Эфирная упаковка

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, 420 тысяч человек ежегодно умирают от испорченной пищи, а болеет от нее каждый десятый. В поисках эффективных и безопасных консервантов исследователи обратились к эфирным маслам.

Нежирное маслице

Два главных врага пищевых продуктов — бактерии и окисление. И каких только консервантов не придумало человечество за многие века, чтобы с ними бороться! Диоксиды серы и хлора, соли органических кислот (пропионаты, бензоаты и сорбаты), сульфиты, антибиотики, например низин, известный потребителям как пищевой консервант Е234, или триклозан. Продукты они защищают, но есть у них и нежелательные побочные действия. Сульфиты, например, разрушают тиамин (витамин В1), а широкое использование антибиотиков провоцирует появление бактерий с лекарственной устойчивостью.

Этих недостатков лишены эфирные масла, о которых все чаще вспоминают поклонники всего натурального. Недаром в соленья и маринады издавна добавляли смородину, укроп, гвоздику и душистый перец, анис и многие другие пряные растения. Они не только придают продуктам вкус и аромат, но и помогают их сберечь. Многие эфирные масла и их компоненты официально используют в качестве консервантов.

Это злак ветивер Chrysopogon zizanioides. Из его корней получают эфирное масло

Эфирное масло — исключительно растительный продукт, и нет такой части растения, откуда бы его не извлекали. Эфирное масло образуется в клетках цветков, в том числе оранжевых, розовых и лавандовых, в бутонах, как у гвоздичного дерева Syzygium aromaticum, или прицветниках (иланг-иланг). Ароматны листья эвкалипта, мяты, тимьяна, лавра, чабера, шалфея; душиста хвоя и даже подземные органы растения, например корни ветивера или корневища имбиря и аира содержат эфирные масла. Масло получают из семян карви и кориандра, плодов фенхеля и аниса, кожуры цитрусовых, коры и древесины корицы, сандала и палисандра.

В наше время известно более трех тысяч эфирных масел, из которых около 300 имеют промышленную ценность. Их используют в косметической и парфюмерной промышленности, в сельском хозяйстве как репелленты, добавляют в чистящие и моющие средства, используют в ароматерапии и, конечно, в консервации.

Эфирные масла — пахучие, маслянистые, летучие жидкости, обычно бесцветные или слегка желтоватые. На девять десятых они состоят из монотепренов и сесквитерпенов, остальное приходится на спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, фенольные соединения. Порой количество компонентов доходит до 300. Их композиции придают эфирным маслам неповторимый аромат. Так, алифатические углеводороды, состоящие из 8–10 атомов углерода, и монотерпен лимонен имеют цитрусовый запах, а каприловый альдегид отвечает за аромат апельсинового масла. Алифатические углеводороды из шести атомов углерода и гамма-селинен пахнут зеленью, (E)‑неролидол — фруктами, линалоол — цветами.

Эфирные масла плохо растворяются в воде и хорошо в спирте, органических растворителях и жирах. Благодаря своей липофильности эфирные масла легко проникают через липополисахаридную клеточную стенку бактерий, липидную клеточную мембрану и мембраны митохондрий. Структура клеточной мембраны при этом нарушается, митохондрии работают плохо, а из клетки утекают ионы и молекулы. Эфирные масла вызывают коагуляцию цитоплазмы, стимулируют гидролиз АТФ и блокируют его синтез в клетке, нарушают работу ферментов, отчего бактерии не размножаются или погибают.

Как правило, наибольшей антибактериальной активностью обладают эфирные масла с высоким содержанием фенольных соединений, таких как карвакрол, эвгенол и тимол. Важную роль в их деятельности играет наличие гидроксильной группы в фенольном кольце, но ее относительное положение, по-видимому, не важно. Активнее всех действуют, в порядке убывания, следующие компоненты эфирного масла: эвгенол, коричная кислота и карвакрол, базилметилхавикол, коричный альдегид, гераниол и цитраль. Карвакрол широко используют в качестве консерванта и пищевого ароматизатора в напитках, сладостях и других продуктах.

Приблизительный рейтинг эфирных масел, также в порядке убывания антибактериальной активности, выглядит следующим образом: гвоздика/орегано/корица/кориандр, тимьян, мята, розмарин, горчица, шалфей/кинза. Однако точное действие масла предсказать нельзя, потому что его состав сильно варьирует в зависимости от места произрастания, почвы, погодных условий, зрелости растения и даже от часа, в который производили сбор.

В зависимости от строения клеточной стенки бактерии делятся на грамположительные и грамотрицательные. Через стенку грамотрицательных бактерий, в число которых входят хламидии, спирохеты и менингококки, эфирные масла проникают с бóльшим трудом, поэтому лучше справляются с грамположительными микроорганизмами, такими как сальмонеллы, патогенная кишечная палочка, возбудитель листериоза Listeria monocytogenes.

Форма бактерий также влияет на активность эфирных масел: палочковидные клетки более восприимчивы к их действию, чем кокки.

Помимо микроорганизмов эфирные масла и их компоненты убивают плесень и дрожжевые грибки. Даже на сыре не всякая плесень хороша. Эфирные масла тормозят образование грибковых спор либо рост мицелия, в зависимости от вида гриба. Некоторые эфирные масла обладают более выраженной антибактериальной активностью, другие — преимущественно фунгицидной. Среди эффективных фунгицидов называют эфирные масла базилика Ocimum gratissimum и чабреца Ширази Zataria multiflora, тимьяна и гвоздики, а также их компоненты тимол и карвакрол, которые увеличивают проницаемость и текучесть клеточной мембраны.

Важным механизмом действия эфирных масел считают их антиоксидантную активность. Когда жиры окисляются, продукты портятся. Сильными антиоксидантными свойствами обладают эфирные масла корицы, мускатного ореха, гвоздики, базилика, петрушки, душицы и тимьяна. Наиболее эффективны фенольные соединения, такие как тимол, эвгенол и карвакрол, и молекулы с сопряженными двойными связями, которые отдают атомы водорода свободным радикалам и превращают их в более стабильные продукты. Например, включение эвгенола в съедобную пленку на хитозановой основе повысило антиоксидантную активность почти на 87%. Другие компоненты, такие как некоторые спирты, простые эфиры, кетоны, альдегиды и монотерпены (линалоол, 1,8-цинеол, гераниаль, нераль, цитронеллаль, изоментон, ментон), служат антиокислителями.

Монотерпены эфирных масел

Активная пленка

У эфирных масел как консервантов есть два недостатка. Во-первых, у них сильный вкус и запах, что влияет на вкус продуктов. Во-вторых, они быстро испаряются.

Есть несколько методов решения этих проблем. Эфирные масла в небольших концентрациях включают в упаковочные пленки для пищевых продуктов, откуда они медленно высвобождаются на поверхность мяса, овощей или сыров, где обычно размножаются бактерии, не влияя при этом на вкус еды. В этом случае непосредственно в продукты их можно не добавлять.

Упаковки теперь не те, что раньше. Появились интеллектуальные пленки, которые сигнализируют о переменах в состоянии пищевых продуктов или окружающей среды. Чаще всего они содержат антоцианы, меняющие окраску при изменении кислотности. А есть и активные пленки, которые содержат вещества, продлевающие срок хранения продуктов.

Этилен ускоряет созревание плодов, поглотители этилена продлевают срок хранения фруктов и сырых овощей. Кислород способствует росту аэробных бактерий и вызывает прогорклость жира и потемнение мяса. В качестве поглотителя кислорода в упаковочном материале используют различные реагирующие с кислородом материалы, такие как железо, титан, цинк и синтетические антиоксиданты, а также эфирные масла как антиоксиданты природные. Они же выполняют функцию противомикробных агентов. Бывает еще «умная упаковка» (смарт-упаковка), сочетающая активность и интеллект.

А для полного совершенства пленку теперь стараются сделать биоразлагаемой, а иногда и съедобной, тогда она состоит из полисахаридов и белков. Например, хитозановые пленки с эфирным маслом эвкалипта шаровидного защищают колбасную нарезку, а с лимонным эфирным маслом — клубнику.

Съедобная пленка на основе хитозана и желудевого крахмала получилась гибкой и блестящей. Включение в ее состав эвгенола значительно улучшило гибкость, барьерные, гидрофобные, антимикробные и антиоксидантные свойства упаковки. Пленку создали специалисты Колледжа химии и материаловедения Хубэйского инженерного университета и Сяоганьской энергоснабжающей компании Государственной электросетевой корпорации Китая, Сяогань

Фенольные соединения эфирных масел сшивают белки, поэтому увеличивают прочность биоразлагаемых пленок. Благодаря гидрофобности эфирных масел улучшается влагонепроницаемость и паронепроницаемость упаковки. Масло может даже защитить от ультрафиолета: эвгенол, входящий в состав эфирного масла корицы, поглощает ультрафиолетовое излучение.

Иногда масла меняют цвет, гладкость и прозрачность пленок, но это не страшно.

Иногда эфирные масла заключают в микро- и наночастицы. В таком виде они более стабильны, меньше взаимодействуют с пищей и легче проникают в бактериальные клетки.

Можно снизить дозу эфирных масел, используя синергический эффект, при котором комбинация нескольких компонентов эффективнее суммы индивидуальных эффектов. Синергизм описан, например, при действии коричного альдегида и тимола или коричного альдегида и карвакрола на возбудитель сальмонеллеза Salmonella typhimurium. Исследователи предполагают, что тимол или карвакрол увеличивают проницаемость цитоплазматической мембраны, чем облегчают проникновение коричного альдегида в клетку. Есть, правда, компоненты эфирных масел, действующие как антагонисты, но эти механизмы менее изучены.

Эфирные масла могут взаимодействовать и с другими антибактериальными агентами. Описано синергическое действие эфирного масла орегано и нитрита натрия на возбудителя ботулизма Clostridium botulinum, а также синергизм низина с тимолом или карвакролом по отношению Bacillus cereus. Эфирное масло чабреца Ширази Zataria multiflora в сочетании с низином замечательно подавляет образование токсинов золотистого стафилококка.

Из упаковки к цели

Эфирные масла отлично защищают овощи и фрукты, мясные и молочные продукты и даже выпечку. При этом эффективность их действия зависит от особенностей продукта.

Жиры и влага облегчают проникновение фенольных соединений из активной упаковки в продукты питания. Кислая среда увеличивает восприимчивость бактерий к эфирным маслам, которые при низком рН лучше растворяются в жирах и легче проходят через клеточную мембрану.

В то же время жиры изолируют эфирные масла от микроорганизмов, предпочитающих водную среду. Так, масло перечной мяты в жирной пище, такой как паштет или икра, умеренно активно против Listeria monocytogenes и Salmonella enteritidis и значительно более эффективно против тех же бактерий в салате из нежирного йогурта и огурцов. Но при этом эфирные масла защищают жиры от окисления.

Белки тоже смягчают антимикробное действие эфирных масел. Они взаимодействуют с фенольными соединениями, присутствующими в эфирных маслах, и для получения необходимой противомикробной активности концентрацию эфирных масел приходится увеличивать. Так, молочные белки снижают антибактериальную активность карвакрола в молоке и сыре.

Физическая структура пищи также влияет на антибактериальную активность эфирных масел: в бульоне они менее активны, чем в желатине, возможно потому, что гель мешает им расплываться по всему объему.

И конечно, антимикробная активность эфирного масла зависит от технологии упаковки, температуры, исходного состояния микроорганизмов и их концентрации.

Эфирные масла выбирают за их натуральность, однако не всё натуральное безопасно. Эфирные масла могут раздражать глаза, кожу и слизистые оболочки, поскольку содержат фенольные соединения; но в тех концентрациях, в которых их обычно употребляют, они безопасны. Аллергия на эфирные масла встречается крайне редко. К сожалению, они могут быть загрязнены пестицидами. В эфирных маслах мандарина и лимона находят значительные концентрации фосфорорганических (этилхлорпирифос и метидатион) и хлорорганических (тетрадифон и хлоропарафины) пестицидов. Поэтому необходимо обратить особое внимание на очистку эфирных масел.

Безусловно, это удорожает производство, которое и так недешево, однако дело того стоит. Эфирные масла эффективны в качестве антимикробных агентов, фунгицидов и антиоксидантов, биоразлагаемы и мало влияют на нецелевые организмы, поэтому имеет смысл их использовать в качестве антимикробных консервирующих агентов. Особенно если подобрать доступное, относительно недорогое сырье и поработать над удешевлением процесса.

Упаковка меняется на наших глазах. Еще несколько десятилетий назад продукты заворачивали в бумагу. Потом появился пластик. Теперь ему на смену приходят биоразлагаемые полимеры, активные и умные, в том числе благодаря эфирным маслам. Сами же масла — отнюдь не новость, их используют для консервации уже не одну тысячу лет.

Кандидат биологических наук
Н.Л. Резник