Opakowania produktów spożywczych pełnią bardzo ważną rolę. Stanowią przede wszystkim zabezpieczenie przed wpływem warunków panujących w środowisku zewnętrznym, które mogą mieć negatywny wpływ na przechowywaną żywność i jej cechy sensoryczne oraz przydatność do spożycia. Nowoczesne opakowania zapewniają selektywną redukcję czynników środowiskowych i ograniczają bezpośredni kontakt gotowego produktu z otoczeniem.
Istotne znaczenie mają tutaj materiały służące do produkcji opakowań, które muszą wykazywać się neutralnym oddziaływaniem na ochranianą żywność ale także posiadać szereg innych dodatkowych cech, np.: znaczną wytrzymałość mechaniczną na zgniatanie lub innego rodzaju ingerencje, podatność na dozowanie w automatycznych urządzeniach przemysłowych, niezmienność struktury pod wpływem czynników zewnętrznych (np. wysokiej temperatury itp.). Ponadto materiał użyty do kontaktu z żywnością w żaden sposób nie może wpływać na pogorszenie jej cech sensorycznych, gdyż w przeciwnym razie nie spełnia należycie swojej funkcji ochronnej. Wymagania, jakie musi spełniać opakowanie przeznaczone do kontaktu z żywnością są określone w stosownych przepisach i tylko takie materiały są dopuszczone do stosowania. W ostatnim czasie duże znaczenie ma również możliwość wielokrotnego użycia opakowania lub też łatwość poddania go recyklingowi, dzięki czemu negatywny wpływ na środowisko naturalne i zanieczyszczenie odpadami zostaje znacznie zredukowany. W artykule zostaną przedstawione stosunkowo nowe trendy w zakresie rodzajów opakowań zostanie natomiast pominięty, ze względu na powszechną dostępność, opis poszczególnych rodzajów opakowań i sposobów przechowywania produktów gotowych.
Obecnie coraz powszechniejsze staje się wykorzystanie w opakowaniach biosensorów, które umożliwiają swoisty monitoring niekorzystnych procesów biochemicznych zachodzących w procesie przechowania i mających wpływ na trwałość produktu. Dość często stosowane jest rozwiązanie umożliwiające szacowanie stężenia tlenu w produkcie, przy wykorzystaniu zjawiska fosforescencji substancji umieszczonej w wewnętrznej strukturze opakowania. Zawartość tlenu jest jednym z czynników określających trwałość mięsa i jego przetworów. Ponadto uznanie znajdują rozwiązania umożliwiające identyfikację zakażeń bakteryjnych, poprzez zamieszczenie np. przeciwciał lub antygenów w strukturze materiału, z którego pochodzi opakowanie. Nad tego rodzaju inteligentnymi opakowaniami (z ang. smart packing) prowadzone są liczne badania naukowe oraz przemysłowe. Częściowy przegląd stosowanych rozwiązań był zamieszczony także w poprzednim artykule w numerze lipcowym. Należy podkreślić, że głównym celem stosowania opakowań inteligentnych nie jest z założenia poprawa jakości przechowywanej żywności ani wydłużanie czasu przydatności do spożycia. Zastosowanie tego rodzaju opakowań ma w głównej mierze funkcję informacyjną o zmianie jakości produktu (np. poprzez zmianę zabarwienia etykiety), co umożliwia śledzenie właściwości w czasie rzeczywistym i szybkie wykrycie zepsucia.
Zespół badaczy z Iranu prowadził badania nad zaprojektowaniem inteligentnego opakowania pozwalającego na wykrycie, przy użycie technik immunochromatograficznych, pozostałości antybiotyków w przechowywanym mięsie wołowym. Antybiotyki mają szerokie zastosowanie w weterynarii, niestety zbyt częste ich stosowanie może prowadzić do powstania oporności drobnoustrojów chorobotwórczych i zminimalizowaniu skuteczności działania tych substancji w procesie leczenia. Zgodnie z przepisami obowiązującym w Unii Europejskiej (UE) a także z zaleceniami Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) obowiązuje zakaz lub ograniczenie szkodliwych antybiotyków, takich jak np.: cyprofloksacyna, lewofloksacyna, norfloksacyna, ofloksacyna, enrofloksacyna, itp. Antybiotykiem, którego obecność miała być potwierdzana, była w tym opisywanym badaniu cyprofloksacyna, która jest lekiem przeciwbakteryjnym z grupy fluorowanych chinolonów (fluorochinolonów). Stosowanie tej substancji jest wprawdzie zabronione przez FDA, aczkolwiek w Unii Europejskiej jest ona dozwolona przy maksymalnym stężeniu pozostałości wynoszącym 100 μg/kg. Ten antybiotyk jest metabolizowany głównie w wątrobie i wydalany przez nerki. W wyniku przeprowadzonych analiz opracowano innowacyjne inteligentne opakowanie, które charakteryzowało się: czułością, specyficznością, dokładnością oraz precyzją na poziomie odpowiednio: 97%, 100%, 100%, 97%. Minimalne wykrywane stężenie substancji wynosiło 25 μg/kg a czas potrzebny na uzyskanie wyniku to 1 minuta. Uzyskane wyniki oznaczają, że zastosowane opakowanie było stabilnym i powtarzalnym narzędziem do analizy pozostałości badanego antybiotyku w przechowywanym mięsie wołowym.
Wydaje się zasadne opracowanie podobnych rozwiązań umożliwiających ocenę pozostałych powszechnie używanych antybiotyków. Tego typu inteligentne opakowania mogłyby znaleźć zastosowanie w eksporcie i imporcie różnych rodzajów mięs. Ze względu na fakt, że analiza może być wykonana wyłącznie jeden raz dla poszczególnego opakowania jednostkowego, autorzy sugerują zamieszczenie usuwalnej etykiety bądź innej informacji na opakowaniu, której usunięcie spowoduje aktywację opakowania i możliwość uzyskania wyniku dotyczącego potwierdzenia braku lub zawartości pozostałości metabolitów antybiotyku w przechowywanym produkcie. Zapewni to kontrolę produktu bez konieczności naruszania struktury opakowania i narażania na ryzyko zanieczyszczeń lub innych skażeń pochodzenia zewnętrznego.
Aktualnie stosowane najczęściej materiały do produkcji opakowań są zwykle przeznaczone do jednokrotnego użytku i stanowią jeden z ważniejszych problemów rosnącego poziomu zanieczyszczenia powierzchni lądu i morza. Głównym negatywnym aspektem jest fakt, że zastosowanie plastiku związane jest z jego długim czasem biodegradacji w środowisku (szacowany okres półtrwania wynosi od 2 do ponad 2500 lat). Obecnie równowaga pomiędzy produkcją materiałów a ich recyklingiem również nie jest zachowana a przez to jest niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Na podstawie danych z krajów członkowskich Unii Europejskiej szacuje się, że opakowania plastikowe stanowią ponad 15 milionów ton odpadów (dane z 2019 r., co oznacza wzrost o 26% w ostatnich dziesięciu latach). Konieczne jest stosowanie rozwiązań prowadzących do utrzymania zrównoważonego rozwoju, szczególnie w czasach, w których dominowała globalna pandemia oraz konflikty zbrojne. Ponadto wzrost świadomości konsumentów na temat związany z bezpieczeństwem żywności od lat stanowi dla badaczy motywację w kierunku opracowania innowacyjnych opakowań żywności. Jak już wspomniano inteligentne opakowania zostały stworzone w celu rozszerzenia informacyjnej funkcji opakowania i utrzymania lub zachowania stałego monitoringu jakości żywności a także ze względu na to, że produkcja opakowań jest energochłonna i generuje duże emisje gazów cieplarnianych do środowiska naturalnego.
Pewnym zagrożeniem jest również migracja cząsteczek i niebezpiecznych związków z konwencjonalnych opakowań po ich zużyciu i niewłaściwej utylizacji. Dlatego też w ostatnich latach obserwuje się rozwój badań i zainteresowań badaczy w kierunku zastosowania naturalnych związków, łatwo ulegających biodegradacji. Przeciwutleniacze i środki bakteriostatyczne z naturalnych źródeł stanowią coraz większy potencjał wykorzystywany w inteligentnych opakowaniach, jako alternatywa dla sztucznych związków. Ponadto włączenie naturalnych barwników oraz nanocząstek w matrycę biopolimerową ułatwił rozwój biodegradowalnych inteligentnych opakowań.
Ciągły rozwój inteligentnych i aktywnych opakowań jest niezbędne do ograniczania negatywnego wpływu na środowisko. Ponadto, wykorzystanie materiałów biodegradowalnych jest w pełni możliwe, gdyż jak pokazują najnowsze badania osiągają one podobne parametry wytrzymałościowe w porównaniu do zwykłych komponentów. Wykazano, że zwłaszcza antocyjany są niezwykle przydatne w tym zakresie, ze względu na swoją wrażliwość na zmianę kwasowości (zmiana barwy wraz ze wzrostem pH). Konieczne są jednak badania nad szybkością i kontrolą uwalniania substancji aktywnych z opakowania i możliwe interakcje pomiędzy tymi związkami a przechowywaną żywnością. Antocyjany, pomimo, że są dobrym wskaźnikiem zmian biochemicznych mięsa, to ulegają dość łatwo degradacji, dlatego też powinny być zamknięte w odpowiedniej matrycy. Badano połączenie antocyjanów z niskoacylowym gellanem, w celu poprawy ich stabilności. Natomiast do utworzenia zewnętrznej warstwy folii wskaźnikowej użyto w opisanej pracy chitozanu. Wyniki wskazywały, że takie połączenie było odporne na czynniki mechaniczne, charakteryzowało się niską przepuszczalnością dla pary wodnej oraz ogólną dobrą strukturą, w której zawarte barwniki antocyjanowe reagowały na zmianę wartości pH. Dodatkowo autorzy stworzyli narzędzie informatyczne z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych, które umożliwiało przewidywanie okresu trwałości gotowego produktu mięsnego na podstawie zachodzących zmian barwy antocyjanów (czyli wzrostu pH). Model ten charakteryzował się wysoką dokładnością szacowania. Kolor antocyjanów zmieniał się z czerwonego na fioletowo-niebieski a następnie żółty, w miarę wzrostu wartości pH z 6 do 11. Porównywano również właściwości podwójnej folii z folią jednowarstwową w zakresie takich cech jak: grubość, wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużanie a także pozostałości wilgoci. Wyniki potwierdziły wyższe, korzystne parametry takiej folii dwuwarstwowej. Dodatkowo zewnętrzna warstwa złożona z chitozanu powodowała znaczne ograniczenie dostępu światła, co spowalniało niekorzystną degradację barwników antocyjanowych. Należy podkreślić, że zawarte w opakowaniach barwniki wskaźnikowe mają tendencję do reagowania na środowisko zewnętrzne i inne czynniki w czasie przechowywania.
Prowadzone są także innowacyjne badania nad wykorzystaniem powszechnie używanych urządzeń mobilnych (telefony, smartfony), które w połączeniu z metodami detekcji np. spektralnej mogą posłużyć do oceny jakości zapakowanego produktu. Zastosowanie naturalnych pigmentów na skalę przemysłową nadal jest jednak nieco ograniczone i konieczne są dalsze badania w tym zakresie.
W artykule przedstawiono nowe kierunki badań w zakresie ulepszania i doskonalenia metod przechowywania i pakowania produktów mięsnych. Wydaje się, że ze względu na rosnący problem odpadów, związanych z jednorazowym użyciem opakowania oraz długotrwały proces rozkładu i trudności w utylizacji przyszłość stanowią opakowania z tworzyw naturalnych o możliwie łatwej biodegradowalności. Duże znaczenie ma ochrona środowiska naturalnego.
Drugim aspektem, który przyczynia się do poprawy sytuacji jest wykorzystanie opakowań inteligentnych, które pozwalają na monitoring jakości żywności w czasie rzeczywistym. Ciekawym rozwiązaniem jest innowacyjne opakowanie z szybkim testem na zawartość antybiotyków zamieszczonym w strukturze folii ochronnej. Takie podejście może mieć znaczenie w przypadku odbiorców mięsa ale też klienta końcowego, który ma rzetelną informacje o dostępnym produkcie. Konieczne są dalsze badania w tym zakresie i udoskonalenie tych technologii do warunków przemysłowych.
dr Piotr Janiszewski
Wykaz literatury znajduje się u autora