STRESZCZENIE: Jakość konsumencka wielu produktów rynkowych, zarówno przemysłowych, jak i spożywczych, zależna jest w dużym stopniu od podatności na zmiany wilgotności otoczenia. Nadmierna lub zbyt niska zawartość wilgoci w środowisku przechowywania produktów może powodować negatywne zmiany, np. korozję, gwałtowny rozwój mikroorganizmów (bakterii, pleśni) na powierzchni, wysuszenie, niekorzystne zmiany organoleptyczne. Właściwie dobrane opakowanie może w znaczący sposób wpływać na utrzymanie jakości zapakowanych produktów i finalnie wydłużać termin ich przydatności użycia. Zabezpieczenie produktów poprzez aktywne opakowanie z papieru i/lub tworzyw sztucznych, regulujące i kontrolujące zmiany wilgotności i zawartość wody w produktach jest celem projektu HumidWRAP „Aktywne opakowanie regulujące wilgotność i zawartość wody”. Projekt realizowany jest przez jednostki naukowo-badawcze z Polski, Niemiec i Belgii (Walonii) w ramach 23 konkursu CORNET. Wykonawcami krajowymi są Polska Izba Odzysku i Recyklingu Opakowań (PIOIRO) jako wnioskodawca i koordynator krajowy oraz jako wykonawcy: Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (CBIMO) oraz COBRO – Instytut Badawczy Opakowań.
ABSTRACT: The consumer quality of many market products, both industrial and food, depends to a large extent on the susceptibility to changes in ambient humidity. Excessive or too low moisture content in the product storage environment can cause negative changes such as corrosion, rapid growth of microorganisms (bacteria, mold) on the surface, drying, adverse organoleptic changes. Properly selected packaging can significantly affect the maintenance of the quality of packaged products and ultimately extend the useful life of the packaging. Protecting products through active paper and / or plastic packaging, regulates and controlling moisture changes and water content in products is the goal of the HumidWRAP project "Active packaging that regulates humidity and water content". The project is carried out by R&D units from Poland, Germany and Belgium (Wallonia) as part of the 23 CORNET competition. The national project participants are the Polish Chamber of Recycling and Packaging Recycling (PIOIRO), as the applicant and national coordinator and as contractors: Center of Bioimmobilisation and Innovative Packaging Materials of West Pomeranian University of Technology (CBIMO) and COBRO-Packaging Research Institute.
Jakość konsumencka oraz okres trwałości zapakowanych produktów rynkowych, zarówno przemysłowych, jak i spożywczych, w dużym stopniu zależne są od ich podatności na zmiany wilgotności otoczenia. Na utrzymanie optymalnej zawartości wody w produktach decydujący wpływ mają warunki wewnątrz opakowania, wilgotność i temperatura, a także czas przechowywania. Nadmierna lub zbyt niska zawartość wilgoci obecna w środowisku przechowywania wyrobów może prowadzić do obniżenia ich jakości. Zbyt duża wilgotność może powodować np. korozję lub gwałtowny rozwój drobnoustrojów (bakterii, pleśni, grzybów) na powierzchni, natomiast mała zawartość wilgoci może doprowadzić do niekorzystnego wysychania lub kurczenia się produktów oraz innych negatywnych zmian organoleptycznych i fizykochemicznymi.
Zalecane warunki wilgotności podczas przechowywania dla różnych produktów rynkowych zarówno spożywczych świeżych i mało przetworzonych, jak i niespożywczych: elektroniki, baterii części komputerowych, instrumentów (drewnianych) czy też starych dokumentów i obrazów przedstawiono w tab. 1.
Tematem międzynarodowego projektu badawczego „Aktywne opakowanie regulujące wilgotność i zawartość wody” jest opracowanie innowacyjnego materiału opakowaniowego do formowania aktywnych opakowań o kontrolowanej wilgotności wewnątrz opakowania. Projekt o akronimie HumidWRAP jest realizowany przez naukowo-badawcze ośrodki z Polski, Niemiec i Belgii. Z Polski w projekcie uczestniczą jako wnioskodawca i koordynator krajowy Polska Izba Odzysku i Recyklingu Opakowań (PIOIRO), wykonawcami są: Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (CBIMO) oraz COBRO – Instytut Badawczy Opakowań. Koordynatorem międzynarodowym projektu i zarazem wykonawcą jest PTS (Papiertechnische Stiftung) z Niemiec, a także Instytuty Fraunhofera: IVV (Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging) oraz LBF (Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Realiability). Z Belgii (Walonii) wykonawcami są CELABOR (Centre de Recherche et de Contrôle argoalimentaire, emballage, environnement, papetier et textile) i CERTECH (Centre of Technoligical Resources in Chemistry).
Projekt HumidWRAP jest realizowany w ramach 23 konkursu inicjatywy CORNET (COllective Research NETworking) we współpracy z następującymi przedsiębiorcami – Członkami Komitetu Użytkowników:
– COFFEE SERVICE Sp. z o.o.
– PAKMAR Sp. z o.o.
– PPHU „TEKMAR”
– DRUKARNIA G. C.
– YANKO Sp. z o.o.
Zasadniczymi celami projektu HumidWRAP są:
– poszerzenie wiedzy na temat warunków przechowywania żywności oraz innych produktów wrażliwych na wilgoć;
– poszerzenie wiedzy na temat substancji adsorbujących i uwalniających wilgoć oraz wpływu tych komponentów na kontrolowanie wilgotności w opakowaniach aktywnych;
– opracowanie modelu matematycznego do obliczania wymaganej bariery, właściwości sorpcji i desorpcji opakowania, przy utrzymaniu wewnętrznej atmosfery na określonym poziomie wilgotności.
– otrzymanie opakowań testowych zgodnie z wymogami gospodarki cyrkularnej GOZ oraz wymagań dla opakowań do żywności.
Realizacja projektu międzynarodowego HumidWRAP podzielona jest na 8 zadań:
– WP1 Koordynacja;
– WP2 Oznaczenie i modelowanie potrzeb opakowania;
– WP3 Prace wstępne i opracowanie materiału opakowaniowego;
– WP4 Przetwarzanie materiału i studium przypadków;
– WP5 Charakteryzowanie materiału, wydajność i optymalizacja;
– WP6 Cykl życia;
– WP7 Rentowność;
– WP8 Rozpowszechnianie wiedzy.
Zadania WP1 i WP8 dotyczą organizacji, administrowania oraz zarządzania projektem, zaś pozostałe zadania mają charakter badawczy.
W ramach zadania WP2 przeprowadzono przegląd literatury światowej odnośnie barierowości względem pary wodnej materiałów opakowaniowych oraz różnych substancji chemicznych stosowanych jako regulatory wilgotności, ich izoterm i kinetyk sorpcji w funkcji temperatury i względnej wilgotności. Przykładowe izotermy absorpcji wody dla chlorków litu, sodu i wapnia w funkcji względnej wilgotności zamieszczono na rys 1. [1].
Zebrano dane dotyczące zawartości wilgoci, izoterm i kinetyki
sorpcji wody podczas przechowywania wyrobów piekarniczych, wytypowanych jako produkt docelowy, w różnych warunkach temperatury i wilgotności. Instytut Fraunhofera IVV prowadzi proce nad opracowaniem dynamicznego modelu matematycznego opisującego stan równowagi wilgoci wewnątrz opakowania, w powiązaniu z zawartością wilgoci w przechowywanym produkcie, wilgoci w przestrzeni nad produktem, przepuszczalnością pary wodnej materiału opakowaniowego (rys. 2).
Jako pozostałe zmienne w modelu matematycznym będą uwzględnione następujące parametry: temperatura, czas, przenikalność pary wodnej materiału opakowaniowego oraz warstwy aktywnej (izotermy sorpcji, wydajność i kinetyka sorpcji zastosowanych substancji regulujących wilgotność), a także specyficzne wymagania dla przechowywanego produktu. Model matematyczny odzwierciedlający wymianę wilgoci pomiędzy opakowaniem a produktem będzie weryfikowany na bieżąco, będzie również wykorzystany do optymalizacji geometrii opakowania i materiału opakowaniowego indywidualnie dla określonego produktu wrażliwego na wilgoć.
W następnych etapach projektu (zadania WP3 i WP4) prowadzono prace eksperymentalne w skali laboratoryjnej nad otrzymaniem powłoki dla papieru z wykorzystaniem substancji aktywnych oraz opracowaniem blend polimerów (np.: polietylenu, polipropylenu, PVC oraz biopolimerów) z napełniaczami regulującymi wilgotność.
Jako aktywne materiały absorbujące wilgoć mogą być wykorzystane:
– związki nieorganiczne: krzemiany (kaolin, bentonit, zeolity), chlorki (sodu, potasu, litu, wapnia, cynku, magnezu), bromek wapnia, tlenki (wapnia, baru), węglany (wapnia, magnezu);
– związki organiczne: sorbitol, ksylitol, fruktoza, celuloza i jej pochodne (karboksymetyloceluloza sodowa, potasowa, amonowa);
– związki polimeryczne: polialkohol winylowy, kopolimery skrobi, sole kwasu poliakrylowego, kwas poliakrylowy, chlorowodorek polietylenoiminy.
Opracowano powłoki jednoskładnikowe z funkcją regulacji wilgoci. Testowe powłoki z modyfikowanej skrobi, modyfikowanej celulozy i innych materiałów regulujących wilgotność nakładano na różne podłoża papierowe przekazywane przez partnerów projektu. W ramach zadania WP4 opracowano powłoki wieloskładnikowe poprzez wprowadzenie np. do modyfikowanej skrobi, modyfikowanej celulozy i innych substancji różnych aktywnych związków nieorganicznych. Jako substancje o właściwościach hydrosorpcyjnych do formowania kompozycji powłokowych wykorzystano podstawowo NaCl, CaCl2, bentonit oraz zeolity, dodawane w różnych proporcjach. Wykonano blendy przez zmieszanie różnych tworzyw sztucznych z polielektrolitami o właściwościach sorpcyjnych, a także z dodatkiem nieorganicznych regulujących pochłanianie wody jak NaCl, CaCl2, bentonit, węgiel aktywny. Testowano polimery różniące się polarnością, krystalicznością, elastycznością i temperaturą zeszklania Tg. Nowe materiały analizowano pod kątem kontroli zmian właściwości sorpcyjnych oraz barierowych dla pary wodnej przy określonej wilgotności względnej RH.
Dla wytypowanych testowych materiałów o oczekiwanej przenikalności pary wodnej oraz zoptymalizowanych opakowań, w zadaniu WP5, oznaczone będą właściwości fizyko-mechaniczne, barierowe oraz wykonane testy przechowalnicze z zapakowanym produktem modelowym. Dla materiałów opakowaniowych i opakowań przeznaczonych do kontaktu z żywnością wykonane zostaną testy oceny jakościowej i badania bezpieczeństwa zdrowotnego.
W ramach zadania WP6 dla zoptymalizowanego opakowania z funkcją regulacji wilgotności i zawartości wody przeprowadzona będzie analiza cyklu życia, ocena jego podatności na recykling przez np. kompostowanie. Finalnie z materiału celulozowego z innowacyjną warstwą o własnościach regulowania wilgotności formowane mogą być różne opakowania w zależności od gramatury powlekanego papieru rys. 3.
Rentowność produkcji aktywnego opakowania kontrolującego wilgotność oszacowana będzie w zadaniu WP7. Zadania WP6 i WP7 są realizowane przez partnerów z Niemiec i Belgii.
Czas realizacji projektu HumidWRAP obejmuje 24 miesiące od 1 kwietnia 2018 do 31 marca 2020 r.
Literatura
[1] S. Nakabayashi, K. Nagano, M. Nakamura, J. Togawa, A. Kurokawa, Improvement of water vapor adsorption ability of natural mesoporous material by impregnating with chloride salt for development of a new desiccant filter, Adsorption (2011), 17, 675-686.
Praca finansowana jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju NCBiR.
Monika Kaczmarczyk, Alicja Kaszuba, Jacek Frydrych
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
