Wyobraźmy sobie, że łatwo psujące się owoce, warzywa i kwiaty zdecydowanie dłużej zachowują świeżość i mogą leżeć dłużej na sklepowych półkach. Wyobraźmy sobie jakie oszczędności to generuje oraz o ile mniej żywności zmarnuje się w skali globalnej. Uczestnicy projektu FreshInPac starają się urzeczywistnić tę ideę. Rezultaty ich prac są bardzo obiecujące.

FreshInPac skupia instytuty badawcze, uczelnie i firmy, które koncentrują się na rozwoju opakowań, w których stosuje się specjalne dodatki pozwalające na wydłużenie okresu świeżości nietrwałych produktów - owoców, warzyw, ale również kwiatów. Opakowania te mają różnorakie właściwości: jedne potrafią zmniejszać ilość etylenu wewnątrz opakowania, inne działają antymikrobiologiczne lub pozwalają kontrolować kondensację wilgoci. Aby stworzyć takie rozwiązania partnerzy projektu z Polski, Niemiec, Belgii i Holandii współpracują i łączą swoje umiejętności i doświadczenie.

Jak kontrolować etylen?

Dlaczego świeże produkty psują się lub dojrzewają szybciej niż byśmy chcieli? Mają na to wpływ takie czynniki jak: temperatura, wilgotność, a także koncentracja w powietrzu etylenu, czyli gazu produkowanego w różnych ilościach przez owoce i warzywa (jest on wydzielany wskutek spalania węglowodorów i pojawia się również np. w układach wydechowych samochodów). Wysoka koncentracja etylenu w powietrzu powoduje szybsze psucie się warzyw i owoców.

- Staramy się opracować nowe materiały, które pozwolą zmniejszyć ilość etylenu, a zarazem będą mogły być wykorzystane w opakowaniach do żywności - wyjaśnia dr Namrata Pathak z Leibniz Institute for Agricultural Engineering and Bioeconomy (ATB) w Poczdamie. W ramach projektu FreshInPack badane są tam opakowania na jabłka, banany i pomidory. - Generalnie chcemy, aby wewnątrz tych opakowań była mniejsza zawartość etylenu, co spowolni proces dojrzewania i przedłuży okres ekspozycji tych produktów na półkach sklepowych.

Zespół ATB eksperymentował z różnymi środkami mającymi pochłaniać etylen, takimi jak: węgiel aktywowany, materiały na bazie krzemu oraz zeolit (minerały glinokrzemianowe). Niektóre z nich są owocem pracy partnerów naukowych projektu FrshInPac. Inne są produktami partnerów komercyjnych oraz zewnętrznych dostawców. Podczas pierwszego etapu badań substancje te umieszczane były w szczelnej komorze, do której później wpuszczano etylen. Następnie naukowcy badali jak wpływały one na zmniejszenie ilości niechcianego gazu wskutek jego absorpcji lub utlenienia. Pracując nad materiałami odpowiednimi do kontrolowania ilości etylenu wydzielanego przez owoce i warzywa trzeba wziąć pod uwagę wiele czynników. M.in. to, czy zajmujemy się produktami wytwarzającymi dużo, czy mało tego gazu. Do pierwszej kategorii należy m.in. mango, jabłka, dojrzałe banany, a do drugiej m.in. truskawki. Ponadto jedne produkty są bardzo wrażliwe na jego działanie (np. zielone banany), a inne umiarkowanie (np. jabłka).

W rezultacie pierwszego etapu badań w projekcie FreshInPac ustalono kilka bardzo skutecznych substancji, które pomagają w redukcji ilości etylenu (np. zeolit). Następnym krokiem będzie znalezienie sposobu wprowadzenia ich do opakowań.

- Nasi partnerzy naukowi starają się obecnie wyprodukować folię zawierającą zeolit. Wyzwanie przed jakim stoimy polega na tym, że w formie folii substancja ta nie działa już tak skutecznie, bo sama folia blokuje dostęp do substancji, która jest w niej zawarta. Pamiętajmy też, że taka folia wykorzystana do produkcji opakowań nie może być zbyt gruba oraz, że musi pozostać przezroczysta - wyjaśnia dr Pathak.

Nanomateriały i substancje antymikrobiologiczne

Ale naukowcy nie ograniczają się do opakowań foliowych. Analizują również możliwość wykorzystania pochłaniaczy etylenu w postaci specjalnych wkładek, a także testują opakowania papierowe wzbogacone o takie środki. Jeden z uczestników projektu, belgijskie centrum badawcze Celabor, koncentruje się na tworzeniu właśnie takich papierowych opakowań aktywnych.

- Przygotowaliśmy różne preparaty, w których substancje absorbujące etylen rozpuszczone są w preparatach biopolimerowych. Pokrywamy nimi opakowania papierowe. Opracowaliśmy kilka receptur zawierających włókna z celulozy, nano- i mikrocelulozy, a także białko oraz zeolit i nanocząsteczki dwutlenku tytanu jako absorbenty etylenu - mówi dr Sandro Gennen z Celabor scrl. Teraz centrum badawcze ma rozpocząć przygotowania do produkcji arkuszy papierowych pokrytych substancjami antymikroboiologicznymi dostarczonymi przez Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie (ZUT). - Gdy tylko zidentyfikujemy optymalny skład powłok, wyprodukujemy papierowe tacki pokryte substancją o właściwościach absorbujących etylen i antymikrobiologicznymi. Aby wpisać się w wymogi biogospodarki cyrkularnej, nasze badanie skupia się szczególnie na rozwoju powłok z naturalnych surowców, które nadają się do recyklingu i/lub do kompostowania. W ostatnim kroku wykonamy testy migracji dla najbardziej obiecujących opakowań żeby zademonstrować ich zgodność z przepisami Unii Europejskiej dotyczącymi kontaktu z żywnością - dodaje dr Gennen.

ZUT i Centrum Bioimmobilizacji i Innowacyjnych Materiałów Opakowaniowych będzie również pracowało nad dopuszczonym do kontaktu z żywnością nanocząteczkach TiO2, w postaci aktywnego materiału łączącego "2 w 1", posiadającym zarówno właściwości powodujące rozkład etylenu, jak i antymikrobiologiczne. Na dzisiaj główne zadanie badaczy z ZUT to wybranie i wykorzystanie substancji antymikrobiologicznych, które są bezpieczne i dopuszczone do kontaktu z żywnością. Starają się oni wykorzystać ich właściwości do opóźnienia procesu psucia się warzyw, owoców i kwiatów.

- Na bazie analiz mikrobiologicznych wybraliśmy cztery substancje, które wykazują najbardziej obiecujące działanie w przedłużeniu świeżości jabłek, bananów, pomidorów i róż. Obecnie weryfikujemy możliwość zastosowania tych substancji w materiałach opakowaniowych. Może się to odbyć na dwa sposoby, które podlegają właśnie ocenie. Chodzi o bezpośrednie dodanie ich do granulatu polimerowego, z którego powstaje folia opakowaniowa, lub zastosowanie jako powłoka na powierzchni folii polimerowej - mówi prof. Artur Bartkowiak, dyrektor CBIMO i członek zarządu stowarzyszenia Natureef.

Modelowanie matematyczne

Projekt FreshInPac wykracza poza testowanie materiałów i substancji. Badacze z Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV opracowali matematyczny model bazujący na równaniach różniczkowych zwyczajnych w celu obliczenia czasu ewolucji poziomu etylenu wewnątrz opakowania i jego wpływu na proces dojrzewania świeżych produktów. Model uwzględnia współczynnik wytwarzania gazu przez owoce, przenikanie etylenu przez powierzchnię opakowania i perforację, reakcję usuwania gazu przez zastosowane substancje aktywne, a także geometrię systemu opakowaniowego. Dzięki temu modelowana jest dynamika całego procesu.

- Z pomocą tych symulacji otrzymujemy ilościowe wskazówki dotyczące tego w jaki sposób zastosować w produkcji opakowania materiał neutralizujący etylen. Wyniki pozwalają nam indywidualnie planować konkretne systemy opakowań - wyjaśnia dr Matthias Reinelt z Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV.

Wkład w projekt FreshInPac w zakresie modelowania matematycznego mają również naukowcy z Wydziału Informatyki ZUT. Ich rozwiązanie związane jest z badaniami CBIMO i opisuje sposób, w jaki substancja aktywna migruje w opakowaniu.

Korzyści i wyzwania

Jakie ekonomiczne i środowiskowe efekty może przynieść FreshInPac? Według dr Pathak trudno określić je precyzyjnie, ponieważ trwałość produktów uzależniona jest od wielu czynników, takich jak temperatura otoczenia i wilgotność. Jednak w przypadku wybranych owoców, takich jak np. banany możemy mówić o kilku dniach świeżości dłużej na sklepowej półce. Biorąc pod uwagę, że roczne straty owoców i warzyw mogą sięgać (wagowo) 45 proc., a kwiatów 15-25 proc., a także uwzględniając duże znaczenie gospodarcze tych popularnych produktów, korzyści dla producentów i handlu mogą być ogromne.

Projekt oznacza też korzyści dla jego partnerów komercyjnych. Materiały produkowane przez małe i średnie firmy współpracujące z badaczami skupionymi wokół FreshInPac będą dalej rozwijane. Procedury testowe pozwalają firmom korzystać wprost z rezultatów projektu w celu projektowania materiałów opakowaniowych.

- Cieszę się, że partnerzy komercyjni projektu, wraz ze swoimi klientami, są wystarczająco zdeterminowani, aby rozwijać rozwiązania, które powstają w ramach projektu. Szybkie i skuteczne zastosowanie wyników badań w praktyce jest jednym z celów CBIMO, a także stowarzyszenia Natureef - podkreśla prof. Bartkowiak.

Dr Pathak wskazuje, że w przyszłości testowana będzie możliwość wykorzystania kolejnych (nano) materiałów. Np. zastosowanie dwutlenku tytanu w połączeniu ze światłem ultrafioletowym (a ostatecznie nawet ze światłem dziennym), czy z dodatkiem palladu wydają się obiecujące dla ograniczaniu ilości etylenu w opakowaniach zawierających warzywa i owoce.

Przed badaczami stoją jednak poważne wyzwania. Jednym z nich jest złożona natura zjawiska absorpcji etylenu. Jej poziom zależy od koncentracji tego gazu, co sprawia, że cały proces jest trudny do kontrolowania. Kolejny problem wynika z tego, że nie każda substancja spełniająca swoją rolę w kontakcie z etylenem jest dopuszczona przez prawo do kontaktu z żywnością. Naukowcy zmagają się też z faktem, że wyniki badań laboratoryjnych nie w pełni przekładają się na skuteczne rozwiązania stosowane w rzeczywistych opakowaniach.

- Obecnie wiele ciekawych rozwiązań opisanych jest w literaturze naukowej, ale zastosowań praktycznych jest niedużo. Pracujemy więc nad materiałami, które działają skutecznie nie tylko z punktu widzenia testów laboratoryjnych, ale przede wszystkim w realnych zastosowaniach, w produkcji opakowań dla produktów spożywczych - mówi prof. Bartkowiak.

Nawiąż kontakt, zapisz się na webinar

Aby dowiedzieć się więcej na temat możliwych zastosowań wyników badań oraz poznać plany firm, uczelni i instytutów zaangażowanych w projekt FreshInPac, warto wziąć udział w specjalnym webinarze przygotowanym z myślą o przedstawicielach biznesu zainteresowanych tematyką projektu. Podczas wydarzenia, które zaplanowane jest na wrzesień, organizatorzy zaprezentują firmom wyniki swoich prac.

O projekcie

Projekt FreshInPac ma na celu opracowanie nowoczesnego, aktywnego i funkcjonalnego bio-opakowania przeznaczonego do pakowania świeżych produktów (takich jak owoce, warzywa lub kwiaty). Opracowane opakowanie poprzez swoje specjalne właściwości (zdolność pochłaniania etylenu, uwalnianie substancji antymikrobiologicznych, regulację wilgotności) poprawi jakość oraz bezpieczeństwo zapakowanej żywności i wydłuży jej okres trwałości.

Partnerzy projektu to: IVV, ATB – Niemcy; Celabor, Materia Nova – Belgia; KCPK – Holandia; ZUT, Natureef – Polska. Członkowie w Komitecie Użytkowników to: CDM Sp. z o.o., Hadepol Flexo Sp. z o.o., KB Folie, Polska Sp. z o.o., Oboya Horticulture Poland Sp. z o.o., Yanko Sp. z o.o., Veroni Sp. z o.o. Projekt realizowany jest w okresie: 01.09.2019 – 31.08.2021. Współfinansuje go NCBiR w ramach inicjatywy CORNET.