Właściwości aktywne folii biopolimerowych na bazie furcelleranu. Nowe podejście do opakowalnictwa produktów spożywczych

Aktualnie istnieje ogromna potrzeba wytworzenia bezpiecznego zamiennika dla materiałów z tworzyw sztucznych. Plastik, który zasypuje cały świat, gdyż jest tani oraz łatwy w produkcji, niestety zalega tysiące lat powodując ogromne straty dla flory i fauny. Wiele zespołów naukowych na całym świecie pracuje nad zaprojektowaniem folii na bazie biopolimerów, która nie tylko będzie ulegała biodegradacji w bardzo szybkim czasie, ale również wyeliminuje z obiegu wszechobecny plastik.

Biopolimery to duże cząsteczki zbudowane z powtarzających się jednostek połączonych wiązaniami kowalencyjnymi i zaliczamy do nich białka, polisacharydy oraz lipidy. Białka oraz polisacharydy są surowcem najczęściej wykorzystywanym do produkcji folii biopolimerowych, gdyż charakteryzują się dostępnością, biodegradowalnością oraz biokompatybilnością [1].

Najbardziej popularne biopolimery, które stanowią matrycę foliotwórczą to skrobia, celuloza, chitozan, furcelleran, żelatyna, białko serwatkowe oraz kazeinowe. Obecnie coraz większe uznanie w tej dziedzinie zyskuje furcelleran, który jest pozyskiwany z alg czerwonych Furcellaria lumbricalis. Ten ujemnie naładowany polisacharyd, dzięki swoim właściwościom żelotwórczym, idealnie nadaje się jako jeden z komponentów przy otrzymywaniu folii biopolimerowych [2].

Folie na bazie furcelleranu mogą zostać wzbogacone w dodatki aktywne, dzięki którym folia zyskuje zupełnie nowe właściwości. Ten artykuł stanowi przegląd informacji dotyczących folii furcelleranowych wzbogaconych w dodatki o właściwościach aktywnych.

Opakowanie aktywne na bazie furcelleranu

Aktywny materiał opakowaniowy, który charakteryzuje się konkretnymi właściwościami np. antyoksydacyjnymi i/lub antymikrobiologicznymi potrafi przedłużyć czas trwałości produktów spożywczych, czyli oprócz funkcji ochronnej przed czynnikami zewnętrznymi posiada wartość dodaną w postaci właściwości aktywnych [3]. Folie na bazie furcelleranu zostały wzbogacone w różne dodatki aktywne, aby pełnić funkcję aktywnego materiału opakowaniowego. Olejki eteryczne oraz ekstrakty roślinne posiadają właściwości antyoksydacyjne oraz antymikrobiologiczne, dzięki czemu mogą być użyte jako jeden z komponentów przy otrzymywaniu aktywnych materiałów opakowaniowych.

Folie furcelleran-żelatyna zostały wzbogacone w ekstrakty z zielonej herbaty oraz pu-erh. Otrzymane folie charakteryzowały się polepszoną aktywnością antymikrobiologiczną (wobec Escherichia coli oraz Staphyloccocus aureus), a także aktywnością przeciwutleniającą. Ponadto folie z dodatkiem ekstraktów posiadały zwiększoną wytrzymałość mechaniczną w porównaniu do folii furcelleran-żelatyna [4]. Otrzymano materiał opakowaniowy na bazie furcelleranu, białka serwatkowego oraz ekstraktów z yerba mate i białej herbaty. Wzbogacone we właściwości antyoksydacyjne oraz antymikrobiologiczne folie biopolimerowe zostały wykorzystane jako aktywne materiały opakowaniowe podczas przechowywania miękkiego twarogu podpuszczkowego.

Analizy przechowalnicze wskazały, że całkowita liczba bakterii spadła w serach zapakowanych w folie jadalne, natomiast liczba drożdży i pleśni była najniższa w serach zapakowanych w folie z dodatkiem ekstraktu z białej herbaty. Ponadto, ogólna jakość organoleptyczna była częściej oceniana jako pożądana i bardzo pożądana w przypadku serów pakowanych w folie jadalne niż w przypadku folii LLDPE [5]. Matrycę furcelleran-białko serwatkowe wzbogacono w ekstrakt z ogórecznika i wykorzystano jako aktywny materiał opakowaniowy dla szynek wędzonych. Większość analizowanych parametrów przechowywania szynek wędzonych opakowanych w folie z ekstraktem z ogórecznika posiadało wartości zbliżone do szynek zapakowanych w folie syntetyczne, tym samym powodując, że aktywne folie jadalne mogą być konkretnych zamiennikiem dla materiałów opakowaniowych na bazie tworzyw sztucznych [6]. Ekstrakt z rozmarynu (w dwóch formach: otrzymany z suszonych liści oraz ze świeżych liści) został dodany do folii na bazie furcelleranu oraz hydrolizatu żelatynowego. Ekstrakt z suszonych liści rozmarynu najbardziej wpłynął na właściwości funkcjonalne badanych folii, powodując konkretny wzrost wartości aktywności przeciwutleniającej oraz barierowości wobec promieniowania UV [7].

Fotografia 1. Produkty spożywcze zapakowane w folie na bazie furcelleranu

Do kolejnego rodzaju aktywnych dodatków, które wzbogacają folie biopolimerowe można zaliczyć nanowypełniacze, czyli komponenty o rozmiarze do 100 nm [8]. Folie furcelleran-żelatyna zostały wzbogacone w nanocząski selenu (SeNPs) oraz nanocząstki srebra (AgNPs). Dodatek SeNPs najbardziej wpłynął na poprawę właściwości funkcjonalnych folii, powodując polepszenie właściwości mechanicznych oraz aktywności antymikrobiologicznej [9]. Ponadto, folie furcelleran-żelatyna wzbogacone w oba rodzaje nanocząstek zostały wykorzystane jako materiał opakowaniowy dla mini kiwi, powodując przedłużenie trwałości podczas przechowywania tego wrażliwego owocu [10].

Nanowypełniacze mogą być bezpośrednio dodane do folii (metoda ex situ) lub mogą być wytworzone na matrycy foliotwórczej (metoda in situ). Do matrycy furcelleranowej zostały dodane nanowypełniacze, które zostały zsyntetyzowane poza roztworem foliotwórczym: tlenek grafenu (GO) oraz wielościenne rurki nanowęglowe (MWCNT). Ponadto na tej matrycy, metodą in situ, wytworzono nanocząstki srebra (AgNPs).

Ze wszystkich badanych folii nanokompozytowych, folie furcelleranowe z dodatkiem AgNPs charakteryzowały się najlepszymi właściwościami barierowymi wobec pary wodnej oraz mechanicznymi. Dodatkowo, folie posiadały wysoką aktywność antymikrobiologiczną wobec testowanych drobnoustrojów, wskazując na ogromny potencjał tego typu folii [11]. Folie na bazie furcelleranu, GO, węglowych kropek kwantowych (CQDs) oraz tlenku maghemitu (MAN) zostały wykorzystane podczas przechowywania oleju lnianego, ze względu na mocne właściwości barierowe wobec promieniowania UV. Folie na bazie furcelleranu oraz MAN wykazywały najlepszą ochronę dla oleju lnianego, która była zbliżona do barwionego szkła [12].

Zupełnie nowym podejściem do materiałów opakowaniowych na bazie biopolimerów jest metoda otrzymywania wielowarstwowych folii. W ten sposób, każda z warstw przylega do siebie powodując eliminację wad, takich jak: zbyt mocna przepuszczalność wobec pary wodnej czy słabe właściwości mechaniczne. Ponadto, każda z tych warstw może być wzbogacona w aktywne dodatki. Otrzymano folie furcelleran-hydrolizat żelatynowy, które stanowiły pierwszą warstwę. Na nią naniesiono drugą warstwę roztworu peptydu Alanina-Tyrozyna o wysokim potencjale antyoksydacyjnym.

W ten sposób otrzymane folie pełniły funkcję aktywnego materiału opakowaniowego dla makreli atlantyckiej przechowywanej w temp. -18 °C [13] oraz w temp. 4 °C [14]. Najlepsze efekty zaobserwowano podczas przechowywania makreli atlantyckiej w temperaturze 4 °C, gdzie folie skutecznie hamowały proces utleniania lipidów, a także rozwój mikroorganizmów, tym samym przedłużając przydatność do spożycia ryby o 2 dni. Ponadto, według opinii konsumentów nałożenie folii na rybę nie wpłynęło negatywnie na parametry atrakcyjności produktu [14].

Fotografia 2. Jabłko zapakowane w folie na bazie furcelleranu oraz żelatyny

Materiały na bazie biopolimerów zajmują niewielki procent obecnego rynku opakowaniowego na całym świecie. Chociaż koszty ich wytworzenia są wysokie i nie przynoszą jeszcze korzyści w skali ekonomicznej, uważa się, że w ciągu najbliższych dziesięcioleci popyt na te produkty będzie gwałtownie wzrastał i będą one szeroko wykorzystywane w zastosowaniach opakowaniowych.

Biopolimery spełniają wymagania środowiskowe, ale wykazują również pewne ograniczenia w zakresie właściwości funkcjonalnych. Jednak biopolimery znalazły już zastosowania w farmacji i medycynie, gdzie koszt nie jest tak ważny jak sama pełniona funkcja. Konieczna jest zmiana świadomości ekologicznej w branży opakowalnictwa, która i tak jest już wymuszana przez pojawiające się regulacje prawne ze strony Unii Europejskiej.

Materiały opakowaniowe na bazie furcelleranu stają się dość wyraźną alternatywą dla tworzyw sztucznych, jednakże konieczne jest zaangażowanie wielu podmiotów, aby w najbliższej przyszłości można było spotkać na półkach sklepowych produkty spożywcze zapakowane w ten rodzaj opakowania.