Podstawowym zadaniem stawianym opakowaniom przeznaczonym do kontaktu z żywnością jest ochrona produktów żywnościowych przed działaniem czyn-ników niekorzystnie wpływającym na produkt, tj. zanieczyszczeń chemicznych, mikrobiologicznych, tlenu czy światła.
Wraz ze wzrostem gospodarczym, rozwo-jem produkcji i zaostrzającą się na rynku konkurencją wzrasta znaczenie nowych technologii w opakowalnictwie.
W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie opakowaniami inteligentnymi. Według rozporządzenia 450/2009, inteligentne materiały i wyroby to „materiały i wyroby, które monitorują stan opakowanej żywności lub jej otoczenia”. Inteligentne systemy opakowaniowe, poprzez umieszczenie różnego rodzaju wskaźników na etykiecie bądź bezpośrednio na opakowaniu pozwalają monitorować jakość produktu w całym łańcuchu dostaw. Wskaźniki za pomocą określonych zmian, głównie zmian koloru wskazują na zmianę składu atmosfery panującej wewnątrz przestrzeni opakowania lub na zmiany zachodzące na powierzchni samego produktu [7]. Obecnie projektuje się wskaźniki, które w sposób bezpośredni podają informacje o produkcie, a jednocześnie są łatwe do interpretacji przez konsumenta [3]. Możemy wyróżnić następujące wskaźniki [10]:
n wskaźniki czasu i temperatury, tlenu, dwutlenku węgla, nieszczelności, wzrostu mikroorganizmów, uszkodzenia opakowania;
n znaczniki radiowe RFID;
n biosensory i czujniki gazu.
Przykłady różnych rodzajów opakowań inteligentnych i ich zastosowania przedstawione zostały w tabeli obok.
Najpopularniejszymi wskaźnikami stosowanymi w opakowaniach inteligentnych są wskaźniki czasu i temperatury. Można wyróżnić dwa rodzaje tego typu wskaźników, tj. wskaźniki temperatury oraz integratory czasu i temperatury.
Wskaźniki temperatury są stosowane w celu nieustannego monitorowania aktualnej temperatury produktu. Są one szczególnie ważne w przypadku produktów mrożonych i żywności chłodzonej. Pozwalają na zarejestrowanie przejściowego rozmrożenia produktu poprzez zmianę barwy etykiety. Podobnie w przypadku żywności chłodzonej, gdy na produkt działa temperatura wyższa od wartości ustalonej jako optymalna bądź produkt przechowywany jest poza określonym zakresem temperatur, następuje nieodwracalne przebarwienie etykiety. Jest to szczególnie istotna dla konsumenta informacja o niewłaściwej jakości takiego wyrobu oraz możliwości rozwoju mikroorganizmów chorobotwórczych [3, 5].
Przykładem zastosowania wskaźnika temperatury jest wprowadzenie przez firmę Smart Lid Systems jednorazowego wieczka stosowanego do papierowego bądź wykonanego z tworzywa sztucznego kubka (rys. 1). Wskaźnik ten jest wskaźnikiem wizualnym, który w prosty i obrazowy sposób informuje konsumenta o gorącym napoju. Następuje zmiana barwy wieczka z brązowej w przypadku nie zaparzonej bądź zimnej kawy do czerwonej, po zalaniu kawy wrzątkiem. Jednocześnie wieczko to jest wskaźnikiem szczelności pokrywki, wskazując prawidłowe jej zamontowanie poprzez brązową obwódkę u dołu wieczka [19].
Popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie inteligentnych wskaźników naniesionych w postaci farby termochromowej na butelkę. Farby te stosowane są w celu określenia właściwej temperatury spożycia napoju, który znajduje się w butelce. Po osiągnięciu właściwej temperatury na opakowaniu pojawia się napis lub znaczek wskazujący na najlepszą temperaturę do spożycia produktu [8]. Przykładowo, etykieta na butelce piwa The Coors Light cold – activated bottle zmienia barwę z białej na niebieską po odpowiednim schłodzeniu [2].
Integratory czasu i temperatury monitorują wszelkie odchylenia od optymalnej temperatury w czasie całego cyklu dystrybucji. Działanie ich oparte jest na fizycznych, chemicznych, enzymatycznych lub mikrobiologicznych zmianach, zachodzących pod wpływem różnych warunków temperaturowych. Następstwem tych zmian jest widoczna deformacja opakowania bądź przebarwienie etykiety. Niektóre integratory oceniają jakość żywności, wskazując o ile został skrócony okres przydatności do spożycia produktów żywnościowych w wyniku zmian zachodzących w produkcie [7, 10]. W większości przypadków wskaźniki te umieszczane są na zewnętrznej stronie opakowania i nie mają kontaktu z żywnością. Ich wadą jest to, że mierzą temperaturę powierzchni, a nie rzeczywistą temperaturę produktu [6].
Najbardziej znane wskaźniki czasu i temperatury to:
n etykieta CheckPoint, opracowana przez szwedzką firmę Vitsab, oparta na zmianach enzymatycznych;
n Monitor Mark i Freshness Check, wyprodukowane przez amerykańską firmę 3M, oparte na dyfuzji roztworu;
n Lifelines Freshness Monitor and FreshCheck (FreshPoint), opracowane przez amerykańską firmę Lifelines, oparte na polimeryzacji;
n TRACEO, wytworzone przez francuską firmę Cryolog, oparte na zmianach mikrobiologicznych (Ellouze i in., 2008).
Zasada działania etykiety CheckPoint polega na zmianie barwy, wywołanej przez spadek pH podczas enzymatycznej hydrolizy lipidów. Biała etykieta w czasie aktywacji ulega przebarwieniu na kolor zielony. W sytuacji, gdy produkt traci świeżość, barwa zamienia się na żółtą, a następnie na czerwoną, co oznacza, że produkt nie nadaje się do spożycia (rys. 2). Wizualna ocena zmiany koloru jest łatwa do interpretacji przez konsumenta i dokonuje się jej w odniesieniu do trzystopniowej skali. Wskaźnik CheckPoint podaje informacje o świeżości i okresie przydatności produktu do spożycia. Znalazł on zastosowanie głównie do pakowania drobiu, wołowiny, wieprzowiny, owoców morza i warzyw. W ostatnich czasach wskaźnik ten jest również wykorzystywany przy ocenie szybko psującej się żywności przez personel brytyjskich linii lotniczych. Obecnie opracowywane są tego typu wskaźniki dla żywności roślinnej, jak również dla farmaceutyków [7, 20].
Wskaźnik Monitor Mark sygnalizuje zmianę własności produktu przy użyciu barwnego pierścienia lub paska, który przesuwa się po białym tle w wyniku fizycznej dyfuzji roztworu (rys. 3). Roztwór ten zawiera chemicznie zabarwione na niebiesko estry kwasów tłuszczowych [6]. Po przekroczeniu przez produkt określonej temperatury na wskaźniku pojawia się niebieskie zabarwienie etykiety, które przesuwa się wzdłuż białego paska. Stopień zabarwienia określa czas (w godzinach lub dniach – w zależności od modelu), w którym produkt był wystawiony na działanie podwyższonej temperatury [18]
Działanie wskaźników Lifelines Freshness Monitor i FreshCheck (FreshPoint) opiera się na zależnych od temperatury reakcjach polimeryzacji, powodujących zmianę wyglądu etykiety. Etykieta składa się z małego koła, otoczonego pierścieniem odniesienia. Gdy opakowanie poddawane jest działaniu temperatury lub upływa termin przydatności produktu do spożycia, następuje ciemnienie koła wewnętrznego, a intensywność barwy porównuje się do barwnych skali na etykiecie. Im szybciej wzrasta temperatura, tym szybciej następują zmiany barwy etykiety [7]. Wskaźnik czasu i temperatury FreshCheck jest w formie samoprzylepnej etykiety, która wskazuje okres trwałości produktów spożywczych, do których jest dołączona. W czasie przechowywania centralna część etykiety w wyniku działania na produkt temperatury ulega zmianom koloru, co jednoznacznie wskazuje na świeżość produktów spożywczych. Wyróżniamy trzy fazy zmian etykiety (rys. 4). Gdy środek koła jest jaśniejszy od otaczającego pierścienia, produkt nadaje się do spożycia (1). Następnie, gdy kolor koła i obręczy jest jednolity, produkt ma krótki okres ważności i powinien być wkrótce wykorzystany (2). Natomiast, gdy wewnętrzne koło jest ciemniejsze od zewnętrznego pierścienia, produkt nie nadaje się do spożycia (3). Centralna część koła ciemnieje nieodwracalnie, w związku z czym nie ma możliwości sprzedaży produktu niewłaściwej jakości. W wyższych temperaturach ciemnienie wewnętrznej części koła następuje szybciej niż w temperaturach niższych [17].
Wskaźnik TRACEO jest samoprzylepną etykietą w postaci żelu, zawierającego mikroorganizmy, tj, wybrane szczepy bakterii kwasu mlekowego. Etykieta ta nalepiana jest na kod kreskowy produktu (rys. 5). Początkowo etykieta ta jest przezroczysta, co oznacza, że produkt jest świeży i nadaje się do spożycia (1). Gdy produkt traci przydatność do spożycia w wyniku przeterminowania produktu lub przerwania łańcucha chłodniczego podczas operacji transportowych lub przechowalniczych, etykieta zabarwia się, staje się nieprzejrzysta i uniemożliwia sprzedaż takiego produktu (2) [4]. Wskaźnik TRACEO pozwala na sprawne i systematyczne wykrywanie produktów nie nadających się do spożycia. Stosuje się go w celu monitorowania świeżych artykułów spożywczych w supermarketach, posiłków i kanapek w sektorze gastronomii oraz w medycynie, m. in. do monitorowania jakości szczepionek i toreb do pobierania krwi [15].
Równie popularne co wskaźniki temperatury i czasu są wskaźniki tlenu. Informują one o nieszczelności opakowania i zawartości tlenu w opakowaniu, w produktach pakowanych w modyfikowanej atmosferze. Typowy taki wskaźnik składa się z barwnika typu redoks np. błękitu metylenowego, związku alkalicznego np. wodorotlenku sodu oraz związków redukujących np. cukrów redukujących [10].
Przykładem wskaźnika tlenowego jest produkt firmy Mitsubishi Gas Chemical – Ageless Eye tzw. „nie starzejące się oko”, opracowany w Japonii (rys. 6). Wraz ze zmianą zawartości tlenu w opakowaniu następuje zmiana barwy wskaźnika. Wskaźnik ten składa się z wrażliwych na tlen tabletek, zamkniętych w opakowaniu pęcherzowym (blistrze), które jest wykonane z materiału o wysokiej barierowości dla tlenu. Po umieszczeniu wskaźnika w opakowaniu nakłuwane jest opakowanie pęcherzowe z tabletką. Gdy tabletki są zabarwione na niebiesko, nasycenie tlenu jest na poziomie powyżej 0,5%. Natomiast zmiana barwy na fioletową lub jasnoróżową informuje o obniżeniu zawartości tlenu do 0,1% [8].
Działanie wskaźników świeżości oparte jest głównie na wykrywaniu obecności metabolitów, produkowanych przez mikroorganizmy, tj. dwutlenku węgla i siarki, amoniaku, siarkowodoru, amin, etanolu, kwasów organicznych, enzymów i toksyn [7].
Często stosowanym wskaźnikiem świeżości jest etykieta Fresh Tag, wyprodukowana przez amerykańską firmę COX Technologies. Służy ona do wykrywania lotnych amin. Powstające w opakowaniu aminy przemieszczają się do chipa z tworzywa sztucznego, w którym znajduje się knot. W wyniku kontaktu knota z lotnymi aminami powstaje barwna reakcja i pojawia się jasnoróżowa plama, która wraz ze wzrostem stężenia amin przesuwa się wzdłuż skali chipu, określając aktualną jakość produktu [6]. Wskaźnik ten stosowany może być w produktach wymagających przechowywania w temperaturach chłodniczych. Najczęściej wykorzystuje się ten rodzaj opakowań inteligentnych do przechowywania ryb i owoców morza [14].
Mniej znanym wskaźnikiem, ale coraz częściej stosowanym w opakowaniach inteligentnych jest identyfikacja na częstotliwości radiowej RFID (Radio Frequency Identification). Stanowi ona bezprzewodowy monitoring produktów żywnościowych, przy użyciu układu elektronicznego, składającego się z identyfikatora, czytnika i oprogramowania komputerowego. Pozwala on na szybką identyfikację danych, ich gromadzenie i przechowywanie. Identyfikator z wbudowaną anteną służy do odczytu danych i przesyła informacje w formie fal radiowych do czytnika. Czytnik natomiast przekształca te fale na informację cyfrową, która jest zapisywana w systemie komputerowym. Dzięki zastosowaniu identyfikacji na częstotliwości radiowej możliwe jest określenie dokładnej lokalizacji produktu oraz śledzenie jego drogi w całym łańcuchu logistycznym od producenta do konsumenta, a także zabezpieczenie produktu przed kradzieżą w supermarketach. Znaczniki radiowe służą również do monitorowania temperatury, wilgoci, stanu mikrobiologicznego żywności oraz okresu przydatności produktu do spożycia [1, 7, 12]. Jakość produktu sygnalizowana jest przez elektroniczne i optyczne detektory reagujące na zmianę składu atmosfery panującej w wewnętrznej przestrzeni opakowania lub na zmiany zachodzące na powierzchni samego produktu, a ich działanie opiera się zazwyczaj na wykrywaniu obecności metabolitów mikroorganizmów, takich jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, amoniak, aminy, siarkowodór, toksyny i enzymy [3].
Biosensory są urządzeniami służącymi do wykrywania i przesyłania informacji na temat reakcji biologicznych zachodzących w produkcie. W ich skład wchodzi receptor i przetwornik. Receptor monitoruje stan mikrobiologiczny żywności i aktywność enzymów, natomiast przetwornik przekształca sygnały biologiczne na elektryczne [10].
Obecnie opakowanie jest niezbędnym elementem w nowoczesnym obrocie towarowym, warunkującym zachowanie jakości produktów spożywczych oraz jednym z podstawowych środków reklamy. Zastosowanie opakowań inteligentnych zamiast tradycyjnych jest pod wieloma względami korzystniejsze. Wykorzystanie nowoczesnych rozwiązań w zakresie opakowalnictwa może przyczynić się do znacznej poprawy cech sensorycznych żywności i zapewnienia bezpieczeństwa mikrobiologicznego żywności. Należy jednak pamiętać, iż wraz z rozwojem nowych produktów wzrasta ryzyko pojawienia się nowych zagrożeń żywności pochodzących od opakowania. Dlatego też bezpieczeństwo inteligentnych materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością regulują przepisy prawne [9]. Wszystkie wyroby przeznaczone do kontaktu z żywnością muszą być produkowane zgodnie z dobrą praktyką produkcyjną. Ponadto inteligentne materiały i wyroby przeznaczone do kontaktu z żywnością nie mogą wskazywać informacji o stanie żywności, które mogłyby wprowadzać w błąd konsumenta. Ponadto muszą być właściwie oznakowane tak, aby umożliwić identyfikację niejadalnych części produktu [11].
Literatura
[1] Brody A. L. (2006): RFID moves ahead. Food Technology 60 (9), 76-79.
[2] Brody A. L. (2010): Intelligent packaging: A power tool for food. Food technology 64 (5), 79-81.
[3] Dainellia D., Gontardb N., Spyropoulosc D., Zondervan-van den Beukend E., Tobbacke P. (2008): Active and intelligent food packaging: legal aspects and safety concerns. Trends in Food Science & Technology 19 (2008) S103-S112.
[4] Ellouze M., Pichaud M., Bonaiti C., Coroller L., Couvert O., Thuault D., Vaillant R. (2008): Modelling pH evolution and lactic acid production in the growth medium of a lactic acid bacterium: Application to set a biological TTI. International Journal of Food Microbiology 128 (1), 101-107.
[5] Fabech B., Hellstrøm T., Henrysdotter G., Hjulmand-Lassen M., Nilsson J., Rüdinger L., Sipiläinen-Malm T., Solli E., Svensson K, Thorkelsson A. E., Tuomaala V. (2000): Active and Intelligent Food Packaging – A Nordic Report on the Legislative Aspects. TemaNord 2000: 584, Nordic Council of Ministers, Copenhagen, 1-81.
[6] Han J. H., Ho C. H. L., Rodrigues E. T. (2005): Intelligent packaging. Innovations in food packaging (red. J. H. Han). Elsevier Academic Press. Oxford U. K, 138-155.
[7] Kerry J. P., O’Grady M. N., Hogan S. A. (2006): Past, current and potential utilisation of active and intelligent packaging systems for meat and muscle – based products: A review. Meat Science 74 (1), 113-130.
[8] Korzeniowski A., Czaja N. (2003): Propozycje wykorzystania materiałów biodegradowalnych do produkcji opakowań aktywnych i inteligentnych. Opakowanie 48 (6), 18-21.
[9] Nowacka M., 2010: Aktywne oraz inteligentne materiały i wyroby do kontaktu z żywnością. Opakowanie – najlepszy przyjaciel żywności?, Bezpieczeństwo i Higiena Żywności 7-8/84-85/2010, str. 62-64
[10] Otles S., Yalcin B. (2008): Intelligent food packaging. LogForum 4 (3), 1-9.
[11] Rozporządzenie Komisji (WE) NR 450/2009 z dnia 29 maja 2009 r. w sprawie aktywnych i inteligentnych materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością (Dz. Urz. L 135/3 z 30.05.2009).
[12] Tarver T. (2008): Novel ideas in food packaging. Food Technology 62 (10), 54-59.
[13] Vermeiren L., Heirlings L., Devlieghere F., Debevere J. (2003): Oxygen, ethylene and other scavengers. Novel food packaging techniques (red. R. Ahvenainen). Woodhead Publishing Limited, Cambridge, 22-45.
[14] http://fshn.ifas.ufl.edu/seafood/sst/24thAnn/file28.pdf
[15] www.infotechfrance.com/cgi-local/affichage_signet_secteur.pl?UNI_ID=8&RUB_ID=54&SS_ID=8835&SEC_ID=433
[16] www.mgc.co.jp/eng/products/abc/ageless/index.html
[17] www.freshcheck.com
[18] www.coldchaintech.com/products/ascending_ti.php
[19] www.smartlid.com
[20] www.vitsab.com
