Wojciech Kozak, Marta Biegańska, Katedra Towaroznawstwa i Ekologii Produktów Przemysłowych, Wydział Towaroznawstwa, Uniwersytet Ekonomiczny w Poznaniu
Współczesny przemysł spożywczy musi sprostać wyszukanym i nieustannie zmieniającym się wymaganiom klientów. Klienci chcą mieć pewność, że żywność będzie bezpieczna, zdrowa, wypro-dukowana z wysokiej jakości surowców, łatwa w przygotowaniu i będzie się charakteryzowała długim okresem przydatności do spożycia. Przy okazji powinna być możliwie naturalna, pozbawiona dodatków, czy też konser-wantów i jak najmniej przetworzona.
Musi być również starannie zapakowana, tak, aby jej opakowanie zwracało uwagę i możliwie dokładnie informowało konsumentów o zawartym w nim produkcie, aby w konsekwencji nakłonić klienta do zakupu.
Spełnienie tych wymagań nie jest proste przy wykorzystaniu tradycyjnych technologii, stąd konieczność poszukiwania coraz to nowych rozwiązań technicznych i technologicznych, które z jednej strony zwiększają bezpieczeństwo produktów spożywczych, z drugiej zaś pozwalają zapewnić i utrzymać ich najwyższą jakość. Producenci żywności wykorzystują do tego celu nowoczesne narzędzia zarządzania, wdrażając systemy zarządzania jakością i bezpieczeństwem żywności, pozwalające na lepszy nadzór nad produkcją i minimalizowanie, a nawet eliminację zagrożeń krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa żywności, a także na śledzenie historii produktów w całym łańcuchu logistycznym. Wprowadzają nowoczesne linie produkcyjne wspomagane i nadzorowane przez systemy komputerowe, pozwalające optymalizować procesy produkcyjne, prowadzić je w kontrolowanych warunkach (np. temperatura), zmniejszać zużycie energii przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności, a także minimalizować straty produkcyjne. Jak się okazuje, to jednak nadal nie wystarczy, dlatego wciąż poszukiwane są nowe rozwiązania pozwalające na jeszcze lepszą kontrolę procesów produkcji, dystrybucji, magazynowania i sprzedaży produktów spożywczych. Jednym z takich rozwiązań są wskaźniki TTI (Time-Temperature Indicators/Integrators) należące do grupy tzw. opakowań inteligentnych. Niniejszy artykuł prezentuje zasadę ich działania oraz rozwiązania dostępne na rynku.
Wskaźniki czasu i temperatury (TTI)
Opakowania aktywne i inteligentne stanowią dużą grupę opakowań, które poddawane są ciągłym innowacjom. To, co je odróżnia to przede wszystkim sposób działania. Opakowania aktywne mają za zadanie zmieniać warunki w opakowaniu tak, aby produkt był dłużej zdatny do spożycia lub miał lepsze właściwości sensoryczne. Natomiast opakowania inteligentne pozwalają na monitorowanie stanu zapakowanego wyrobu i tym samym na ocenę jego jakości podczas transportu i magazynowania. Należą do nich m.in. integratory czasu i temperatury (TTI – ang. Time-Temperature Integrators/Indicators), które stanowią grupę wskaźników umieszczanych na zewnątrz opakowania [1]. Nie mają one bezpośredniego kontaktu z zapakowanym produktem, a jedynie monitorują warunki, w jakich jest on przechowywany.
Wskaźniki TTI są rozpowszechnione przede wszystkim w USA, Japonii i Australii. W Europie natomiast ich stosowanie spotyka się z restrykcyjnymi wymaganiami prawnymi, jakie są stawiane materiałom opakowaniowym mającym kontakt z żywnością. Przykład krajów europejskich wyraźnie pokazuje, że innowacje w opakowalnictwie w znacznym stopniu wyprzedzają zmiany w przepisach prawnych, które zdają się ograniczać wprowadzanie nowych, często lepszych rozwiązań. Obecnie najszerzej stosowanymi sposobami pakowania żywności w Euro-pie jest pakowanie próżniowe i w modyfikowanej atmosferze (MAP). Na drodze do rozpowszechnienia indykatorów TTI stoi jednak coraz bardziej zaostrzające się prawo i luka w przepisach dotyczących opakowań aktywnych i inteligentnych. W USA są one traktowane jak dodatki do żywności i podlegają rygorystycznym testom toksykologicznym. Podobnie jest w Japonii, gdzie każdy nowy środek stosowany w opakowaniach aktywnych lub inteligentnych musi znajdować się na liście Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej; takie substancje muszą być zarejestrowane, jako substancje chemiczne [1].
Rozwoju opakowań, szczególnie inteligentnych nie da się spowolnić, ponieważ jest on wymuszany przez kilka czynników takich, jak:
n coraz wyższe wymagania stawiane przez konsumentów,
n wpływ globalizacji i związane z tym wydłużanie się łańcuchów logistycznych,
n ułatwianie wewnętrznej kontroli zarówno w przedsiębiorstwach produkcyjnych, jak i w handlu detalicznym w całym łańcuchu dostaw [1].
Przyszłe opakowania inteligentne będą przypuszczalnie dostarczać wielu informacji, które będą odczytywane na odległość. Etykiety stosowane na opakowaniach będą mogły składać się z drukowanych układów, które z dowolnego miejsca za pomocą, na przykład RFID, będą podawały trasę dostawy, historię warunków temperaturowych, w jakich znajdował się produkt albo ile czasu pozostało do bezpiecznego spożycia produktu.
Badania naukowe i doświadczenia przemysłu wskazują, że warunki temperaturowe podczas transportu i magazynowania, zwłaszcza produktów mrożonych i chłodzonych często odbiegają od zalecanych. Wiadomo jednak, że właśnie temperatura ma olbrzymi wpływ na okres trwałości produktów spożywczych i niektórych leków [4, 6]. Czas przydatności do spożycia/zużycia określany przez producentów może znacznie odbiegać od stanu rzeczywistego. Przy nie zachowanych odpowiednich warunkach temperaturowych na którymkolwiek z elementów łańcucha logistycznego czas ten może ulec drastycznemu skróceniu. Zastosowanie integratorów TTI pozwoliłoby na wiarygodniejsze określenie terminu przydatności, a także efektywniejsze zarządzanie stanami magazynowymi [6].
Integrator lub wskaźnik czasu i temperatury (TTI) stanowi proste i niedrogie urządzenie obrazujące łatwomierzalną zmianę zależną od czasu i temperatury, która odzwierciedla całość lub fragment temperaturowych warunków przechowywania produktu, do którego opakowania jest przyczepiony [2, 4, 6]. Wskaźniki TTI opierają się na nieodwracalnych zmianach mechanicznych, chemicznych, elektrochemicznych, enzymatycznych lub mikrobiologicznych, które są łatwo widoczne, jak na przykład:
n pojawienie się barwy lub znaku na wskaźniku,
n zmiana zabarwienia wskaźnika,
n ruch barwnej substancji na powierzchni wskaźnika,
n deformacja mechaniczna.
Stopień lub tempo zmian zachodzących w indykatorze jest zależne od temperatury i zwiększa się z jej wzrostem. Widoczna i nieodwracalna zmiana wyglądu wskaźnika przedstawia skumulowany obraz warunków przechowywania produktu, na którego opakowaniu go umieszczono.
Idąc za klasyfikacją Byrne, indykatory TTI można podzielić na trzy rodzaje:
n wskaźniki rozmrożenia,
n integratory czasu i temperatury,
n indykatory/integratory czasu i temperatury.
Istnieje również inna klasyfikacja TTI, która opiera się na informacjach, jakie dany wskaźnik przedstawia. Indykatory temperatury krytycznej (CTI) wskazują wyłącznie fakt, że produkt był narażony na działanie nieodpowiedniej temperatury przez okres wystarczający do wywołania krytycznych zmian związanych z bezpieczeństwem lub jakością produktu. Natomiast CTTI to wskaźniki krytycznej temperatury/czasu przedstawiające czas wystawienia produktu na krytyczne warunki temperaturowe. Są one szczególnie przydatne przy wykrywaniu niezgodności w łańcuchu logistycznym. Wskaźniki TTI z kolei monitorują zmiany temperatury w sposób ciągły i obrazują uśrednioną temperaturę panującą podczas całej dystrybucji [6].
Komercyjne wskaźniki TTI
Monitor Mark® firmy 3M (rys. 1) jest indykatorem, którego działanie opiera się na dyfuzji.
Wraz ze wzrostem temperatury pole odczytu wskaźnika zabarwia się na niebiesko na skutek dyfuzji barwnego estru wzdłuż paska bibuły. Przesuwające się wzdłuż paska niebieskie pole jest łatwe w odczycie. Przypomina
to nieco odczytywanie temperatury z termometru, gdzie w kapilarze przesuwa się rtęć lub inna barwna substancja [3]. Zakresy temperatur stosowania tego wskaźnika są różne w zależności od typu indykatora, a tzw. progi graniczne, powyżej których następuje dyfuzja wynoszą od -15 do 31°C. Również czas działania wskaźnika może być różny: od 24 godzin do 2 tygodni. Wspomniane parametry można odpowiednio regulować stosując inne estry i ich stężenia początkowe. Należy wspomnieć, że aby zapobiec przedwczesnej reakcji Monitor Mark® wymagane jest jego kondycjonowanie w warunkach określonych przez producenta przed aktywowaniem. Proces ten trwa przynajmniej dwie godziny i zapewnia, że barwny ester jest w formie stałej, nie ciekłej, która ulega dyfuzji. Aktywacja wskaźnika polega na zerwaniu paska aktywującego, który oddziela barwny ester od bibuły, a następnie na umieszczeniu integratora na opakowaniu [3, 6]. Przypomina to nieco zrywanie taśmy zabezpieczającej przed przyklejeniem etykiety. Na tym etapie ważne jest, aby opakowanie, do którego mocujemy Monitor Mark® miało temperaturę poniżej progu granicznego wskaźnika. W przeciwnym razie „ciepło” opakowania może spowodować przedwczesne działanie indykatora [6].
Innym rodzajem TTI jest Fresk-Check® firmy Lifelines Inc., którego działanie polega na reakcji chemicznej (polimeryzacji) (rys. 2). Nie podstawione kryształy diacetylenu polimeryzując tworzą barwny polimer [5, 6]. Podczas zachodzącej reakcji chemicznej struktura krystaliczna monomeru (substancji wyjściowej) pozostaje niezmieniona, a tworząca się jednowymiarowa sieć nie zmienia swoich właściwości optycznych. Zatem zmiana zabarwienia wskaźnika Fresk-Check® mierzona jest jako obniżenie się współczynnika odbicia światła i widzialnej zmiany barwy z białej na czarną. Wskaźnik ten umieszczony na opakowaniu produktu ma postać czerwonego lub żółtego okręgu z białym polem, które podczas przechowywania zmienia się na coraz ciemniejsze, informując o świeżości produktu. Kiedy barwa pola osiągnie kolor otaczającego je okręgu, należy szybko spożyć produkt, podczas gdy w przypadku ciemniejszej barwy pola od okręgu produkt jest już nieświeży i nie należy go konsumować [4, 6]. Producent zastrzega jednak, że mimo zmiany barwy indykatora przed upływem nadrukowanej na opakowaniu daty przydatności do spożycia, produkt jest nadal bezpieczny dla konsumenta.
Fresk-Check® jest podobnie jak Monitor Mark® wskaźnikiem samoprzylepnym i wymaga odpowiedniego przechowywania przed umieszczeniem na opakowaniu. Z uwagi na fakt, że jest to indykator działający na zasadzie nieodwracalnej reakcji chemicznej, jest on aktywny już od momentu wyprodukowania. Odpowiednie przechowywanie go w warunkach chłodniczych (musi być głęboko zamrożony) istotnie spowalnia proces polimeryzacji i towarzyszącą mu zmianę barwy wskaźnika [6].
Kolejnym przykładem integratora TTI jest Check-Point® szwedzkiej firmy VITSAB (rys. 3). Za zmianę barwy tego wskaźnika odpowiada reakcja enzymatyczna, a dokładnie kontrolowana enzymatyczna hydroliza tłuszczu, na skutek której zmienia się pH, co wywołuje zmianę zabarwienia wskaźnika. Przed aktywacją integrator składa się z dwóch minisaszetek, w których w jednej umieszczony jest roztwór enzymu lipolitycznego (np. lipaza trzustkowa), a w drugiej tłuszcz (np. tributyryna, tripelargonin) zaabsorbowany na sproszkowanym poli (chlorku winylu) i zawieszony w wodnej mieszaninie związków chemicznych zmieniających barwę w zależności od pH [5, 6]. Podobnie, jak w przypadku Monitor Mark®, również tu dobierając odpowiednie enzymy i tłuszcze można uzyskać wskaźniki o różnych czasach i temperaturach działania. Check-Point® stanowi samoprzylepny integrator TTI, którego aktywacja polega na mechanicznym przerwaniu przegrody oddzielającej obie saszetki, co powoduje mieszanie się składników. Na skutek enzymatycznej hydrolizy tłuszczu spada pH, a mieszanina zmienia kolor z zielonego na żółty lub z białego na różowy w zależności od wskaźnika.
Ciekawym przykładem opakowań inteligentnych, wykorzystujących indykatory TTI są opakowania zaopatrzone w etykiety OnVu firmy BASF (rys. 4). Jest to cała gama etykiet, która spełnia różne zadania w opakowalnictwie, zarówno w przypadku opakowań zbiorczych, jak i jednostkowych. Etykieta OnVu została opracowana przez firmy Ciba i Bizerba, które później stały się częścią BASF. Jej działanie opiera się na stworzonym przez firmę Ciba inteligentnym tuszu, wrażliwym na zmiany temperatury. Element etykiety w postaci jabłka, koła lub termometru (rys. 4) drukowany jest z użyciem inteligentnego tuszu. Aktywacja tuszu (wskaźnika) polega na naświetlaniu promieniami UV, przez co tusz uzyskuje niebiesko-granatową barwę. Z upływem czasu kolor tuszu blednie, a efekt ten przyspiesza podwyższona temperatura. Kiedy kolor tuszu będzie jaśniejszy niż szary kolor obwódki (stanowiącej odniesienie) na etykiecie, oznacza to, że produkt nie nadaje się już do spożycia [7,8].
Z uwagi na to, że OnVu to przede wszystkim wrażliwy termicznie tusz, można go również nadrukowywać bezpośrednio na opakowania lub umieszczać w postaci etykiet samoprzylepnych. Firma BASF w swojej ofercie ma także wskaźnik rozmrożenia OnVu ICE, który informuje o tym, czy produkt został rozmrożony w jakimkolwiek momencie całego cyklu życia (rys. 5). Producent deklaruje, że wskaźniki mają możliwość kalibrowania tak, by odpowiadać szerokiemu zakresowi temperatur, a tusz pozostaje ciemnogranatowy poniżej -18°C [9, 10].
Innym przykładem jest OnVu Logistic przeznaczony do monitorowania rzeczywistych warunków temperaturowych, na jakie wystawiony był produkt. Pozwala to na kontrolę poziomu świeżości w chłodniczym łańcuchu logistycznym, umożliwiając lepsze zarządzanie zapasami i rotowaniem produktów na przykład w magazynach i sklepach. OnVu Logistic może być umieszczany bezpośrednio na opakowaniu jednostkowym, tekturowych opakowaniach zbiorczych, czy paletach [9].
Poza opisanymi powyżej wskaźnikami, firma BASF ma w swojej ofercie również wskaźniki CoolVu, które pokazują bezpieczny czas, w jakim dany produkt może zostać spożyty. Czas ten oczywiście ulega skróceniu na skutek podwyższonej temperatury. CoolVu T&S to odmiana wskaźnika dla produktów mrożonych w czasie magazynowania, a następnie rozmrażanych i przeznaczanych do sprzedaży, jak produkty piekarnicze (różnego rodzaju ciasta), dodatki do pizzy, kiełbasy, owoce morza itp. (rys. 6) [9].
Wskaźniki te mają metalizowaną etykietę z nadrukiem i dodatkową przezroczystą etykietę zawierającą środek do wytrawiania, która po naklejeniu na tę metalową aktywuje wskaźnik. Można je tak skalibrować, aby okres ich działania wynosił od kilku dni do kilku lat. Zatem mogą być wykorzystywane zarówno do produktów o krótkim, jak i bardzo długim terminie przydatności, m.in. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym [9].
BASF wprowadził na rynek również etykiety do nanoszenia na opakowania produktów, w celu optymalizacji rotacji żywności: Coolimark i Coolicemark (rys. 7).
Te etykiety TTI mogą być kalibrowane na okres kilku dni lub godzin w zależności od potrzeb. Charakteryzują się łatwością umieszczania i aktywacji, poza tym nie wymagają wcześniejszego kondycjonowania, a obserwowana zmiana koloru w polu odczytu jest nieodwracalna. Pozwalają one monitorować świeżość produktów w określonych dla nich warunkach temperaturowych, a w przypadku produktów mrożonych informują, czy produkt w całym łańcuchu logistycznym na którymkolwiek etapie był rozmrożony i powtórnie zamrożony (np. lody, mrożone mięso, ryby, warzywa, mrożone dania gotowe) [9].
Przykłady zastosowań TTI
Jednym z pierwszych zastosowań TTI na szeroką skalę było wykorzystanie wskaźnika firmy 3M przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) do monitorowania transportów szczepionek w warunkach chłodniczych [3, 6].
Z kolei produkty spożywcze, do których stosuje się ws
kaźniki TTI, szczególnie w USA, Japonii i Australii to głównie mięso i przetwory mięsne, przetwory mleczne, gotowe sałatki i mieszanki sałat, dipy śmietanowe, ryby i owoce morza, żywność minimalnie przetworzona. Zatem wszelkie produkty, półprodukty, czy dania wrażliwe na zmiany temperatury, które wymagają schłodzenia lub mrożenia w czasie transportu i przechowywania [3,4].
Pierwszą firmą w Europie stosującą opakowania ze wskaźnikami TTI była szwajcarska firma drobiarska Ernst Kneuss Geflügel, która umieszczała etykiety OnVu na opakowaniach kurczaka do grillowania już w 2008 roku [7]. Natomiast na początku tego roku amerykańska sieć supermarketów Geissler’s wprowadziła etykiety OnVu na opakowania mięsa wołowego (mielonego, jak i steków). Firma wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów zaczęła umieszczać wskaźniki TTI na opakowaniach, aby klient miał pewność, że zakupione przez niego mięso jest świeże i bezpieczne do spożycia. Ma to istotne znaczenie biorąc po uwagę fakt, że od momentu włożenia produktu do koszyka na zakupy warunki termiczne jego przechowywania do momentu przygotowania i konsumpcji uzależnione są wyłącznie od kupującego [8].
Warto również nadmienić, że amerykańska firma zajmująca się analizą rynku, MarketsandMarkets szacuje, że ogólnoświatowe obroty związane z opakowaniami inteligentnymi będą wzrastać o 8,2% rocznie do ok. 24 000 mln USD w okresie od 2010 do 2015 roku [7].
Podsumowanie
Przedstawione rozwiązania mogą stanowić doskonałe uzupełnienie dotychczas stosowanych opakowań zwiększając ich funkcjonalność, bezpieczeństwo i zaufanie konsumentów do kupowanych przez nich produktów. Ułatwiają też eliminację z rynku produktów wadliwych lub przeterminowanych, pozwalając producentom uniknąć dotkliwych konsekwencji i „złej sławy” powodujących utratę klientów. Należy się spodziewać, że zaprezentowane rozwiązania będą coraz częściej wykorzystywane. Proces ten będzie tym szybszy, im szybsze będzie dostosowanie ustawodawstwa regulującego wykorzystywanie prezentowanych rozwiązań w przemyśle spożywczym. Drugim czynnikiem, od którego zależeć będzie powodzenie i powszechne wykorzystanie wskaźników TTI będzie ich cena, która, póki co, jest nadal za wysoka i stanowi jeszcze poważne ograniczenie do ich stosowania.
* z ang. Time-Temperature Integrators
