Monika Janowicz, Jacek Niedźwiedź, Magdalena Karwacka, Sabina Galus

Streszczenie: W ostatnich latach można wyróżnić kilka trendów w pracach badawczych z zakresu opakowań jadalnych, skupiających się na ocenie właściwości użytkowych kompozytowych filmów i powłok jadalnych, których celem jest zminimalizowanie wad badanych struktur i poprawa ich cech użytkowych. Jednakże nadrzędnym celem jest wyeliminowanie braku synergicznego oddziaływania komponentów w aspekcie wytwarzania aktywnych i/lub inteligentnych opakowań, będących nie tylko materiałem ochronnym dla opakowanego produktu, ale również stanowiących odpowiednio zaprojektowaną bazę będącą nośnikiem składników przeciwdrobnoustrojowych, odżywczych oraz funkcjonalnych, mających za zadanie między innymi wzmocnienie struktury matrycy opakowań biokompozytowych

Wprowadzenie 

Czy zrozumienie zasad będących podstawą zagadnień Zrównoważonego Rozwoju może być jednym z trendów napędzających przemysł opakowaniowy? Czy możliwość wykorzystania produktów ubocznych da nowe perspektywy dla tej branży, stwarzając możliwość zrównoważonego gospodarowania odpadami i opakowaniami biodegradowalnymi? 

Zrównoważony rozwój to taki, w którym potrzeby obecnego pokolenia mogą być zaspokajane bez umniejszania szans przyszłych pokoleń na ich zaspokojenie. Ta sentencja bardzo trafnie oddaje ideę zrównoważonego rozwoju, a liczy sobie prawie 40 lat i została zaczerpnięta z Raportu Światowej Komisji ds. Środowiska i Rozwoju pochodzącego z 1987 roku. Jednak początków koncepcji zrównoważonego rozwoju należy szukać jeszcze „głębiej” w latach 60. ubiegłego wieku, kiedy to podczas sesji Zgromadzenia Ogólnego ONZ sygnalizowano problem wpływu ówczesnych standardów zarządzania zasobami na środowisko naturalne. Jednym z „owoców” spotkań i dyskusji w tym temacie była przyjęta przez kraje członkowskie ONZ na Zgromadzeniu Ogólnym w Nowym Jorku we wrześniu 2015 roku Agenda 2030, zawierająca 169 zdefiniowanych zadań związanych z 17 celami zrównoważonego rozwoju, które świat ma zrealizować do roku 2030 (rysunek 1).  

W kontekście branży spożywczej ważnym elementem tego planu jest bardziej zrównoważone żywienie, za realizację którego odpowiada strategia od pola do stołu, obejmująca cztery podstawowe obszary: zrównoważoną produkcję surowców, zrównoważone przetwórstwo oraz dystrybucję żywności, zrównoważoną konsumpcję oraz zapobieganie marnotrawstwu żywności i nadmiernej produkcji odpadów. Należy również zwrócić uwagę na fakt, że w obecnych czasach producenci żywności kładą duży nacisk na ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko naturalne, powodowanego wykorzystaniem opakowań z tworzyw sztucznych. Działania w tym kierunku skupiają się głównie na modyfikacji właściwości opakowań, poddawaniu ich recyklingowi, a także na próbach zastąpienia tworzyw sztucznych tworzywami biodegradowalnymi. Takie materiały mogą występować w dwóch formach – w postaci cienkiej, zintegrowanej z produktem spożywczym warstwy materiału jadalnego lub samodzielnej folii do wykorzystania jako opakowanie gotowego dania, której struktura dodatkowo będzie spełniać określoną funkcję użytkową.  W związku z tym można zaobserwować nowe trendy w pracach badawczych z zakresu opakowań jadalnych, skupiające się na ocenie właściwości użytkowych powłok z kompozytów biopolimerowych. Celem tego rodzaju działań, oprócz zaimplementowania zasad zgodnych z ideą zrównoważonego gospodarowania, jest również zminimalizowanie wad badanych struktur biopolimerowych, wynikających z braku synergicznego oddziaływania komponentów, mających wzmocnić matrycę biokompozytów opakowaniowych i poprawić w ten sposób ich cechy użytkowe, np. składników przeciwdrobnoustrojowych stosowanych w aspekcie uzyskania opakowań aktywnych.  Istnieje wiele korzyści wynikających z nanoszenia biokompozytów w formie jadalnych powłok i filmów na produkty spożywcze. Mogą być wykorzystywane jako bariery, przedłużając trwałość różnych produktów spożywczych poprzez ograniczenie migracji wilgoci, gazów i substancji rozpuszczonych. Jadalne filmy/powłoki mogą również służyć jako nośniki dodatków do żywności, m.in. substancji barwiących i aromatycznych, składników odżywczych, a także środków przeciwdrobnoustrojowych i zapobiegających brązowieniu, poprawiając globalną jakość żywności, percepcję sensoryczną i wygodę.  Pierwsza wzmianka o stosowaniu jadalnych powłok lipidowych na cytrusach w Chinach pochodzi z XII wieku. Niemniej jednak koncepcja nanoszenia jadalnych powłok/filmów na produkty spożywcze zyskała większe zainteresowanie wśród naukowców dopiero w latach 50. W ostatnich dziesięcioleciach ludzkość borykała się z takimi problemami jak choroby cywilizacyjne czy problemy środowiskowe, które stały się motorem napędowym wielu badań naukowych. Rosnąca świadomość konsumentów na temat wpływu żywności i środowiska na ich zdrowie zmusiła naukowców i producentów do poszukiwania różnych sposobów wytwarzania naturalnej żywności, łączącej korzyści dla zdrowia społecznego i zrównoważonego gospodarowania towarami i usługami. Jednym z wiodących trendów jest wykorzystanie do pakowania żywności biopolimerów, pochodzących z zasobów odnawialnych. W tej grupie rozwiązań często wymieniane są jadalne filmy i powłoki.  W ostatnim czasie można zaobserwować kilka trendów w pracach badawczych z zakresu opakowań jadalnych, które skupiają się na wieloskładnikowych lub kompozytowych foliach/powłokach. Prowadzone są prace, mające na celu nadanie tym materiałom cech opakowań aktywnych, między innymi poprzez wprowadzenie środków przeciwdrobnoustrojowych, takich jak olejki eteryczne, oraz nanowzmocnienie do produkcji bionanokopozytów w taki sposób, aby połączyć zalety każdego składnika, jak również zminimalizować ich wady otrzymanej matrycy. 

Potencjał strukturotwórczy biopolimerów jadalnych 

Substancje służące do wytwarzania folii jadalnych to przede wszystkim polisacharydy, takie jak celuloza i jej pochodne, skrobia, chitozan, pektyny, substancje lipidowe, takie jak wosk pszczeli lub szelak, oraz szeroki wachlarz substancji białkowych, takich jak białka serwatkowe, gluten pszenny i żelatyna. W celu zoptymalizowania właściwości opracowanych folii lub powłok jadalnych często stosuje się mieszaniny kilku składników. Niektóre z wymienionych substancji można pozyskać z produktów ubocznych pochodzących z przetwórstwa żywności. W ten sposób można pozyskać np.: pektyny z wytłoków owocowych, białka serwatkowe z serwatki będącej produktem ubocznym wytwarzania serów podpuszczkowych oraz żelatynę z produktów ubocznych pochodzących z przetwórstwa zwierząt rzeźnych. Dodatkowe wykorzystanie produktów ubocznych jest atrakcyjne dla producentów żywności, ponieważ wpływa na zmniejszenie ilości odpadów generowanych przez zakłady, redukuje problem zagospodarowania odpadów (w przypadku przemysłu mięsnego są to często odpady niebezpieczne) oraz powoduje zwiększenie asortymentu produktów i półproduktów wytwarzanych przez przedsiębiorstwa, co może się przyczynić do zwiększenia zysku.  W minionych dekadach opublikowano również szereg badań w tej tematyce, które wykazują, że owoce i warzywa dzięki swojemu bogatemu składowi chemicznemu mogą służyć jako obiecujące źródło składników funkcjonalnych w formulacji roztworów matrycotwórczych (rysunek 2). Jednak nie tylko obecność, ale także interakcje pomiędzy poszczególnymi składnikami, wynikające z ich wzajemnych proporcji, odgrywają istotną rolę w projektowaniu końcowych materiałów. Składniki takie jak pektyny, substancje celulozowe, skrobia oraz białka, obecne w pulpie owocowej bądź warzywnej, wykazują potencjał do tworzenia matrycy materiałów biodegradowalnych, odnawialnych, tanich i, co istotne w niektórych przypadkach, również jadalnych. Materiały te mogą stanowić dobrą barierę, np. w stosunku do tlenu. 

Wykazano, że naturalne połączenie kilku składników matrycotwórczych oraz lipidów i składników bioaktywnych występujących w owocach i warzywach może pomóc w stworzeniu naturalnych struktur kompozytowych i przezwyciężyć problem rozwarstwiania faz oraz kruchości materiałów otrzymanych na bazie mieszanki pojedynczych składników. Na przykład w medium celulozowym pektyny mogą formować międzycząsteczkowe połączenia pomiędzy swoimi regionami homogalakturonowymi oraz łańcuchami celulozy. Pektyny przeciwdziałają również negatywnemu wpływowi obecności plastyfikatorów, takich jak glicerol. Naturalnie obecne w bananach pektyny i białka mogą tworzyć połączenia między swoimi cząsteczkami, poprawiając właściwości mechaniczne materiałów na bazie owoców i warzyw. Również połączenia wodorowe pomiędzy łańcuchami pektyn i skrobi mogą mieć pozytywny wpływ na właściwości mechaniczne tworzonych struktur. Im większa zawartość skrobi w roztworze matrycotwórczym, tym lepszymi właściwościami mechanicznymi charakteryzuje się materiał końcowy. Badania wskazują, że materiały wyłącznie na bazie purée owocowych i warzywnych zwykle charakteryzują się niewystarczającymi właściwościami barierowymi, a ze względu na zbyt niską adhezyjność i właściwości mechaniczne sprawiają trudności w ich oderwaniu od podłoża, na którym się suszyły. Dlatego też optymalizowanie składu bioopakowań jadalnych w kierunku wykorzystującym łączenie komponentów owocowych oraz warzywnych z naturalnymi biopolimerami o właściwościach matrycotwórczych można potraktować jako nowy trend (rysunek 3). Ze względu na swoje właściwości i wyróżniający potencjał strukturotwórczy, do testów najczęściej wybierane są pektyny, alginian sodu oraz żelatyna, których ekstrakcja tworzy możliwość zagospodarowania zarówno odpadowej biomasy roślinnej, jak i zwierzęcej. 

Wspólną cechą tych biopolimerów jest ich zdolność do tworzenia matrycy filmów i powłok jadalnych. Materiały otrzymane na bazie alginianu sodu są rozpuszczalne w wodzie, wytrzymałe pod względem mechanicznym, elastyczne, błyszczące, bez smaku i zapachu, a także o dużej barierowości w stosunku do tlenu i olejów. Filmy pektynowe nie są tak mocne jak filmy alginianowe. Właściwości matrycy są determinowane między innymi strukturą molekularną samego biopolimeru. Substytucja grup metylowych (CH3) (estryfikacja) oraz obecność obszarów heterogenicznych bądź innego rodzaju odgałęzień w łańcuchu polimerowym pektyny wydaje się stanowić większą przeszkodę steryczną podczas formowania matrycy filmu niż ma to miejsce w przypadku grup kwasu uronowego w cząsteczce alginianu. Jednak filmy pektynowe także uważane są za efektywną barierę w stosunku do tlenu oraz lipidów. Należy jednak pamiętać o wysokiej przepuszczalności tego rodzaju struktur na bazie pektyn w stosunku do pary wodnej, co wynika z hydrofilowej natury tych związków. Żelatyna także przyciąga uwagę ze względu na swoją dostępność, niski koszt oraz biodegradowalność. Intensywne badania dotyczące powyższych właściwości żelatyny prowadzone były już w latach 60. ubiegłego wieku. Zainteresowanie filmami i powłokami na bazie żelatyny nie słabnie, co niesie za sobą również konieczność poszukiwania alternatywnych źródeł kolagenu do jej produkcji, między innymi w związku z rozwojem rynku żywności koszernej oraz halal. Żelatyna cechuje się właściwościami, które sprawiają, że jest ona bardzo dobrym surowcem do wytwarzania folii jadalnych. Dlatego też wiązane są duże nadzieje na stworzenie opakowania biodegradowalnego z użyciem żelatyny, które będzie się charakteryzowało zadowalającymi właściwościami użytkowymi. Jednym z takich rozwiązań może okazać się folia jadalna wytworzona z dodatkiem bulionu wołowego. 

Potencjał tego rodzaju rozwiązań wykazano w badaniach przeprowadzonych w ramach projektu POIR.01.01.01-00-0125/21 „Opracowanie technologii produkcji dań gotowych o określonych innowacyjnych cechach funkcjonalnych z dodatkiem długo gotowanych bulionów będących składnikiem recepturowym dań oraz nośnikiem dla bioprotekcyjnych kultur mikroorganizmów przedłużających w naturalny sposób trwałość finalnego produktu” współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego „Inteligentny Rozwój 2014–2020” realizowanego przez Centrum Badań i Rozwoju, Sokołów S.A. we współpracy z zespołem badawczym Katedry Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, Wydział Technologii Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. W wyniku przeprowadzonych analiz i doświadczeń stwierdzono, że powłoki o zawartości żelatyny wieprzowej na poziomie 4 i 8% charakteryzują się większą szybkością desorpcji, a jednocześnie są lepiej zwilżalne, co pozwala na zapewnienie odpowiedniej ochrony dla produktu przez powłoki o matrycach z mniejszym stężeniem żelatyny. Podczas badań temperatury żelowania powłok zaobserwowano, że zbyt mocno wystrukturyzowana matryca polimerowa (12%) może stwarzać problem, zarówno podczas produkcji, jak i przygotowywania dania gotowego zabezpieczonego bioprotekcyjną, kompozytową powłoką na bazie bulionu. Najlepsze właściwości pozwalające na spełnienie odpowiednich założeń technologicznych (podczas produkcji dania gotowego przez nadanie mu pożądanych cech organoleptycznych, a także zabezpieczenia produktu przed przemieszczaniem się i dekompozycją) zapewnia powłoka sporządzona z bulionu wołowego i żelatyny wieprzowej dodanej w ilości 4%. Zastosowanie powłoki z odpowiednio dobranym dodatkiem kultury bioprotekcyjnej, a także odpowiedniego składu mieszanki gazów w zastosowanym opakowaniu dania gotowego umożliwiło osiągnięcie terminu przydatności do spożycia produktu na poziomie 21 dni (rysunek 4). 

Podsumowanie 

Filmy i powłoki jadalne stanowią interesujący kierunek w badaniach nad innowacyjnymi alternatywami w stosunku do materiałów syntetycznych oraz tradycyjnych metod przedłużania trwałości produktów spożywczych. Jednak jedną z głównych wad, obecnie limitujących ich wykorzystanie na szeroką skalę, jest ich niska barierowość w stosunku do pary wodnej, co obserwuje się szczególnie w przypadku filmów polisacharydowych oraz białkowych. Jednym ze sposobów poprawy barierowości filmów i powłok jadalnych jest włączenie w matrycę polimerową składników lipidowych. Niestety, termodynamiczna niekompatybilność pomiędzy składnikami materiałów kompozytowych na bazie białek bądź polisacharydów i lipidów często skutkuje kruchością gotowych materiałów oraz rozwarstwianiem poszczególnych faz. Potencjalnym rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie naturalnej mieszanki białek, polisacharydów oraz lipidów pozyskanych z naturalnych źródeł, takich jak owoce i warzywa, co umożliwia wykorzystanie potencjału każdego ze składników występujących w naturalnym systemie. Dlatego też w badaniach podejmuje się próby stworzenia matrycy polimerowej filmu jadalnego poprzez połączenie komponentów pochodzenia roślinnego i/lub zwierzęcego, zakładając przy tym poprawę barierowości otrzymanych struktur biopolimerowych poprzez wbudowanie w matrycę polimerową kuleczek tłuszczowych, których obecność determinuje właściwości uzyskanych materiałów, mających za zadanie przedłużać trwałość żywności. 

Autorzy:

Monika Janowicz, Magdalena Karwacka, Sabina Galus – Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie; Wydział Technologii Żywności; Katedra Inżynierii Żywnościi Organizacji Produkcji
Jacek Niedźwiedź – Centrum Badań i Rozwoju, Sokołów S.A.