Wprowadzenie
Kwestie wymagań w odniesieniu do opakowań żywności w sposób ogólny reguluje Rozporządzenie (WE) Nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością. Definiuje ono również pojęcie opakowań aktywnych, które oznaczają „materiały i wyroby, których zadaniem jest przedłużenie okresu przydatności do sprzedaży lub też zachowanie lub poprawa stanu opakowanej żywności. Z uwagi na ich naturę przewidziano w nich obecność składników, które mogą uwalniać substancje do opakowanej żywności lub jej otoczenia, lub też je absorbować. (…)” [29]. Szczegółowe wymagania w tym zakresie reguluje natomiast Rozporządzenie (WE) Nr 10/2011 w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością, wraz z późniejszymi zmianami [28].
Pakowanie aktywne to rodzaj pakowania, który w sposób kontrolowany zmienia warunki wewnątrz opakowania w celu wydłużenia trwałości żywności, zwiększenia jej bezpieczeństwa lub polepszenia cech sensorycznych, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej jakości [25].
Opakowania antymikrobiologiczne
Opakowania wykazujące zdolność hamowania wzrostu i rozwoju drobnoustrojów bądź też bezpośredniego niszczenia ich komórek budzą szczególne zainteresowanie wśród producentów i przetwórców żywności, ze względu na możliwość kontroli rozwoju mikroflory patogennej oraz powodującej zepsucia w zapakowanych produktach. Funkcja tego rodzaju opakowań polega na ograniczeniu rozwoju niepożądanej mikroflory przez dodanie składnika o działaniu antymikrobiologicznym lub wykorzystanie polimeru wykazującego takie działanie [22]. Ze względu na duży stosunek powierzchni do objętości nanocząsteczki mogą oddziaływać z dużą liczbą komórek, co czyni je bardzo efektywnymi czynnikami redukującymi mikroflorę [21]. Różnego rodzaju nanomateriały zostały przebadane pod kątem aktywności antymikrobiologicznej w odniesieniu do inhibicji wzrostu drobnoustrojów [4], zdolności do zabijania komórek [24, 20] czy efektywności jako nośniki antybiotyków. Ostatni rodzaj aktywności może polegać np. na wykorzystaniu nanocząsteczkek złota powleczonych wankomycyną – antybiotykiem aktywnym wobec gronkowców i enterokoków [12].
Za przykład opakowań antymikrobiologicznych mogą służyć opakowania, do których włączone są nanocząsteczki srebra (tab. 1) czy nanotlenki metali, np. cynku czy magnezu [25]. Jakkolwiek Załącznik 1 Rozporządzenia 10/2011 [28] nie zawiera w swoim wykazie nanocząsteczek srebra jako substancji dopuszczonych, przeprowadzono już szereg badań wykazujących ich korzystne oddziaływanie w obszarze opakowań aktywnych. Dotychczas zaproponowano kilka modeli mechanizmów oddziaływania antymikrobiologicznego nanocząsteczek srebra. Pierwszy z nich polega na ich adhezji na powierzchni komórki, niszczeniu polisacharydów i tworzeniu wgłębień w błonach, co prowadzi do znacznego zwiększenia ich przepuszczalności [31]. Inny mechanizm może polegać na penetracji do wnętrza komórki i uszkadzaniu DNA [19]. Kumar i Munstedt [17] w swoim badaniu potwierdzili hipotezę, iż antymikrobiologiczna skuteczność polimerów zawierających nanocząsteczki srebra może polegać na uwalnianiu jonów Ag+, które przyłączają się do grup będących donorami elektronów w cząsteczkach zawierających siarkę, tlen i azot.
Należy pamiętać także o zagrożeniach związanych z nanocząsteczkami. Duże ich ilości mogą przedostawać się do środowiska naturalnego i kumulować w ekosystemach. W szczególności znany jest niekorzystny wpływ jonów srebra na ekosystemy wodne [27]. Ponadto należy uwzględnić również aspekt toksyczności nanocząsteczek dla ludzi i zwierząt. W związku z bardzo rozwiniętą powierzchnią kontaktową nanocząsteczki mogą wywierać toksyczne efekty w organizmie, mimo iż w naturalnych wymiarach nie stwarzają żadnego zagrożenia [2]. Mały rozmiar i rozwinięta powierzchnia zwiększają zdolność nanocząsteczek do przenikania przez błony komórkowe. W przypadku opakowań antymikrobiologicznych ważnym, lecz jeszcze nie zgłębionym zagadnieniem jest wpływ długotrwałego przyjmowania nanocząsteczek drogą pokarmową na funkcjonowanie mikroflory jelitowej [3].
Dużą zdolnością do niszczenia mikroorganizmów charakteryzują się także nanocząsteczki miedzi, tlenku cynku i magnezu, które w porównaniu do nanosrebra są dużo tańsze, dostępniejsze i bezpieczniejsze w stosowaniu, a przy tym wykazują większą zdolność inhibicji wzrostu mikroflory [4, 9, 13]. Tlenek cynku wykazuje aktywność antybakteryjną, która jest tym wyższa, im mniejszy jest rozmiar cząsteczki. Dokładny mechanizm działania nie jest jeszcze dobrze poznany [27]. Za inne rozwiązanie może służyć wykorzystanie nanorurek węglowych. Poprawiają one właściwości mechaniczne materiału i wykazują silny efekt antymikrobiologiczny. Zostało to udowodnione na przykładzie bakterii E. coli – pałeczki giną natychmiast po kontakcie z agregatami nanorurek. Mechanizm działania polega na tym, iż cienkie, długie nanorurki wbijają się w komórkę bakterii, powodując jej zniszczenie [16].
Opakowania aktywnie usuwające tlen z otoczenia produktu
Tlen jest gazem odpowiedzialnym za pogorszenie jakości wielu produktów żywnościowych, zarówno w sposób pośredni, jak i bezpośredni. Bezpośrednie reakcje utleniania skutkują m.in. brązowieniem owoców czy jełczeniem tłuszczów roślinnych. Obniżenie jakości żywności wskutek pośredniego oddziaływania tlenu obejmuje jej zepsucie powodowane rozwojem mikroorganizmów tlenowych. Wytwarzanie opakowań o zdolności usuwania tlenu umożliwia uzyskanie niskich stężeń tego gazu w otoczeniu produktu i przedłużenie jego trwałości [5]. Jednym z osiągnięć nanotechnologii w tym zakresie jest wykorzystanie fotokatalitycznej aktywności nanokrystalicznego tlenku tytanu w obecności promieni UV. Nanocząsteczki tego związku mogą być dodane do różnych polimerów i zastosowane do pakowania szerokiej gamy produktów wrażliwych na tlen. Główną wadą mechanizmu fotokatalitycznego jest konieczność stosowania lamp UV [23].
Naukowcy z Nordic Innovation Centre w 2008 roku przedstawili projekt aktywnej powłoki, której zadaniem było usuwanie tlenu na drodze reakcji enzymatycznej wymagającej obecności tego gazu, zaadsorbowanego fizycznie na mineralnych nanocząsteczkach dwutlenku tytanu. Powłoka może być naniesiona na papier bądź tworzywo sztuczne i po procesie powlekania i zadruku opakowań nie traci aktywności po 100 dniach przechowywania. Tak wytworzone aktywne opakowania istotnie zredukowały poziom oksydacji mielonego mięsa wieprzowego, jednak w odniesieniu do innych badanych produktów w warunkach eksperymentalnych nie odnotowano znaczącej redukcji poziomu utlenienia [14].
Systemy unieruchamiania enzymów
Odrębną grupą opakowań aktywnych są systemy unieruchamiania enzymów w matrycy polimerowej. Enzymy są powszechnie stosowane w przemyśle spożywczym, ale w niektórych przypadkach bezpośrednie zastosowanie enzymu jest ograniczone jego wrażliwością na warunki przetwarzania lub obecność składników, które mogą wykazywać wobec niego działanie inhibitujące. Skutkuje to obniżeniem aktywności lub inaktywacją enzymu. Dzięki unieruchomieniu na odpowiednio dopasowanych nośnikach, można uzyskać większą stabilność enzymu w różnych warunkach pH i temperatury, odporność na proteazy i czynniki denaturujące, a także możliwość jego kontrolowanego uwalniania [15]. Włączenie w strukturę materiału opakowaniowego enzymów takich jak laktaza czy reduktaza cholesterolu może zwiększać wartość produktu żywnościowego, a także zwiększać asortyment żywności skierowanej do konsumentów z problemami zdrowotnymi o podłożu enzymatycznym [8].
Nanotechnologia stwarza możliwość istotnej poprawy wydajności systemów unieruchamiania enzymów ze względu na zwiększenie powierzchni kontaktu, a także poprawienie wymiany masy, czyli prawdopodobnie dwóch najważniejszych czynników wpływających na efektywność działania takich systemów [6]. Do tej pory wytworzono już dużą ilość materiałów mogących służyć jako nośniki dla biomolekuł. Nieorganiczne związki, takie jak nanoglinki, wykazują duże powinowactwo do białek i mogą być wykorzystywane jako nośniki enzymów, dlatego w bliskiej przyszłości można się spodziewać produkcji aktywnych nanokompozytów, zdolnych do adsorpcji i następnie kontrolowanego uwalniania enzymów [11].
Podsumowanie
Technologia nanokompozytów polimerowych stanowi klucz do nowoczesnego aktywnego pakowania, które w sposób szczególny pozwala na realizację podstawowego celu pakowania żywności, jakim jest zwiększenie jej trwałości przez ograniczanie oddziaływania czynników powodujących zepsucie, zabezpieczenie przed mikroflorą patogenną i jej ewentualną redukcję, oraz minimalizacja utraty składników odżywczych, głównie wskutek utleniania. Szereg badań wskazuje na potencjał wykorzystania nanocząsteczek w opakowaniach żywności, jednak zanim technologia ta zostanie wdrożo
na i stosowana powszechnie, konieczne jest przebadanie projektowanych nanomateriałów pod kątem wpływu na bezpieczeństwo ludzi i środowiska naturalnego.
Bibliografia
[1] An J., Zhang M., Wang S., Tang J. 2008. Physical, chemical and microbiological changes in stored green asparagusspears as affected by coating of silver nanoparticles-PVP. LWT – Food Sci. Technol., 41 (6), 1000-1007
[2] Chau C.-F., Wu S.-H., Yen G.-C. 2007. The development of regulations for food nanotechnology. Trends Food Sci Tech, 18 (5), 269-280
[3] Chaudhry Q. 2010. Food applications of nanotechnologies – an overview of potential benefits and risks. [w:] Huyghebaert A., van Huffel X., Houins G (red.): Nanotechnology in the food chain. Opportunities & risks. Materiały z międzynarodowej konferencji, 24 listopada 2010, Bruksela
[4] Cioffi N., Torsi L., Ditaranto N., Tantillo G., Ghibelli L., Sabbatini L., Bleve-Zacheo T., D’alessio M., Zambonin P. G., Traversa E. 2005. Copper nanoparticle/polymer composites with antifungal and bacteriostatic properties. Chem. Mater., 17 (21), 5255-5262
[5] De Azeredo H. M. C. 2009. Nanocomposites for food packaging applications. Food Res. Int., 42 (9), 1240-1253
[6] Fernandez A., Cava D., Ocio M. J., Lagaron J. M. 2008. Perspectives for biocatalysts in food packaging. Trends Food Sci. Tech., 19 (4), 198-206
[7] Fernandez A., Picouet P., Lloret E. 2010. Cellulose-silver nanoparticle hybrid materials to control spoilage-related microflora in absorbent pads located in trays of fresh-cut melon. Int. J. Food Microbiol, 142 (1-2), 222-228
[8] Fernandez A., Soriano E., Lopez-Carballo G., Picouet P., Lloret E., Gavara R., Hernandez-Munoz P. 2009 Preservation of aseptic conditions in absorbent pads by using silver nanotechnology. Food Res. Int., 42 (80), 1105-1112
[9] Foltynowicz Z. 2006. Nanotechnologia wkracza do opakowalnictwa. Ważenie, Dozowanie, Pakowanie, 22 (3), 58-59
[10] Gontard N., Guillaume C. 2010. Packaging and the Shelf Life of Fruits and Vegetables. [W:] Food Packaging and Shelf Life. A Practical Guide. Red. Robertson G. L. Wyd. CRC Press Taylor&Francis Group, Boca Raton, s. 309
[11] Gopinath S., Sugunan S. 2007. Enzymes immobilized on montmorillonite K 10: effect of adsorption and grafting on the surface properties and the enzyme activity. Applied Clay Sci., 35 (1-2), 67-75
[12] Gu H. W., Ho P. L., Tong E., Wang L., Xu B. 2003. Presenting vancomycin on nanoparticles to enhance antimicrobial activities. Nano Letters, 3 (9), 1261-1263
[13] Han W., Yu Y., Li N., Wang L. 2011. Application and safety assessment for nano-composite materials in food packaging. Chinese Sci. Bull., 56 (12), 1216-1225
[14] Jarnstrom L., Antvorskov H., Gumundsson M., Jansson A., Jonsson L., Kela T., Kuusipalo J., Leufven A., Sivertsvik M. 2008. Oxygen scavenging and aroma affecting enzymes embedded in barrier coatings. Konferencja Nanotech Northern Europe, 23-25 września 2008, Kopenhaga
[15] Kandimalla V. B., Tripathi V. S., Ju H. 2006. Immobilization of biomolecules in sol–gels: biological and analytical applications. Crc Cr. Rev. Anal. Chem., 36 (2), 73-106
[16] Kang S., Pinault M., Pfefferle L. D., Elimelech M. 2007. Single-walled carbon nanotubes exhibit strong antimicrobial activity. Langmuir,, 23 (17), 8670-8673
[17] Kumar R., Munstedt H. 2005. Silver ion release from antimicrobial polyamide/silver composites. Biomaterials, 26 (14), 2081-2088
[18] Li H., Li F., Wang L., Sheng J., Xin Z., Zhao L., Xiao H., Zheng Y., Hu Q. 2009. Effect of nano-packing on preservation quality of Chinese jujube (Ziziphus jujuba Mill. var. inermis (Bunge) Rehd). Food Chem., 114 (2), 547-552
[19] Li Q., Mahendra S., Lyon D. Y., Brunet L., Liga M. V., Li D., Alvarez P. J. J. 2008. Antimicrobial nanomaterials for water disinfection and microbial control: potential applications and implications. Water Res., 42 (18), 4591-4602
[20] Lin Y. J., Li D. Q., Wang G., Huang L., Duan X. 2005. Preparation and bactericidal property of MgO nanoparticles on γ-Al2O3. J. Mater. Sci.: Mater. M., 16 (1), 53-56
[21] Luo P. G., Stutzenberger F. J. 2008. Nanotechnology in the detection and control of microorganisms. Adv. Appl. Microbiol, 63, 145-181
[22] Martyn A., Targoński Z. 2010. Antymikrobiologiczne opakowania żywności. ŻYWNOŚĆ. Nauka, Technologia. Jakość., 5 (72), 33-44
[23] Mills A., Doyle G., Peiro A. M., Durrant J. 2006. Demonstration of a novel, flexible, photocatalytic oxygen-scavenging polymer film. J. Photoch. Photobio. A, 177 (2-3), 328-331
[24] Qi L. F., Xu Z. R., Jiang X., Hu C., Zou X. 2004. Preparation and antibacterial activity of chitosan nanoparticles. Carbohyd. Res., 339 (16), 2693-2700
[25] Rhim J.-W., Ng P. K. W. 2007. Natural Biopolymer-Based Nanocomposite Films for Packaging Applications. Crc Cr. Rev. Food Sci., 47 (4), 411-433
[26] Rodriguez A., Nerin C., Batlle R. 2008. New cinnamon-based active paper packaging against Rhizopusstolonifer food spoilage. J. Agr. Food Chem., 56 (15), 6364-6369
[27] Robinson D. K. R, Morrison M. J. 2010. Nanotechnologies for food packaging. Reporting the science and technology research trends. [dostęp: 14.02.2013r], Dostępny w Internecie http://www.observatorynano.eu/project/filesystem/files/Food%20Packaging%20Report%202010%20DKR%20Robinson.pdf
[28] Rozporządzenie Komisji (WE) nr 10/2011 z dnia 14 stycznia 2011 r. w sprawie materiałów i wyrobów z tworzyw sztucznych przeznaczonych do kontaktu z żywnością. Dz. Urz. UE L. 12 z 15.01.2011 r.
[29] Rozporządzenie (WE) Nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością
[30] Sanpui P., Murugadoss A., Prasad P. V. D., Ghosh S. S., Chattopadhyay A. 2008. The antibacterial properties of a novel chitosan–Ag-nanoparticle composite. Int. J. Food Microbiol., 124 (2), 142-146
[31] Sondi I., Salopek-Sondi B. 2004. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria. J. Coll. Interf. Sci, 275 (1), 177-182
