Powłoka do zrównoważonych opakowań do żywności nadających się do recyklingu i kompostowania

Naukowcy ze School of Science Uniwersytetu Mae Fah Luang w Tajlandii oraz School of Engineering and Materials Science na Uniwersytecie Queen Mary w Londynie w Wielkiej Brytanii opracowali powłokę na bazie szelaku, by poprawić właściwości barierowe gazów w opakowaniach nadających się do recyklingu, kompostowania i zgodnych z  założeniami zrównoważonego rozwoju. Takie opakowania znalazłyby zastosowanie do żywności instant, odwodnionej, mrożonej i schłodzonej.

Formowana masa celulozowa, wykonana z materiałów odnawialnych, takich jak drewno eukaliptusowe lub wytłoki z trzciny cukrowej, jest szeroko stosowana jako zrównoważony materiał opakowaniowy do ochrony produktów transportowanych, tacek do serwowania żywności, pojemników i pojemników na napoje. Jej wielkość produkcji stanowi ponad 30% wszystkich papierowych materiałów opakowaniowych, a oprócz surowców odnawialnych nadaje się również do recyklingu i kompostowania.

Jednak słabe właściwości barierowe materiałów dla gazów oraz ograniczona odporność na wodę i olej sprawiają, że formowane masy celulozowe nie nadają się do zachowania trwałości i jakości wielu produktów. Zwykle rozwiązuje się to przez laminowanie lub powlekanie materiałów polimerami na bazie ropy naftowej, takimi jak polietylen i cienką warstwą metali, zwykle aluminium, co sprawia, że recykling lub kompostowanie jest trudne i niepraktyczne.

Cel badania

Celem tego badania, opublikowanego w lutym br. w czasopiśmie Polymer International, była poprawa właściwości barierowych i odporności powierzchni formowanej masy celulozowej przy jednoczesnym zachowaniu jej ekologicznego profilu i zrównoważenia środowiskowego poprzez opracowanie nowej powłoki opartej na przyjaznej dla środowiska, odnawialnej i z biodegradowalnych materiałów.

W tej pracy uformowaną masę włóknistą pokryto warstwą nanokompozytu składającą się z celulozy nanofibrylowanej (NFC) i szelaku, aby poprawić jej właściwości barierowe i odporność powierzchniową. Aby poprawić kompatybilność z fazą szelaku i zwiększyć wodoodporność NFC, przygotowano zmodyfikowaną celulozę nanofibrylowaną (mNFC) w reakcji estryfikacji. Naukowcy przygotowali również próbki niepowlekane i próbki powlekane czystym szelakiem do porównania.

Badano wpływ preparatu nanokompozytowej powłoki, a także różnych grubości warstwy powłoki na formowanej masie celulozowej, na morfologię, właściwości barierowe, odporność na wodę i olej, stabilność termiczną i właściwości mechaniczne wytwarzanych próbek.

Szelak

Szelak pochodzi z żywicy wydzielanej przez owady zwane czerwcami i był produkowany od wieków jako barwnik do zastosowań w różnych produktach - od lakierów do paznokci po lakier do mebli i jako barwnik w przemyśle spożywczym - ze względu na nietoksyczny charakter, właściwości termoplastyczne, olejoodporność i dobre właściwości barierowe dla wilgoci.

Wykazuje również dobrą przyczepność i może być rozpuszczany w rozpuszczalnikach o niskiej toksyczności. Jednak powłoka z czystego szelaku nie jest powszechnie stosowana ze względu na jej kruchość i wysoką przepuszczalność tlenu.

Ustalenia naukowców i wyniki badań

Naukowcy stwierdzili, że współczynniki przepuszczalności pary wodnej i tlenu mieszczą się w tym samym zakresie, co w przypadku konwencjonalnych materiałów opakowaniowych do żywności, takich jak polietylen o niskiej gęstości, zorientowany polipropylen i politereftalan etylenu.

Badanie kąta zwilżania wodą, kąta zwilżania olejem i szybkości wchłaniania oleju wykazało również, że nanokompozytowa warstwa powłokowa zapewnia doskonałą wodoodporność i obiecującą odporną na tłuszcz powierzchnię formowanego arkusza masy celulozowej. Warstwa powlekająca poprawiła również właściwości wytrzymałościowe próbek arkuszy, zwłaszcza próbek powleczonych szelakiem i mNFC.

Próbki osiągnęły dobrą stabilność termiczną (ok. 250 °C) po wprowadzeniu warstwy szelaku o niższej temperaturze degradacji termicznej, co potwierdza jej praktyczne zastosowanie w opakowaniach.

Póki co obecna bariera dla komercjalizacji tkwi w kosztach, które badacze szacują obecnie na trzy do dziesięciu razy więcej niż materiały obecnie używane. Jednak powłokę można również „nakładać na inne ekomateriały w celu zmniejszenia wrażliwości na wodę/wilgoć”.

Źródło: https://www.tuhinnet.com/2023/02/08/shellac-based-coating-makes-pulp-materials-suitable-for-food-without-use-of-petroleum-based-polymers-or-metals/