W ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania badaczy stosowaniem zamierzonych interakcji opakowania z przechowywanym w nim produktem celem wydłużenia okresu przydatności i utrzymania lub nawet poprawy jakości żywności [22]. Aktywne materiały opakowaniowe oprócz zapewniania ochronnej bariery przed wpływem czynników zewnętrznych pełnią dodatkowe funkcje, takie jak kontrola i reagowanie na przebieg zjawisk zachodzących wewnątrz opakowania [9]. Opakowania aktywne w odróżnieniu od tradycyjnych wchodzą w reakcje z wewnętrzną atmosferą i produktem, w wyniku czego następuje hamowanie przemian żywności podczas przechowywania i przedłużenie jej trwałości.
Oddziaływania te jednak nie mogą być przypadkowe, lecz dokładnie zaplanowane [12].
Na rynku rozpowszechnione są dwa typy opakowań aktywnych. Należą do nich absorbery i emitery [23]. Opakowania aktywne pełniące funkcję absorberów zawierają składniki, których zadaniem jest pochłanianie, a tym samym eliminowanie różnych substancji ze środowiska wewnątrz opakowania. Aktywne oddziaływanie, w zależności od rodzaju produktu, może dotyczyć absorpcji tlenu, etylenu, dwutlenku węgla, wilgoci lub niekorzystnych zapachów. Absorbowane czynniki oddziałując na żywność wpływają na cechy sensoryczne i trwałość żywności [7]. Natomiast zasada działania emiterów polega na wydzielaniu substancji korzystnych dla jakości produktu spożywczego, które mogą migrować nad powierzchnię produktu w opakowaniu lub bezpośrednio do żywności. Celem ich działania jest ochrona produktu przed rozwojem mikroorganizmów. Emiterami mogą być substancje zapachowe, dodatki do żywności, składniki żywności, regulatory wilgotności i substancje aktywne biologicznie, które przeciwdziałają rozwojowi drobnoustrojów. Najczęściej stosowane są emitery dwutlenku węgla, dwutlenku siarki oraz alkoholu [7, 9, 23].
Pochłaniacze tlenu
Tlen zawarty w opakowaniu może być substratem w wielu reakcjach chemicznych, które powodują niekorzystne zmiany jakościowe żywności, tj. zmiany smaku, barwy i zapachu, utratę wartości odżywczej oraz rozwój mikroflory tlenowej. Głównym celem usuwania tlenu jest hamowanie rozwoju pleśni w przetworach mięsnych, serach, ciastach i owocach morza, zachowanie typowego aromatu w kawie i herbacie, zapobieganie zmianom barwy w suszonych warzywach, przyprawach ziołowych, herbacie i przetworach mięsnych, a także przeciwdziałanie jełczeniu w orzechach, chipsach, mleku w proszku i przetworach mięsnych oraz hamowanie rozkładu witamin w sokach owocowych [4, 23].
Zastosowanie pochłaniaczy tlenu umożliwia redukcję za-wartości tlenu do akceptowalnego minimum. Są one obecnie produkowane w postaci saszetek umieszczanych wewnątrz opakowania, a także w formie nalepek, zamknięć lub polimerów, które są bezpośrednio wprowadzane w strukturę materiału opakowaniowego [1, 6]. Pochłaniacze tlenu są umieszczane wraz z pożywieniem w opakowaniu, w związku z tym istnieje możliwość przypadkowego ich spożycia przez konsumentów. Dlatego, zgodnie z rozporządzeniem 450/2009 [20], muszą być one specjalnie oznakowane słowami „NIE DO SPOŻYCIA” lub – jeśli to technicznie możliwe – odpowiednim symbolem. Ponadto absorbery tlenu muszą absorbować tlen z odpowiednią szybkością. Jeśli reakcja zachodzi szybko, może wystąpić utrata zdolności absorpcji tlenu. Jeśli jest powolna, żywność nie będzie odpowiednio chroniona przed dostępem tlenu [24]. Absorbery tlenu nie mogą również wytwarzać substancji toksycznych lub maskować niekorzystnych zapachów, przez co mogłyby wprowadzać w błąd konsumenta, co jest niezgodne z rozporządzeniem (WE) 1935/2004.
Na rynku istnieje wiele opakowań aktywnych, mających funkcję pochłaniania tlenu z otoczenia produktu. Najbardziej znane są: środek o nazwie „Ageless”, system „Freshmax”, folia organiczna – „Longlife”, laminat „Bioka Oxygen Film”, saszetki „Bioka Oxygen Absorber” [13].
Produkt „Ageless” firmy Mitsubishi Gas Chemical jest stosowany w celu hamowania rozwoju pleśni i bakterii tlenowych, zapobiegania procesom utleniania tłuszczów i zmianie barwy żywności, a co za tym idzie przedłużenia trwałości produktów spożywczych [28]. Występuje on w różnego rodzaju saszetkach (rys. 1) i może zmniejszyć zawartość tlenu nawet poniżej wartości 0,1%. Gdy saszetki z substancją aktywną zostaną umieszczone w opakowaniu z żywnością, następuje aktywowanie substancji w wyniku kontaktu z parą wodną wydzielającą się z żywności. Saszetki te są stabilne przed użyciem, ponieważ nie reagują natychmiast po zetknięciu się z powietrzem, dzięki czemu są łatwe w obsłudze pod warunkiem, że są utrzymane w stanie suchym [24].
W systemie „Freshmax” substancja usuwająca tlen do poziomu 0,01% jest wprowadzona do etykiety, przyklejonej do ścianki opakowania (rys. 2). System ten najczęściej stosowany jest do wędlin, ciastek, pieczywa, serów i produktów mlecznych [26].
Na rynku dostępny jest również przezroczysty, termozgrzewalny laminat „Bioka Oxygen Film”, składający się z kilku warstw. Pomiędzy warstwami laminatu wbudowany jest system enzymatyczny, który pochłania tlen. Laminat ten może być zadrukowany i można go wykorzystywać do pakowania produktów przy użyciu tradycyjnych maszyn pakujących. Wykorzystuje się go głównie przy pakowaniu próżniowym produktów żywnościowych, tj. wyrobów mięsnych i wędlin w plastrach [14, 23]. Natomiast w przypadku produktów, dla których nie zaleca się pakowania próżniowego, można zastosować saszetki „Bioka Oxygen Absorber”, które stosowane są w pakowaniu żywności delikatnej i kruchej, tj. chipsów, żywności przeznaczonej do podgrzewania w kuchence mikrofalowej i przekąsek [13, 27]. Innym przykładem jest folia organiczna „Longlife”, która wprowadzana jest do opakowania w postaci saszetek lub jest bezpośrednio umieszczana w materiale opakowaniowym z tworzywa sztucznego. Znalazła ona zastosowanie w przemyśle mięsnym do zabezpieczenia przed jełczeniem tłuszczu i niekorzystną zmianą barwy mięsa wołowego, wieprzowego i drobiu [14].
Pochłaniacze i emitery dwutlenku węgla (CO2)
Po usunięciu tlenu w opakowaniu powstaje podciśnienie, przez co ścianki opakowania mogą zostać wgniecione. Dlatego też w praktyce korzystne są układy, które pochłaniając tlen jednocześnie wytwarzają dwutlenek węgla. Jednak zbyt duże stężenie dwutlenku węgla może niekorzystnie oddziaływać na zapakowany produkt, przez co konieczne jest usuwanie jego nadmiernych ilości z opakowania. Pochłaniacze CO2 są również stosowane w celu uniknięcia wzrostu ciśnienia w sztywnych opakowaniach lub zwiększenia objętości w opakowaniach giętkich. Pochłaniacze dwutlenku węgla mogą składać się zarówno z fizycznego absorbentu – zeolitu lub sproszkowanego węgla aktywnego, jak i chemicznego absorbentu – wodorotlenku wapnia, wodorotlenku magnezu, węglanu sodu itp. [1, 3]. Przykładem pochłaniacza dwutlenku węgla jest środek „Freshilizer”, który został wyprodukowany z udziałem węglanu żelazawego i najczęściej występuje w postaci saszetek. Innym środkiem usuwającym nadmiar CO2 z opakowania jest „Fresh Lock”, który zawiera wodorotlenek wapnia i przy dużej wilgotności, w wyniku reakcji z dwutlenkiem węgla tworzy węglan wapnia. Stosuje się go głównie w opakowaniach świeżo palonej kawy w celu uniknięcia pękania torebek pod wpływem wydzielającego się dwutlenku węgla [24].
Absorber etylenu
Etylen jest naturalnym produktem wytwarzanym przez owoce i warzywa, który powoduje ich wzrost, dojrzewanie i starzenie się poprzez m.in. stymulację procesu oddychania. Intensywność oddychania zależy od ilości etylenu i jest tym większa, im więcej znajduje się go w opakowaniu. Intensywne procesy oddychania powodują niekorzystne zmiany w żywności, tj. rdzawe plamki na sałacie, kiełkowanie ziemniaków oraz gorycz w marchwi. Ograniczenie ilości etylenu pozwala n
a przedłużenie trwałości produktów spożywczych [1].
Jako pochłaniacze etylenu stosowane są aktywowany węgiel drzewny, zeolity, ziemia okrzemkowa, mączka ceglana, tlenek glinu i bentonit [24]. Ponadto stosuje się także nadmanganian potasu, który powoduje reakcję utleniania etylenu do glikolu etylowego [12]. Pochłaniacze etylenu są najczęściej dostarczane w saszetkach, rzadziej w tubach. Ich wypełnienie stanowi porowaty materiał, np. wermikulit lub żel krzemionkowy, nasączony nadmanganianem potasu. Ze względów bezpieczeństwa zdrowotnego żywności nadmanganian potasu nie może bezpośrednio kontaktować się z żywnością, ponieważ jest silnym utleniaczem i działa toksycznie [24].
Zastosowanie również znajdują materiały, w których strukturę wbudowuje się czynniki pochłaniające etylen, np. tetrazyna wbudowana w hydrofobowy materiał, tj. polistyren, poliwęglan, polipropylen lub polietylen [1].
Zastosowanie substancji antymikrobiologicznych
Nowa generacja opakowań przeciwdrobnoustrojowych może zawierać materiały o właściwościach antybakteryjnych, które zmniejszają ryzyko rozwoju patogenów żywnościowych oraz zwiększają trwałość produktu [16, 25]. Rozwiązania techniczne polegają na zastosowaniu związków chemicznych wprowadzanych do opakowania w saszetkach lub bezpośrednio umieszczanych w materiale opakowaniowym [1]. Zazwyczaj umieszczane są w wewnętrznej warstwie materiału, tak, aby otrzymać stopniowe uwalnianie substancji do zapakowanej w nim żywności [2, 7, 16]. W zakresie działania przeciwdrobnoustrojowego wykorzystywane są konserwanty, dodatki do żywności, kwasy organiczne, tj. benzoesowy, sorbowy, propionowy i ich sole. Często stosowaną substancją aktywną jest etanol, którego zastosowanie ma na celu zahamowanie wzrostu pleśni. Przykładem środka wykorzystującego te właściwości jest Ethicap, który zawiera 55% alkoholu, 35% dwutlenku krzemu, 10% wody oraz składniki zapachowe, które neutralizują zapach etanolu. Ethicap jest sproszkowaną masą, pakowaną w saszetki z laminowanej folii, termicznie zgrzewane, które charakteryzują się zdolnością stopniowego uwalniania oparów etanolu. Zastosowanie Ethicap pozwala na wydłużenie terminu przydatności i przechowywanie produktów piekarniczych w okresie od 1 tygodnia do 6 miesięcy [8, 25].
Obecnie prowadzonych jest wiele badań ukierunkowanych na projektowanie opakowań zawierających naturalne składniki o działaniu przeciwbakteryjnym. Naturalnymi środkami stosowanymi w opakowaniach antymikrobiologicznych są substancje ekstrahowane z gorczycy lub wasabi – allil izotiocyjanianu [8, 15], bakteriocyny, chitozan, polifenole [10], olejki eteryczne z oregano, bazylii, cynamonu i czosnku [5, 17]. W opakowaniach o właściwościach przeciwbakteryjnych stosowane są również systemy oparte o dobrze znane właściwości przeciwbakteryjne jonów srebra, które hamują wiele enzymów metabolicznych komórki drobnoustroju [8, 15, 21].
Regulatory wilgotności
W przypadku żywności wrażliwej na wilgoć, nadmiar wody w opakowaniach może powodować niepożądane skutki, tj. zbrylanie proszku, rozmiękanie chrupkich produktów oraz nawilżanie lub zlepianie higroskopijnych produktów. Zbyt duża utrata wody z żywności jest również niekorzystna i może doprowadzić do wysuszenia produktów, a tym samym przyspieszenia niepożądanych reakcji, tj. nieenzymatycznego i enzymatycznego brązowienia, degradacji witamin czy utleniania tłuszczu. Regulatory wilgotności służą do kontrolowania wskaźnika oksydacji tłuszczu oraz aktywności wody. W ten sposób można ograniczyć rozwój mikroorganizmów przez zmniejszenie dostępności wody potrzebnej do ich rozwoju. Mogą one również służyć do usuwania nadmiaru wody z rozmrażanych produktów, wycieku z produktów mięsnych oraz zapobieganiu kondensacji pary wodnej w świeżych produktach [1].
Substancjami czynnymi chłonącymi wodę są zazwyczaj chlorek sodu lub wapnia, skrobie modyfikowane, kopolimery skrobi, poliakrylowe sole, żel krzemionkowy, zeolity i włókna celulozy. Przy pakowaniu owoców i warzyw stosowane są torebki z absorbentami wilgoci, które są wbudowywane między warstwy folii przepuszczalnej dla pary wodnej [25]. Mogą być również stosowane inne substancje, tj. roztwory glukozy w owinięciach zaprojektowanych przez japońską firmę Chefkin. Owinięcie złożone jest z dwóch warstw, wewnętrzna jest przepuszczalna dla pary wodnej, natomiast zewnętrzna jej nie przepuszcza. Przestrzeń między warstwami jest wypełniona roztworem glukozy. W przypadku dużej wilgotności względnej powietrza w opakowaniu, woda znajdująca się w produkcie przenika przez warstwę wewnętrzną owinięcia do roztworu glukozy. Gdy wilgotność względna powietrza jest niska, woda przenika w postaci pary z roztworu glukozy do wnętrza opakowania. Poziom wilgotności względnej, przy której następuje migracja wody pomiędzy roztworem glukozy a wnętrzem opakowania jest determinowany przez stężenie roztworu glukozy. Podobne rozwiązanie proponuje japońska firma Showa Denko Company, której regulator wilgotności jest również w postaci owinięcia, wewnątrz którego znajduje się glikol propylenowy. Zaletą jego jest możliwość wielokrotnego wykorzystania, nawet do 10 razy po uprzednim umyciu i osuszeniu [12].
Kontrola smaku i zapachu
W trakcie przechowywania żywności następują jej zmiany organoleptyczne, które nie zawsze świadczą o zepsuciu produktu, ale po otworzeniu opakowania mogą być one źle odbierane przez konsumentów [18, 24]. Natomiast należy pamiętać, że opakowania aktywne nie mogą być stosowane w celu ukrycia oznak psucia się żywności, ponieważ może to stanowić niebezpieczeństwo dla zdrowia konsumentów [19].
Pochłaniacze zapachu i smaku są dostępne na rynku w postaci folii, saszetek, taśm, etykiet lub tacek. Zwykle są umieszczone wewnątrz opakowania lub są włączone do materiału opakowaniowego [1]. W celu neutralizacji lub usunięcia niepożądanych substancji zapachowych z opakowania wykorzystuje się systemy „Odour and Taste Control” (kontrola zapachu i smaku) lub „Interactive Packaging,” opatentowane przez firmę DuPont. System „Odour and Taste Control” polega na wprowadzeniu sit molekularnych o średnicy porów co najmniej 5,5 nm, do materiału opakowaniowego, które wiążą składniki lotne [23]. Natomiast system „Interactive Packaging” polega na zastosowaniu substancji chemicznych dopuszczonych do kontaktu z żywnością do materiałów opakowaniowych, które neutralizują niepożądane zapachy. System ten znalazł zastosowanie w przypadku owoców, przekąsek, serów, produktów zbożowych i mleczarskich oraz drobiu i ryb [13].
Oprócz pochłaniaczy można również stosować, równie skuteczne, emitery zapachów. Ich działanie polega na zamaskowaniu nieprzyjemnych substancji zapachowych lub wzmacnianiu naturalnego zapachu zapakowanego produktu. Emiterami są zwykle substancje charakteryzujące się wysoką odpornością termiczną. Są one stosowane jako dodatki do tworzyw sztucznych m. in. polipropylenu, polietylenu, poliestru, poliamidu oraz polichlorku winylu. Mogą również występować w postaci proszków, tabletek, granulek i etykiet [12].
Wykorzystanie nowoczesnych rozwiązań w zakresie opakowalnictwa może prowadzić do zmniejszenia wykorzystania środków konserwujących żywność, jak również przyczynić się do znacznej poprawy cech sensorycznych żywności i zapewnienia bezpieczeństwa mikrobiologicznego żywności. n
Literatura
[1] Brody A. L., Bugusu B., Han J. H., Koelsch Sand C., McHugh T. H. (2008): Innovative food packaging solutions. Journal of food science 73 (8), 107-116.
[2] Buonocore G. G., Conte A., Corbo M. R., Sinigaglia M., Del Nobile M. A. (2005): Mono- and multilayer active films containing lysozyme as antimicrobial agent. Innovative Food Science and Emerging Technologies 6 (4), 459-464.
[3] Charles F., Sanchez J., Gontard N. (2006): Absorption kinetics of oxygen and carbon dioxide scavengers as part of active modified atmosphere packa
ging. Journal of Food Engineering 72 (1), 1-7.
[4] Cichoń Z., Miśniakiewicz M. (2000): Analiza tendencji w opakowalnictwie żywności uwarunkowanych zmieniającymi się wymaganiami rynkowymi. Opakowanie 45 (10), 8-12.
[5] Coma V. (2008): Bioactive packaging technologies for extended shelf life of meat based products. Meat Science 78, 90–103.
[6] Czerniawski B. (2001): Postęp techniczny w dziedzinie opakowań z tworzyw sztucznych część II. Opakowanie 46 (2), 32-34.
[7] Czerniawski B. (2009): Active and intelligent packaging and its presence at the Polish market. Opakowanie 54 (I – wydanie specjalne), 18-21.
[8] Dainelli D., Gontard N., Spyropoulos D., Zondervan-van den Beuken E., Tobback P. (2008): Active and intelligent food packaging: legal aspects and safety concerns. Trends in Food Science & Technology 19 (1), 103-112.
[9] 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.
[10] Gottfrield K., Sztuka K., Statroszczyk H., Kołodziejska I. (2010): Biodegradowalne i jadalne opakowania do żywności z polimerów naturalnych. Opakowanie, 8/2010, 26-36.
[11] Korzeniowski A., Czaja N. (2003): Propozycje wykorzystania materiałów biodegradowalnych do produkcji opakowań aktywnych i inteligentnych. Opakowanie 48 (6), 18-21.
[12] Kozak W. (2007): Innowacyjność w opakowalnictwie (red. A. Korzeniowski). Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań, 101-109.
[13] Lisińska-Kuśnierz M., Ucherek M. (2003): Postęp techniczny w opakowalnictwie. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków, 19-21.
[14] Makała H. (2010): Świeżość kontrolowana. Packaging Polska nr 09, 10-12.
[15] Markarian J. (2006): Consumer demands push growth in additives for active packaging, Plastics Additives & Compounding September/October 2006, 30-33.
[16] Quintavalla S., Vicini L. (2002): Antimicrobial food packaging in meat industry. Meat Science 62 (3), 373-380.
[17] Rodriguez A., Batlle R., Nerin C. (2007): The use of natural essential oils as antimicrobial solutions in paper packaging. PartII. Progress in Organic Coatings 60, 33-38.
[18] Rooney M. L. (2005): Introduction to active food packaging technologies. Innovations in food packaging (red. J. H. Han). Elsevier Academic Press. Oxford, U.K, 64-77.
[19] Rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z 27 października 2004 w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością oraz uchylające dyrektywy 80/590/EWG i 89/109/EWG (Dz. Urz. L 338/4 z 13.11.2004).
[20] 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).
[21] Sorrentino A., Gorrasi G., Vittoria V. (2007): Potential perspectives of bionanocomposites for food packaging applications. Trends in Food Science & Technology, 18, 84-95.
[22] Strathmann S., Pastorelli S., Simoneau C. (2005): Investigation of the interaction of active packaging material with food aroma compounds. Sensors and Actuators B, 106, 83-87.
[23] Ucherek M. (2002): Nowa generacja systemów pakowania z zastosowaniem opakowań interaktywnych. Opakowanie 47 (9), 10-13.
[24] 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.
[25] Zin M., Znamirowska A., Rudy M., Głodek E., Stanisławczyk R., Gil M. (2008): Utrwalanie i przechowywanie żywności. Wydawnictwo Uniwersytetu Rzeszowskiego, Rzeszów, 21-42, 158-219.
[26] www.multisorb.com/products/freshmax.html
[27] www.bioka.fi/products/index.htm
[28] www.mgc.co.jp/eng/products/abc/ageless/index.html
