Współczesne opakowanie do żywności powinno zabezpieczać produkt przed zanieczyszczeniem chemicznym i mikrobiologicznym, uszkodzeniem mechanicznym, ale również spełniać wymagania sanitarne. Duży udział w rynku opakowań przeznaczonych do kontaktu z żywnością mają opakowania do owoców i warzyw, świeżych oraz przetworzonych. Obecnie do pakowania świeżych owoców i warzyw powszechnie wykorzystuje się mikro- lub makroperforowane folie z tworzyw sztucznych. Pakowanie w modyfikowanej atmosferze (MAP) tej grupy żywności umożliwiają natomiast materiały charakteryzujące się stosunkowo wysoką barierowością np. PET, PA, EVAL. Właściwości barierowe zastosowanego materiału decydują o zmianie środowiska wewnątrz opakowania, co ma istotny wpływ na szybkość zmian zachodzących w produkcie. Zastosowanie opakowania do świeżych owoców i warzyw o nieodpowiedniej barierowości może być przyczyną rozwoju wielu niekorzystnych procesów, jak np.: obniżenie wartości odżywczych, zmiany sensoryczne, przyspieszenie reakcji brązowienia, utlenienie witamin, a nawet pleśnienie czy gnicie. Owoce i warzywa w warunkach przechowania w procesach oddechowych zużywają tlen i produkują ditlenek węgla (rys. 1.). Zastosowanie opakowania z kontrolowaną wymianą gazową pozwoli na wydłużenie czasu przydatności do spożycia produktów pobierających tlen i emitujących ditlenek węgla.
Opracowanie innowacyjnego materiału opakowaniowego o selektywnej przepuszczalności tlenu i ditlenku węgla dla regionalnych owoców, warzyw oraz sera typu Camembert jest celem międzynarodowego projektu badawczego o akronimie SelectPerm. Projekt „Materiały opakowaniowe do żywności o selektywnej przepuszczalności tlenu i ditlenku węgla (O2/CO2)” realizowany jest przez jednostki naukowo-badawcze z trzech państw: Polski, Niemiec i Belgii w ramach 16 konkursu inicjatywy CORNET (COllective Research NETworking). Polscy uczestnicy projektu to: jako wnioskodawca i koordynator krajowy Polska Izba Opakowań (PIO) oraz wykonawcy: Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (CBIMO) oraz COBRO – Instytut Badawczy Opakowań.
Partnerzy z Niemiec to: PTS (Papiertechnische Stiftung) – koordynator międzynarodowy – oraz wykonawcy: PTS-PTI (Research Performing Organisation), Fraunhofer IVV (Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging), Fraunhofer LBF (Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Realiability), zaś z Belgii (Walonii): CELABOR oraz CERTECH (Centre of Technoligical Resources in Chemistry).
Realizacja projektu SelectPerm obejmuje 8 zadań. Dwa zadania: WP 1 Koordynacja oraz WP 8 Rozpowszechnienie wiedzy, dotyczą kwestii typowo organizacyjnych i zarządczych. Zadania o charakterze badawczym WP 2–7 ujęto w trzy etapy-fazy:
n faza 1. Badanie i modelowanie potrzeb produktów w odniesieniu do wymiany gazowej (WP 2);
n faza 2. Opracowanie i walidacja materiałów opakowaniowych o selektywnej przepuszczalności (WP 3-6);
n faza 3. Analiza rentowności (WP 7).
W ramach zadania WP 2 opracowany zostanie model matematyczny, który pozwoli na obliczenie selektywnej przenikalności tlenu i ditlenku węgla oraz optymalnego ich stosunku przenikalności wytypowanych materiałów opakowaniowych dla wybranych krojonych świeżych owoców i warzyw oraz sera typu Camembert. Model matematyczny będzie na bieżąco weryfikowany i rozwijany z uwzględnieniem zbieranych danych teoretycznych oraz eksperymentalnych przenikalności gazów dla analizowanych materiałów, a także rodzajów przechowywanej żywności oraz prototypowych opakowań. W zadaniu WP 3 przeprowadzony zostanie przegląd literaturowy dotyczący materiałów opakowaniowych charakteryzujących się różną przepuszczalnością gazów: tlenu, ditlenku węgla oraz pary wodnej, z uwzględnieniem:
n polimerów petrochemicznych oraz blend polimerowych; biopolimerów;
n powłok z materiałów celulozowych;
n dodatków (np. zeolity, kompozyty polimerowe).
Zbierane będą również dane dotyczące parametrów oddychania wybranych owoców i warzyw oraz składu wyjściowej atmosfery gazowej (tlenu oraz ditlenku węgla) wewnątrz opakowań świeżych owoców i warzyw. Dla wytypowanych materiałów opakowaniowych oznaczane będą przenikalności tlenu, ditlenku węgla oraz pary wodnej.
W ramach zadania WP 4 w warunkach laboratoryjnych opracowane będą nowe materiały opakowaniowe o wyznaczonym matematycznie stosunku przepuszczalności ditlenku węgla i tlenu. Będą to:
n jednoskładnikowe materiały polimerowe;
n wieloskładnikowe układy zawierające mieszanki polimerowe lub dodatki o określonych parametrach selektywnej przepuszczalności tlenu/ditlenku węgla.
Dla wybranych innowacyjnych materiałów wykonane zostaną prototypy opakowań takich jak: termoformowane tacki, składane pudełka, a także pokrywki do opakowań.
W ramach zadania WP 5 materiały opakowaniowe charakteryzujące się optymalnymi właściwościami barierowymi będą poddane pełnej analizie fizykochemicznej oraz ocenie bezpieczeństwa zdrowotnego, natomiast zgodnie z zadaniem WP 6 sprawdzona zostanie ich biodegradowalność lub kompostowalność. Analiza rentowności produkcji nowoczesnych materiałów o selektywnych właściwościach barierowych wykonana będzie w zadaniu WP 7.
Realizacja projektu SelectPerm
W warunkach transportu oraz przechowywania poszczególne owoce i warzywa wymagają zróżnicowanego zapotrzebowania na tlen oraz wytarzają różną ilość ditlenku węgla i pary wodnej. W tab. 1 przedstawiono dane literaturowe dotyczące składu atmosfery (zawartości tlenu i ditlenku węgla) dla wybranych owoców i warzyw [1].
W zależności od temperatury otoczenia podczas przechowywania poszczególne owoce i warzywa wytwarzają różne ilości ditlenku węgla. W tab. 2. zamieszczono dane dotyczące emisji ditlenku węgla przez wybrane krojone owoce i warzywa w zakresie temperatur od 0 do 23°C [2, 3].
Znajomość danych dotyczących wymiany gazów tlenu i ditlenku węgla w zależności od temperatury przechowywania dla poszczególnych owoców i warzyw stanowiła podstawę tworzenia modelu matematycznego dla opakowania do wybranych krojonych owoców i warzyw. Wyjściowymi zmiennymi w modelu matematycznym były inne parametry takie jak: objętość opakowania, ilość pakowanych owoców/warzyw, rodzaj materiału opakowaniowego. Na podstawie wykonanych już obliczeń dla wybranych owoców stwierdzono, że stosunek przenikalności ditelnku węgla do przenikalności tlenu optymalnych opakowań do warzyw i owoców krojonych powinien wynosić powyżej wartości 5.
Materiały opakowaniowe powszechnie stosowane do pakowania żywności charakteryzują się zróżnicowanymi właściwościami barierowymi. Dane literaturowe dotyczące przenikalności gazów (tlenu, ditlenku węgla oraz pary wodnej) dla polimerów petrochemicznych, biopolimerów oraz monopowłok wykonanych z różnych materiałów: celulozy, polisacharydów, białek oraz wosków przedstawiono w tab. 3-5.
Dobre właściwości barierowe dla tlenu i ditlenku węgla wykazują folie wykonane z PET, PA EVAL oraz następujące materiały stosowane do produkcji powłok: skrobia, soja, gluten pszeniczny. Niską barierę dla tlenu i ditlenku węgla wykazują folie PE, PP, PS, PVC, PC oraz powłoki wykonane z metylocelulozy, chitosanu, wosku Carnauba.
Zebrane dane literaturowe dotyczące zapotrzebowania gazów tlenu i ditlenku węgla dla produktów tzw. oddychających oraz przenikalności gazów: tlenu, ditlenku węgla i pary wodnej dla materiałów opakowaniowych będą wykorzystane w realizacji projektu SelectPerm w zadaniach WP 2–6. Projekt SelectPerm realizowany jest od maja 2014 r. i zakończony będzie w kwietniu 2016 r.
Literatura
[1] C.B. Watkins, J.F. Nock, Production Guide for Storage of Organic Fruits and Vegetables, Department of Horticulture, Cornell University 2012 [http://nysipm.cornell.edu/organic_guide/stored_fruit_veg.pdf].
[2] J.C. Beaulieu, J.R. Gorny, Fresh-Cut Fruits, US Department of Agriculture [http://www.ba.ars.usda.gov/hb66/freshCutFruits.pdf].
[3] M.M. Barth, H. Zhuang, M.E. Saltveit, Fresh-Cut Vegetables US Department of Agriculture [http://www.ba.ars.usda.gov/hb66/freshCutVegetables.pdf].
[4] C. Bastioli, EFP School, Gargnano Maggio, 2009, 54.
[5] L.W. McKeen, Permeability Properties of Plastics and Elastomers, 2nd Edition, Elsevier, 2011.
[6] EVAL Introduction for Geosynthetics 2010, Kurray.
[7] D. Lin, Y. Zhao, „Compresive Revies in Food Science and Food Safety” (6), 60-75, 2007.
[8] N. Peelman, P. Regaert, B. De Meulenaer, D. Adons, R. Peeters, L. Cardon, F. Van Impe, F. Devlieghere, „Trends in food Science & Technology” 32, 128-141, 2013.
[9] Biodegradable Polymers Inspired by Nature: Ecovio, Ecoflex, BASF [http://www.plasticrawmaterials.co.za/basf_pdf/Ecoflex_Brochure.pdf].
[10] J. Bonilla, L. Atares, M. Vargas, A. Chiralt, „Journal of Food Engineering” (110) 208-213, 2012.
[11] S.Y. Chio, S.Y. Lee, Ch. Rhee, „LWT Food Science and Technology” (43), 1234-1239, 2010.
