Премиальная пищевая пленка: сохраняет свежесть и удерживает запахи

Общие сведения

Пищевая пленка — форма упаковки из тонкой гибкой прозрачной полимерной пленки, которая липнет к себе и к емкостям, образуя герметичный барьер. Пленка сохраняет свежесть, защищая еду от воздуха, и предотвращает потерю влаги влажными продуктами и впитывание влаги сухими. Также удерживает запахи, не давая им переходить к соседним продуктам.

Пластики — искусственные полимеры: гигантские молекулы из тысяч одинаковых мономеров, связанных в длинные цепи. Процесс объединения — полимеризация. Натуральные полимеры: шелк, каучук, хлопок.

Первый пластик создал британский химик Александр Паркс в 1862 г. — паркезин из хлопка, азотной и серной кислот, касторового масла и камфоры. Через два года в США Джон Уэсли Хайатт улучшил продукт и назвал целлулоид. Целулоид стал огромным успехом, использовался для множества изделий, но был высоковоспламеняющимся.

Первый полностью синтетический полимер (в отличие от целлулоида — производного натурального целлюлозы) — бакелит, из фенола и формальдегида бельгийцем Лео Бекеландом в 1908 г. В XX веке разработано множество полимеров: искусственный каучук, искусственные волокна (нейлон).

Первая пленка для упаковки — целофан, другой производный целлюлозы, изобретен швейцарцем Жаком Бранденбергером в 1911 г. Преимущество — прозрачность, использовался для упаковки с 1924 г. Целофан был самым распространенным видом пластиковой пленки до 1963 г., когда его опередил полиэтилен.

Полиэтилен открыт случайно у британской Imperial Chemicals Industries в 1933 г. при смешивании бензола и этилена при высоких T и P. Сначала — для электroisоляции. В 1945 г. Visking Corp. (США) впервые сделали из него пленку, и популярность росла.

Поливинилхлорид (ПВХ) получен до II мировой, изначально как низкокачественный заменитель каучука, но пленки в объемах делали с 1950-х. Сегодня ПВХ в трубах, напольных покрытиях, кабелях, обуви, одежде и пищевой пленке.

Поливинилиденхлорид (ПВДХ) разработан Dow Chemical во II мировой для военных нужд. Высокая барьерность от влаги, устойчивость к маслам, жирам, агрессивным химикатам — для упаковки чувствительной техники (оптика, авиационные компоненты). В 1952 г. вышел на рынок под знаком Saran Wrap.

Сырье

Большинство бытовой пищевой пленки — полиэтилен, ПВХ или ПВДХ. Все полимеры из простых углеводородов — метана или этилена, получаемых из природного газа или нефти. Полиэтилен напрямую из этилена. ПВХ — из хлорида винила (из этилена) или ацетилена (из метана). ПВДХ — из хлорида винила и винилиденхлорида (производное 1,1,2-трихлорэтана, из этилена или ацетилена).

Некоторые пленки, включая целофан, из целлюлозы — древесной целлюлозы или линтеров (микроволокон на хлопковых семенах после удаления длинных волокен джинной машиной). Хотя бы одна пленка (Pliofilm, Goodyear) — из каучука.

Производственный процесс

Подготовка сырья

• 1 Химикаты для синтеза полимеров обычно получают из нефти. Сырью нагревают в печи до ~400 °C. Пары идут в ректификационную колонну — высокую башню с камерами. Температура снижается вверх. Различные фракции нефти поднимаются газами до точки конденсации, разделяются и собираются.
• 2 Большинство полимеров начинаются от простых углеводородов с низкими точками кипения. Они не конденсируются в колонне, а остаются газами, снимаемыми с верха. Также получают из природного газа (в основном метан). Другой источник — нафта, смесь жидких углеводородов из колонны, тяжелее бензина, легче тяжелого масла. Нафту нагревают под давлением для крекинга — распада на меньшие молекулы. Катализатор (природная или искусственная глина — алюмосиликат или цеолит) снижает T и P крекинга. Обычно ~500 °C, ~100 кПа. Крекированную нафту перегоняют аналогично для разделения компонентов.

Полимеризация

• 3 Полиэтилен полимеризуют из этилена (из крекинга). Этилен нагревают в автоклаве до ~170 °C при ~200 000 кПа с малым количеством кислорода. Кислород раскрывает этилен в свободные радикалы, комбинирующиеся в цепи полиэтилена. ~1 % инертного газа (пропан) предотвращает чрезмерное удлинение цепей.
• 4 ПВХ полимеризуют из хлорида винила (из ацетилена + HCl или этилена + Cl₂). Этилен чаще — эффективно из крекинга нафты. Если ацетилен — его синтезируют нагревом метана до ~1500 °C или другими путями. Хлорид винила смешивают с водой и агитируют в суспензию (как масла и уксус). Добавляют суспензирующие агенты (крахмал, желатин) против расслоения. Поднимают T до 40–50 °C, вводят иницииатор (органический пероксид). Молекулы хлорида винила реагируют в цепи ПВХ. Охлаждают, центрифугируют частицы ПВХ из воды, сушат в печи.
• 5 ПВДХ полимеризуют из смеси ~15 % хлорида винила и ~85 % винилиденхлорида. Для винилиденхлорида сначала делают 1,1,2-трихлорэтан (ацетилен + HCl + Cl₂ или этилен + Cl₂). Затем реагируют с Ca(OH)₂ или NaOH → винилиденхлорид. Полимеризация ПВДХ аналогична ПВХ.
• 6 Полиэтилен по природе гибок, но ПВХ и ПВДХ без пластификаторов тверды и жестки. Используют разные органические и неорганические эфиры. Обычно жидкий пластификатор медленно распыляют в сухой полимерный порошок и нагревают до ~150 °C для однородной смеси.

Изготовление пищевой пленки

• 7 Пленка делается экструзией. Гранулы плавится при ~100 °C (полиэтилен) или ~200 °C (ПВХ, ПВДХ). Расплав выдавливают через филиру в трубку теплого растяжимого пластика. Сравнительно регулярно сдувают сжатый воздух в бок трубки, раздувая большие пузыри. Это растягивает пленку до нужной тонкости. Тонкая пленка быстро остывает, пузырь схватывают металлическими валами в пленку. Пленку навивают на большой металлический вал — рулон на несколько км. Затем пленку с рулонов сдергивают, режут на длину (обычно ~15 м) и ширину (~0,33 м), перематывают на маленькие картонные катушки. (Эта перемотка дает легкий отрицательный заряд статического электричества, помогающий липнуть.) Картонные катушки в коробки с зубчатой кромкой для разрыва. Некоторые имеют липкое пятнышко на коробке, чтобы край пленки не липнул к катушке. Коробки стопят в коробны и отгружают в ритейл.

Контроль качества

Существует ряд стандартных тестов для обеспечения эффективности пленки. Ключевые — проницаемость, ударная вязкость, разрывная прочность.

Проницаемость водяным паром: наполняют чашку хлоридом кальция (сильный гигроскоп), закрывают пробой пленки, взвешивают. Ставят в камеру с заданными T и влажностью. Через время взвешивают снова. Прирост веса = прошедший пар. Альтернатива — вода в чашке, измеряют потерю веса. Тесты при 23 °C/50 %, 32 °C/50 %, 38 °C/90 %.

Газовая проницаемость: пробу помещают между двумя камерами. Верхняя — 100 кПа, нижняя — вакуум с ртутным манометром. Проходящий воздух повышает давление внизу, понижая уровень ртути. Изменение уровня = проникновение воздуха.

Ударная вязкость: роняют грузы возрастающего веса на пробы до разрушения половины, фиксируют вес. Или наполняют мешки из тестируемой пленки песком и роняют на твердую поверхность с увеличивающейся высоты до разрыва. Или стреляют маленькой стальной шарикой пневматически через пленку и измеряют замедление.

Разрывная прочность: сила инициации разрыва (начать) и распространения (продолжить). Для инициации — образец в форме неглубокой V тянут между челюстями до начала разрыва. Форма дает 90° угол для контролируемой точки старта. Распространение — разрывают образец с предварительным надреза.

В общем, ПВДХ прочнее и менее проницаем, чем полиэтилен, который менее проницаем, чем ПВХ.

Экологические аспекты

Пленка трудно или невозможно переработать и редко повторно используют — способствует мусору. Потребительская группа, учитывающая энергию и сырье производства, отходы при производстве и утилизации, перерабатываемость, типичные объемы использования, оценила пленку как «Хорошо». Для сравнения: многоразовые пластиковые контейнеры — «Отлично», пакеты — «Очень хорошо», фольга и пакеты для морозилки — «Хорошо», бумага для морозилки — «Плохо». Другая тревога — возможный вред от пластификаторов, мигрирующих в горячую и жирную пищу. На людях вред не доказан, но на лабораторных животных большие дозы вызывали рак. ПВХ-пленка до 1/3 пластификаторов, ПВДХ ~10 %, полиэтилен обычно без пластификаторов.