Biopolimerowe opakowania jednostkowe do żywności
Streszczenie
Zastosowanie opakowań z tworzyw sztucznych do żywności wpływa na rosnącą ilość odpadów opakowaniowych i przyczynia się do problemu zanieczyszczenia środowiska. W celu zmniejszenia tego oddziaływania badacze opracowują innowacyjne systemy opakowań biopolimerowych o obiecujących właściwościach użytkowych, w tym opakowań jednostkowych do żywności. Nowe rozwiązania stanowią alternatywę dla konwencjonalnych, syntetycznych polimerów stosowanych w opakowalnictwie. Przedstawiają one nowatorski sposób oddziaływania z żywnością, co pozwala na wydłużanie terminu przydatności do spożycia, kontrolowanie oraz podnoszenie jakości i bezpieczeństwa produktów spożywczych. Ponadto, systemy te przyciągają uwagę badaczy ze względu na zdolność do zapobiegania psuciu się żywności oraz utrzymywania jej świeżego wyglądu, konsystencji i barwy, co przekłada się na większą atrakcyjność dla konsumentów. W niniejszej pracy scharakteryzowano opakowania biodegradowalne i kompostowalne, w tym biopolimerowe opakowania jednostkowe wraz z przykładami ich zastosowań do produktów spożywczych.
Rys. 1. Miejsce opakowań jednostkowych w poziomach opakowań do żywności. Źródło: Opracowanie własne przez Kacper Ryszkiewicz
Rys. 1. Miejsce opakowań jednostkowych w poziomach opakowań do żywności. Źródło: Opracowanie własne przez Kacper Ryszkiewicz
Wprowadzenie
Opakowania jednostkowe odgrywają kluczową rolę w zachowaniu jakości i trwałości produktów spożywczych. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie poszukiwaniem nowych, bardziej zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska materiałów opakowaniowych [Yun i Liu 2022]. Nadrzędnymi właściwościami jakimi cechować powinien się odpowiedni materiał opakowaniowy są przede wszystkim właściwości barierowe, ochrona produktu przed zanieczyszczeniami mechanicznymi pochodzącymi ze środowiska zewnętrznego. Właściwości barierowe mają wpływ na utrzymanie wysokiej jakości produktu w czasie przydatności żywności do spożycia. Mechanizm ten polega na ograniczeniu dostępu gazów (tlenu i pary wodnej) do produktu opakowanego, co wpływa istotnie na zahamowanie tempa zachodzących różnych przemian biochemicznych w żywności. Zastosowany materiał opakowaniowy powinien ograniczać przepuszczalność gazów, aromatów oraz hamować m.in. proces utlenienia tłuszczów, co przeważnie prowadzi do zachowania naturalnych właściwości odżywczych i organoleptycznych produktu [Hong i wsp. 2021].
Opakowania do żywności
Pakowanie żywności to skoordynowany system zapewniający jakość, bezpieczeństwo, i zachowanie zdrowotności produktów żywnościowych podczas transportu, dystrybucji, przechowywania i sprzedaży detalicznej aż do ich końcowego wykorzystania [Mahlik 2014]. Powszechnymi materiałami opakowaniowymi stosowanymi do żywności są papier i tektura (torby, tutki, bębny); szkło (słoiki, butelki), metal i aluminium (puszki, butelki), oraz tworzywa sztuczne (torebki, pudełka, tace, folie) [Groh i wsp. 2021]. Branża materiałów opakowaniowych do żywości rozwija się bardzo szybko, aby zaspokoić coraz to wyższe wymagania konsumentów, zważając na aspekty środowiskowe, bezpieczeństwa żywności oraz atrakcyjność użytkową [Lenartowicz-Klik 2020]. Dodatkowo, na przestrzeni ostatnich lat, opakowania aktywne i inteligentne odgrywają większe znaczenie na rynku żywności, przede wszystkim pełniąc funkcje ochronne i informacyjne oraz przyczyniając się do bezpieczeństwa żywności i ograniczania marnotrawienia żywności.
Opakowania przeznaczone do transportu mają za zadanie zabezpieczyć zawartość przed uszkodzeniami mechanicznymi, warunkami atmosferycznymi oraz czynnikami biologicznymi podczas przechowywania i transportu w zależności od konstrukcji opakowania – mogą to być zabezpieczenia pełne lub częściowe. W opakowaniach transportowych mogą być przewożone produkty zarówno w opakowaniach jednostkowych, zbiorczych, jak i bezpośrednio. Opakowania zbiorcze są rodzajem opakowań, które znajdują się pomiędzy opakowaniami jednostkowymi a opakowaniami transportowymi i służą do pakowania określonej liczby produktów. Natomiast opakowania jednostkowe jako bezpośrednie opakowanie produktu zwykle zawierające produkt służą do ochrony produktów przed utratą ilościową oraz częściowo przed zmianami jakościowymi, jednak nie zapewniają wystarczającego samodzielnego zabezpieczenia zawartości przed uszkodzeniem podczas transportu i przechowywania.
Rys. 2. Podział biotworzyw stosowanych w opakowalnictwie żywności. Źródło: www.bioplasticseurope.eu
W ostatnim czasie ilość odpadów opakowaniowych i duży udział w nim opakowań jednostkowych z tworzyw sztucznych spowodował ograniczenia w ich stosowaniu i potrzebę zastosowania biotworzyw, które są przyjazne środowisku, ponieważ mogą być produkowane ze źródeł odnawialnych lub ze źródeł ropopochodnych ulegających biodegradacji. Podział biotworzyw przedstawiono na rysunku 2.
Dodatkowo rozwój i pokonsumpcyjna utylizacja materiałów opakowaniowych powodują szereg emisji (tj. tlenek węgla, kwas solny, chlor, dioksyny, aminy, furany, azotki, benzen, 1-styren, 3-butadien, aldehyd octowy itp.). Emisje te nie tylko mają poważny wpływ na środowisko, ale mogą być również niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego (szkodliwość pośrednia). Biodegradowalne materiały opakowaniowe zyskują na znaczeniu jako zamienniki syntetycznych materiałów opakowaniowych [Amin i wsp. 2021]. Biomateriały opakowaniowe znajdują coraz szersze zastosowania ze względu na biodegradowalność, trwałość i przyjazność dla środowiska. W celu kontroli jakości żywności i poprawy standardów bezpieczeństwa żywności, białka polisacharydowe i lipidowe folie opakowaniowe są wzbogacane substancjami bioaktywnymi i funkcjonalnymi, m.in. środki przeciwdrobnoustrojowe, przeciwutleniacze, witaminy, flawonoidy [Bourtoom 2008].
Opakowania biodegradowalne to rodzaj opakowań, które są zaprojektowane tak, aby ulegać biodegradacji w środowisku naturalnym w określonych warunkach i czasie. Zazwyczaj wykonane są z materiałów pochodzenia roślinnego, takich jak skrobia, celuloza, polilaktyd (PLA) lub kwas polihydroksymasłowy (PHA). Proces biodegradacji opakowań biodegradowalnych polega na rozkładzie materiału przez mikroorganizmy, takie jak bakterie i grzyby, w obecności tlenu lub w warunkach beztlenowych, co zwykle prowadzi do powstania dwutlenku węgla, wody oraz organicznych związków. Jednym z głównych zalet opakowań biodegradowalnych jest to, że po użyciu można je kompostować lub rozkładać w przyrodzie, co redukuje negatywny wpływ na środowisko w porównaniu z tradycyjnymi opakowaniami, które często nie ulegają biodegradacji i przyczyniają się do zanieczyszczenia środowiska [Smith i Brown 2020]. Niemniej jednak, należy pamiętać, że opakowania biodegradowalne wymagają określonych warunków do pełnej biodegradacji, takich jak odpowiednia temperatura, wilgotność i dostęp tlenu, a także czasami specjalnych instalacji do ich przetwarzania.
Materiały pochodzenia biologicznego i biodegradowalne zazwyczaj mają stosunkowo niską barierowość wobec pary wodnej oraz właściwości mechaniczne, stabilność cieplną i właściwości przetwórcze w porównaniu z ich odpowiednikami opartymi na paliwach kopalnych. W związku z tym wyzwania związane z osiągnięciem odpowiedniej bariery i właściwości mechanicznych bez uszczerbku dla biodegradowalności ograniczają ich powszechną akceptację i stosowanie [Pardo i wsp. 2011]. Biodegradowalne materiały do tworzenia materiałów opakowaniowych można pozyskać ze źródeł roślinnych, zwierzęcych lub mikrobiologicznych. Ważne jest, aby materiały te można było wytwarzać ekonomicznie i w sposób zrównoważony oraz aby szybko ulegały degradacji po utylizacji w środowisku, zwykle w wyniku naturalnych procesów chemicznych lub biochemicznych [Hassan i wsp. 2018].
Rys. 3. Podział biopochodnych i biodegradowalnych polimerów. Źródło: Opracowanie własne na podstawie Nilsen-Nygaard i wsp. [2021]
Według European Bioplastics zdefiniowano tworzywo sztuczne jako bioplastik (biobased plastic), jeśli jest przynajmniej częściowo uzyskany z biomasy, czyli materiału organicznego pochodzenia biologicznego (z wyłączeniem materiału osadzonego w formacjach geologicznych i/lub skamieniałego). Przykładami biomasy są rośliny, drzewa, algi, organizmy morskie, mikroorganizmy, zwierzęta itp. „Bio” może również oznaczać, że surowiec użyty do produkcji materiału pochodzi z dowolnej formy odpadów organicznych [Internet 1]. Rysunek 3 przedstawia graficznie podział bioplastiku, biotworzyw i części biodegradowalnych. Biopolimery w przypadku opakowań do żywności są to materiały pochodzące ze źródeł rolniczych i morskich, które można podzielić na trzy kategorie: materiały polimerowe wytwarzane w drodze syntezy chemicznej z monomerów pochodzenia biologicznego; materiały polimerowe wytwarzane przez mikroorganizmy; i naturalnych biopolimerów pozyskiwany bezpośrednio z surowców [Cha i Chinnan 2004].
Opakowania kompostowalne są rodzajem opakowań, które są zaprojektowane tak, aby ulegać biodegradacji w procesie kompostowania. Kompostowanie jest naturalnym procesem rozkładu organicznych materiałów w obecności tlenu, prowadzącym do powstania kompostu – bogatego w składniki odżywcze organiczne. Dzięki swojej strukturze i składnikom opakowania kompostowalne mogą ulec rozkładowi w procesie kompostowania wraz z innymi odpadami organicznymi, takimi jak resztki żywności, liście czy trawa. Istotne jest, aby opakowania kompostowalne spełniały odpowiednie normy i certyfikaty, takie jak norma EN 13432 lub ASTM D6400, aby zapewnić ich właściwe zachowanie podczas kompostowania. Opakowania kompostowalne, które spełniają te normy, mogą być bezpiecznie poddane procesowi kompostowania w specjalnie przeznaczonych instalacjach do kompostowania. Warto zaznaczyć, że opakowania kompostowalne wymagają specyficznych warunków kompostowania, takich jak odpowiednia temperatura, wilgotność i dostęp do tlenu, aby uległy pełnej biodegradacji. Dlatego ważne jest, aby opakowania kompostowalne były kierowane do odpowiednich procesów kompostowania, takich jak kompostowanie przemysłowe lub kompostowanie domowe.
Rys. 4. Wybrane zastosowania folii biopolimerowych do produktów spożywczych. Źródło: Zhao et al. [2021]
Folie jadalne to warstwy przygotowane oddzielnie przez odlewanie i suszenie w odpowiednie kształty jako samodzielne struktury. Przygotowane folie są następnie wykorzystywane do owijania żywności lub umieszczania między warstwami produktów spożywczych [Tavassoli-Kafrani i wsp. 2016]. Natomiast powłoka to cienka warstwa materiału, którą można bezpośrednio nałożyć na produkt spożywczy, aby działała jako bariera między środowiskami produktu podczas transportu, przetwarzania i przechowywania. Powłoki nakłada się albo przez zanurzenie produktu w roztworze powlekającym, albo przez bezpośrednie natryskiwanie na powierzchnię produktu [Sharma i wsp. 2019]. Jadalne materiały opakowaniowe wyprodukowane z produktów naturalnych mogą stanowić alternatywę dla problemu utylizacji opakowań z tworzysz sztucznych. Jadalne folie z białek i polisacharydów zyskały duże zainteresowanie ze względu na ich doskonałe zdolności foliotwórcze, niski koszt i właściwości barierowe wobec tlenu w warunkach wilgotności względnej środowiska niskiej i średniej [Rhim i wsp. 2006]. Istnieją jednak pewne ograniczenia w stosowaniu folii na bazie biopolimerów ze względu na ich niskie właściwości mechaniczne i zgrzewalność w porównaniu z syntetycznymi foliami polimerowymi, takimi jak LDPE (z ang. Low density poliethylene, tj. polietylen o niskiej gęstości) i folii poliestrowej, dlatego też poddawane są licznym modyfikacjom w celu poprawy ich właściwości użytkowych. Biopolimery polisacharydowe, takie jak celuloza i pektyna, przyciągają uwagę badaczy jako potencjalne surowce do produkcji folii i powłok ochronnych. Ich zdolność do rozpuszczania w wodzie oraz właściwości barierowe, zwłaszcza w odniesieniu do tlenu, sprawiają, że są one idealnym materiałem do formowania różnych kształtów, dostosowanych do konkretnej aplikacji [Hassan i wsp. 2018]. Jednym z kluczowych wyzwań w przypadku produktów spożywczych zawierających tłuszcze jest utlenianie lipidów, co znacząco wpływa na trwałość żywności. Proces ten prowadzi do powstawania potencjalnie toksycznych aldehydów poprzez degradację wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, co nie tylko obniża wartość odżywczą żywności, ale także wpływa na jej walory sensoryczne [Mohamed i wsp. 2020]. W przypadku opakowań wysokobarierowych lub aktywnych, które pomagają w kontrolowaniu tego procesu, materiały opakowaniowe oparte na biopolimerach stają się atrakcyjną alternatywą dla tworzyw sztucznych. Dzięki swoim konkurencyjnym właściwościom barierowym dla gazów, naturalnemu pochodzeniu i zdolności do biodegradacji, stanowią one obiecującą opcję w dziedzinie pakowania produktów spożywczych zawierających tłuszcz.
Biopolimerowe opakowania jednostkowe do żywności
Szybko rozpuszczające się w wodzie opakowania zgrzewalne są przedmiotem dużego zainteresowania w ostatnich dziesięcioleciach. Jednym z najbardziej korzystnych zastosowań opakowań biopolimerowych, które rozpuszczają się szybko w kontakcie z wodą, są indywidualnie porcjowane suche produkty spożywcze, napoje instant lub suche składniki, w tym płatki śniadaniowe, kawa rozpuszczalna lub herbata, jak również różnego rodzaju żywność w proszku. W literaturze można znaleźć przykłady nowych rodzajów opakowań jednorazowych do olejów jadalnych. Zbadano również pojedyncze opakowania na bazie biopolimeru z zeiny kukurydzianej w celu poprawy okresu przydatności do spożycia sera w plastrach [Ryu i wsp. 2010]. Opakowania jednostkowe z biopolimerów mogą znaleźć zastosowanie do różnego rodzaju produktów spożywczych, a ich wybrane zastosowania przedstawiono na rysunku 4.
Rys 5. Biopolimerowe opakowanie jednostkowe do kawy rozpuszczalnej. Źródło: Badania własne
Biopolimerowe folie, dedykowane do opakowań jednostkowych żywności muszą mieć dobre właściwości barierowe, aby zapobiec wyciekom podczas przechowywania i transportu żywności [Quilez-Molina i wsp. 2022]. Biopolimery polisacharydowe, takie jak celuloza, pektyna, są szeroko badane w celu przygotowania jadalnych powłok do żywności dzięki ich rozpuszczalności w wodzie i właściwościom barierowym dla tlenu. Charakteryzują się zdolnością do przybierania różnych kształtów na potrzeby dozowania produktu. Na rysunku 6 przedstawiona jest folia ze skórki pomarańczy, która została uformowana w tzw. kieszonkę, ukazująca różnorodność formowania.
Rys. 6. Fotografie folii ze skórki pomarańczy używanej jako woreczek do pakowania herbaty. Źródło: Quilez-Molina i wsp. [ 2022]
Jednym z najbardziej oczekiwanych zastosowań folii biopolimerowych, które szybko rozpuszczają się w kontakcie z wodą, są różnego rodzaju produkty spożywcze, których zastosowanie jako porcjowane ilości jest wygodne i łatwe, m.in. poza domem. Javanmard i wsp. [2009] opracowali jadalne, szybko rozpuszczające się w wodzie, nadające się do zgrzewania folie z izolatu białka serwatkowego do pakowania sera, które są wizualnie przejrzyste i błyszczące oraz uwalniają swoją zawartość w kontakcie z wodą (Rys. 7).
Rys. 7. Biopolimerowe opakowanie jednostkowe do serów. Źródło: Javanmard i wsp. [2009]
Zastosowania jednostkowych opakowań biopolimerowych mogą zwiększyć wygodę nie tylko towarów pakowanych przez konsumentów, ale także usług gastronomicznych i produkcji żywności na skalę przemysłową [Janjarasskul i wsp. 2020]. Precyzyjnie odmierzone składniki mogą pomóc w bezproblemowym dostarczaniu, odmierzaniu bez użycia narzędzi, dokładnej ilości składników przy mniejszej potrzebie mycia i zależności od wykwalifikowanych kucharzy lub pracowników. W przypadku tego zastosowania jadalność folii lub powłok po prostu nie wystarcza, dodatkowo opakowanie musi natychmiast i całkowicie rozpuścić się w wodzie lub innym medium, np. napoju, zupie lub sosie [Hassan i wsp. 2018].
Podsumowanie
Jednym z obiecujących rozwiązań w dziedzinie opakowań jest zastosowanie folii biopolimerowych jako alternatywy dla tradycyjnych, jednorazowych opakowań z tworzyw sztucznych do żywności. Obecne wyniki badań pokazują, że mogą stanowić doskonałe opakowanie jednostkowe do żywności o średniej i niskiej zawartości wody. Takie zastosowania mogą przyczynić się do zmniejszenia negatywnego wpływu konwencjonalnych opakowań na środowisko, jednocześnie oferując wyjątkową jakość i trwałość w jednostkowych opakowaniach, na przykład do kawy rozpuszczalnej. Opakowania w formie jadalnych materiałów wytworzonych z naturalnych składników stanowią obiecującą alternatywę w obliczu problemu związanego z ilością odpadów opakowaniowych, wynikającą z nadmiernego stosowania materiałów z tworzyw sztucznych.
Gabriela Łukasik, Wiktoria Ryszkiewicz, Sabina Galus
Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, Instytut Nauk o Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
