Aktywne opakowanie regulujące wilgotność i zawartość wody. Projekt HumidWRAP

Konrad Nowakowski - Polska Izba Odzysku i Recyklingu Opakowań
Monika Kaczmarczyk, Alicja Kaszuba, Jacek Frydrych - Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Biopolimerów i Włókien Chemicznych

Współczesny rynek stawia opakowaniom wysokie wymagania. Stają się coraz bardziej funkcjonalne i innowacyjne, rozszerza się zakres ich zastosowań, w ich produkcji wykorzystuje się aktywne substancje oddziałujące na opakowany produkt, a także biodegradowalne surowce. Przewiduje się, że w nadchodzących latach najistotniejszy wpływ na rozwój branży spożywczej będą miały opakowania aktywne i inteligentne, których unikatowość i innowacyjność polega na całkowitym odejściu od tradycyjnego postrzegania roli opakowania do żywności, polegającej na eliminowaniu odziaływania pomiędzy produktem a opakowaniem.  Dotychczasowa praktyka zakładała, że opakowany produkt nie może podlegać działaniu materiału, z którego wykonano opakowanie. Obecnie, dzięki opakowaniom aktywnym i inteligentnym, praktyka ta odchodzi do przeszłości. Wpływ tych opakowań na produkty spożywcze jest uznawany za pozytywny i jak najbardziej pożądany. Pozytywne aspekty tego oddziaływania są brane pod uwagę już w fazie ich projektowania. Z uwagi na wzajemne oddziaływanie zapakowanych produktów z opakowaniami, jakość opakowań odgrywa kluczową rolę dla zachowania bezpieczeństwa produktu oraz zdrowia konsumenta.
​
Jakość konsumencka oraz okres trwałości zapakowanych produktów rynkowych, zarówno przemysłowych, jak i spożywczych, w dużym stopniu zależą od ich podatności na zmiany wilgotności otoczenia. Na utrzymanie optymalnej zawartości wody w produktach decydujący wpływ mają warunki wewnątrz opakowania, wilgotność i temperatura, a także czas przechowywania. Nadmierna lub zbyt niska zawartość wilgoci obecna w środowisku przechowywania  wyrobów może prowadzić do obniżenia ich jakości. Zbyt duża wilgotność może powodować np.  korozję lub gwałtowny rozwój drobnoustrojów (bakterii, pleśni, grzybów) na powierzchni, natomiast mała zawartość wilgoci może doprowadzić do niekorzystnego wysychania lub kurczenia się produktów oraz innych negatywnych zmian organoleptycznych i fizykochemcznych.
Opracowanie innowacyjnego materiału opakowaniowego do formowania aktywnych opakowań o kontrolowanej wilgotności wewnątrz opakowania jest tematem  międzynarodowego projektu badawczego  HumidWRAP „Aktywne opakowanie regulujące wilgotność i zawartość wody”. Projekt jest realizowany przez  ośrodki naukowo-badawcze z Polski, Niemiec i Belgii w ramach 23 konkursu inicjatywy Cornet (COllective Research NETworking). Ze strony polskiej uczestniczą w nim: Polska Izba Odzysku i Recyklingu Opakowań (PIOIRO), jako wnioskodawca i koordynator krajowy oraz wykonawcy: Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (CBIMO) oraz Łukasiewicz-IBWCh Oddział w Warszawie COBRO-Centrum Badawczo-Rozwojowe Opakowań.

---

Projekt HumidWRAC jest realizowany we współpracy z przedsiębiorcami - Członkami Komitetu Użytkowników:  Coffee Service Sp. z o.o., Pakmar Sp. z o.o., PPHU Tekmar, Drukarnia G.C., Yanko Sp. z o.o.
Główne cele projektu HumidWRAP to:
• poszerzenie wiedzy na temat warunków przechowywania żywności oraz innych produktów wrażliwych na wilgoć
 
• poszerzenie wiedzy na temat substancji adsorbujących i uwalniających wilgoć oraz wpływu tych komponentów na kontrolowanie wilgotności w opakowaniach aktywnych
 
• opracowanie modelu matematycznego do obliczania wymaganej bariery, właściwości sorpcji i desorpcji opakowania, przy utrzymaniu wewnętrznej atmosfery na  określonym poziomie wilgotności.
 
• otrzymanie opakowań testowych zgodnie z wymogami gospodarki cyrkularnej GOZ oraz wymagań dla opakowań do żywności.
W ramach realizowanych prac zebrano dane dotyczące zawartości wilgoci, izoterm i kinetyki sorpcji wody podczas przechowywania wyrobów piekarniczych, wytypowanych jako produkt docelowy, w różnych warunkach temperatury i wilgotności i opracowano dynamiczny model matematyczny opisujący stan równowagi wilgoci wewnątrz opakowania, w powiązaniu z zawartością wilgoci w przechowywanym produkcie, wilgoci w przestrzeni nad produktem, przepuszczalnością pary wodnej materiału opakowaniowego. Model ten będzie weryfikowany na bieżąco i wykorzystany do optymalizacji geometrii opakowania i materiału opakowaniowego indywidualnie dla określonego produktu wrażliwego na wilgoć.
Prowadzone były także prace eksperymentalne w skali laboratoryjnej nad otrzymaniem powłoki dla papieru z wykorzystaniem substancji aktywnych oraz opracowaniem kompozycji polimerów (np.: polietylenu, polipropylenu, PVC oraz biopolimerów) z napełniaczami  regulującymi wilgotność.
Opracowane powłoki jednoskładnikowe z funkcją regulacji wilgoci, wykonane ze modyfikowanej skrobi, modyfikowanej celulozy i innych materiałów regulujących wilgotność, były testowane na różnych podłożach papierowych. Opracowano także powłoki wieloskładnikowe poprzez wprowadzenie np. do modyfikowanej skrobi czy modyfikowanej celulozy różnych aktywnych związków nieorganicznych. Wykonano blendy poprzez zmieszanie różnych tworzyw sztucznych z polielektrolitami o właściwościach sorpcyjnych, a także z dodatkiem związków nieorganicznych regulujących pochłanianie wody. Testowano polimery różniące się polarnością, krystalicznością, elastycznością i temperaturą zeszklania Tg.  Otrzymane nowe materiały analizowano pod kątem kontroli zmian właściwości sorpcyjnych oraz barierowych dla pary wodnej przy określonej wilgotności względnej RH.  
W ostatniej fazie realizacji projektu, dla wytypowanych testowych materiałów o oczekiwanej przenikalności pary wodnej oraz zoptymalizowanych opakowań, oznaczone będą właściwości fizyko-mechaniczne, barierowe oraz wykonane testy przechowalnicze z zapakowanym produktem modelowym. Dla materiałów opakowaniowych i opakowań przeznaczonych do kontaktu z żywnością wykonane zostaną także testy oceny jakościowej i badania bezpieczeństwa zdrowotnego.  
Dla zoptymalizowanego opakowania z funkcją regulacji wilgotności i zawartości wody przeprowadzona będzie analiza cyklu życia (LCA), ocena jego podatności na recykling organiczny przez np. kompostowanie. Finalnie, z materiału celulozowego z innowacyjną warstwą o własnościach regulowania wilgotności, będą mogły być formowane różne opakowania, w zależności od gramatury powlekanego papieru.
 
Praca finansowana jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju NCBiR.