Wstęp
Jednym z kluczowych zagrożeń pakowanych produktów spożywczych jest szkodliwe działanie mikroorganizmów. Uzyskanie materiału opakowaniowego o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych jest istotną zaletą znacznie zwiększającą zakres jego wykorzystania (19). Obecnie przeciwbakteryjny system pakowania jest ograniczony głównie dostępem do środków o działaniu antyseptycznym (11), które powinny być efektywne w unieszkodliwianiu mikroorganizmów, bezpieczne dla ludzi i przyjazne środowisku (4,16).
Pakowanie w systemie MAP i CAP polega na odpowiednim doborze gazów, stanowiących atmosferę zapakowanego produktu. Do tego celu wykorzystuje się mieszaninę trójskładnikową: O2, N2, CO2 oraz dwuskładnikową: N2, CO2. Odpowiednio dobrane skład i proporcja gazów powodują hamowanie przez nie czynników odpowiadających za psucie się żywności. Przykład stanowić może zastąpienie tlenu azotem, które pozwala uniknąć niepożądanych procesów oksydacyjnych (1,2,5,6,7,10,14,18), czy wprowadzenie CO2, które ze względu na jego właściwości bakteriobójcze jest doskonałym sposobem przedłużenia okresu trwałości żywności (14). Inhibicyjny wpływ rozpuszczonego CO2 został wielokrotnie potwierdzony (15). Dowiedziono, że CO2 działa hamująco na bakterie tlenowe, drożdże oraz pleśnie. Nie wykazuje jednak podobnych właściwości w stosunku do bakterii beztlenowych takich jak rodzaj Clostridium oraz bakterii fermentacji mlekowej. Jest on skuteczny na powierzchniowej warstwie produktu spożywczego i w niskiej temperaturze, bliskiej 0°C (18,21).
Aktywne materiały i wyroby wykorzystywane w opakowalnictwie mają na celu zachowanie lub poprawę stanu pakowanych produktów spożywczych. Z uwagi na ich naturę przewidziano w nich obecność składników, które mogą uwalniać substancje do żywności lub jej otoczenia albo też je absorbować (1,2,20). Oprócz najbardziej znanych rodzajów opakowań aktywnych zawierających: pochłaniacze tlenu (ang. oxygen scavenger), absorbery etylenu (dla owoców), osuszacze, pochłaniacze zapachu oraz emitery, rozróżnia się także saszetki uwalniające nieznaczne ilości substancji aktywnych mikrobiologicznie. Substancje te najczęściej są składnikiem materiału opakowania lub też znajdują się w jego wnętrzu, w postaci saszetek, etykiet, nalepek. Nie mogą one zmieniać składu bądź cech organoleptycznych produktu poprzez ukrywanie cech zepsucia żywności, co wprowadzałoby w błąd konsumenta odnośnie do jakości produktu spożywczego (1,2,3,12,13,20). Mogą jednak powodować to, że środek coraz częściej wprowadzany do opakowania migrując będzie działał konserwująco na produkt (9).
Najczęściej stosowanymi do takich celów środkami są kwasy organiczne (np. kwas propionowy) i ich sole (np. sorbinian potasu), ale także siarczki, siarczyny, alkohole (np. etanol), w mniejszym stopniu wykorzystywane są peptydy, ekstrakty roślinne oraz związki srebra (12).
Celem pracy było zaprojektowanie saszetki przeznaczonej do opakowania aktywnego. Funkcją znajdujących się w niej mikroorganizmów miała być produkcja jak największej ilości dwutlenku węgla.
Materiał i metody
Do przeprowadzenia doświadczeń wykorzystano:
1. Drożdże instant (Dr Oetker Polska Sp. z o.o.) – o składzie: drożdże suszone, emulgator E491; 7 g drożdży instant odpowiada 25 g świeżych drożdży.
2. Preparat probiotyczny Lacium (Zdrovit, NP Pharma Sp. z o.o.) – zawierający w jednej kapsułce 1,00 x 109 jtk pałeczek Lactobacillus plantarum.
3. Saszetka wykonana z papieru z naniesioną warstwą skrobi (ZetPeZet Piła) i gliceryny (POCH SA).
4. Worki foliowe wielowarstwowe z poliamidu i polietylenu (PA/PE) (PPH Gąsior Sp. z o.o.).
Opakowanie wykorzystywane do badań składało się z dwóch części: saszetki papierowej wielowarstwowej oraz worka z folii PA/PE.
W celu przygotowania saszetki papierowej wielowarstwowej na papier o gramaturze 53 g/m2 nanoszono warstwę kleiku skrobiowego z gliceryną. Kleik sporządzono w stosunku 4% skrobi do wody i 20% gliceryny do skrobi. Na płytce Robax glass ceramic Hotplate CT10 podgrzewano wodę, do której dodawano skrobię i całość mieszano za pomocą mieszadła mechanicznego (Heidolph RZR 200). Do utworzonego kleiku dodawano glicerynę i dalej mieszano w celu sporządzenia jednorodnego roztworu. Schłodzony kleik nanoszono na papier za pomocą powlekarki (Unicoater 409 Erichsen, Niemcy) i poddawano suszeniu w suszarce laboratoryjnej (Binder) w temperaturze 100°C. Z przygotowanych arkuszy papieru wielowarstwowego, jak i z gotowej folii PA/PE wycinano kształt saszetek i worków i poddawano zgrzewaniu na zgrzewarce laboratoryjnej RDM test equipment HSE-3 (Niemcy).
W celu dobrania optymalnych parametrów zgrzewu na maszynie Lippke 4500 (Niemcy) wykonywano testy szczelności i rozerwania.
W celu dobrania optymalnego składu poszczególnych składników opakowania aktywnego, tj. drożdży, bakterii kwasu mlekowego i cukru, wykonano pomiar objętości wytworzonych gazów w worku z folii PA/PE.
Saszetkę o danym składzie surowcowym umieszczono w worku z folii PA/PE i pozostawiono w komorze klimatycznej KBF 115 firmy Binder w celu wytworzenia mieszaniny gazów, głównie dwutlenku węgla. Parametry komory ustawiono następująco: temperatura 23°C, wilgotność względna 50% RH.
Następnie mierzono objętość wytworzonych gazów. Doświadczenie polegało na zanurzeniu cylindra miarowego z umieszczonym w nim lejkiem w pojemniku z wodą. Do lejka włożono worek z saszetką, którego przebicie igłą spowodowało uwolnienie gazów. Mieszanina gazów wyparła wodę zawartą w cylindrze. Po ustaleniu nowego poziomu wody na podziałce cylindra odczytano objętość wytworzonych gazów.
Wyniki
Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, że optymalny czas zgrzewania dla saszetki papierowej wielowarstwowej wynosił 4 s, a dla worków z folii PA/PE 3 s. Pozostałe dobrane parametry zgrzewu to temperatura 125°C i siła nacisku 3 kN.
W pierwszym etapie badań założono wyznaczenie trójskładnikowej kompozycji pozwalającej wygenerować jak największą ilość CO2. Wykonano 5 serii doświadczeń po 3 powtórzenia. Serie różniły się między sobą ilością dodanych drożdży. Dodatek preparatu probiotycznego był identyczny, tj. 1 kapsułka na próbę. Dodatek roztworu cukru uzależniony był od ilości dodanych drożdży i stanowił 50% ich masy (tab. 1).
Analiza objętości wydzielonych gazów wykazała, że optymalna była próba z dodatkiem 3 g drożdży. Dla tej bowiem próbki uzyskano największą ilość gazów (tab. 2).
W celu potwierdzenia słuszności wyboru przeprowadzono analizę statystyczną za pomocą testu Duncana przy poziomie istotności p < 0,05. Porównanie prób 3 i 4 wskazało, że różnią się one istotnie między sobą, natomiast próba 5 różniła się istotnie od pozostałych. Na tej podstawie zdecydowano, że badania będą kontynuowane z dodatkiem 3 gramów drożdży na próbę (tab. 3).
W drugim etapie badań założono ustalenie ilości bakterii kwasu mlekowego Lactobacillus sp., jaką należy wprowadzić do saszetki. Próby różniły się między sobą ilością preparatu probiotycznego, dodatek drożdży był identyczny i wynosił 3 gramy. Ilość roztworu cukru została na poziomie, jaki przyjęto w badaniach przy ustalaniu ilości drożdży (tab. 4). Analiza objętości wydzielonych gazów wykazała, że próba z dodatkiem 1,2 g preparatu Lacium pozwoliła na uzyskanie najwyższej ilości gazów (tab. 5).
Analiza statystyczna za pomocą testu Duncana przy poziomie istotności p < 0,05 wykazała, że próba 5 różniła się istotnie od pozostałych, dlatego też wykorzystano jej skład do dalszych badań (tab. 6).
W ostatnim etapie badań założono ustalenie ilości cukru w mieszaninie. Próby różniły się między sobą stężeniem roztworu cukru dodawanego w ilości 1,5 ml. Dodatek drożdży i preparatu Lacium ustalono na podstawie wyników uzyskanych we wcześniejszych etapach (tab. 7). Analiza objętości wydzie
lonych gazów wykazała, że próba z dodatkiem 15% roztworu cukru daje najwyższe ilości gazów (tab. 8).
Wyniki testu Duncana przy poziomie istotności p < 0,05 wykazały, że analizowane próby nie różniły się od siebie w sposób istotny (tab. 9). Dlatego też do dalszych badań wybrano 15% roztwór cukru, jako najkorzystniejszy ze względu na uzyskane wyniki objętości.
Wnioski
Reasumując, analiza objętości wytworzonych gazów wykazała, że najkorzystniejsze ilości składników do saszetki (pakietu) opakowania aktywnego, pozwalające wygenerować największą ilość CO2, są następujące:
1. Drożdże – 3 g
2. Preparat probiotyczny Lacium – 1,2 g (co w przybliżeniu daje 3 kapsułki)
3. Cukier – 0,225 g
Dyskusja
Przeprowadzone doświadczenia miały na celu dobór biologicznie czynnej kompozycji trzech składników, stanowiących saszetkę do opakowania aktywnego, która zmieniłaby skład atmosfery gazowej w opakowaniu, a tym samym mogłaby wpływać na poprawę trwałości zapakowanego produktu spożywczego. Dobór składników nie był bez znaczenia. Drożdże wykorzystując cukier jako pożywkę prowadzą fermentację alkoholową wytwarzając dwutlenek węgla i alkohol etylowy – czyli substancje o działaniu konserwującym. Dwutlenek węgla wykazuje cechy bakteriobójcze i fungostatyczne (7,17). Z kolei bakterie kwasu mlekowego powodują zahamowanie wzrostu wielu patogennych drobnoustrojów (8) i w konsekwencji pogłębienie efektu działania dwutlenku węgla. Założono zatem uzyskanie jak największej ilości dwutlenku węgla. Przeprowadzone doświadczenia pozwoliły na dobór optymalnego składu mieszaniny.
Podsumowując, znajdująca się w opakowaniu zawierającym produkty spożywcze saszetka powinna mieć wpływ na zmieniający się skład atmosfery gazowej, na co z kolei wpływać powinny drożdże i cukier. Trzeci składnik kompozycji aktywnej, czyli bakterie kwasu mlekowego Lactobacillus sp. mają działanie bakteriobójcze, dodatkowo umożliwiają przedłużenie trwałości pakowanej żywności. Z badań przeprowadzonych przez (8) wynika, że Lactobacillus plantarum w nieznacznym stopniu hamuje wzrost drożdży Saccharomyces cerevisiae, jednak wprowadzenie tych drobnoustrojów do saszetki jest wskazane, ze względu na ich silny antagonizm w stosunku do bakterii fekalnych Escherichia coli i Enterococcus faecalis, a także laseczek przetrwalnikujacych
Bacillus subtilis i Bacillus cereus. Bakterie te silnie hamują również rozwój pleśni Penicillium expansum i Fusarium oxysporum oraz w niewielkim stopniu Rhizopus nigricans.
Literatura
1. Aday M.S., Caner C. (2013) The shelf life extension of fresh strawberries using an oxygen absorber in the biobased package. Food Science and Technology 52: 102-109
2. Anon (2005a) Natural alternative – developments in alternative active packaging technologies. Active & intelligent pack news 3 (23): 5
3. Coma V. (2008) Bioactive packaging technologies for extended shelf life of meat-based products. Meat science. 78 (1-2) Symposium of Meat Safety: From Abbatoir to Consumer: 90-103
4. Czerniawski B., Michniewicz J. (1998) Opakowania żywności. Agro Food Technology, Poznań, ISBN 83-85861-02-5
5. Czerniawski B. (2008a) Pakowanie w atmosferze modyfikowanej MAP na rynku krajowym. Opakowanie, 454 (6): 12-16
6. Czerniawski B. (2009) Active and inteligent packaging and its presence at the Polish market. Opakowanie, 1 wydanie specjalne: 18-21
7. Ćwiertniewski K. (2003) Pieczywo pakowane w atmosferze modyfikowanej (MAP). Przegląd Piekarski i Cukierniczy, 6: 2-6
8. Diowksz A. (2004) Biokonserwacja pieczywa dzięki zastosowaniu zakwasu, Przegląd Piekarski i Cukierniczy, 4: 6-8
9. Feldman M. (1998) Nowe tendencje w opakowalnictwie żywności. Opakowania Żywności. Agro food Technology. Czeladź: 952
10. Guynot M.E., Marin S., Sanchis V., Ramos A.J. (2003) Modified Atmosphere Packaging for Prevention of Mold Spoilage of Bakery Products with Different pH and Water Activity Levels. Journal of Food Protection, 66 (10): 1864-1872
11. Jin T., Zhang H. (2008) Biodegradable Polylactic Acid Polymer with Nisin for Use in Antimicrobial Food Packaging. Journal of Food Science 73: 127-134
12. Kozak W. red. naukowy Korzeniowski A. (2007) Aktywne i inteligentne opakowania do żywności. Innowacyjność w opakowalnictwie. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Poznaniu,
Zeszyty Naukowe 93: 102-106
13. Kozak W., Czaja-Jagielska N. red. naukowy Korzeniowski A. (2007) Opakowania aktywne z materiałów biodegradowalnych – ocena przepuszczalności tlenu. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej
w Poznaniu, Zeszyty Naukowe 93: 32-37
14. Kuzia A. pod red. Czerniawskiego B. i Michniewicza J. (1998) Opakowania Żywności. Agro Food Technology, Czeladź: 254-255
15. Martin J.D., Werner B.G., Hotchkiss J.H. (2003) Effects of Carbon Dioxide on bacterial Growth Parameters in Milk as Measured by Conductivity. J. Dairy Sci. June; 86 (6): 1932-1940
16. Moussa S., Ibrahim A., Okba A., Hamza H., Opwis K., Schollmeyer E. (2011) Antibacterial action of acetic acid soluble material isolated from Mucor rouxii and its application onto textile. International Journal of Biological Macromolecules 48: 736-741
17. Popis M. (2009) Znaczenie opakowań w kształtowaniu jakości żywności. Opakowanie, 9: 17-19
18. Rudy M., Zin J., Glodek E. (2007) Wpływ składu modyfikowanej atmosfery na trwałość mięsa i wędlin podczas chłodniczego przechowywania. Annales Universitatis Mariae Curie-Sklodowska, Lublin - Polonia, Vol. XXV (1), Sectio EE: 79-80
19. Timofeeva L., Kleshcheva N. (2011) Antimicrobial polymers: mechanism of action, factors of activity, and applications. Applied Microbiology and Biotechnology, 89: 475-492
20. Traczyk I., Walkiewicz A. pod red. Kowalik J. Obrót żywnością a zdrowie – praktyczny poradnik dla przedsiębiorców. Rozdział 6. Opakowania żywności. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji PIB: 63-69
21. Znamirowska A., Zin M. (2003) Historia konserwowania mięsa. Część II. Gosp. Mies., 2: 34
