§1. Синонимы

IUРАС: оксид углерода (IV).

Русский: двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислота, «углекислый газ»*. Немецкий: Kohlendioxid, Kohlensäureanhydrid. «Kohlensäure»,

Английский: carbón dioxide.

Французский: bioxyde de carbone, gaz carbonique, «acid carbonique».

Итальянский; biossido di carbonio, anidride carbónica, «acido carbónico».

Испанский: dióxido de carbono, anhídrido carbónico, «acido carbónico».

§2. Историческая справка

Углекислота (остающаяся в напитках после спиртового брожения или выде­ляющаяся при дыхании хранящегося зерна) с древних времён неосознанно ис­пользовалась для сохранения продуктов питания. Намеренное добавление дву­окиси углерода – достижение нового времени.

§3. Товарные формы

Двуокись углерода поставляется в жидком и твёрдом (сухой лед) виде. Жид­кая углекислота удобна в обращении – её легко дозировать. Сухой лед как кон­сервант большого значения не имеет. Он широко используется как хладагент, но в этом качестве не является предметом нашего изучения.

§4. Свойства

Двуокись углерода СО2 при обычных условиях представляет собой бесцвет­ный негорючий газ с кисловатым запахом и вкусом. Плотность углекислого газа приблизительно в 1,5 раза выше, чем у воздуха. При 0°С двуокись углерода кон­денсируется в бесцветную жидкость под давлением 3,49 МПа, а при 20°С – под давлением 5,54 МПа. В 1 л воды при комнатной температуре растворяется около 1 л углекислоты, что значительно выше растворимости многих других газов. Поэтому при использовании газозащитных смесей, содержащих двуокись угле­рода, последний избирательно поглощается пищевым продуктом и ее концен­трация в газовой фазе меняется.

§5. Аналитические сведения

Количество диоксида углерода можно определить весовым или объемным методами. Углекислый газ, выделенный из исследуемою продукта, поглощают раствором гидроксида бария либо гидроксида натрия. В первом случае количест­во двуокиси углерода определяют по массе образовавшегося карбоната бария. Во втором случае образовавшийся карбонат натрия разлагают серной кислотой и количество диоксида углерода измеряют по его объему или кулонометрически. Углекислый газ можно определить и с помощью специальных тестовых трубок.

§6. Получение

Диоксид углерода можно добывать из природных источников. Его также по­лучают из газовых смесей, образующихся при сжигании кокса. Смесь пропуска­ют через абсорбционные колонны, в которых углекислый газ связывается в виде бикарбоната.

§7. Токсиколого-гигиеническая оценка

Для животных смертельная концентрация углекислого газа в воздухе (при кратковременной экспозиции), по разным данным, составляет от 30 до 60% об. (в присутствии 20% об. кислорода). При длительном вдыхании опасны концен­трации свыше 3% об. Для двуокиси углерода ПДК составляет 5000 мг/м3.

§8. Законодательные аспекты применения в пищевых продуктах

В большинстве государств отсутствуют законодательные ограничения на при­менение диоксида углерода (Е290) в пищевых продуктах42. В некоторых странах существует требование, по которому минеральная вата, разлитая в бутылки, и полученные из нее лимонады должны содержать то же количество углекислого газа, что и природное сырье. В ряде стран установлено ограничение на содержа­ние двуокиси углерода в винах, не относящихся к игристым.

§9. Действие на микроорганизмы

Общие принципы действия. Действие двуокиси углерода обусловлено не­сколькими факторами. Во-первых, замена ею части воздуха приводит к сниже­нию концентрации кислорода, который необходим многим микроорганизмам. Во-вторых, углекислый газ обладает антимикробным действием, так как участ­вует в дыхательном обмене микроорганизмов. В-третьих, если углекислый газ присутствует в больших количествах, он может существенно изменять значение рН на поверхности пищевого продукта, в результате чего некоторые микроор­ганизмы на ней погибают.

Технология хранении продуктов питания в атмосфере инертного газа вме­сто воздуха называется «упаковкой с модифицированной атмосферой» (modified-atmosphere packing – MAP). Если воздух заменяется (частично или полностью) углекислым газом, то концентрация кислорода снижается (в пределе - до нуля), т.е. действие двуокиси углерода здесь косвенное. В пищевых продуктах, обрабо­танных по МАР-технологии, угнетаются только аэробные микроорганизмы. На развитие патогенных анаэробов, вызывающих инфекции и интоксикации, диок­сид углерода практически не влияет, и безопасность таких продуктов оказывает­ся под вопросом. Для Campylobacter jejuni описана даже стимуляция роста в MAP. То же имеет место для Clostridium sporogenes. Бактерии вида Clostridium Botulinum при малых концентрациях углекислого газа образуют токси­ны, а высокие его концентрации (45-70%) действуют на них угнетающе.

Недостатки MAP- необходимость постоянного контроля температуры (охлаждения) и выбора для каждого пищевого продукта определённого, экспе­риментально устанавливаемого состава защитной атмосферы. Это дорогостоя­щее мероприятие, которое может проводиться только квалифицированным пер­соналом. Достоинство MAP в том, что срок хранения продуктов увеличивается внесколько раз по сравнению с обычным способом.

На рис. 6 представлены сравнительные данные по росту вредных бактерий на свином мясе в атмосфере воздуха и углекислого газа при различных темпера­турах. Использование атмосферы с высоким содержанием углекислого газа представляет интерес прежде всего для пищевых продуктов с низкой активно­стью воды.

Углекислый газ не убивает микроорганизмы (во всяком случае, за короткое время), а только замедляет их развитие, Он удерживает микроорганизмы в ла­тентной фазе; в этом состоянии они не размножаются, но ферментативные про­цессы в них отчасти протекают. Быстрая гибель микроорганизмов наблюдается тишь при высоком давлении двуокиси углерода, обычно в сочетании с низкими температурами. Этитехнологии применяют в пищевой промышленности при бун­керном хранении муки, чая, пряностей. Создают давление 10-30 атм в течение 30-240 минут; при нормальном давлении (и концентрации углекислого газа свыше 60%) для уничтожения микроорганизмов требуется 10-20 дней. Очень высо­кое давление (несколько тысяч атмосфер) пригодно также для дезинсекции (унич­тожения насекомых) в рисе или другом сырье; недавно описаны способы дезин­секции с использованием меньшего давления и требующие меньших затрат. Очень высокое давление применяется и для инактивации пектинэстераз во фрук­товом соке.

Рис. 6 (с. 70)

При использовании MAP с углекислым газом необходимо применить газо­непроницаемые упаковочные материалы, например комбинированные полиэфир-полиэтиленовые или полиэфир-алюминий-полиэтиленоыые пленки. Но не­зависимо от того, используется ли упаковка с защитным газом или конкурирую­щая с ней вакуумная упаковка, существует множество факторов, влияющих на срок хранения. В числе прочих – пил и форма товара, в также пластичность и прочность упаковки.

Спектр действия. Диоксид углерода действует преимущественно на облигатные аэробы. Плесневые грибы к нему вполне устойчивы. Полностью подавить их рост с помощью углекислого газа при обычном давлении невозможно. Особенно это справедливо для температур около 20°С. Консервирующее дей­ствие углекислого газа усиливается при содержании кислорода ниже 0,2%. В интервале концентраций углекислого газа 10–90% афлатоксинобразующие мик­роорганизмы продуцируют тем меньше токсинов, чем выше содержание угле­кислоты.

Дрожжи тоже малочувствительны к углекислому газу. В его присутствии они, при определенных условиях, способны к реакциям обмена веществ, вызываю­щим порчу пищевых продуктов. Например, некоторые дрожжи в присутствии углекислого газа могут (не размножаясь) сбраживать сахар в спирт. Развитие плес­невых дрожжей углекислый газ более или менее сдерживает. Действие диоксида углерода на дрожжи усиливается с увеличением его концентрации.

Отношение различных видов бактерий к диоксиду углерода весьма разнообразно. Особенно к нему чувствительны психрофильные виды Pseudomonas и Achromobacater, а также Esherihia coli. Угнетающее действие диоксида углерода на род Salmonella особенно ярко выражено в присутствии сорбата калия. Возможно использование антимикробной активности углекислого газа при высоком давлении на бактерии рода Salmonella и рода Listeria. Напротив, многие молочнокислые бактерии и бактерии рода Clostridium довольно ус­тойчивы к действию двуокиси углерода. Некоторые бактерии рода Salmonella, мо­лочнокислые бактерии и штаммы Campylobacter под действием углекислого газа могут даже ускорять развитие.

§10. Области применения

Молочная продукция. Для сыра в потребительской упаковке атмосфера дву­окиси углерода применяется как зашита от окисления и микробиологической порчи. Она замедляет развитие дрожжей, плесневых грибов и психрофильных бактерий в мягких и твердых сырах. Концентрация углекислого газа в за­щитной атмосфере должна быть близка к 100%. Хорошо действуют и смеси угле­кислого газа с азотом.

Мясопродукты. Хранение охлажденного свежего мяса в атмосфере с 15-40% углекислого газа значительно увеличивает срок его годности, консервирующий эффект возрастает с увеличением концентрации углекислоты. Действие ди­оксида углерода направлено главным образом против плесневых грибов и бакте­рий рода Pseudomonas и рода Achromobacater, менее чувствительны к нему дрожжи, род Lactobacillus и вид Microbacterium Termosphactum. Очень эффективны смеси углекислоты с другими защитными газами.

Повышенное содержание углекислого газа в атмосфере хранилища может приводить к изменению цвета и вкуса мяса, особенно если нарушаются опреде­ленные границы содержания кислорода; например, в работе это описано для говядины. Литературные данные об оптимальных концентрациях двуокиси уг­лерода и кислорода противоречивы (см. табл. 13).

Для сарделек найдено, что оптимальное по антимикробной активности против вида Listeria monocytogenes содержание углекислого газа в инертной атмо­сфере составляет 50-80%.

Морепродукты. Срок годности рыбы, например кефали, можно продлить при хранении её в инертной атмосфере. Углекислый газ в сочетании с нагрева­нием заменяет действие полифенолоксидаз (ответственных за ферментативные реакции, вызывающие появление бурой окраски) в омарах.

Фрукты и овощи. Использование инертной атмосферы является щадящим способом замедления как микробиологических, так и ферментативных измене­ний при хранении фруктов и овощей, например картофеля, инжира, груш, шампиньонов и вешенки.

Напитки. Хранение фруктовых соков под давлением углекислот газа на хо­лоде часто используют в качестве способа консервировании. Метод был открыт швейцарцем Бёхи и известен в производстве фруктовых соков как способ Бёхи.

Для сохранения соков необходима концентрация углекислого газа 1,5%. что соответствует давлению примерно 7 атм при 15°С. Углекислота даже под давле­нием не убивает микроорганизмы, прежде всего дрожжи, а только замедляет их развитие. Микроорганизмы вполне сохраняют способность к некоторым ферментативным реакциям, например, дрожжи могут до известных пределов проду­цировать спирт Углекислый газ малоэффективен против молочнокислых бактерий, и при хранении соков в его атмосфере опасность молочнокислого броже­ния сохраняется. В этом случае требуется сочетание с небольшими количествами диоксида серы, если это допустимо.

Таблица 13. Примеры газовых смесей, применяемых для некоторых продуктов, обработанных по МАР-технологии 

Углекислый газ широко используется в качестве консерванта для прохлади­тельных напитков. Давление составляет 2-4 атм, т.е. гораздо ниже, чем в спосо­бе Бёхи. При этом можно достичь небольших, но достаточных для практического использования сроков годности. Давно экспериментально установлено, что га­зированные напитки более стабильны в отношении микробиологической порчи, чем негазированные. Содержание бактерий в таких напитках уменьшается с уве­личением срока хранения и концентрации диоксида углерода.

Антимикробное действие углекислоты используется и в производстве вин. При сбраживании виноградного сока под давлением углекислого газа можно управлять брожением и прервать его при определенном содержании спирта и сахара, причём получается вино с известным остаточным сахаром. Вино мож­но специально насыщать углекислым газом (в концентрации 0,6-1,2 г на 1 л) для защиты от такого вида микробиологической порчи, как перебраживание. При­годны для этого и смеси двуокиси углерода с азотом.

Хлебобулочные изделия. Упаковка и хранение полуфабрикатов из теста, вы­печки или нарезанного хлеба в атмосфере инертного газа – сегодня общеприня­тый технологический прием. Его применение затрудняется высоким содержани­ем в выпечных изделиях воздуха и кислорода. На практике упаковку и хлеб пе­ред вакуумированием следует «промыть» углекислым газом. Концентрация диоксида углерода в таких системах колеблется в зависимости от условий (актив­ность воды, температура хранения, вид и количество микроорганизмов) от 62 до 99% [32]. Срок годности хлебобулочных изделий может быть увеличен при ис­пользовании углекислого газа в сочетании с такими антимикробными агентами, как этанол или сорбиновая кислота.

§11. Прочие действия

Поскольку углекислый газ замещает воздух и таким образом «оберегает» про­дукты от контакта с кислородом, он обладает, в некотором смысле, антиокисли­тельным действием и используется при упаковке жировых и молочных продук­тов, сухих завтраков, арахиса и других склонных к окислению сухих съестных припасов. «Антиокислительное» действие углекислоты часто имеет существенно большее значение, чем её антимикробные свойства. Однако такое действие, как и влияние углекислого газа на дыхание заложенных на хранение фруктов и ово­щей, не является предметом рассмотрения в этой главе.

Двуокись углерода в большинстве случаев положительно влияет на органолептические свойства напитков, она повышает освежающее действие многих из них. Наконец, следует упомянуть гиперемическое действие диоксида углерода, которое вызывает ускоренное всасывание других веществ через слизистую обо­лочку желудка. Оно проявляется, например, в виде ускоренного всасывания спир­та из игристых вин.