Prowadzi to do pogłębienia wielu globalnych problemów. Dotyczą one w szczególności zanieczyszczenia środowiska, zużycia nieodnawialnych źródeł energii oraz emisji szkodliwych związków. Z roku na rok obserwujemy drastycznie wzrastającą ilość odpadów na Ziemi. Według danych literaturowych produkcja tworzyw sztucznych na całym świecie osiągnęła w 2015 roku 380 milionów ton z czego około 40% przypada na przemysł opakowań. Większość stosowanych materiałów opakowaniowych, głównie do produktów spożywczych, wytwarzana jest z tworzyw sztucznych przy wykorzystaniu nieodnawialnych źródeł kopalnych. Tworzywa otrzymywane z przerobu ropy naftowej są szeroko stosowane do produkcji materiałów opakowaniowych ze względu na ich elastyczność w formowaniu, niski koszt, dobrą odporność na różne czynniki środowiskowe i mechaniczne. Jednak te materiały opakowaniowe stanowią poważny problem dla środowiska, ponieważ ich degradacja zajmuje lata i stwarzają ryzyko uwolnienia chemikaliów, które mogą wpływać na jakość żywności. Zmniejszające się zasoby a także wzrost cen ropy naftowej, która jest wykorzystywana do produkcji tworzyw sztucznych powodują, że materiały kompostowalne stają się atrakcyjną alternatywą dla plastików. Rosnąca troska o środowisko związana z utylizacją opakowań z tworzyw sztucznych oraz większa świadomość konsumentów wymuszają na producentach nowe rozwiązania. Co więcej, na całym świecie marnują się ogromne ilości żywności. Według najnowszego raportu FAO rocznie marnuje się około 1,3 miliarda ton żywności. Źródłami odpadów spożywczych, stanowiących poważne zagrożenie dla środowiska,  są głównie przemysł spożywczy i przetwórstwo rolne. Odpady spożywcze, takie jak skórki warzyw i owoców, miazga, łuski, nasiona, wytłoki itp. są łatwo dostępne i stanowią około 30-50% całkowitej masy żywności. Przydatność odpadów spożywczych można ocenić na podstawie ich składu i kosztów uzyskania z nich cennych składników. Z odpadów spożywczych można wyekstrahować wiele związków bioaktywnych, takich jak flawonole, polifenole i garbniki, które mogą przyczyniać się do potencjału przeciwutleniającego i przeciwdrobnoustrojowego systemu opakowaniowego.  Jako przykład może posłużyć wykorzystanie ekstraktu z liści amarantusa w foliach na bazie żelatyny/PVA, których zadaniem jest monitorowanie jakości kurczaków i ryb, w wykrywaniu lotnych amin, powstających w miarę pogarszania się jakości mikrobiologicznej tych produktów spożywczych. Z tego względu wykorzystanie odpadów z przemysłu staje się również atrakcyjnym rozwiązaniem pozwalającym odciążyć nie tylko środowisko ale również stwarza pole manewru do opracowania nowych rozwiązań. Rozwój technologii, rosnąca troska o środowisko związana z utylizacją opakowań z tworzyw sztucznych oraz większe zapotrzebowanie konsumentów na opakowania przyjazne dla środowiska i lepsza ekonomika w porównaniu z tworzywami sztucznymi pochodzenia petrochemicznego doprowadziły do tego, że polimery biodegradowalne pochodzenia roślinnego są coraz częściej widoczne postrzegane jako wysoce obiecujące potencjalne zamienniki polimerów tworzyw sztucznych pochodzenia petrochemicznego Naukowcy na całym świecie koncentrują się na naturalnych materiałach pochodzących z roślin i odpadów spożywczych jako substancji biodegradowalnych w opakowaniach, a także na waloryzacji odpadów spożywczych. Istnieje zatem duża potrzeba opracowania zamienników z odnawialnych i przyjaznych dla środowiska materiałów, które będą przy tym spełniać wymagania co do ich funkcjonalności.

Nie ulega wątpliwości, że opakowania są integralną częścią sektora przetwórstwa spożywczego. Opakowania pełnią wiele istotnych funkcji takich jak zabezpieczenie produktu, ochronę przed czynnikami środowiskowymi fizycznymi i mikrobiologicznymi, ułatwiają transport, magazynowanie oraz informują konsumenta o produkcie. W ostatnim czasie rola opakowania wykroczyła poza swoją podstawową funkcję wraz ze zmieniającymi się preferencjami i oczekiwaniami konsumentów. Opakowania aktywne i inteligentne to jedna z innowacyjnych koncepcji, która została wprowadzona w odpowiedzi na ciągłe zmiany wymagań konsumentów i trendów rynkowych. Aktywne i inteligentne systemy pakowania mogą zapewnić szereg korzyści dla jakości i bezpieczeństwa żywności. Aktywne systemy mają na celu wydłużenie okresu przydatności do spożycia produktów spożywczych poprzez dłuższe utrzymanie ich jakości (np. absorbery tlenu w orzechach zapobiegające jełczeniu, powodowane utlenianiem tłuszczów). Z kolei inteligentne systemy mają na celu monitorowanie jakości produktu spożywczego lub otaczającego go środowiska, aby przewidzieć lub zmierzyć bezpieczny okres przydatności do spożycia lepiej niż termin przydatności do spożycia. Systemy te działają jako wskaźniki jakości i są ogólnie klasyfikowane jako wskaźniki bezpośrednie (wilgotność, czas-temperatura, świeżość i uszkodzenia oraz bioczujniki) i pasywne (identyfikowalność i śledzenie). Zmienność informacji jakościowych dostarczanych przez te wskaźniki zmienia się w zależności od reakcji chemicznych lub wzrostu drobnoustrojów w czasie i przetwarzania. Reakcja między metabolitami powstałymi w wyniku wzrostu drobnoustrojów a substancjami wskaźnikowymi dostarcza wizualnych wskazań i informacji o pogorszeniu lub jakości żywności. Omówiliśmy już rolę opakowań do żywności oraz innowacyjne rozwiązania w postaci aktywnych i inteligentnych opakowań żywności ale jak walczyć z problemem nieustannie narastającej liczby śmieci na świecie oraz zagospodarowaniem odpadów z przemysłu spożywczego i rolnego? Okazuje się, że obiecującym rozwiązaniem jest wykorzystanie biopolimerów pochodzących z różnych źródeł naturalnych, takich jak skrobia, celuloza, furcelleran, chitozan oraz białka pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Biopolimery to polimery wytwarzane przez organizmy żywe, takie jak rośliny i drobnoustroje, lub pochodzące z nich. Istotnymi właściwościami biopolimerów jest ich odnawialność oraz możliwość biodegradacji. Poprzez degradację biologiczną wytwarzane są jedynie woda, dwutlenek węgla i związki nieorganiczne bez toksycznych pozostałości. Jest to bardzo istotna cecha biopolimerów, ponieważ recykling jest kosztowny zarówno energetycznie jak i finansowo ponadto wiąże się z uwalnianiem do środowiska toksycznych związków natomiast kompostowanie umożliwia wyrzucanie opakowań do przydomowego kompostownika lub gleby. Wydajność, której oczekuje się od biomateriałów do pakowania żywności polega na przechowywaniu żywności i ochronie jej przed środowiskiem oraz utrzymaniu jakości żywności. Polisacharydy ze względu na swoje właściwości biologiczne (np. aktywność przeciwdrobnoustrojowa i przeciwutleniająca) i właściwości fizyczne (termiczne lub mechaniczne) są bardzo interesującą bazą błonotwórczą. Biopolimery wykazujące właściwości przeciwdrobnoustrojowe i przeciwutleniające mają potencjał do wykorzystania jako konserwanty żywności i istnieje rosnące zapotrzebowanie na naturalne związki przeciwdrobnoustrojowe i przeciwutleniające w stosunku do ich syntetycznych odpowiedników. Na psucie się żywności wpływa głównie aktywność drobnoustrojów i procesy utleniania. Te dwa czynniki zagrażają trwałości, jakości i bezpieczeństwu żywności. Z tego punktu widzenia biopolimery odgrywają ważną rolę w konserwacji żywności ze względu na ich działanie przeciwutleniające i przeciwdrobnoustrojowe. Folie na bazie polisacharydów takich jak skrobia, alginian, eterów celulozy, chitozan, karageniany lub pektyny ze względu na budowę łańcuchów polimerowych wykazują wysoką przepuszczalność gazów co może być zarówno zaletą jak i wadą, zależnie od zastosowania. Dodatkowo, folie i powłoki polisacharydowe mogą być stosowane w celu przedłużenia okresu przydatności do spożycia pokarmów dla produktów mięsnych poprzez zapobieganie utraty wody, procesom oksydacyjnym i brązowieniu powierzchni, ale ich hydrofilowy charakter sprawia, że są one słabą barierą dla pary wodnej. Pomimo wszystkich zalet stosowania polisacharydów ich właściwości różnią się od materiałów opakowaniowych wykonanych z tworzyw sztucznych. Niektóre wady, związane głównie z ich niską odpornością na wodę, obniżonymi właściwościami barierowymi i mechanicznymi powodują utrudnienia w ich szerszym zastosowaniu oraz komercjalizacji. Biopolimery i ich kompozyty są z powodzeniem używane w obszarach zastosowań biomedycznych, opakowaniowych, rolniczych i motoryzacyjnych. Chociaż ich skuteczność jeszcze nie osiągnęła swoich odpowiedników z paliw kopalnych, biopolimery odcisnęły swój znak rozpoznawczy, który przez wiele lat będzie nadal inspirować naukowców w tworzenie nowych rozwiązań. Ponadto wykorzystanie bioodpadu jako surowca przekształconego w produkt o wyższej wartości, prowadzi do rozwoju biorafinerii, obecnie uważanych za kluczową technologię XXI wieku, w przeciwieństwie do klasycznej rafinerii ropy naftowej związanej z emisją gazów cieplarnianych opartych na węglu.

Wiele biodegradowalnych polimerów ma dobre właściwości błonotwórcze, dzięki czemu nadają się do zastosowań jako materiał opakowaniowy. Rozwój jadalnych folii i powłok z biopolimerów przeznaczonych do kontaktu z żywnością znacznie się rozwinął w ciągu ostatniej dekady. Chociaż terminy jadalne folie i powłoki są używane razem jako fraza, istnieje między nimi zasadnicza różnica. Opakowania jadalne są wytwarzane z naturalnych składników pochodzących z żywności w postaci cienkich arkuszy, a następnie wykorzystywane do owijania produktów spożywczych. Ten rodzaj opakowań może być spożywany z danym produktem spożywczym lub odrzucany. Natomiast jadalne powłoki to materiały, które można aplikować bezpośrednio na powierzchnie produktów spożywczych poprzez zanurzanie, natryskiwanie lub płukanie i które stają się integralną częścią produktu. Ponadto jadalne folie i powłoki mogą działać jako bariera dla czynników zewnętrznych, takich jak para wodna, tlen lub dwutlenek węgla oraz mogą służyć jako nośniki związków funkcjonalnych.

Przykładami związków funkcjonalnych mogą być peptydy i hydrolizaty białka. Należą do nich hydrolizaty z ryb, mleka, soi, białka jaja i wiele innych. Istnieje szereg doniesień naukowych, w których zwraca się uwagę, że hydrolizaty białek spożywczych i zawarte w nich bioaktywne peptydy wykazują działanie przeciwutleniające i przeciwdrobnoustrojowe in vitro. Przykładowo w 2020 roku badacze J. Wang, Lu, Guo, Li i Huang wykorzystali dodatek ekstraktu surowego białka z szynki baraniej do kotletów baranich, który poprawił stabilność oksydacyjną produktu, ale również pozytywnie wpłynął na jego cechy sensoryczne, takie jak kolor, smak, soczystość, konsystencja i ogólna ocena akceptacja. Z kolei innym badaczom udało się wydłużyć okres przydatności do spożycia produktów mięsnych poprzez dodanie hydrolizatów żelatyny wytworzonych ze skóry mątwy. Naukowcy dodali 0,5 mg/g hydrolizatów żelatyny ze skóry mątwy do kiełbas z indyka, co spowolniło utlenianie tłuszczów i wydłużyło okres przydatności produktu z 15 do 25 dni. Inną grupą dodatków do folii i powłok biopolimerowych są olejki eteryczne. Badania z 2019 r. prezentują możliwość pokrycia mrożonych filetów paku czarnopłetwego chitozanowymi jadalnymi materiałami z dodatkiem olejku eterycznego z goździków, które działają jak naturalne środki konserwujące, hamując degradację chemiczną i mikrobiologiczną. Jednak olejki eteryczne mają bardzo mocny i charakterystyczny aromat, który ogranicza  możliwość zastosowania ich w przemyśle spożywczym.

Psucie się produktów mięsnych podczas przetwarzania, dystrybucji i ekspozycji na półkach sklepowych ma negatywny wpływ na przemysł mięsny z ekonomicznego punktu widzenia. Degradacja mięsa i przetworów mięsnych generuje duże straty ekonomiczne (do 40% produkcji) w przemyśle mięsnym. Do głównych czynników związanych z jakością mięsa i jego produktami podczas przetwarzania i późniejszego przechowywania należą utlenianie lipidów i psucie się z powodu wzrostu niepożądanych drobnoustrojów. Ze względu na te problemy, zarówno środowisko naukowe, jak i przemysł spożywczy od lat pracują nad rozwojem nowych systemów pakowania, które pozwalają zaspokoić zapotrzebowanie na wydłużenie okresu przydatności do spożycia żywności przy jednoczesnym zachowaniu trendów i trosce o środowisko. Zespół naukowy z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie w ramach projektu finansowanego przez NCBiR opracowuje i bada różnego rodzaju folie biopolimerowe, które składają się z naturalnych komponentów, a które będzie można zastosować do poprawy jakości i wydłużenia trwałości żywności. Najnowszym osiągnięciem badaczy jest innowacyjna trójskładnikowa jadalna folia biopolimerowa na bazie chitozanu i furcellaranu wzbogacona w hydrolizat żelatynowy ze skór karpia. Bazą do produkcji folii są polisacharydy: furcellaran - pozyskany z alg, które mogą być uprawiane w morzach oraz chitozan - pozyskiwany głównie z egzoszkieletów mięczaków, skorupiaków, owadów i grzybów. Z kolei hydrolizat żelatynowy otrzymywany jest na drodze enzymatycznej hydrolizy skór z karpia, pozyskiwanych z odpadów przemysłu rybnego. Otrzymane folie wykorzystano jako aktywne materiały opakowaniowe do przechowywania produktów spożywczych tj. makrela, schab oraz szynka wieprzowa, uzyskując znaczące wydłużenie trwałości mikrobiologicznej tych produktów.

Żywność niewątpliwie jest artykułem o ograniczonym okresie przydatności do spożycia i specyficznych wymaganiach w zakresie pakowania. Podstawą do opracowania odpowiednich materiałów opakowaniowych konieczne jest odpowiednie połączenie cech produktu i folii opakowaniowej w celu zapewnienia najwyższych standardów jakości i bezpieczeństwa. Jadalne folie, powłoki i biodegradowalne opakowania wyprodukowane z materiałów biologicznych mają wiele zalet w porównaniu z powszechnie stosowanymi syntetycznymi materiałami opakowaniowymi. Dotychczasowe wysiłki naukowców przyniosły znaczne postępy w dziedzinie biotworzyw, jednak w dalszym ciągu istnieje potrzeba badań w tej dziedzinie, jeśli ekonomicznie opłacalny rozwój i zrównoważone procesy produkcyjne mogły być szeroko wdrażane na całym świecie. Faktyczne zastosowanie tych rozwiązań opakowaniowych do żywności jest nadal ograniczone ze względu na wysokie koszty produkcji i izolacji surowca. Wysoce prawdopodobne jest, że biopolimery nigdy nie zastąpią w pełni polimerów petrochemicznych. Jednak biorąc pod uwagę postęp, jaki dokonano w biomateriałach w ciągu ostatnich dekad, biopolimery stanowią doskonałą alternatywę dla wielu zastosowań. Ponadto, biorąc pod uwagę ilość odpadów, które wytwarzamy w wyniku konsumpcji żywności i innych towarów, istnieje pilna potrzeba biodegradowalnych alternatyw w opakowaniach i innych zastosowaniach. Istnieje nadzieja, że dostępnych będzie wiele naturalnych materiałów, które zastąpią tworzywa sztuczne. Podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, ciągłe innowacje i globalne wsparcie są niezbędne, aby biotworzywa mogły w pełni wykazać korzyści społeczno-ekonomiczne i wypierać z powszechnego obiegu tradycyjne tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej. Omówione w tym artykule technologie i materiały mają potencjał, aby zapewnić jakość i bezpieczeństwo żywności, wydłużyć okres przydatności do spożycia, zmniejszyć wpływ na środowisko i zwiększyć atrakcyjność pakowanego produktu dla detalistów i konsumentów. Wciąż pozostaje czas w rękach globalnych instytucji, rządów i lokalnych organów na wykorzystanie zaawansowanych technologii do ratowania naszej planety.

Magdalena Janik

Katedra Chemii, Wydział Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Piotr Kulawik

Katedra Przetwórstwa Produktów Zwierzęcych, Wydział Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Część badań przytoczonych w artykule było finansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER  (Nr: LIDER/2/0004/L-10/18/NCBR/2019)

Literatura

1. Banerjee, A. (2021). Biopolymers in the food and nutraceutical industries. In Biopolymers and their Industrial Applications (pp. 149-173). Elsevier.
2. Bhargava, N., Sharanagat, V. S., Mor, R. S., & Kumar, K. (2020). Active and intelligent biodegradable packaging films using food and food waste-derived bioactive compounds: A review. Trends in Food Science & Technology.
3. Cazón, P., Velazquez, G., Ramírez, J. A., & Vázquez, M. (2017). Polysaccharide-based films and coatings for food packaging: A review. Food Hydrocolloids, 68, 136-148.
4. De Jong, A. R., Boumans, H., Slaghek, T., Van Veen, J., Rijk, R., & Van Zandvoort, M. (2005). Active and intelligent packaging for food: Is it the future?.Food additives and contaminants, 22(10), 975-979.
5. Dhumal, C. V., & Sarkar, P. (2018). Composite edible films and coatings from food-grade biopolymers. Journal of Food Science and Technology.
6. Domínguez, R., Barba, F. J., Gómez, B., Putnik, P., Kovačević, D. B., Pateiro, M., ... & Lorenzo, J. M. (2018). Active packaging films with natural antioxidants to be used in meat industry: A review. Food research international, 113, 93-101.
7. Garavand, F., Rouhi, M., Razavi, S. H., Cacciotti, I., & Mohammadi, R. (2017). Improving the integrity of natural biopolymer films used in food packaging by crosslinking approach: A review. International Journal of Biological Macromolecules, 104, 687-707.
8. George, A., Sanjay, M. R., Srisuk, R., Parameswaranpillai, J., & Siengchin, S. (2020). A comprehensive review on chemical properties and applications of biopolymers and their composites. International journal of biological macromolecules, 154, 329-338.
9. Groh, K. J., Backhaus, T., Carney-Almroth, B., Geueke, B., Inostroza, P. A., Lennquist, A., ... & Muncke, J. (2019). Overview of known plastic packaging-associated chemicals and their hazards. Science of the total environment, 651, 3253-3268.
10. Hanani, Z. N., Roos, Y. H., & Kerry, J. P. (2014). Use and application of gelatin as potential biodegradable packaging materials for food products. International journal of biological macromolecules, 71, 94-102.
11. Harries, K. A., & Sharma, B. (Eds.). (2019). Nonconventional and vernacular construction materials: Characterisation, properties and applications. Woodhead Publishing.
12. Ivonkovic, A., Zeljko, K., Talic, S., & Lasic, M. (2017). Biodegradable packaging in the food industry. Food Saf. Food Qual, 68, 26-38.
13. Janjarasskul, T., & Krochta, J. M. (2010). Edible packaging materials. Annual review of food science and technology, 1, 415-448.
14. Jridi, I. Lassoued, R. Nasri, M.A. Ayadi, M. Nasri, N. Souissi, (2014), Characterization and potential use of cuttlefish skin gelatin hydrolysates prepared by different microbial proteases. BioMed Research International, p. 14 461728. 2014.
15. Kanatt, S. R. (2020). Development of active/intelligent food packaging film containing Amaranthus leaf extract for shelf life extension of chicken/fish during chilled storage. Food Packaging and Shelf Life, 24, 100506.
16. Khan, M. A., & Ghouri, A. M. (2011). Environmental pollution: its effects on life and its remedies. Researcher World: Journal of Arts, Science & Commerce, 2(2), 276-285.
17. Lionetto, F., & Esposito Corcione, C. (2021). Recent applications of biopolymers derived from fish industry waste in food packaging. Polymers, 13(14), 2337.
18. Realini, C. E., & Marcos, B. (2014). Active and intelligent packaging systems for a modern society. Meat science, 98(3), 404-419.
19. Ribeiro, A. M., Estevinho, B. N., & Rocha, F. (2020). Preparation and Incorporation of Functional Ingredients in Edible Films and Coatings. Food and Bioprocess Technology.
20. Ruban, S. W. (2009). Biobased packaging-application in meat industry. Vet World, 2(2), 79-82.
21. Tkaczewska, J. (2020). Peptides and protein hydrolysates as food preservatives and bioactive components of edible films and coatings-A review. Trends in Food Science & Technology.
22. Siracusa, V., Rocculi, P., Romani, S., & Dalla Rosa, M. (2008). Biodegradable polymers for food packaging: a review. Trends in Food Science & Technology, 19(12), 634-643.
23. Sivakanthan, S., Rajendran, S., Gamage, A., Madhujith, T., & Mani, S. (2020). Antioxidant and antimicrobial applications of biopolymers: A review. Food Research International, 136, 109327.
24. Udayakumar, G. P., Muthusamy, S., Selvaganesh, B., Sivarajasekar, N., Rambabu, K., Banat, F., ... & Show, P. L. (2021). Biopolymers and composites: Properties, characterization and their applications in food, medical and pharmaceutical industries. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(4), 105322.
25. Vieira, B. B., Mafra, J. F., Bispo, A. S. d. R., Ferreira, M. A., Silva, F. D.
26. L., Rodrigues, A. V. N., & Evangelista-Barreto, N. S. (2019). Combination of chitosan coating and clove essential oil reduces lipid oxidation and microbial growth in frozen stored tambaqui (Colossoma macropomum) fillets. LWT - Food Science and Technology, 116, 1–7.
27. Yadav, A., Mangaraj, S., Singh, R., Kumar, N., & Arora, S. (2018). Biopolymers as packaging material in food and allied industry.
28. Yin, G. Z., & Yang, X. M. (2020). Biodegradable polymers: a cure for the planet, but a long way to go. Journal of Polymer Research, 27(2), 1-14.