Znaczenie i metody badań właściwości barierowych folii biopolimerowych
Julia Niemira, Sabina Galus

Wstęp
Głównym celem opakowań jest ochrona produktu przed środowiskiem zewnętrznym, a obecnie opakowania oprócz przechowywania i transportu mogą służyć również do zapewnienia i przedłużenia jakości produktu, przekazywania informacji konsumentom czy zabiegów marketingowych. Poza tym można wyróżnić ochronę przed czynnikami mechanicznymi, np. gnieceniem czy mikrobiologicznymi, np. obecnością drobnoustrojów tlenowych. Tworzą one również barierę, dzięki której docierają mniejsze lub nieznaczne ilości gazów czy światła [Verma i wsp. 2021]. Opakowania mogą być tworzone z różnych materiałów. Wyróżnia się klasyczne materiały, takie jak: szkło, papier czy metal. Z biegiem czasu zaczęto tworzyć sztuczne, polimerowe opakowania, a aktualnie wdrażane są ich biodegradowalne, ekologiczne zamienniki. Opakowania papierowe tworzone są z celulozy, która jest pochodzenia roślinnego [Deshwal i wsp. 2019]. Do zalet papierowych opakowań należy niska cena, dostępność, obojętny charakter i możliwość recyklingu, jednakże wyróżniają się niską barierowością w stosunku do wilgoci czy wody oraz słabą wytrzymałością mechaniczną [Shankar i wsp. 2019]. Mogą być one modyfikowane, dzięki czemu wykazują odpowiednie właściwości ochronne [Verma i wsp. 2021].  Dai i wsp. [2021] badali wpływ powlekania papieru kationową folią hydrożelową z gumy guar oraz TEMPO-oksydowanymi nanowłóknami. Papier był powlekany naprzemiennie hydrożelami, a następnie suszony. Uzyskano wielowarstwowy materiał, który ma bardzo dobrą barierowość i właściwości mechaniczne w porównaniu do niepowlekanego materiału. Dzięki modyfikacjom opakowań papierowych powstają nowe opakowania, które są przyjazne dla środowiska oraz zapewniają bezpieczeństwo produktu. Mogą one być wykorzystane do pakowania produktów sypkich. Szkło jest znanym i popularnym od lat materiałem opakowaniowym, które charakteryzuje się obojętnością chemiczną, dużą odpornością na wilgotność i przenikanie gazów, a także umożliwia długie przechowywanie żywności. Szkło jest ekologicznym materiałem i można w bardzo łatwy sposób je wykorzystać. Opakowania szklane mogą być stosowane do przechowywania soków, oliwy z oliwek czy majonezu. Innym tradycyjnym materiałem jest aluminium. Zapewnia ono dużą wytrzymałość mechaniczną opakowania, jest odporne na wilgoć, światło, gazy oraz podlega recyklingowi. Opakowania takie można łatwo formować. Wykorzystywane są one do pakowania napojów bezalkoholowych lub piwa [Verma i wsp. 2021].

Na przestrzeni lat dużą popularność zyskały opakowania z tworzyw sztucznych. Charakteryzują się one wysoką wytrzymałością mechaniczną, niską ceną, możliwością zgrzewania i formowania, mimo to okazały się one uciążliwe dla środowiska i stanowią obecnie duży problem, głównie z uwagi na ich wysoką trwałość i powszechną dostępność [Kumar i wsp. 2022]. Polietylen (PE), polipropylen (PP) i poli(tereftalan etylenu) (PET) to najczęściej stosowane polimery opakowaniowe. Polietylen można podzielić na materiały o wysokiej i niskiej gęstości. Opakowania z polietylenu o niskiej gęstości charakteryzują się słabą barierowością w stosunku do tlenu i zapachu, ale dobrą dla wilgoci. Materiał ten często jest stosowany do pakowania żywności mrożonej. Polietylen o dużej gęstości ma wysoką odporność na temperaturę i lepszą barierowość w stosunku do gazów. Folie o wysokiej gęstości nakładane są na część opakowania, która nie ma kontaktu z żywnością. Wadą polietylenu jest ogólna niska barierowość w stosunku do gazów, co może negatywnie wpłynąć na jakość żywności [Tyagi i wsp. 2021]. Polipropylen odznacza się wytrzymałością, dobrą barierowością w stosunku do zapachu i wilgoci oraz niską ceną. Tak jak polietylen wykazuje się on słabą barierowością tlenu. Polimer ten można modyfikować, a tym samym poprawić jego właściwości np. tworząc kompozyt z polipropylenu i nanoglinki. Poli(tereftalan etylenu) najczęściej stosowany jest do produkcji opakowań na napoje bezalkoholowe. Materiał ten charakteryzuje się elastycznością, barierowością dla gazów i pary wodnej oraz możliwością recyklingu [Masmoudi i wsp. 2020]. Poli(tereftalan etylenu) jest wrażliwy na silne kwasy i zasady [Nistico 2020].

Innowacyjne opakowania do żywności
Pod względem wpływu na żywność i konsumentów innowacyjne opakowania do żywności można podzielić na aktywne i inteligentne, które zaliczane są do opakowań „sprytnych” (rysunek 1). Aktywne materiały mają za zadanie przedłużenie okresu przydatności do sprzedaży lub zachowanie i poprawę stanu pakowanej żywności [Rozporządzenie 2009]. Mogą opóźniać wzrost mikroorganizmów, ograniczać oddychanie i dojrzewanie (np. owoców). Używane systemy prowadzą do wydłużenia przydatności do spożycia i zachowania wartości odżywczej. Działanie aktywnego materiału zależy od występującej substancji czynnej, która może mieć właściwości blokujące, uwalniające czy absorbujące [Ahmed i wsp. 2022]. Inteligentne opakowania dostarczają użytkownikowi informacji na temat stanu produktu i nie powinny uwalniać swoich składników do żywności [Rozporządzenie 2009]. Inteligentne systemy mogą występować na zewnątrz i w środku opakowania. Konsument jest informowany o stanie żywności bez konieczności otwierania opakowania.




W opakowaniach inteligentnych stosowane są takie systemy jak wskaźniki: świeżości, zmiany temperatury czy pH, czujniki gazu i biosensory [Kalpana i wsp. 2019]. Jako nośniki danych stosowane są kody kreskowe i etykiety RFID (z ang. Radio Frequency Identification, czyli identyfikacja za pomocą częstotliwości fal radiowych). Kody kreskowe za pomocą linii i cyfr informują między innymi o tym, z jakiego kraju pochodzi producent lub o nazwie produktu, a etykiety RFID posiadają zapisane w pamięci indywidualne oznaczenia. Dane te umożliwiają dokładne kontrolowanie produktu w łańcuchu dostaw. Etykiety w przeciwieństwie do kodów kreskowych mogą być stosowane tam, gdzie występuje duża wilgotność względna powietrza, zabrudzenia czy niska temperatura [Cichoń i Lesiów 2013]. Opakowania inteligentne w odróżnieniu od opakowań aktywnych nie wpływają bezpośrednio na przedłużenie przydatności do spożycia, pełnią głównie funkcję informacyjną [Ghaani i wsp. 2016]. Biodegradowalne materiały, używane do produkcji folii, mogą być pozyskiwane ze źródeł roślinnych, zwierzęcych lub mikrobiologicznych. Najczęściej używane biopolimery to białka, polisacharydy i lipidy. Istotne znaczenie ma zastosowanie materiału, który szybko ulega degradacji na skutek naturalnych procesów biochemicznych [Mangaraj i wsp. 2019].

Właściwości barierowe materiałów opakowaniowych
Opakowanie używane do żywności ma na celu stworzenie bariery między produktem a środowiskiem, które może wpłynąć negatywnie na przechowywany produkt. Właściwości barierowe można zdefiniować jako ochronę zapakowanej żywności poprzez uniemożliwienie migracji aromatów, tłuszczów, pary wodnej, gazów i światła (rysunek 2).




W zależności od potrzeb produktu barierowość jest dostosowywana, dzięki czemu jest zachowana równowaga atmosfery i przedłużona trwałość żywności [Mangaraj i wsp. 2015]. W przypadku folii jadalnych barierowość wobec gazów jest niezwykle istotna, dlatego też nieustannie prowadzone są badania w tym zakresie mające na celu poprawę tych właściwości, zwłaszcza w kierunku pary wodnej [Sanchez-Tamayo i wsp. 2021].

Przenoszenie cząsteczki dyfundującej przez folię polimerową jest regulowane przez gradient, to znaczy od najwyższego do najniższego stężenia. Transfery są często opisywane w trzech krokach jako adsorpcja permeatu po tej stronie folii, gdzie stężenie jest najwyższe, dyfuzja permeatu przez folię i desorpcja- przenikanie na drugą stronę folii, gdzie stężenie jest najniższe (rysunek 3). Na barierowość folii biopolimerowych wpływa [Quezada-Gallo 2009]:
 

• rodzaj i struktura folii, m.in. budowa chemiczna, charakter grup funkcyjnych, obecność plastyfikatorów, tłuszczów i substancji dodatkowych;
• grubość folii;
• właściwości cząsteczki dyfundującej, m.in. forma, wielkość, polarność;
• parametry zewnętrzne względem folii, m.in. temperatura, wilgotność względna.

Ogólnie właściwości barierowe opakowań, w tym materiałów biopolimerowych są zagadnieniem złożonym i uzależnionym od wielu czynników, które należy kontrolować. Obecnie prowadzone są badania nad opracowaniem nowych metod badawczych do oceny barierowości materiałów i wpływu na produkt [Tyagi i wsp. 2021].

Przenikalność pary wodnej
Przenikanie pary wodnej definiuje się jako masę pary wodnej przenikającą przez znaną powierzchnię. Zdolność do przenikania pary wodnej przez określony materiał zależy między innymi od właściwości badanej folii np. składu chemicznego czy grubości [Vuković-Kwiatkowska i wsp. 2014]. Jako opakowania barierowe w stosunku do pary wodnej mogą być użyte klasyczne polimery, ale również biopolimery. Przykładowe wartości przenikalności pary wodnej przez folie biopolimerowe przedstawiono w tabeli 1. Folie na bazie polisacharydów i białek posiadają odpowiednie właściwości mechaniczne, ale wykazują niską barierowość dla pary wodnej ze względu na hydrofilowy charakter. Barierowość takich materiałów można poprawić przez dodatek lipidów, które są stosowane w celu poprawy barierowości względem pary wodnej, co wynika z ich hydrofobowego charakteru oraz niepolarności cząsteczek
w przeciwieństwie do wody. Najczęściej wykorzystywane są woski, np. wosk pszczeli czy oleje roślinne [Silva Ramos i wsp. 2016]. Badania wykazują, że wraz ze wzrostem zawartości oleju, przepuszczalność maleje. Oprócz samej obecności tłuszczów na przenikalność pary wodnej ma wpływ wielkość ich cząsteczek i rozmieszczenie w matrycy. Im mniejszy rozmiar cząsteczek, tym mniejsza przepuszczalność pary wodnej. Na zdolność do przenikania może również wpłynąć budowa wewnątrz materiału, m.in. obecność porów czy charakter struktury badanej folii [Galus i Kadzińska 2016].





Na przenikalność pary wodnej, oprócz budowy materiału, wpływają również warunki środowiskowe. Reinas i wsp. [2016] w swoich badaniach zaobserwowali, że wzrost temperatury przy stałej wilgotności względnej prowadzi do zwiększenia przepuszczalności folii. Wynika to z ruchu cząsteczek, co powoduje powstanie wolnych przestrzeni, które umożliwiają przenikanie pary wodnej. Zdolność do przenikania pary wodnej zależy od wilgotności względnej. Im większe różnice wilgotności pomiędzy barierą, tym większa ilość pary wodnej może migrować przez folię.

Przenikalność tlenu
Szybkość przenikania tlenu przez opakowanie definiuje się jako ilość tlenu, która przechodzi przez materiał w określonej temperaturze i jednostce czasu [Baele i wsp. 2020]. Zdolność do przenikania tlenu w dużym stopniu zależy od właściwości polimerów i biopolimerów. Przykładowe wartości przenikalności tlenu przez folie biopolimerowe przedstawiono w tabeli 2. Na przenikalność tlenu wpływa struktura materiału opakowaniowego. Ghasemnejad-Afshar i wsp. [2020] wykazali, że długie łańcuchy boczne w strukturze biopolimerów przyczyniają się do zwiększenia sztywności. Wówczas powstają wolne przestrzenie, które zwiększają zdolność tlenu do przenikania. Przenikanie tlenu jest zmniejszone, gdy w łańcuchu polimerowym pojawiają się obszary krystaliczne, które są ułożone bardzo regularnie [Mujtaba i wsp. 2022].





Biopolimery o dużej polarności np. polisacharydy charakteryzują się niską przepuszczalnością dla gazów w przeciwieństwie do związków niepolarnych np. lipidów. Jako materiał foliotwórczy oprócz polisacharydów mogą być stosowane białka, które wykazują dobre właściwości mechaniczne i barierowe względem tlenu. Najczęściej stosowanymi białkami są białka serwatkowe lub gluten pszenny. Dobra barierowość folii z użyciem białek wynika z obecności wiązań wodorowych, które zapewniają hydrofilowy charakter folii i zmniejszają powinowactwo filmu do tlenu [Montero-Calderón i wsp. 2016].

Przenikalność tlenu przez folie białkowe może zwiększyć obecność lipidów. Tlen jest cząsteczką niepolarną o niskim powinowactwie do wody, natomiast obecność tłuszczów powoduje rozpuszczanie tlenu w lipidach, co wpływa na zwiększone przenikanie cząsteczek [Galus i Kadzińska 2019]. Do roztworów foliotwórczych mogą być dodawane również plastyfikatory (m.in. glicerol, sorbitol), które mają za zadanie zwiększenie elastyczności folii. Zmniejszają one przyciągania międzycząsteczkowe pomiędzy sąsiednimi łańcuchami polimerów, co ułatwia przenikanie cząsteczek tlenu przez sieć, jednocześnie zwiększając przepuszczalność gazów [Montero-Calderón i wsp. 2016]. Ostatnie badania pokazują, że nanoceluloza może służyć jako bardzo dobry materiał barierowy w stosunku do tlenu. Tworzy ona gęstą mikrostrukturę, która jest słabo przepuszczalna dla tlenu. Nanoceluloza może zostać użyta jako materiał do powlekania albo jako dodatek do roztworu biopolimerów. Dobre właściwości barierowe nanocelulozy mogą wynikać ze struktury i tworzenia porów o niewielkich rozmiarach. Biopolimery w rozdrobnieniu nano odznaczają się wyższą barierowością w stosunku do gazów [Ilyas i wsp. 2022].

Przenikalność dwutlenku węgla
Pomimo niewielu przeprowadzonych badań, barierowość opakowań w stosunku do dwutlenku węgla jest tak samo istotna jak barierowość względem tlenu czy pary wodnej. Barierowość względem dwutlenku węgla jest definiowana jako współczynnik przepuszczalności, który informuje, ile gazu przenika przez jednostkę powierzchnii czasu w materiale opakowaniowym [Siracusa i wsp. 2008]. Ozdemir i Floros [2004] zaobserwowali, że dwutlenek węgla wykazuje się większą przenikalnością niż tlen i jego obecność w opakowaniu również jest spowodowana przenikaniem przez folię. Pojawianie się tego gazu w opakowaniu może być spowodowane oddychaniem owoców i warzyw czy rozwojem mikroorganizmów. Dwutlenek węgla jest również bardzo istotnym gazem w technologii pakowania żywności w atmosferze ochronnej, ponieważ przyczynia się do zahamowania rozwoju mikroorganizmów i wydłużenia świeżości zapakowanego produktu. Z drugiej strony nagromadzenie się dwutlenku węgla może informować o produkcji metabolitów przez mikroorganizmy, co może powodować bombaż oraz pogorszenie jakości [Lee 2016]. Przenikalność dwutlenku węgla przez filmy z dodatkiem tłuszczów w znacznym stopniu zależy od składu użytego tłuszczu oraz rozpuszczalności w fazie lipidowej. Dodatek kwasu palmitynowego i stearynowego do folii z celulozy powodował zmniejszenie przepuszczalności dwutlenku węgla w przeciwieństwie do kwasu laurynowego. Na zwiększone przenikanie dwutlenku węgla przez folie z dodatkiem lipidów ma wpływ polarny charakter tego gazu, jak również obecność porów i struktura, jaką charakteryzują się materiały [Galus i Kadzińska 2016]. Przykładowe wartości przenikalności tlenu przez folie biopolimerowe przedstawiono w tabeli 3.





Wraz ze wzrostem grubości folii rośnie barierowość względem gazu, a tym samym maleje przenikalność dwutlenku węgla. Spadek przenikalności związany jest również z dużym usieciowieniem folii, które występuje w przypadku mieszanin polimerów [Vuković-Kwiatkowska i wsp. 2014]. Na przenikalność gazów wpływa również wilgotność względna. Przy zwiększonej wilgotności względnej, obserwuje się wyższe wartości przenikalności gazu [Fotie i wsp. 2018].

Metody pomiaru przenikalności gazów
Podstawową metodą pomiaru przenikalności pary wodnej jest metoda grawimetryczna, która została zaadoptowana do badania folii biopolimerowych przez Debeaufort i wsp. [1993]. Polega ona na pomiarze współczynnika przepuszczalności pary wodnej metodą pomiaru zmiany masy w czasie w temperaturze 25°C. Analiza ta to odpowiednio zmodyfikowana metoda grawimetryczna ASTM E96-80 opracowana dla większości materiałów opakowaniowych. Próbki folii umieszczane są między teflonowymi pierścieniami na słoikach z zakrętką twist-off zawierającą otwór umożliwiający migrację. Słoiczki wypełniane są wysuszonym żelem krzemionkowym o wilgotności względnej (RH) równej 0% lub wodą 100%, albo innym roztworem soli nasyconej zapewniającym kontrolowaną wilgotność względną środowiska (rysunek 4). Badacze stosują również sole nasycone o zróżnicowanych prężnościach pary wodnej, odpowiadającym różnym wilgotnościom względnym, które są uwzględnianie w obliczeniach [Galus i Kadzińska, 2016].




Następnie słoiczki przechowywane są w środowisku o określonej wilgotności względnej, np. w eksykatorze zawierającym wodę destylowaną o RH = 100%. Stosuje się różnicę wilgotności względnej w przedziale 0–100% (w przypadku zastosowania żelu krzemionkowego wewnątrz słoiczka) i określonej temperatury. Metoda grawimetryczna jest najbardziej powszechna, ale dość czasochłonna, ponieważ wymaga ważenia próbek w określonym czasie. W oparciu o metodę grawimetryczną opisaną przez [Debeaufort i wsp. 1993] badanie przenikalności pary wodnej można wykonać za pomocą urządzeń do automatycznego pomiaru masy naczynek pomiarowych przedstawionych na rysunku 5. Jednym z nich jest tester FX 3180-CM15 CupMaster szwajcarskiej firmy Textest. Miseczki testowe powinny być napełnione wodą, a badana folia umieszczona między dwiema uszczelkami. Pomiar odbywa się w zadanej temperaturze i wilgotności względnej. Badane próbki są ważone co 6 godzin [Internet 1]. Zdolność do przenikania oblicza się na podstawie wzoru, który uwzględnia grubość powłoki, różnice ciśnień, powierzchnię przenikania czy ubytek masy próbki
w czasie. Do pomiaru przenikalności pary wodnej taką samą metodą stosowane są również urządzenia amerykańskiej firmy Mocon, które umożliwiają automatyczny pomiar przenikalności pary wodnej i mogą być wykorzystane do szerokiej gamy materiałów barierowych. Reinas i wsp. [2016] badali przepuszczalność pary wodnej przez folie z tworzywa sztucznego za pomocą urządzenia Permatran W-200 firmy Mocon zgodnie z normą ASTM F-1249. Zdolność do przenikania określano w temperaturze 15, 23 i 38°C przy różnych wilgotnościach względnych.





Jedną z najstarszych metod badania przenikalności tlenu, dwutlenku węgla i innych gazów przez materiał opakowaniowy jest metoda manometryczna, która może być stosowana w oparciu o różne normy, m.in. ASTM D1434-82. Polega na mierzeniu zmiany ciśnienia gazu w zależności od tego, po której stronie folii opakowaniowej, pełniącej funkcję bariery pomiędzy dwiema komorami, gdzie panują warunki próżni, został umieszczony manometr. Zmiana ciśnienia jest przeliczana na objętość gazu przenikającego przez określoną powierzchnię materiału po doprowadzeniu gazu do jednej z komór. Jest to metoda uniwersalna, która może być zastosowana do różnych gazów, w tym tlenu i dwutlenku węgla [Kozak 2021]. Na podstawie normy ASTM D1434-82 i przy użyciu testera C130H firmy Labthink można wykonać pomiar przepuszczalności gazów metodą manometryczną. Badana folia tworzy barierę pomiędzy niskim a wysokim ciśnieniem badanego gazu. Mierzona jest zmiana ciśnienia w funkcji czasu, co umożliwi określenie przenikalność tlenu i dwutlenku węgla (Rysunek 6). Badania można prowadzić w zakresie temperatury 10–55°C [Internet 2]. Obecnie stosowana jest również metoda kulometryczna. Polega na pomiarze ilości przenikającego tlenu za pomocą czujnika kulometrycznego w oparciu o normy ASTM D3985-05 czy ASTM F1307-14. Pomiar przeprowadzany jest w specjalnej komorze, gdzie, podobnie jak przy pomiarze przenikalności tlenu, po jednej stronie materiału następuje przepływ tzw. gazu testowego (mieszanina azotu z tlenem), a po drugiej stosowany jest gaz (azot o dużej czystości), który „zbiera” cząsteczki tlenu przenikające przez badaną próbkę. Po przeniknięciu przez materiał gaz zawierający tlen kierowany jest do detektora kulometrycznego, którego sygnał jest proporcjonalny do ilości tlenu [Kozak 2021]. Metoda ta jest jednak droga ze względu na wykorzystanie specjalnych gazów i nie odwzorowuje rzeczywistego przenikania tlenu, ponieważ użyte gazy przepływają z określoną prędkością. Reinas i wsp. [2016] zaprezentowali, że na przenikalność tlenu wpływa temperatura i wilgotność względna. Przenikanie tlenu badano zgodnie z normą ASTM F1307-14, używając folii z tworzywa sztucznego. Badania prowadzono w temperaturze od 19 do 30°C, przy wilgotności względnej 0 i 50%. Barierowość materiału powinna być badana w eksperymentalnych warunkach, ale reprezentatywnych dla warunków przechowywania.





Standardową metodą do badania szybkości przenikalności dwutlenku węgla jest metoda oparta na podstawie normy ASTM F2476-05, którą można zastosować w urządzeniu Permatran-C 4/41 firmy Mocon wyposażonym w detektor podczerwieni. Próbkę folii umieszcza się na masce ze stali nierdzewnej. Jedna strona próbki poddana jest działaniu azotu, a druga działaniu dwutlenku węgla. Analizę można prowadzić w temperaturze 23°C i 50% wilgotności względnej [Galus i Kadzińska 2019]. Fotie i wsp. [2018], badając przepuszczalność dwutlenku węgla, wykazali, że wraz ze wzrostem wilgotności przenikalność dwutlenku węgla przez film z celulozy pokryty folią PET, znacznie zwiększa się w porównaniu do przenikalności tlenu. Stwierdzono, że to zjawisko wynika z rozpuszczalności dwutlenku węgla w wodzie i pH matrycy folii. Według badań dwutlenek węgla jest bardziej rozpuszczalny w wodzie niż tlen, szczególnie przy wyższych wartościach pH folii. Te dwa czynniki wpływają na znaczną przepuszczalność tego gazu. Badania były przeprowadzone za pomocą permeabilimetru izostatycznego Multiperm firmy PERMTECH S.r.l. (Pieve Fosciana, Włochy) zgodnie z metodą ASTM D3985-05. Przepuszczalność gazów mierzono w temperaturze 25°C przy różnym stężeniu gazu i różnej wilgotności względnej (0, 20, 40, 60, 70, 80%) od strony powlekanej folii. Badanie przenikalności dwutlenku węgla prowadzono również na folii z poli(kwasu mlekowego) i mieszaniny poli(kwasu mlekowego) z monomerem DPEPA (z ang. dipentaerythritol penta-/hexa-acrylate). Przenikalność została zbadana na podstawie normy PN-EN ISO 2556:2002. Próbki przed pomiarem były kondycjonowane przy wilgotności 50%, a następnie odbył się pomiar przepuszczalności w temperaturze 23°C [Vuković-Kwiatkowska i wsp. 2014].

Znaczenie barierowości opakowań w stosunku do gazów
Produkty spożywcze wystawione są na działanie światła dziennego oraz sztucznego. Promieniowanie UV powoduje degradację tłuszczów, olejów, białek, barwników i witamin. Żywność bogata w kwasy tłuszczowe i białka np. mięso czy mleko szczególnie narażona jest na działanie UV. W obecności światła i tlenu dochodzi do niepożądanych zmian chemicznych, zmiany koloru czy obniżenia wartości odżywczej. W celu zwiększenia barierowości w stosunku do światła wykorzystywane są absorberym np. tlenek cynku czy salicylany [Kwon i wsp. 2018]. Oprócz wyżej wymienionych czynników naukowcy zwracają uwagę na barierowość opakowań względem gazów i coraz częściej staje się to obiektem ich badań. Barierowość opakowań w stosunku do pary wodnej jest ważnym aspektem, ponieważ może ona znacząco wpływać na pogorszenie jakości żywności w czasie przechowywania. W wyniku przenikania pary wodnej do produktu spożywczego dostaje się wilgoć, która może powodować zmiany chemiczne, mikrobiologiczne czy fizyczne. Przenikalność pary wodnej powinna być dostosowana do przechowywanego produktu np. do pieczywa i proszków powinna dostać się jak najmniejsza ilość pary wodnej. W przypadku pieczywa jej obecność może wpłynąć na pogorszenie chrupkości, a proszki mogą się zbrylać [Tripathi i wsp. 2014].

Obecność tlenu może powodować intensywny rozwój mikroorganizmów wewnątrz opakowania, co wpływa na psucie się produktu [Taherimehr i wsp. 2021]. Poza tym zbyt duże ilości tlenu przyczyniają się do przyspieszenia reakcji utlenienia tłuszczów, a co za tym idzie zmiany smaku czy barwy [Siracusa i wsp. 2008]. Jednak barierowość względem tlenu nie powinna też być całkowita, ponieważ może spowodować rozwój mikroflory beztlenowej np. Clostridium botulinum [Sangroniz i wsp. 2019]. Bakteria ta odpowiada za wytwarzanie jadu kiełbasianego, który jest niebezpieczny dla człowieka. Istotne jest również opracowanie opakowań barierowych, które będą wykazywały się przepuszczalnością dostosowaną do produktu. Badacze próbują różnych rozwiązań, takich jak: nanokompozyty, powłoki wielowarstwowe czy mieszanki polimerów [Mujtaba i wsp. 2022].

Odpowiednia przenikalność dwutlenku węgla przez opakowanie ma znaczenie w przypadku produktów świeżych. Ze względu na proces dojrzewania większa przepuszczalność materiału sprawdza się, gdy pakowane są świeże warzywa i owoce [Galus i Kadzińska 2016]. Zbyt duża barierowość względem gazu może powodować również bombaż biologiczny, który powstał w wyniku produkcji metabolitów przez mikroorganizmy. Obecność dwutlenku węgla odgrywa ważną rolę w pakowaniu w modyfikowanej atmosferze. Niezbędny jest pomiar przepuszczalności materiału w celu zachowania odpowiedniego stężenia dwutlenku węgla [Galus i Kadzińska 2019]. Podsumowując, barierowość materiałów ma na celu utrzymać odpowiednią jakość i spowolnić wyżej wymienione, niepożądane zmiany.

Podsumowanie
Folie biopolimerowe mogą być wytwarzane w różny sposób w zależności od zastosowanych biopolimerów i skali produkcji. Istotne jest uzyskanie jednorodnych, cienkich i trwałych materiałów opakowaniowych o kontrolowanych cechach fizycznych. Obecnie istotne jest zastąpienie syntetycznych materiałów, różnymi odpowiednikami pochodzącymi ze źródeł odnawialnych. Naukowcy, badając opakowania z biopolimerów, zauważyli, że ich właściwości optyczne, mechaniczne czy barierowe są zbliżone do opakowań syntetycznych, które można modyfikować w zależności od funkcji jaką ma pełnić dane opakowanie. Właściwości barierowe wobec gazów, jak również wilgoci są niezwykle istotne ponieważ mogą wpływać na jakość żywności w czasie przechowywania.


Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji, Instytut Nauk o Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Spis piśmiennictwa w redakcji.