ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ТЕРМОФОРМОВАНИЯ НА БАРЬЕРНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ УПАКОВКИ ДЛЯ МЯСНЫХ ПРОДУКТОВ

INFLUENCE OF THERMOFORMING CONDITIONS ON BARRIER PROPERTIES OF MULTILAYER POLYMER PACKAGING FOR MEAT PRODUCTS

Bezrukov Artyom Dmitrievich

Russian Economic University named after G.V. Plekhanov, Russia, Moscow

Аннотация. В статье рассмотрено влияние условий термоформования на кислородобарьерные свойства многослойной полимерной упаковки, предназначенной для хранения охлажденных мясных продуктов. Показано, что переход от плоского листа к объемной таре сопровождается перераспределением толщины материала, локальным истончением функциональных слоев и изменением эффективной газопроницаемости готового изделия. Обосновано, что глубина вытяжки, температура нагрева, скорость формования и геометрия лотка прямо влияют на стабильность модифицированной газовой среды и, следовательно, на срок годности мясной продукции. Сделан вывод о необходимости оценивать барьерные свойства не только исходного листа, но и термоформованной упаковки в реальных условиях эксплуатации.

Abstract. The paper analyzes the effect of thermoforming conditions on oxygen barrier performance of multilayer polymer packaging for chilled meat products. It is shown that conversion of a flat sheet into a three-dimensional tray is accompanied by thickness redistribution, local thinning of functional layers and changes in the effective gas permeability of the final package. Draw ratio, heating temperature, forming rate and tray geometry directly affect modified-atmosphere stability and therefore shelf life. The study concludes that barrier properties should be evaluated not only for the original sheet but also for the thermoformed package under practical conditions.

Ключевые слова: термоформование, многослойная упаковка, мясные продукты, кислородный барьер, OTR, MAP, распределение толщины, срок годности

Keywords: thermoforming, multilayer packaging, meat products, oxygen barrier, OTR, MAP, thickness distribution, shelf life

Охлажденные мясные продукты относятся к числу наиболее чувствительных к внешней среде продовольственных систем. Их качество в процессе хранения определяется не только исходным состоянием сырья, но и интенсивностью массопереноса через упаковку, устойчивостью газовой среды, скоростью окисления липидов и пигментов, а также динамикой микробиологической контаминации. По этой причине упаковка для мяса давно перестала восприниматься как нейтральная оболочка и рассматривается как технологический инструмент управления сроком годности [1, 2].

Наиболее широко для охлажденного мяса применяются многослойные полимерные материалы, поскольку один полимер, как правило, не способен одновременно обеспечить высокий кислородный барьер, устойчивость к влаге, механическую прочность, формуемость и надежную герметизацию. В таких структурах барьерные свойства задаются сочетанием функциональных слоев, а итоговая эффективность определяется не только составом материала, но и условиями переработки в готовую упаковку [3, 4].

В практической упаковке мясной продукции значительная доля изделий формуется из плоского листа методом термоформования. Именно на этой стадии возникает важное противоречие: исходный материал может обладать высокими барьерными свойствами, однако в процессе формования толщина распределяется неравномерно, и функционально значимые участки упаковки становятся более проницаемыми для кислорода и диоксида углерода. Для систем modified atmosphere packaging это означает возможную дестабилизацию внутренней атмосферы и отклонение фактического срока хранения от расчетного [2, 5].

Целью настоящей работы является анализ влияния условий термоформования на барьерные свойства многослойной полимерной упаковки для мясных продуктов и формулирование практических положений для проектирования упаковочных структур с учетом реального поведения материала после формования.

Работа выполнена как аналитическое исследование, основанное на сопоставлении публикаций по термоформованию многослойных листов, моделированию распределения толщины, оценке oxygen transmission rate до и после формования, а также работ по хранению мясной продукции в условиях MAP [3, 5, 6]. В поле анализа были включены данные о геометрии лотков, глубине вытяжки, температурных режимах формования и изменении барьерных свойств упаковки после переработки.

Методологически исследование строилось в логике последовательного перехода от структуры материала к поведению готового изделия. На первом этапе рассматривались общие физические механизмы деформационного перераспределения толщины при термоформовании. На втором этапе анализировалось влияние локального истончения стенок на транспорт кислорода через упаковку. На третьем этапе полученные закономерности интерпретировались применительно к хранению охлажденного мяса в модифицированной газовой среде.

Термоформование представляет собой процесс нагрева листового полимерного материала до состояния повышенной пластичности с последующим приданием ему объемной формы под действием вакуума, давления или механического усилия. Для многослойных материалов этот процесс осложняется различиями в реологических свойствах отдельных слоев. Полимеры по-разному отвечают на нагрев и растяжение, поэтому даже при сохранении общей толщины листа относительная толщина отдельных функциональных компонентов в готовом изделии может изменяться неравномерно [3].

Наиболее сильное истончение обычно наблюдается в угловых зонах, на переходах от дна к стенкам и в участках, где глубина вытяжки максимальна. Именно эти зоны становятся потенциальными участками повышенного газообмена. С точки зрения теории массопереноса даже небольшой локальный спад толщины барьерного слоя способен заметно увеличить плотность потока кислорода, поскольку сопротивление диффузии прямо связано с толщиной материала [4, 5].

Для упаковки охлажденного мяса эта закономерность имеет непосредственное практическое значение. Продукт с высокой активностью воды и выраженной чувствительностью к кислороду требует стабильной внутренней атмосферы на протяжении всего срока хранения. Если после формования суммарный OTR изделия возрастает, в упаковку быстрее поступает кислород, изменяется баланс O2 и CO2, а значит, ускоряются процессы окисления липидов, накапливается метмиоглобин и ослабевает антимикробный эффект углекислого газа [1, 2, 7].

Исследования термоформованных лотков показывают, что оценка барьерных свойств только по плоскому листу дает заведомо неполную картину. В работах по APET/PE/EVOH/PE и PA/PE было показано, что фактическая кислородопроницаемость после формования зависит от конфигурации лотка, глубины вытяжки и распределения материала по поверхности изделия [3, 6]. Это означает, что конструктор упаковки должен ориентироваться не на номинальную толщину листа, а на функциональную толщину в наиболее уязвимых участках.

Глубина вытяжки является одним из ключевых факторов. При малой глубине материал перераспределяется сравнительно равномерно, и отклонение от исходных барьерных показателей умеренно. При глубокой вытяжке, характерной для упаковки кускового мяса или крупных полуфабрикатов, локальное истончение в углах может быть столь выраженным, что именно эти участки начинают определять суммарную проницаемость всей упаковки. Практически это означает, что увеличение высоты лотка без корректировки структуры листа может приводить к ухудшению срока годности даже при сохранении того же химического состава материала.

Не менее важна температура нагрева перед формованием. Если материал нагрет недостаточно, формование сопровождается ростом внутренних напряжений, ухудшением геометрической точности и повышением риска микродефектов. При избыточном нагреве снижается стабильность размеров и возрастает вероятность чрезмерного вытяжения. Для многослойных материалов поиск режима осложняется тем, что оптимальная температура для одного слоя может быть не оптимальной для другого. Следовательно, термоформование следует рассматривать как процесс оптимизации, в котором достигается компромисс между формуемостью, равномерностью толщины и сохранением барьерных свойств [4].

В инженерной практике полезно переходить от понятия номинальной толщины к понятию эффективной барьерной толщины готовой упаковки. Эта величина зависит от исходной структуры материала, геометрии лотка, коэффициента вытяжки и расположения функционального слоя относительно поверхности. Если барьерный слой расположен ближе к зоне максимальной деформации, риск потери барьерных свойств возрастает. Напротив, при рациональной архитектуре многослойной структуры возможно частично компенсировать деформационные потери и сохранить приемлемый уровень OTR после формования [3, 6].

Следует учитывать и механический аспект. Локальное истончение влияет не только на газопроницаемость, но и на прочность упаковки, устойчивость к проколу и стабильность кромки при последующей запайке. Для мяса, особенно фасуемого в лотки с острыми костными включениями или выраженной геометрией куска, снижение механической надежности способно дополнительно увеличивать риск дефектов. Поэтому оценка термоформованной упаковки должна быть комплексной и включать одновременно барьерные и прочностные характеристики.

Связь между термоформованием и сроком годности мяса наиболее отчетливо проявляется в системах MAP. Технологическая задача таких систем состоит не просто в замене атмосферного воздуха, а в поддержании заданной газовой смеси в течение всего периода хранения. Если в результате термоформования упаковка приобретает зоны повышенной проницаемости, расчетная атмосфера деградирует быстрее, чем предполагалось. Отсюда следует, что параметры формования должны увязываться с целевым сроком хранения продукта и с типом применяемой газовой смеси [1, 2, 7, 8].

Практически это означает необходимость проектирования упаковки в единой системе «структура материала — режим термоформования — форма изделия — вид мясного продукта». Для неглубоких лотков может быть достаточно умеренно барьерной структуры при хорошо настроенном процессе. Для глубокой тары, рассчитанной на длительное хранение, требуется либо более высокий запас по функциональному слою, либо оптимизация геометрии, уменьшающая вытяжку в критических зонах. Таким образом, термоформование выступает не вторичным этапом, а важным инструментом управления барьерной эффективностью упаковки.

Таблица 1.

Основные факторы термоформования и их влияние на барьерные свойства упаковки

Проведенный анализ показал, что условия термоформования существенно влияют на барьерные свойства многослойной полимерной упаковки для мясных продуктов. Основной механизм воздействия связан с перераспределением толщины материала и локальным истончением функциональных слоев в зонах максимальной деформации, что приводит к росту кислородопроницаемости готового изделия по сравнению с исходным листом.

Для упаковки охлажденного мяса это имеет прямое прикладное значение, поскольку изменение эффективного OTR определяет устойчивость модифицированной газовой среды, скорость окислительных процессов и фактический срок хранения продукции. Следовательно, оценка упаковочного материала только по свойствам плоского листа является недостаточной. Научно и практически обоснованным следует считать подход, при котором барьерные свойства анализируются на уровне готового термоформованного изделия.

В дальнейшем перспективным представляется развитие количественных моделей, связывающих глубину вытяжки, геометрию упаковки, распределение толщины и динамику изменения газовой среды внутри упаковки мясных продуктов. Такой подход позволит более точно проектировать упаковочные системы с прогнозируемыми потребительскими свойствами.