Opakowania inteligentne i aktywne materiały opakowaniowe do żywności

1. Opakowania inteligentne i aktywne materiały opakowaniowe do żywności dr hab. Agnieszka Wierzbicka Zakład Techniki w Żywieniu

2. Głównym zadaniem opakowania jest zachęcenie potencjalnego klienta do zakupu. • Jednakże coraz częściej mówi się o tzw. opakowaniach funkcjonalnych, które nie tylko informowałyby konsumenta, ale spełniałyby inne istotne funkcje. • Dotyczy to głównie dbania o jakość zapakowanego produktu, a więc nowe opakowanie powinno być aktywne i inteligentne.

3. Najczęstsze niekorzystne zmiany spowodowane są przez: • zmiany fizyczne, zmiana aktywności wodnej (utrata wilgotności), zmiany tekstury produktu, ubytek masy, uszkodzenia mechaniczne, itp., • reakcje chemiczne i biochemiczne spowodowane obecnością enzymów, procesami utleniania lub hydrolizy, • zanieczyszczenia produktami działalności mikroorganizmów, na przykład bakterii, grzybów, drożdży itp. Prawidłowo zaprojektowane opakowania pozwala na zahamowania i organicznie zmian niekorzystnych zachodzących w produkcie.

4. Rys. 1. Podział opakowań ze względu na mechanizm oddziaływania

5. Do najważniejszych funkcji nowoczesnych opakowań należą: • indykatorowalność czyli ”inteligencja”, która umożliwia monitorowanie stanu opakowania, zaawansowanie zmian przechowalniczych, zmian temperatury, stężenia tlenu, rozwoju mikroflory, nieszczelności, • możliwość utrzymania stałego poziomu zawartości gazów obojętnych, kontrolowanej atmosfery, • biodegradowalność, • przyciągnięcie uwagi nabywcy, • ułatwienie sprzedaży.

6. Opakowaniaaktywne – definiowane są jako takie systemy, które aktywnie zmieniają warunki zapakowanej żywności, powodując przedłużenie okresu jej trwałości i tym samym przydatności do spożycia, gwarantują lub znacząco polepszają bezpieczeństwo mikrobiologiczne i / lub właściwości sensoryczne przy jednoczesnym zachowaniu jakości.

7. Pakowanie aktywne • Pakowanie aktywne stanowi grupę technologii, w których opakowanie jest aktywnie powiązane z produktem lub wchodzi w interakcje z otaczającą atmosferą w opakowaniu. • W celu regulacji specyficznych gazów w opakowaniu stosuje się substancje albo absorbujące dany gaz, albo też wydzielające określony gaz.

8. Aktywne opakowania - najważniejszych rozwiązania: • wiązanie i usuwanie z atmosfery w opakowaniu tlenu i etylenu, • wiązanie i usuwanie z atmosfery w opakowaniu etylenu, • wiązanie lub emitowanie dwutlenku węgla z lub do opakowania, • stosowanie regulatorów wilgotności, • opakowania działające antybakteryjnie, • opakowania wydzielające antyoksydanty, • opakowania pochłaniające lub wydzielające zapachy, • opakowania absorbujące niepożądane substancje smakowe.

9. Aktywne opakowania - najważniejszych rozwiązania: • dodatek substancji przeciwutleniających wbudowanych w opakowanie, • stosowanie inhibitorów enzymów, • środki zapobiegające kondensacji pary wodnej i zbrylaniu się produktu, • systemy kontroli temperatury.

10. Pochłaniacze tlenu • Pochłaniacze tlenu stanowią szeroką rodzinę dodatków, których nadrzędnym celem jest kontrola zawartości tlenu wewnątrz opakowania. • Ich głównym zadaniem jest redukcja tlenu do takiej ilości, która zapewnia zapakowanemu produktowi najwyższą jakość. • Efektywność poszczególnych rodzajów pochłaniaczy tlenu zależy także od czynników zewnętrznych takich jak: temperatura czy wilgotność. Im wyższe są te parametry, tym tempo reakcji większości absorberów rośnie.

11. Pochłaniacze tlenu • Najczęściej występującą formą pochłaniaczy tlenu dostępną w polskim handlu są pochłaniacze bazujące na utlenianiu żelaza. • Usuwanie tlenu jest ważne,bowiem przeciwdziała utlenianiusię tłuszczów. Nieobecność tlenu w opakowaniu zapobiega rozwojowi bakterii tlenowych i pleśni. Fe  Fe+ + 2 ½O2 + H2O + 2 ---- 2 OH- Fe2+ + 2 OH- Fe(OH)2 Fe(OH)2 + ¼O2 + ½ H2O  Fe(OH)3

12. Do usuwania tlenu z opakowania stosuje się: • sproszkowane żelazo, • kwas askorbinowy, • oksydaza glukozowa, • oksydaza alkoholowa, • wybrane nienasycone węglowodory.

14. np. oksydaza glukozowa (oksydoreduktaza), enzym przenoszący dwa wodory z grupy –CHOH glukozy do tlenu z wykorzystaniem glukozodelta laktonu i H2O2. • Lakton reaguje z wodą tworząc kwas glukonowy. • 2G + 2O2 + H2O  2GO + 2H2O2 • G – glukoza • GO – glukozodelta lakton

15. W związku z tym, że końcowym produktem reakcji jest nadtlenek wodoru, wymusza to zastosowanie w systemie tym dodatkowego enzymu (katalazy), w celu rozkładu H2O2 według reakcji • 2H2O2 + katalaza  H2O + O2 • System ten jednak ma wady, bowiem jest bardzo czuły na zmiany pH, aw, zawartości soli i innych czynników. Ponadto wymaga on obecności wody i w związku z tym nie może być stosowany do produktów o małej jej zawartości.

16. Pochłaniacze tlenu mają swoją określoną pojemność pochłonięcia tlenu. • Kolejnym problemem ujawniającym się podczas stosowania pochłaniaczy tlenu może być wytwarzanie się częściowej próżni w wyniku usunięcia tlenu z opakowania. • Zastosowanie pochłaniaczy może wiązać się jednak z pewnym zagrożeniem zdrowotnym, bowiem wytworzenie środowiska beztlenowego może sprzyjać rozwojowi patogenów beztlenowych, takich jak Clostridium, lub fakultatywnie beztlenowych, takich jak Listeria spp.

17. Metodą alternatywną do saszetek umieszczanych w opakowaniach jest wbudowywanie pochłaniaczy tlenu w sam materiał opakowania. • Najnowszym odkryciem są pochłaniacze tlenu umieszczane w postaci małej uszczelki ulokowanej w zamknięciu.

18. Pochłaniacze dwutlenku węgla • Pochłaniacze dwutlenku węgla stosowane są w celu usunięcia go z opakowania, bowiem może on rozerwać je. • Typowym pochłaniaczem CO2 jest tlenek wapnia (CaO), który umieszczony na żelu krzemionkowym pochłaniając wilgoć, przekształca się w Ca(OH)2. • Saszetki wydzielające do atmosfery opakowania dwutlenek węgla zwykle zawierają również substancje pochłaniające tlen. • W takich systemach wykorzystuje się mieszaninę węglanu żelaza, kwasu askorbinowego i dwuwęglanu sodu.

19. Wodorotlenek wapnia reaguje z dwutlenkiem węgla tworząc wodorowęglan wapnia CaCO3. • CaO + H2O  Ca(OH)2 • Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

20. Pochłaniacze etylenu • Pochłaniacze etylenu stosowane są w celu wyeliminowania go z atmosfery opakowania, bowiem jest on fitohormonem, który nawet w bardzo małym stężeniu przyśpiesza dojrzewanie i starzenie się owoców i warzyw a zatem skraca on ich trwałość. • Do związków wykorzystywanych w celu pochłaniania etylenu stosowane są: nadmanganian potasu [KMnO4 – toksyczny], węgiel lub ziemia aktywna, saszetki silikonowe.

21. W celu usunięciu etylenu z opakowania można też wykorzystać reakcję jego rozkładu na węglu aktywnym w obecności katalizatora palladowego. • Ten katalizator efektywnie działa w temperaturze 20°C. • Dotychczasowe pochłaniacze etylenu nie są jednak zbyt efektywne w działaniu, ponieważ mają zbyt małą pojemność absorpcyjną.

23. Substancje przeciwdrobnoustrojowe w opakowaniach • W opakowaniach stosowane są również systemy uwalniające substancje przeciwdrobnoustrojowe, ze względu na zahamowanie wzrostu bakterii chorobotwórczych i pleśni wytwarzających mykotoksyny, a także ze względu na opóźnienie rozwoju bakterii powodujących psucie się żywności. • W tych celach stosowane są następujące substancje: etanol (lub inny alkohol), sorbiniany, benzoesany, propioniany lub bakteriocyny. • Mogą być one uwalniane z saszetek lub z folii.

24. Stosowanie tego typu systemówwymaga przeanalizowania paru kwestii: • związki przeciwdrobnoustrojowe muszą wzadowalającym stopniu hamować niepożądane mikroorganizmy; • aktywny związek użyty w systemach uwalniających środki przeciwdrobnoustrojowe powinien dyfundować z góry założoną szybkością taką, aby był skuteczny wobec drobnoustrojów; • aktywny związek, w użytym stężeniu, nie może być toksyczny i musi być zatwierdzony jako dodatek do żywności.

25. Etanol umieszczany w saszetkach, poprzez które wydostają się jego opary. Generatory etanolu typu Ethicap albo Antimold (Japonia) zawierają mieszaninę etanolu i wody w proporcjach 55:10 zaabsorbowanej na krzemionce (dwutlenek krzemu) w ilości 35%, umieszczonej w laminacie. • Ethicap działa w następujący sposób: woda wydzielona z produktu zostaje pochłonięta przez krzemionkę i przez to generuje opary etanolu. Systemy tego typu pozwalają na 5 – 20 krotne przedłużenie okresu przydatności produktu. • W Japonii, gdzie najprężniej rozwija się produkcja opakowań aktywnych,najczęściej stosuje się zeolit srebrowy, który wbudowuje się w opakowanie. Związek ten charakteryzuje się szerokim spektrum działania przeciwbakteryjnego.

26. Substancje przeciwutleniąjące w opakowaniach • Producenci folii z tworzyw sztucznych wbudowują przeciwutleniacze zapobiegające utlenianiu się polimerów, z których zbudowana jest folia. • Niektóre z tych przeciwutleniaczy mogą migrować poza obręb folii, w stopniu zależnym od ich rozpuszczalności, dyfuzyjności i lotności. • Przeciwutleniacze te mogą hamować reakcje oksydacyjne, a tym samym zabezpieczać i przedłużać trwałość produktu. • Substancje te powinny być dopuszczone do kontaktu z żywnością i znajdować się na liście dodatków do żywności. Tego typu zastosowanie znalazły następujące substancje: BHA (butylowany hydroksyanizol) oraz witamina E.

27. Regulatory wilgotności (desykatory) • Stosowanie desykatorów (substancji pochłaniających wilgoć) możliwe jest jedynie w opakowaniach o dużej barierowości dla pary wodnej. • Głównymi zadaniami regulatorów wilgotności jest obniżanie aw (w celu zapobieżenia rozwojowi pleśni, drożdży oraz bakterii w żywności o dużej aw) oraz zapobieganie gwałtownemu nagromadzaniu się wody wydostającej się ze świeżych owoców i warzyw podczas ich oddychania. Do substancji wiążących wilgoć należą: • poliakrylowe sole, • kopolimery skrobi.

29. Opakowania wydzielające lub pochłaniające związki smakowe • Najczęściej stosowanymi substancjami wbudowywanymi w folie opakowaniowe produktów mięsnych, bądź rybnych zawierają: • sole żelaza; • kwas cytrynowy lub askorbiniany. • Substancje te wiążą aminy i aldehydy powstałe w wyniku degradacji białek mięśniowych. Produkowane są również pochłaniacze (Minipax i Stripax) absorbujące niepożądane związki takie jak merkaptan i siarkowodór.

31. Pakowanie w modyfikowanej atmosferze • Uzyskanie dłuższych okresów trwałości produktów umożliwia pakowanie w atmosferze modyfikowanej. • Technologia ta polega na usunięciu powietrza z opakowania i wprowadzeniu w jego miejsce tzw. gazów obojętnych. • Skład gazów jest uzależniony od rodzaju pakowanego produktu, a także żądanego okresu trwałości produktu. • Do pakowania stosowane są mieszaniny dwutlenku węglai azotu w różnych proporcjach.

32. Ta metoda pakowania i przechowywania uznawana jest za jedną z najskuteczniejszych sposobów ochrony jakości produktów. • Jest ona możliwa do wykorzystania dzięki zastosowaniu nowych materiałów opakowaniowych. • Najczęściej są wykorzystywane folie polipropylenowe z warstwą krzemu, folie ze spienionego polipropylenu z warstwą barierową na tlen EVOH i z warstwązgrzewalną polipropylenu.

35. Stosowane folie do pakowania w modyfikowanej atmosferze charakteryzują: • małą przepuszczalnością pary wodnej - dzięki temu produkt, zwłaszcza krojony jest chroniony podczas przechowywania przed wysychaniem, • szczelnością dla aromatu - dzięki temu z jednej strony utrzymuje się aromat wyrobu, a z drugiej nie przenikają do opakowania obce zapachy, • odpornością na rozerwanie - przy uszkodzeniu opakowania możliwa byłby kontaminacja, • odpornością na wysokie temperatury (pasteryzacja) oraz niskie temperatury (zamrażanie).

37. Opakowania inteligentne – nie oddziałują na żywność, czyli nie uwalniają swoich składników do opakowania, w którym znajduje się produkt, a jedynie dostarczają klientowi, sprzedawcy czy producentów informacji o stanie, w jakim się on znajduje.

38. opakowaniaindykatorowe – ”inteligentne”: • kontrolują stan opakowania, • kontrolują zachodzące zmiany temperaturowe, • kontrolują zachodzące zmiany przechowalnicze, • kontrolują stężenie tlenu, • kontrolują aktywność mikroflory, • kontrolują nieszczelności itp. • Opakowania te umożliwiają stały monitoringjakości zapakowanych wyrobówiszybkąeliminację wyrobów, które utraciły właściwą jakość.

39. Wyróżnia się 2 rodzaje opakowań inteligentnych: • bazujące na pomiarze warunków na zewnątrz opakowania, • bazujące na pomiarze jakości żywności (czyli wewnątrz opakowania).

40. Do spożycia Do natychmiastowego spożycia Nie do spożycia Rys. 3. Barwne wskazania przydatności do spożycia Fresh-Check

42. Do spożycia Nie do spożycia

43. Nowoczesne opakowania coraz częściej wyposaża się w czujniki, zwane znacznikami, informującymi o stanie produktu. Zadaniem ich jest informowanie potencjalnego nabywcy o stanie jakościowym zapakowanego produktu. • Należą do nich wskaźniki wilgotności, wskaźniki tlenowe, wskaźniki optymalnej temperatury do spożycia (zastosowanie farb termochromowych). • Ważny kierunek rozwoju materiałów opakowaniowych to folie sprytne („smart film”). Odznaczają się one zdolnościami regulowania przepływu tlenu i dwutlenku węgla pomiędzy opakowaniem i powietrzem z otoczenia.

44. Przydatność do spożycia jest monitorowana na wskaźnikach bazujących na zmianie barwy, która może następować w sposób ciągły, np. w przypadku określenia dawki cieplnej, jaką otrzyma produkt podczas transportu i przechowywania lub skokowy, np. w przypadku detekcji powstających nieszczelności.

45. Zestawienie najbardziej popularnych wskaźników wraz z ich zastosowaniem (tabela 1).

46. W technologii MAP, nad których wdrożeniem pracuje się na świecie, można wymienić: • TOTR (Tailored Oxygen Transmission Rate) — opakowanie o ograniczonej przepuszczalności w stosunku do tlenu. • Metallocene Technology — zastosowanie specjalnych katalizatorów metalicznych wewnątrz folii opakowaniowej. • Folie "inteligentne" zwiększające przepuszczalność gazową wraz ze wzrostem temperatury. • Antifog Films — folie opakowaniowe z powłokami antyroszeniowymi, uniemożliwiającymi skraplanie się pary wodnej od środka opakowania.

47. Kolejną dużą, rozwijającą się dynamicznie grupą opakowań są opakowania wyrobów mięsnych przeznaczonych do ogrzewania mikrofalowego. Opakowania te mogą być pasywne, bądź aktywne. • Pasywność polega na przepuszczalnościpromieniowaniamikrofalowego i ogrzewaniu się tylko produktu w wyniku pochłanianej energii (np. opakowania ze szkła, tworzyw sztucznych). • Aktywność opakowania (susceptora, absorbenta) polega na pochłanianiu energii mikrofal i przekształcaniu jej w ciepło.

48. Proces ten może zajść dzięki mechanizmomzwiększonego wydzielaniaciepła poprzez cienkie metaliczne powłoki naniesione na pasywny materiał, bądź poprzez użycie materiałów zwiększających wartość stratności dielektrycznej jak również przy pomocy chemceptorów – uwodnionych soli niektórych metali naniesionych w odpowiedniej proporcji z wodą na bazę opakowaniową. • Dzięki właściwościom zmiany temperatury opakowań możliwe jest uzyskanie efektu brązowienia i kruchości obrabianego produktu.

49. Dziękuję za uwagę