Przemysł spożywczy ze względu na swą dynamikę rozwoju w zakresie tworzenia różnych produktów wykreował w ostatnich latach zupełnie nowe potrzeby dotyczące produkcji opakowań. Powoduje i powinien wywoływać w najbliższym czasie zwiększony popyt na różnego rodzaju opakowania z tworzyw sztucznych. Są to opakowania wypierające często w coraz szerszym stopniu tradycyjne opakowania z papieru, tektury, blachy czy szkła, których głównymi funkcjami są ochrona zapakowanego produktu, ułatwianie przemieszczania, magazynowania oraz oddziaływanie na percepcję konsumenta.
Zwiększony popyt na tego rodzaju opakowania jest uzasadniony ze względów nie tylko ekonomicznych, ale i funkcjonalnych [3, 8, 15]. Wzrost zainteresowania producentów żywności nowymi rozwiązaniami dotyczącymi tworzyw sztucznych jest spowodowany większymi wymaganiami ze strony konsumentów, którzy oczekują, że opakowania będą spełniać wiele funkcji [20]. Producenci opakowań poszukują zatem rozwiązań, które umożliwią polepszenie własności materiałów opakowaniowych takich jak: odpowiednia barierowość w stosunku do gazów, ochrona przed promieniowaniem UV, przedłużenie okresu przechowywania, przezroczystość i w końcu ekologiczność [30]. Kiedyś prawie wszystkie artykuły spożywcze pakowano w opakowania z papieru, który nie stanowił dobrego zabezpieczenia żywności podczas przechowywania. Obecnie znane są właściwości tworzyw, które pozwalają na dostosowanie konkretnego tworzywa sztucznego do odpowiedniego produktu spożywczego czy surowca w zależności od tego, w jakiej formie ma być przechowywany, transportowany bądź eksponowany w ladzie chłodniczej [14, 15]. Dobór odpowiedniego materiału i formy opakowania dla konkretnego produktu spożywczego zależy od wielu czynników. Najważniejsze wśród nich są czynniki związane bezpośrednio z właściwościami fizykochemicznymi pakowanego produktu. Należą do nich np.: skład chemiczny, stan fizyczny, w jakim występuje produkt, jego tekstura, porowatość, a także czas przechowywania i warunki, w jakich będzie przebywał do momentu spożycia przez konsumenta. Bardzo istotna jest również znajomość procesów (mechanizmów) oraz czynników stymulujących przemiany fizyczne, chemiczne, biochemiczne i biologiczne zachodzące w produkcie podczas przechowywania, powodujące ograniczenie jego przydatności do spożycia. Przy projektowaniu właściwego opakowania [30] muszą być brane pod uwagę również parametry procesu technologicznego podczas pakowania na linii produkcyjnej, np. temperatura lub ciśnienie. Trzeba także uwzględniać sposób i warunki, w jakich produkt będzie transportowany do odbiorców. W tym przypadku chodzi przede wszystkim o przewidywanie potencjalnych narażeń mechanicznych, oddziałujących na opakowanie i zawarty w nim produkt [4, 6, 12].
W ostatnich latach obserwuje się duże zainteresowanie nowymi koncepcjami rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych opakowań artykułów spożywczych [30]. Najważniejszą funkcją tych opakowań jest ochrona produktu przed zanieczyszczeniem mikrobiologicznym i chemicznym, bezpośrednim kontaktem z tlenem atmosferycznym, parą wodną i światłem. Inteligentne opakowanie umożliwia monitorowanie warunków, w jakich znajduje się zapakowana żywność, w celu dostarczenia informacji o jej jakości podczas transportu i magazynowania [5]. Takie opakowanie spełnia następujące funkcje: wykrywanie, zapisywanie, śledzenie, a przede wszystkim zastosowanie naukowej logiki w celu ułatwienia podejmowania decyzji dotyczących przedłużenia trwałości produktu, poprawy jego jakości, dostarczenia informacji i ostrzeżenia przed możliwymi zagrożeniami [2, 5, 22]. Inteligentne opakowania nie oddziałują bezpośrednio na pakowaną żywność, czyli nie zostają uwalniane jego składniki do opakowania, w którym znajduje się produkt spożywczy,? a jedynie dostarczają one odpowiednio konsumentowi, sprzedawcy czy producentowi informacje o stanie, w jakim się znajduje dany produkt [20]. Rozwinęły się one jako odpowiedź na preferencje konsumentów poszukujących produktów żywnościowych nieznacznie utrwalonych, świeżych, smacznych, wygodnych i o wydłużonym okresie przydatności do spożycia (pieczywo, przetwory mięsne, owocowe i produkty mleczne) [13]. Ponadto zmiany w sprzedaży detalicznej, takie jak np. globalizacja rynków i związana z tym dystrybucja towarów na duże odległości, przyczyniły się do zmian w koncepcji opakowań, tj. między innymi do wydłużenia czasu przydatności do spożycia przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa i odpowiedniej jakości zapakowanej żywności. Działanie opakowań inteligentnych jest związane z użyciem interaktywnych wskaźników, najczęściej barwnych [1, 21, 25], umożliwiających ocenę jakości produktu spożywczego (np.: mięsa, wędlin, ryb, tortilli, gotowych kanapek, owoców, warzyw i ich przetworów) [4, 23]. Ostrzegając, opakowania te wskazują, kiedy żywność jest przechowywana w nieodpowiedniej temperaturze lub gdy uległa zepsuciu. Wyróżnia się dwa rodzaje opakowań inteligentnych: jedne bazują na pomiarze warunków na zewnątrz opakowania, a drugie mierzą bezpośrednio jakość żywności, czyli warunki panujące wewnątrz opakowania.
Na rynkach światowych znane są obecnie następujące rodzaje opakowań inteligentnych, zawierających [9, 23]:
n integratory czasu i temperatury (TTI) [7];
n wskaźniki świeżości [18, 20];
n wskaźniki nieszczelności.
Temperatura jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o pojawieniu się w produktach spożywczych niekorzystnych zmian fizykochemicznych i drobnoustrojów [20]. W żywności przechowywanej w temperaturze wyższej aniżeli jest to zalecane zachodzi gwałtowne zwiększenie się flory bakteryjnej. Zwykle produkt ulega zepsuciu przed upływem terminu jego przydatności do spożycia [3, 22]. Wskaźniki, czyli integratory czasu i temperatury (TTI) są stosowane w celu nieustannego monitorowania aktualnej temperatury produktu oraz jego środowiska. Zasada działania wskaźnika TTI polega na nieodwracalnej zmianie jego właściwości pod wpływem działania temperatury wyższej od wartości zadanej lub w wyniku efektu cieplnego, skumulowanego w czasie przechowywania i transportu. Następstwem tej zmiany jest proporcjonalny do jej natężenia efekt wizualny, wyrażający się najczęściej przebarwieniem pola etykiety. Jest to szczególnie istotne w przypadku mrożonek (owoce, warzywa) i produktów chłodzonych (margaryny, przetwory mleczne używane w cukiernictwie i piekarnictwie). Pozwalają one m.in. zarejestrować fakt przejściowego rozmrożenia produktu, przez co wskaźnik zmienia swoją barwę, informując o zmianie środowiska [19, 20, 23, 26, 28].
Drugi typ TTI umożliwia monitorowanie wszelkich odstępstw od optymalnej temperatury w całym okresie dystrybucyjnym, jednocześnie sumując ich natężenie i czas występowania. Sygnał integratora pośrednio informuje o skróceniu bezpiecznego dla jakości dopuszczalnego okresu przechowywania. Wskaźniki czasu i temperatury, aby były skutecznym narzędziem służącym do monitorowania żywności, muszą spełniać określone wymagania, m.in. takie jak łatwość aktywacji, precyzja i dokładność pomiaru. Wskazania muszą być nieodwołalne, odtwarzalne i zależne od zmian zachodzących w żywności, muszą też być czytelne i nie mogą wprowadzać w błąd użytkownika. Wskaźniki czasu i temperatury od momentu aktywacji wizualizują historię czasowo-temperaturową produktu spożywczego poprzez zmianę barwy lub przemieszczenie się barwnika [20]. Barwa wskaźnika ulega zmianie w momencie, gdy opakowanie osiągnie uprzednio założoną pojemność cieplną [9, 14].
Obecnie na świecie najbardziej znane są trzy rodzaje integratorów [2, 5, 22]:
n Life Line, w których zachodzi chemiczna polimeryzacja powodująca zmianę wyglądu okrągłego okna na etykiecie (tzw. bawolego oka) wskutek postępującego od centrum ciemnienia. Jest to popularny wskaźnik świeżości
produktów [24]. Składa się z polimeru znajdującego się wewnątrz koła otoczonego pierścieniem wzorcowym. Ciemniejsza barwa polimeru w części centralnej informuje konsumenta, że produkt nie nadaje się do spożycia bez względu na termin ważności, który jest umieszczony na opakowaniu.
n 3M Monitor Mark, który sygnalizuje zmianę za pomocą barwnego pierścienia (lub paska) przesuwającego się na białym tle [26]. Jest to efekt fizycznej dyfuzji roztworu o zmienionej chemicznie barwie. Podczas przechowywania w odpowiednich (zalecanych przez producenta produktu spożywczego) warunkach wskaźnik jest biały. Wskaźnik tego rodzaju sygnalizuje moment osiągnięcia przez produkt temperatury wyższej niż jest to zalecane w celu zachowania przez niego odpowiedniej jakości. O przekroczeniu progu temperatury właściwej dla produktu świadczy czerwony lub niebieski kolor wskaźnika. Wskaźniki pokazują także, jak długo produkt znajdował się poza wymaganym zakresem temperatury. Różnią się natomiast między sobą zakresem temperatury, w jakim produkty mogą być przechowywane oraz czasem ich działania od momentu aktywacji [26].
n Etykieta Vitsab (Visual Indicator Tag System AB), której działanie opiera się na enzymatycznej hydrolizie tłuszczów, prowadzącej do zmiany barwy sygnalizatora [27]. Aktywacja wskaźnika następuje przez zniszczenie przegrody pomiędzy dwoma elementami, czyli pomiędzy płynem zawierającym lipolityczny enzym (lipazy) a jego lipidowym substratem i wskaźnikiem pH. Wraz ze zmianą pH dodany do systemu barwnik zmienia zabarwienie z zielonego na jaskrawożółte czy też pomarańczowoczerwone. Jest wskaźnikiem dostarczającym pełnej informacji o wszelkich zmianach i odstępstwach od optymalnych warunków temperaturowych w całym cyklu dystrybucyjnym [27].
Wskaźniki TTI są już obecnie stosowane w wielu krajach Europy w opakowaniach żywności wymagającej chłodzenia zarówno w transporcie, jak i w ladach sklepowych. Samoprzylepne etykiety można spotkać m.in. na opakowaniach ze świeżymi kanapkami, tortillami, sałatkami, przetworami mięsnymi i mlecznymi [2].
Drugą grupę opakowań inteligentnych stanowią wskaźniki świeżości, które różnią się od wskaźników TTI głównie tym, że jakość produktu sygnalizują przez bezpośrednie reagowanie na zmianę składu atmosfery panującej w wewnętrznej przestrzeni opakowania (np. w przypadku pakowania pieczywa w MAP) lub na zmiany zachodzące na powierzchni samego produktu [1, 28, 29]. Ich działanie opiera się zazwyczaj na wykrywaniu obecności metabolitów mikroorganizmów takich jak: dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, amoniak, aminy, siarkowodór, kwasy organiczne, etanol, toksyny i enzymy [20]. W metodzie tej stosuje się głównie elektroniczne i optyczne detektory, a także barwne związki tworzące się w reakcji z substancją wchłanianą z wnętrza opakowania [18, 20]. Spośród proponowanych rozwiązań najszersze zastosowanie znalazły etykiety Fresh Tag. Zawierają one wkładkę z tworzywa sztucznego z zamocowanym w jej wnętrzu pierścieniem (od strony opakowania). Pierścień zawiera opatentowaną substancję chemiczną, będącą w bezpośrednim kontakcie z gazami dyfundującymi z wnętrza opakowania i tworzy barwną reakcję z lotnymi aminami obecnymi w gazie [2, 4, 15]. Wraz ze wzrostem stężenia amin jaskrawożółta plama ulega przesunięciu na termometrycznej skali pierścienia, określając aktualną jakość produktu spożywczego. Powstały również systemy reagujące na różnego rodzaju bakterie takie jak Salmonella, Campylobacter czy Escherichia coli.
Ostatnią grupę opakowań inteligentnych stanowią wskaźniki nieszczelności. W opakowaniu, które jest nieszczelne, zmniejsza się zabezpieczające oddziaływanie zmodyfikowanej atmosfery na produkt i wzrasta niebezpieczeństwo mikrobiologicznego zanieczyszczenia przez zwiększoną podatność produktu na niebezpieczne dla zdrowia człowieka mikroorganizmy. Wskaźniki pomiaru zawartości tlenu i ditlenku węgla (CO2) w opakowaniu, przykładowo: Ageless Eye oraz Tell-Tab Oxygen Indicator jako wskaźniki nieszczelności, mogą być użyte do monitorowania jakości m.in. produktów spożywczych (mięso, pieczywo) [1, 17, 10]. Zasada działania tego rodzaju wskaźników jest oparta na zmianie ich koloru w wyniku reakcji chemicznej lub enzymatycznej. Wskaźnik w warunkach beztlenowych ma barwę różową, a przy dostępie tlenu w ciągu kilku minut ulega zmianie i zmienia zabarwienie na niebieskie. Najczęściej stosowanym barwnikiem redukująco-utleniającym we wskaźnikach nieszczelności w odniesieniu do tlenu jest niebieski metylen. Wskaźniki te muszą kontaktować się ze środowiskiem gazu wewnątrz opakowania i dlatego pozostają w bezpośrednim kontakcie z żywnością. Reakcje są jednak odwracalne przy zmianie warunków na beztlenowe [15, 22].
Ciekawym przykładem inteligentnego opakowania są konstrukcje sygnalizujące rozpoczynające się w opakowaniu procesy gnilne. Obecnie w fazie badań znajdują się czujniki, które zmianą barwy informowałyby o pojawieniu się nawet bardzo niewielkich ilości amin powstających w wyniku rozkładu białka [2]. Opracowywane są także indykatory, reagujące na pojawienie się w produkcie choćby śladowych ilości toksyn wytwarzanych przez mikroorganizmy. Innym przykładem specyficznych indykatorów wzrostu bakteryjnego, użytecznych w opakowaniach inteligentnych, są systemy indukujące i wykrywające wybrane enzymy zewnątrzkomórkowe. Takie rozwiązanie nie było jeszcze praktycznie wykorzystane, chociaż doczekało się już patentu. Omawiane systemy, przeznaczone do kontroli jałowości żywności w hermetycznych opakowaniach, wykorzystują np. wykrywanie specyficznej proteazy. Opracowano też czujniki sterylności przeznaczone do opakowań z odżywkami dla niemowląt, oparte na wykrywaniu amylazy [5, 15, 22].
Według prognoz ekspertów powstające generacje opakowań inteligentnych stanowią przyszłość opakowalnictwa żywności. Powszechna jest również opinia, że opakowania aktywne i inteligentne w połączeniu z pakowaniem w kontrolowanej i modyfikowanej atmosferze mogą w przyszłości wywrzeć znaczący wpływ na rozwój przemysłu spożywczego [11]. Zatem wraz z rozwojem technologii, które pozwalają na obniżanie kosztów produkcji oraz dzięki zmianom legislacyjnym należy się spodziewać szerszego upowszechnienia opakowań inteligentnych.
Piśmiennictwo:
1. Brody A.L., Strupinsky P.E., Kline L.R., 2001: Active packaging for food applications, CRS Press LLC Boca Raton
2. Czajkowska D., 2005: Inteligentne i aktywne opakowania do żywności, Przemysł Spożywczy, (8), 88-92
3. Czerniawski B., 1999: Nowoczesne systemy pakowania żywności, Opakowanie, (10), 6-9
4. Czerniawski B., Michniewicz J., 1998: Opakowania żywności, Agro Food Technology Sp. z o.o., Czeladź
5. Dainelli D., 2005: Aktive und intelligente Systeme, Fleischwirtschaft, (4), 72-74
6. Gajewska-Szczerbal H., 2005: Pakowanie mięsa i przetworów mięsnych, Gospodarka Mięsna, (9), 60-65
7. Galagan Y., Su W.-F., 2008: Fadable Ink for time-temperature control of food freshness: Novel New time-temperature indicator, Food Research International, (41), 653-657
8. Gertig H., Duda G., 2004: Żywność a zdrowie i prawo, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa
9. Górska-Warsewicz H., 2003: Opakowania na rynku żywności, Przemysł Spożywczy, (8), 66-67
10. Heldman D. R., 2003: Encyclopedia of Agricultural, Food and Biological Engineering. Marcel Dekker Inc., New York
11. Juśkiewicz M., Panfil-Kuncewicz H., 1999: Materiały opakowaniowe i opakowania stosowane w przemyśle spożywczym, Wydawnictwo ART, Olsztyn
12. Kačeňaˇk I., Dandar A., Sekretaˇr S., 2005: Nowoczesne sposoby pakowania a ich wpływ na jakość i trwałość produktów, Przemysł Spożywczy, (9), 20-25, 40
13. Korzeniowski A., Foltynowicz Z., Kozak W., 2002: Efektywne pochłaniacze tlenu do opakowań produktów spożywczych, Przemysł Spożywczy, (9), 30-31
14. Lisińska-Kuśnierz M., Ucherek M., 2003: Współczesne opakowania
, Wydawnictwo Naukowe PTTŻ, Kraków
15. Makała H., 2010: Trendy na rynku opakowań do żywności, Opakowanie, (11), 23-25
16. Mieliwodzka M., 1999: Opakowania aktywne, Przemysł Fermentacyjny i Owocowo-Warzywny, (8), 2-4
17. Mills A., 2005: Oxygen indicators and intelligent inks for packaging food, Chemical Society Reviews, 34, 1003-1011
18. Pacquit A., Frisby J., Diamond D., Lau K., Farrell A., Qulity B., Diamond D., 2007: Development of smart packaging for the monitoring of fish spoilage, Food Chemistry, 102, 466-470
19. Panfil-Kuncewicz H., Kuncewicz A., 2001: Opakowania aktywne, Przemysł Spożywczy, (8), 72-76
20. Robertson G.L., 2006: Food packaging principles and practice, CRC Press Taylor&Francis Group, Boca Raton
21. Smolander M., Hurme E., Latva-Kala K., Luoma T., Alakomi H.-L., Ahvenainen R., 2002: Myoglobin-based indicators for the evaluation of freshness of unmarinated broiler cuts, Innovative Food Science and Emerging Technologies, 3, 279-288
22. Trzcińska M., 2007: Opakowania aktywne i inteligentne, Przegląd Piekarski i Cukierniczy, (07), 4-7
23. Ucherek M., 2002: Nowa generacja systemów pakowania z zastosowaniem opakowań interaktywnych, Opakowanie, (9), 10-13
24. www.lifelinestechnology.com
25. www.ripesense.com
26. www.tiptemp.com
27. www.vitsab.com
28. Zin M., Miazga R., 2004: Najnowszy system pakowania mięsa, Gospodarka Mięsna, (7), 34-36
29. Zmarlicki S., 2001: Postęp w zakresie pakowania żywności w modyfikowanej atmosferze oraz pakowania aktywnego, Magazyn Przemysłu Spożywczego, 6, (16), 28-32
30. Żakowska H., 2009: Nowe kierunki w produkcji opakowań związane z wymaganiami ochrony środowiska. Konferencja Instytutu Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego, Oddział Chłodnictwa i Jakości Żywności, Technologia, technika i jakość w polskim przemyśle chłodniczym, Spała 26-27 listopada
