Autor: Nevena Nemet, dipl. ing.
Recezent: Vera Lazić
mail: vlazic@tf.uns.ac.rs
tel: 00381 21 485-3703
.
.
Porastom broja stanovnika na zemlji, javlja se sve veći broj ambalažnih materijala i ambalaže, a gomilanje ambalažnog otpada poprima sve veće razmere. Zbog sve izraženijeg problema gomilanja ambalažnog materijala, pre svega plastike koja ima veoma dug životni ciklus, pojavila se potreba za samouništivim ambalažnim materijalima. Kao rezultat ove potrebe nastali su biopolimeri. Samouništiva biodegradabilna ambalaža se naziva IV generacija ambalaže (7,8).
Razvoj ambalažnih materijala i ambalaže, sa ekološkog aspekta, mora podrazumevati sledeće prioritetne ciljeve (9):
• da se smanji masa otpada;
• da se omogući ponovna upotreba;
• da se omogući reciklaža;
• da je moguće sagorevanje;
• da se smanji masa za odlaganje u deponije.
Sa aspekta ovih zahteva, a imajući u vidu kompletan ekološki bilans biopolimera, može se reći da oni spadaju u ekološki prihvatljive ambalažne materijale.
.
Osobine biopolimera
Osnovna osobina biopolimera jeste njihova biorazgradivost. Konvencionalni biopolimeri nisu biorazgradivi jer imaju veoma duge lance molekula koji su preveliki i previše međusobno povezani da bi bili razgrađeni od strane mikroorganizama. Za razliku od ovih, polimeri napravljeni od prirodnih biljnih supstanci imaju molekule koji su razgradivi od strane mikroorganizama. Da bi bili razgradivi, u biosferi mora da postoji bar jedan enzim koji ubrzava razgradnju hemijskog lanca datog polimera (7, 10). Postoje mnogi standardi za merenje biorazgradivosti supstance, pri čemu svaka država ima svoje standarde. Zahtevi variraju od 90 do 60% razgradnje supstance u vremenskom periodu od 60 do 180 dana od trenutka stavljanja supstance u sredinu pogodnu za kompostiranje (11).
Biomaterijali (biopolimeri) su polimeri proizvedeni iz obnovljivih izvora. Za razliku od konvencionalnih polimera, koji se proizvode iz neobnovljivih izvora (ugalj, nafta), biopolimeri se proizvode iz biljne sirovine, na prvom mestu, a u novije vreme i iz životinjske. Proizvodnja iz obnovljivih izvora može biti značajan doprinos u pogledu manje potrošnje energije pri proizvodnji i širem spektru načina odlaganja otpada, sa neznatnim uticajem na okolinu.
Kvalitet proizvoda od bioplastike se ocenjuje ne samo biorazgradivošću nego i funkcionalnošću proizvoda. Biorazgradiv proizvod je beskoristan ako ne može zadovoljiti zahteve koji se postavljaju pred njega u vidu mehaničke i hemijske otpornosti, trajnosti, itd. Zbog toga je jako bitno da se proizvođači bioplastike posvete ne samo biorazgradivosti materijala nego i drugim svojstvima polimera kako bi novi polimeri bili konkurentni konvencionalnim polimerima (7,11).
.
Kategorije biopolimera
Biopolimeri se mogu podeliti u tri osnovne kategorije prema njihovom poreklu i načinu proizvodnje:
1) Polimeri ekstrahovani/izolovani direktno iz biomase
Ova kategorija biopolimera je najviše prisutna na tržištu. Polimeri ove kategorije dobijaju se od biljaka, morskih i domaćih životinja. Primeri su polisaharidi, celuloza, skrob i citin, proteini surutke, kazein, kolagen, proteini soje, miofibrilarni proteini životinjske muskulature, itd. Ovi materijali imaju dobra barijerna svojstva za gasove, ali su veoma hidrofilni.
2) Polimeri proizvedeni klasičnim hemijskim sintezama od biomonomera
Hemijskom sintezom moguće je dobiti veliki spektar biopoliestera. Teorijski, svi dosadašnji ambalažni materijali mogu se zameniti novim vrstama dobijenim od obnovljivih monomera, ali je pitanje ekonomske opravdanosti. Najpoznatiji biopolimer iz ove grupe je polilaktička kiselina (PLA). Monomer polilaktičke kiseline je mlečna kiselina koja se lako može dobiti fermentacijom iz ugljenohidratne sirovine. Kao izvor ugljenohidrata može se koristiti kukuruz, pšenica ili alternativno surutka i šećerni sirup. PLA se može formirati u vidu folija, termoformiranih posuda ili raspršivanjem ukomponovati u kombinovane materijale.
3) Polimeri dobijeni direkno iz prirodnih ili genetički modifikovanih organizama
Ove polimere akumuliraju mnoge bakterije kao izvor energije i kao rezerve ugljenika. U ovu grupu spadaju polihidroksialkonati (PHAs) i bakterijska celuloza.
Njihove osobine najviše su povezane sa osobinama monomera od kojih su izgrađeni što omogućava široku lepezu različitih biopolimera koji se mogu sintetisati pomoću mikrobiološke fermentacije. Najčešće je u upotrebi derivat polihidroksibutirat sa oznakom PHB.
.
Proizvodnja i primena ambalaže na bazi biopolimera
Inženjering biomaterijala za ambalažne jedinice i materijale zahteva dobro poznavanje osobina materijala polimera. Ako osobine nativnih biopolimera ne zadovoljavaju zahtevano, postoji mogućnost modifikovanja materijala na određeni način. Za zadovoljavanje veoma specifičnih zahteva (veoma mala propustljivost gasova i velika rezistentnost na vodu) mogu se koristiti kombinovani materijali u smeši, lepljenjem slojeva ili koekstruzijom.
Da bi se prozvela 100% biorazgradiva ambalaža potrebno je razviti i biorazgradive aditive. Za sada se koriste plastifikatori, stabilizatori, adhezivi, boje, kao i za polimere.
Biološki polimerni derivati mogu se koristiti za formiranje svih vrsta i oblika ambalaže, koristeći opremu za proizvodnju konvencionalnih materijala. Od biomaterijala proizvode se koekstrudirani filmovi, liveni filmovi, folije za termoformiranje posudica i čaša, brizgani i duvani proizvodi, kao što su čaše, podlošci, boce, ekstrudirane folije namenjene za oplemenjivanje papira, kartona ili drugih folija.
Poseban vid biopolimera je i jestiva ambalaža u vidu jestivih prevlaka i filmova.
.
Ekološki aspekt primene biopolimera
Jedan od veoma važnih strateških problema sa kojim se suočava prehrambena industrija je zagađivanje životne sredine, posebno količinom ambalažnog otpada (5, 42). Više od jedne decenije ambalažni otpad je, kao rezultat pritiska javnosti, medija i nevladinih organizacija koje se bave pitanjem zaštite životne sredine, jedan od važnih problema proizvođača hrane. Težnja ka povećanju ekološke kompatibilnosti korišćenih ambalažnih materijala u prehrambenoj industriji, vodi sve široj upotrebi materijala na bazi biopolimera. Prikaz mogućnosti proizvođača hrane da povećaju ekološku podobnost ambalažih materijala dat je u tabeli 5.
Tabela 5 – Mogućnosti za poboljšanje ekološke podobnosti ambalažnih materijala
Korišćenje efikasne sirovine za proizvodnju ambalažnih materijala Ušteda energije, vode, materije, sirovine, redizajniranje proizvoda
Minimiziranje proizvodnog i distributivnog otpada Ušteda energije, vode, materije, smanjenje zagađivača
Iskorišćavanje otpada Povratna ambalaža, recikliranje, đubrenje, spaljivanje uz prikupljanje oslobođene energije
Odlaganje otpada Spaljivanje otpada, biodegradacija, fotodegradacija.
Napori da se smanji zagađenje životne sredine ne smeju biti usmereni samo na rešavanje pitanja otpada, već i na vrstu i obnovljivost korišćene sirovine.
Sa ciljem da se ispune zahtevi koje savremeno doba postavlja pred proizvođače hrane, nastala je biorazgradiva ambalaža. Kao što je već rečeno, ona se lako razgrađuje dejstvom mikroorganizama, enzima i drugih faktora spoljašnje sredine, a pri tom je proizvedena od obnovljivih sirovina. Ona podnosi fizičko, hemijsko, termalno i biološko razlaganje tako da se najveći deo materijala od koga je proizvedena na kraju rastavlja na ugljendioksid, biomasu i vodu (11). Bez ove prednosti u odnosu na sintetičke polimere, prehrambena industrija ne bi imala dovoljan podstrek da sa širokoprimenljive sintetičke ambalaže prelazi na biorazgradivu, koja zahteva posebne uslove proizvodnje, korišćenja i skladištenja (12). Međutim, zbog potrebe za što hitnijom intervencijom radi spasavanja planete od zagušenja plastikom i drugim veštačkim materijalima koji se ne mogu nikada u potpunosti i bez štetnih posledica razgraditi, nauka ulaže svakodnevne napore da unapredi svojstva biorazgradivih polimera i time omogući njihovu širu primenu. Danas postoje mnogi projekti, istraživanja i radovi na temu biorazgradive ambalaže, kako na polju njenog poboljšanja tako i na polju njenog promovisanja.
.
Literatura
(1) www.sr.wikipedia.org
(2) Curaković, M., Vujković, I., Gvozdenović, J.. Lazić, V.: Praktikum kontrola ambalažnih materijala i ambalaže, Novi Sad, 1992.
(3) www.emagazin.co.yu
(4) www.tkojetko.irb.hr
(5) Coles, R., McDowell, D., Kirwan, M.: Food Packaging Technolgy, Blackwell Publishing Ltd., 2003.
(6) Gvozdenović, J., Lazić, V.: Skripta sa predavanja, 2008.
(7) Lazić, V., Gvozdenović, J.: Biopolimeri kao ambalažni materijali, Tehnološki fakultet, Novi Sad, 2007.
(8) Lox, F.: Packaging and Technology, University of Gent, 1992.
(9) Weber, J.C.: Biobased Packaging Materials for the Food Industry, European Concerted Action, 2006.
(10) Marsh, K., Bzgusu, B.: Food Packaging-Roles, Materials and Enviromental Issues, Journal of Food Science, 72, 2007.
(11) Šumić, Z.: Ambalažni materijali, www.tehnologijahrene.com, 2008.
(12) Robertson, G.L.: Food Packaging, Principles and Practice, Second Edition, Taylor & Francis Group, 2006.
(13) Kester, J.J., Fennema, O.R.: An Edible Film of Lipids and Cellulose Ethers: Barrier Properties to Moisture Vapor Transmission and Structural Avaluation, J. Food Sci. 49, 1989.
(14) Cherian, G., Gennadios, A., Weller, C., Chinachoti, P.: Thermomechanical Behavior of Wheat Gluten Films: Effect of Sucrose, Glycerin and Sorbitol, Cereal Chem. 72, 1995.
(15) Tharanathan, R.N.: Biodegradable Films and Composite Coatings: Past, Present and Future, Trends Food Sci. Technol.14, 2003.
(16) Cuq, B., Gontard, N., Guilbert, S.: Edible films and coatings as active layers, in Rooney, M.L.: Active Food Packaging, Blackie Academic & Proffesional, 1995.
(17) Gennadios, A., Weller, C.L.: Edible Films and Coatings From Wheat and Corn Proteins, Food Technol. 44, 1990.
(18) Cuq, B., Aymad, C., Cuq, J., Guilbert, S.: Functional Properties of Myofibrilar Protein-based Biopackaging as Affected by Film Tickness, J. Food, Sci. 61, 1996.
(19) Osawa, R., Walsh, T.P.: Effects of Acidic and Alcaline Treatments on Tannic Acid and its Binding Property to Protein, J. Agric. Food, Chem.41, 1993.
(20) Mariquie, C., Guilbert, S.: Formation and Properties of Cottonseed Protein Films and Coating, CRC Press, New York, 2002.
(21) Xiong, Y., Brekke, C.J.: Changes in Protein Solubility and Gelation Properties of Chicken Myofibrils During Storage, J. Food Sci. 54, 1989.
(22) Roy, S., Gennadios, A., Weller, C.L., Testin, R. F.: Water Vapor Transport Parameters of a Cast Wheat Gluten Film, J. Industr. Crops. Prod. 11, 2000.
(23) Rhim, J.W., Gennadios, A., Handa, A., Weller, C.L., Hanna, M.A.: Solubility, Tensile and Color Properties of Modified Soy Protein Isolate Films, J. Agric. Food Chem, 48, 2000.
(24) Meier, L.: Plasticizers i Plastic Additives (8th), Hanser Publishers, new york, 1990.
(25) Cuq, B.: Formation and Properties of Fish Myofibrillar Protein Films and Coatings, CRC Press, New York, 2002.
(26) Shiky, Y., Hamaguchi, P.Y., Benjakul, S., Visessanguan, W., Tanaka, M.: Effect of Surimi Quality on Properties of Edible Films Based on Alaska Pollack, Food Chem.86, 2004.
(27) Krittabhart, C.: Effect of pH, Lipids and Crosslinkers on the Properties of Surimi Film from Tropical Fish, Prince of Songkla University, 2005.
(28) Karlson, P., Doenecke, D., Fuchs, G., Koolman, J., Schaser, G.: Biokemija, Školska knjiga, Zagreb, 1993.
(29) Bertram, H.C., Kristensen, M., Andersen, H.J.: Functionality of Myofibrilar Proteins as Affected by pH, Ionic Strength and Heat Treatment, a Low-field NMR Study, Meat Sci.68, 2004.
(30) Anuchit, A.: Factors Affecting the Properties of Round Scad Muscle Protein Films, and the Improvement of its Mechanical and Water Vapor Permeability Properties, Prince of Songkla University, 2006.
(31) Gontard, N., Guilbert, S., Cuq, J.L.: Water and Glycerol as Plasticizers Affect Mechanical and Water Vapor Barrier Properties of an Edible Wheat Gluten Film, J. Food Sci. 58, 1993.
(32) Yang, L., Paulson, A.T.: Mechanical and Water Vapor barrier Properties of Edible Gellan Films, Food Res. Int. 33, 2000.
(33) Irissin-Mangata, J., Banduin, G., Boutevin, B., Gontard, N.: New Plasticiyers for Wheat Gluten Films, Eur. Polym. J. 37, 2001.
(34) Orliac, O., Roully, A., Silvestre, F., Rigal, L.: Effects of Various Plasticiyers on the Mechanical Properties, Water Resistance and Aging of Thermo-moulded Films made from Sunflower Proteins, Ind. Crops Products, 18, 2003.
(35) Hernandez-Munoz, P., Villalobos, R., Chiratt, A.: Effect of Cross-linking Agents using Aldehydes o Properties of Glutenin-rich Films, Food Hydrocolloids, 18, 2004.
(36) Morillon, V., Debeaufort, F., Blond, G., Capelle, M., Voilley, A.: Factors Affecting the Moisture Permeability of Lipid-based Edible Films, Food Sci. Nutr. 42, 2002.
(37) Somanathan, N., Naresh, M.D., Arumugan, V., Ranga-nathan, T.S., Sanjeevi, R.: Mechanical Properties of Alkaline Treated Casein Films, Palm.24, 1992.
(38) Park, H.J., Bunn, J.M., Weller, C.L., Vergano, P.J., Testin, R.F.: Water Vapor Permeability and Mechanical Properties of Grain Protein-based Films as Affected by Mixtures of Polyethylene Glycol and Glycerin Plasticiyers, Trans. ASAE, 37, 1994.
(39) Herald, T.J., Gnanasambandam, R., McGuire, B.H., Hachmeister, K.A.: Degradable Wheat Gluten Films: Preparation, Properties and Applications, J. Food Sci. 60, 1995.
(40) Wu, Y., Rhim, J.W., Weller, C.L., Hamouz, F., Cippett, S., Schnepf, M.: Moisture Loss and Lipid Oxidation for Precooked Beef Patties Stored in Edible Coating and Films, J. Food Sci. 65, 2000.
(41) Krochta, J.M., Mulder-Johnston, J.: Edible and Biodegradable Polymer Films: Changes and Opportunities, Food Technol.51, 1997.
(42) Lazić, V., Gvozdenović, J., Petrović, T., Romanić, R.: Životni ciklus ambalaže, 49. Savetovanje industrije ulja: Proizvodnja i prerada uljarica, Herceg Novi, 2008.
(43) Kim, S.J., Ustunol, Z.: Solubility and Moisture Sorption Isotherms of Whey-protein-based Edible Films as Influenced by Lipid and Plasticizer Incorporation, J. Agric. Food Chem.49, 2001.
(44) Martins, S.I.F.S., Van, B.: A Kinetic Model for Glucose/glycine Maillard Reaction Pathways, Food Chem. 90, 2005.
(45) Kanokwan, M.: Inhibition of Phenoloxidase from Black Tiger Prawn (Penaeus monodon) by Maillard Reaction Products (MRPs), Prince of Songkla University, 2005.
(46) Wittayachai, L.: Porcine Plasma Protein-Sugar Maillard Reaction Products (MRPs): Some Factors Affecting Antioxidant Activity and Their Application, Prince of Songkla University, 2005.
(47) Haard, N.F.S., Simpson B.K., Pan, B.S.: Sarcoplasmatic Proteins and Other Nitrogenous Compounds, Chapman & Hall, New York, 1994.
(48) AOAC 1999, Official Method of Analysis, 14th ed. Association of Official Analytical Chemists, Washington, D.C., USA.