На днях на Всемирной Конференции по Полимерам для Пищевой Упаковки (Global Virtual Conference on Polymers in Food Packaging, 2020), организованной при участии Сингапура проводимой в связи с карантином онлайн, впервые был представлен доклад Андрей Тюфтина (Dr. Andrey Tyuftin) об оценке применения инфракрасного метода контроля паро-проницаемости пленок на оборудовании Mocon Permatran 3/33 (ASTM 1249) от компании Ametek (США).
Мы воспользовались возможностью, чтобы поговорить с ним о последних тенденциях в области разработки новых упаковочных материалов.
Добрый день Андрей, не могли бы вы кратко представиться нашим читателям ?
Я работаю старшим научным сотрудником в департаменте Food and Nutritional Science в University College Cork или кратко UСC. Это один из старейших университетов Ирландии расположенный в г. Корк. UCC был основан в 1845 году как один из трех Queen’s Colleges. (Университет входит в ассоциацию университетов Европы, Утрехтская сеть. – прим. редакции). Я работаю в группе всемирно-известного Проф. Kерри (Prof. Joe Kerry).
Нашим читателям интересно: как же развивается «передовой фронт» науки в области упаковочных материалов?
Packaging Science или Наука об Упаковке – это огромная область, которая включает в себя как фундаментальные исследования в области новых материалов, химии полимеров, так и технологий печати, экструзии, покрытий, нанотехнологии и соответственно это огромный многомиллиардный рынок, ведь более чем 40% всех производимых пластиков идет на упаковку. Сюда входят также много исследований по экологии, биологии так как необходимо понимать и экологические проблемы производства и утилизации отходов упаковочных материалов.
Как известно упаковка развивается уже очень давно и человечество уже давно привыкло к пластиковым пакетам, оберткам. Большая часть пластиковой упаковки разлагается от 100 до 1000 лет и со школы нас учат нужно сохранять экологию, ведь столько вокруг свалок с пакетами, а их горение приводит к выбросу вредных веществ. Также при производстве упаковки и исходной полимерной крошки для ее экструзии выделяется огромное количество парниковых газов. Не многие знают, что большая часть упаковки затем попадает в океан, образуются целые острова из мусора. Часть пластика оседает, нано и микро частицы пластика попадаю в пищевую цепочку, рыбу и мы едим рыбу потом с пластиком и фенолами, которые используются как добавки в пластик, а они являются канцерогенными.
Одним из выходов является производство биоразлагаемых упаковочных материалов. При их производстве в разы уменьшается количество парниковых газов, пленки из, например полилактида, разлагаются всего за 3 месяца при определенных условиях. Объемы производства таких материалов увеличивается. Но так как полилактид, биополимер из которого производится большая часть биоупаковки, например, производят из кукурузного крахмала, поля кукурузы нужно постоянно удобрять, а удобрения в свою очередь окисляют или ощелачивает почву и попадают в водоемы, что также вызывает экологические проблемы.
А еще есть какие-то новые упаковочные материалы?
Последние 30 лет в науке развивается направление третьего поколения упаковочных материалов – съедобных компостируемых пленок. Такие материалы могут быть произведены из отходов пищевого сырья, таких как, например, полисахарид пектин; желатин являющийся побочным продуктом переработки мясной продукции; альгинат, полисахарид добываемый из водорослей. Пленки, экстрагируемые из таких материалов, уже начали использоваться в Америке и Азии для упаковки ряда продуктов. Такие пленки разлагаются в течение месяца и не наносят урон экологии, нет проблемы утилизации отходов, ведь такие пленки можно компостировать вместе с пищевыми отходами, а их производство связано с отходами сопутствующего производства, что являются очень экономным способом производства, снижает издержки и не нарушает экологию.
Пленки нового поколения могут быть съедены вместе с продуктом, снабжая его дополнительными микроэлементами, антиоксидантами, а так же способны защитить продукт от преждевременного разложения за счет добавления природных антимикробных агентов (например, экстракт зеленого чая, косточек винограда, апельсинов). Съедобные пленки уже достигли хороших механических свойств, сравнимых с биоразлагаемыми полилактидами, достаточно прозрачны, что немаловажно для визуального анализа продукта при выборе покупателя.
Съедобные компостируемые пленки имеют высокие барьерные свойства к молекулам кислорода, которые вызывают рост микроорганизмов на поверхности продукта.
Могли бы рассказать нам побольше о барьерных свойствах пленок?
Барьерные свойства пленок – это их способность пропускать молекулы воды или кислорода. Очень важная характеристика, если проницаемость высокая, то кислород пройдет внутрь упаковки, например вакуумной, куда упаковывают рыбу или сыр. Кислород быстро вызывает рост микроорганизмов на поверхности и продукт может быстро испортиться. Если проникает водяной пар, то он быстро вызывает рост плесени на продуктах, изменяются механические характеристики продукта. Однако барьер к водяному пару все еще остается очень низким у компостируемых пленок, продукты внутри такой упаковки могут быстро высыхать. Чтобы этого не происходило, есть два способа: необходима дополнительная тонкая барьерная упаковка, в которую можно завернуть продукты в съедобной пленке, либо улучшить саму съедобную пленку. Мы проводим исследования по обоим направлениям.
В связи с необходимостью контроля разработок пленок нового поколения, мы проводим исследования с целью повысить барьер съедобных пленок к водяному пару при низкой и повышенной влажности. Тем самым, мы имитируем условия при которых продукт хранится внутри упаковки. Обычно контроль барьерных характеристик редко вызывает трудности на производстве или в науке для некомпостируемых пленок, произведенных из нефти или газа, таких как ПЭ, ПЭТ, BOPP. Пленки гидрофобны (это кстати одна из причин, почему они не разлагаются), при этом провести замеры сколько водяного пара проходит на кв.метр пленки в день не вызовет трудности, так как для этого есть специальное оборудование, предназначенное для контроля паропроницаемости или кислородопроницаемости пленок.
Как обычно тестируются барьерные свойства упаковки для контроля паропроницаемости съедобных или компостируюемых пленок?
Обычно для тестирования таких пленок применяется стандарт ASTM E96 или метод чаши, куда помещается пленка, действующая как мембрана. Такой метод страдает расхождением результатов, и он очень трудоемкий, так как замеры необходимо проводить каждые два часа в течение 24 часов.
В своем докладе вы говорите о спектральном методе контроля. Можете рассказать немного подробнее?
Мы решили оценить метод контроля паропроницаемости пленок при помощи инфракрасного детектора по стандарту ASTM 1249 на оборудовании Mocon Permatran 3/33 (ASTM 1249) . Данная работа была выполнена при поддержке гранта Erasmus program совместно с исследователями из университета Пармы, Италия.
Прибор для анализа паропроницаемости пленок Mocon Permatran, Ametek
Данный метод используется для контроля барьерной упаковки производимой из продуктов нефти и газа на производстве упаковки, однако его применение для съедобных пленок лимитировано в научной литературе несколькими статьями из-за того что обычные условия при которых проводят тестирование паропроницаемости гидрофобных пленок таких как ПЭ, ПА или ПЭТ не подходят для гидрофильных съедобных материалов.
Для контроля паропроницаемости мы использовали желатиновые пленки разной толщины (50, 100, 150 µm) — как модель для исследования других гидрофильных пленок на оборудовании Mocon.
Какие выводы можно сделать по поводу гидрофильных компостируемых пленок?
Было установлено, обычные условия проведения контроля, которые применяются для контроля паропроницаемости гидрофобных пленок таких как ПЭ, ПЭТ не подходят для контроля проницаемости гидрофильных желатиновых пленок.
Также установлено, что с увеличением влажности желатиновых паропроницаемость пленок увеличивается. Высокая скорость потока газа в RH-ячейке (от 100 см3 представляется многообещающей для испытаний биополимерных пленок методом Mocon. В отличие от обычных гидрофобных пленок, таких как ПЭ, где с увеличением толщины пленок барьерные свойства увеличиваются, c увеличением толщины желатиновых пленок (гидрофильных) барьерные свойства уменьшались.
Таким образом мы показали, что новые условия, предлагаемые нами для контроля WVP на приборе Mocon, могут быть использованы в качестве руководства контроля проницаемости паров воды гидрофильных биополимерных упаковочных материалов нового поколения на производстве без необходимости закупки дополнительного оборудования, если на упаковочной линии уже была установлена система Мосоn, а также новых исследований в области повышения барьерных характеристик гидрофильных компостируемых пленок.
Результаты исследований были отправлены в журнал Food Packaging and Shelflife издательства Elsevier. Исследования проводились под руководством Андрея Тюфтина, PhD при участии его подопечной коллеги мастера наук (MS) Франчески Пекорини (F. Pecorini, University of Parma), которая проводила исследования в UCC а также Проф. Э. Занарди (Prof. E. Zanardi, University of Parma) и Проф. Керри (Prof. Kerry, UCC).
С оригинальным текстом исследовательской работы можно ознакомиться здесь:
Andrey A. Tyuftin, Francesca Pecorini, Emanuela Zanardi, Joe P. Kerry. (2020). Mocon Permatran Infrared Sensor Detecting Method (ASTM 1249) Application for the Studies of Water Permeability of Gelatin Film and Parameters Affecting it. Proceedings in Global Virtual Conference on Polymers in Food Packaging, 15- May, P.3.
С другими публикациями Dr. Тyuftin посвященных тематике исследования упаковочных материалов можно ознакомиться ниже:
https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=FSBq-FcAAAAJ
