготовления широко известных сахаристых продуктов - варенья, джемов, повидла, желе, сиропов.

Способ 4. Химическое консервирование проводят при помощи специальных консервантов, или антисептиков. Наиболее известны и распространены сернистый ангидрид, или двуокись серы. Применяют и другие химические консерванты, в частности такие кислоты, как бензойная, салициловая, а также сорбиновая, которая в последние годы получила значительное распространение.

Способ 5. Маринование широко и повсеместно используют как в промышленности, так и в домашнем хозяйстве для длительного хранения овощей и фруктов при помощи раствора уксусной кислоты в концентрации 1,2 - 1,8%, которая тормозит или полностью приостанавливает жизнедеятельность микроорганизмов.

Способ 6. Консервирование поваренной солью при концентрации раствора до 20% полностью предохраняет овощи от порчи, В овощеперерабатывающем производстве такой крепкий посол применяют сравнительно редко, только при заготовке овощных полуфабрикатов.

Способ 7. Квашение, соление - наиболее распространенные способы консервирования огурцов, помидоров, капусты при помощи полезных молочнокислых бактерий. Добавляемая же соль (1,5 - 2,5%) способствует улучшению качества продукции.

Способ 8. Тепловая стерилизация и пастеризация плодов и овощей практически полностью уничтожают микроорганизмы и их споры. Стерилизация - наиболее распространенный в современной пищевой промышленности способ для переработки почти всех видов пищевых продуктов как растительного, так и животного происхождения. При температуре ниже 100°С их пастеризуют, при 100°С или выше - стерилизуют.

Способ 9. Стерилизованные консервированные продукты в металлической (жестяной), стеклянной, полимерной или другой водо - и газонепроницаемой таре, герметически укупоренной, хранятся продолжительное время (много лет) без порчи и без заметного снижения качества.

2.3. Какие покрытия используются в настоящее время

Для предотвращения потери влаги, проникновения микроорганизмов или кислорода фрукты и овощи покрывают защитными пленками.При изучении способов защиты продуктов от порчи самым важный вопрос- не опасны ли те вещества и среды, в которых содержатся овощи и фрукты, прежде чем попасть на прилавки, а потом - к нам на стол.

Отдельные сорта яблок перед хранением натирают воском - это смесь парафина, воска и сорбиновой кислоты. Этот воск не съедобный. Он смывается специальными моющими средствами для фруктов и овощей.

Груши при хранении могут обрабатывать антисептиками – это химические вещества, убивающие бактерий.

Виноград портится очень легко, для его сохранения используют химическое вещество метабисульфит калия в таблетках. Эти таблетки равномерно раскладывают на дно ящиков под бумагу. На воздухе таблетки вступают в реакцию с кислородом и выделяют сернистый газ, антисептик (убивает бактерий) и антиоксидант (препятствует окислению кислородом), который «окуривает» виноград. Также бумажную упаковку могут обрабатывать фунгицидами (вещества для борьбы с плесенью), что позволяет в пять раз снизить потери. Все эти вещества опасны для употребления в пищу. Поэтому виноград нужно тщательно мыть с использованием моющих средств.

Черную и красную смородину, крыжовник, малину, чернику, ежевику сразу после сбора охлаждают до точки замерзания, потом помещают в регулируемую атмосферу, где они могут храниться от двух недель до двух месяцев. Однако в некоторых странах ягоды облучают радиацией, что позволяет продлить срок хранения еще на неделю. Эти технологии известны и популярны уже сотню лет. Российским производителям они не применяются, но широко применяются в Китае и США. Разумеется, речь идет о микродозах, но не доказано, что это безопасно для человека в долгосрочной перспективе.

Лучшие результаты при хранении цитрусовых дает обертывание каждого плода в бумагу, пропитанную дифенилом. Этот продукт нефтепереработки считается токсичным. Он подавляет развитие плесени, но способен вызывать рак. В некоторых странах к дифенилу добавляют парафин - смесью насыщают коробки. Иногда используются синтетические антисептики, а кожица фруктов натирается фунгицидами. Все это помогает существенно продлить срок хранения. Сами по себе, за счет эфирных масел, которые содержатся в кожуре и защищают плоды от микробов, цитрусовые могут до полугода храниться в регулируемой атмосфере.

Подготовка картофеля к хранению начинается еще на грядках. Для борьбы с самой популярной овощной болезнью, фитофторой, его опрыскивают хлорокисью меди, бордоской жидкостью, цинебом, каптаном и прочими препаратами. Все это ядовитые химические вещества.

Томаты собирают с веток, когда они еще зеленовато-молочного цвета. Для борьбы с болезнями, особенно с фитофторой, после сбора их несколько часов прогревают при температуре около 40 градусов. Дозревают они в специально созданной атмосфере под воздействием газа этилена уже перед выкладкой на прилавки. Этот газ считается условно безопасным, хотя некоторые ученые с этим спорят.

Огурцы долго не хранятся, их срок жизни - 2-3 недели, в регулируемой атмосфере - не больше 40 дней. Чтобы продлить срок хранения, их обрабатывают смесями минеральных веществ, покрывают слоем крахмала и укутывают полиэтиленовой пленкой.

В Тимирязевской академии в Москве придумали прорывной способ транспортировки и хранения дынь. Плоды укладывают в контейнеры, выстланные оберточной бумагой, контейнеры заполняют жидкой смесью карбомидоформальдегидной смолы и ортофосфорной кислоты. Через 3-4 часа все застывает и превращается в пенопласт, который фиксирует дыни, защищает от болезней и повреждений. Так же можно перевозить и хранить арбузы.

Среди безопасных покрытий для сохранения овощей и фруктов современные ученые тестируют крахмал, полимеры морских водорослей, желатин, масло семян тимьяна и другие вещества.

2.4. Описание веществ, которые используются для изготовления защитных пленок в этом проекте

Крахмал — (C₆H₁₀O₅)_n — смесь полисахаридов (цепочек), состоящих из молекулы глюкоза. Крахмал синтезируется разными растениями в хлоропластах под действием света при фотосинтезе. Это безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видны отдельные зёрна; при сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.

Крахмал полностью безопасен при употреблении в пищу. В желудочном тракте человека и животного крахмал расщепляется и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Крахмал является наиболее распространённым углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Главными источниками крахмала в мире являются зерновые культуры: рис, пшеница, кукуруза. Крахмал как пищевая добавка используется для загущения многих пищевых продуктов, приготовления киселей, заправок и соусов.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ, кроскарамеллоза, целлюлозогликолевая кислота, [С₆Н₇О₂(ОН)_3-x(ОСН₂СООН)_x]_n, где х = 0,08–1,5) — производное целлюлозы, в которой карбоксилметильная группа (–CH₂–COOH) соединяется гидроксильными группами глюкозных мономеров. Растворы бесцветны. Впервые синтезирована и запатентована немецким химиком Янсеном в 1918 году. Внешний вид: светло-бежевый кристаллический порошок.

В качестве загустителя входит в состав зубной пасты, пищевых продуктов (пищевая добавка E469, E466), косметики, лака для волос. Применяется в производстве слабительных средств и клея (например, клея бустилат). Входит в состав моющих средств и наполнителей для аккумуляторов холода.

Сорбиновая кислота (от лат. Sorbus — «рябина») — органическое соединение, транс,транс-2,4-гексадиеновая кислота, используемая в качестве пищевого консерванта. Представляет собой твёрдое бесцветное вещество (кристаллы), мало растворимое в воде и легко сублимирующее с химической формулой C₆H₈O₂. Впервые сорбиновая кислота была выделена из незрелых ягод Sorbus aucuparia (рябины), отсюда и его название.

Сорбиновая кислота и её соли, особенно сорбат калия (Е202) и сорбат кальция, являются противомикробными агентами, часто используемыми в качестве консервантов в продуктах питания и напитках для предотвращения роста плесени, дрожжей и грибков.

Экспериментальная часть

Для проведения эксперимента были приобретены садовые яблоки, выращенные в экологически чистом районе республики Горный Алтай примерно одинакового размера и формы. Средний вес одного яблока составил 200 г.

3. Подготовка эксперимента

Яблоки были разделены на четыре экспериментальных групп по три яблока (образца) в каждой группе. Пятая группа (контрольная) также включала три образца.

При работе применялись следующие приборы (Рисунок 6): химические колбы, лабораторные электронные весы с высоким классом точности, лабораторная электрическая нагревательная плита, дозатор механический одноканальный с высоким классом точности.

Для эксперимента были подготовлены плёнки, основным компонентом которых был крахмал. В качестве растворителя использовалась дистиллированная вода. Также пленки содержали карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), этот компонент делал раствор для пленки густым, не давал пленке стекать с яблока. Сорбиновая кислота в составе пленки выполняла роль стабиоизатора, препятствовала размножению бактерий. Состав пленок для четырех экспериментальных групп отличался содержанием крахмала. Содержание ингредиентов плёнок указана в таблице 1.

Таблица 1. Содержание ингредиентов плёнок

Полученные смеси для варки пленок содержались в пронумерованных колбах (Рисунок 7).

Рисунок 7. Смеси для варки плёнок разных концентраций

Колбы со смесями для пленок нагревались при температуре 100^оС при постоянном помешивании, не доводя до кипения. После остывания полученные пленки наносились на образцы путем погружения. Контрольная группа не покрывалась пленкой.

Рисунок 8. Исследуемый образец, покрытый плёнкой

После высыхания и 15-минутной транспортировки все образцы были размещены в одном помещении, хранились при комнатной температуре. (Рисунок 9).

Рисунок 9. Образцы размещены для наблюдения

3. Ход эксперимента

В ходе эксперимента осуществлялось ежедневное наблюдение за состоянием образцов контрольных групп, велась фото фиксация. Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты наблюдений

Эксперимент был закончен на 24 день, когда наблюдалась порча последнего из образцов. Все образцы были утилизированы.

3. Результаты эксперимента

Первыми начали портиться образцы из контрольной группы. Уже на третий день после начала эксперимента отмечены изменения в состоянии образцов, вызванные потерей влаги.

Вторыми начали портиться образцы из группы № 1 с максимальным содержанием крахмала. На четырнадцатый день после начала эксперимента отмечены изменения в состоянии образцов исследуемой группы № 1.

Третьими начали портиться образцы из группы № 4 с минимальным содержанием крахмала. На восемнадцатый день после начала эксперимента отмечены следы порчи образцов исследуемой группы № 4.

Предпоследними начали портиться образцы из группы № 2 со средним содержанием крахмала. На двадцать второй день после начала эксперимента отмечены следы порчи образцов исследуемой группы № 2.

Наилучшие защитные свойства показала защитная пленка со средним и ниже среднего содержанием крахмала, т.к. последними начали портиться образцы из группы № 3. Только до 24 дня эксперимента лишь образцы исследуемой группы № 3 не имели видимых нарушений структуры, сохранили твёрдость и хороший внешний вид. Концентрация крахмала в растворе, используемом для пленки, составила 2 г на 5 мл воды, т.е. 0,4 г/мл.

Рисунок 10. График зависимости срока хранения от концентрации крахмала

На графике (Рисунок 10) представлена зависимость срока сохранности яблок от концентрации крахмала в покрывающей пленке.

Экономическая модель

Для покрытия образцов исследуемой группы № 3 был использован следующий состав пленки:

Крахмал – 2 г,

КМЦ – 2 г,

Сорбиновая кислота – 1 мл,

Дистиллированная вода – 5 мл.

Весь объем раствора ушёл на покрытие трех образцов.

С учетом стоимости ингредиентов, затраты на покрытие плёнкой одного яблока составляют 0,49 руб. подробные расчёты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Расчёты цены для покрытия одного яблока

Средняя цена за 1 кг яблок составляет 120 руб., а вес среднего яблока около 0,2 кг. То есть цена одного яблока 24 руб.

Получается, что затраты на покрытие плёнкой одного яблока составляют 2% от стоимости яблока:

0,49 / 24 *100% = 2%

Таким образом, если при хранении без применения плёнки портится больше 2% яблок, то экономически выгоднее для сохранности органолептических свойств яблок использовать биоразлагаемую плёнку на основе крахмала в концентрации, как в 3-ей исследуемой группе.

Заключение

В результате эксперимента получены следующие выводы:

1. Биопленки на основе крахмала обеспечили лучшую сохранность яблок по сравнению с контрольной группой.

2. Более длительную сохранность яблок обеспечили биоплёнки со средним содержанием крахмала с добавлением загустителя.

3. Наилучшую сохранность яблок обеспечили биопленки с концентрацией крахмала 0,4 г/мл.

4. Применение биопленки с концентрацией крахмала 0,4 г/мл экономически целесообразно в тех случаях, когда доля потерянных от порчи яблок составляет 1,5% и более.

Список литературы:

1. Е.Ф. Балан, И.Г. Чумак, В.Г. Картофяну, Э.Ж. Иукуридзе Виды и характер потерь плодоовощной продукции при хранении // «Холодильщик», 2007, № 2(26), февраль, URL: holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_2_2007.htm.

2. Бортновская, М. Тепличный тренд // «Агротехника и технологии», 2013, №1, январь-февраль URL: agroinvestor.ru/technologies/article/15168-teplichnyy-trend.

3. Информационный ресурс: https://infourok.ru/

4. Широков Е.П. Технология хранения и переработки овощей с основами стандартизации. - М.: Агропромиздат, 2008 -280 с.