Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ενεργής συσκευασίας τροφίμων με βάση το πολυγαλακτικό οξύ και συνδυαστική χρήση νανοσωματιδίων οξειδίων μετάλλων και φυσικών βιοδραστικών παραγόντων

Abstract

Η παραγωγή πλαστικού έχει αυξηθεί παγκοσμίως και ένα μεγάλο ποσοστό χρησιμοποιείται στην συσκευασία των τροφίμων. Όπως είναι γνωστό υπάρχουν αρκετές συνέπειες τόσο για το περιβάλλον όσο και για τον άνθρωπο. Έτσι και το πλάνο της Ευρωπαϊκής Ένωσης και των ΗΠΑ είναι η μείωση της χρήσης πλαστικού και η αντικατάσταση με ανακυκλώσιμα και βιοδιασπώμενα υλικά συσκευασίας. Γι’ αυτό τον σκοπό, στην παρούσα μελέτη παρήχθησαν φιλμ συσκευασίας τροφίμων από πολυγαλακτικό οξύ (PLA) στo οποίο ενσωματώθηκαν νανοσωματίδια TiO2 σε ποσότητες 1.5% w/w και 3% w/w, και θυμόλη 12% w/w. Έπειτα μελετήθηκαν διάφορα χαρακτηριστικά όπως οι παράμετροι του χρώματος, η διαπερατότητα σε ακτινοβολία UV-vis, η γωνία επαφής και η επιφανειακή ελεύθερη ενέργεια, η διαπερατότητα σε υδρατμούς, οι μηχανικές ιδιότητες, η αντιοξειδωτική ικανότητα, η αντιμικροβιακή ιδιότητα και πραγματοποιήθηκε και εφαρμογή σε φιλέτο τσιπούρας ώστε να μελετηθεί η επέκταση του χρόνου ζωής. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού των παραχθέντων φιλμ, φαίνεται ότι η προσθήκη νανοσωματιδίων είχε μεγάλη επιρροή στη διαπερατότητα στο φάσμα UV-vis καθώς μειώθηκε σημαντικά στο ορατό φάσμα και μηδενίστηκε στην περιοχή του UV. Η προσθήκη των NPs και της θυμόλης δεν επηρέασαν την υδρόφοβη φύση του PLA, καθώς η γωνία επαφής του νερού και η ελεύθερη ενέργεια επιφάνειας δεν επέδειξαν σημαντικές διαφορές ανάμεσα στις διαφορετικές κατηγορίες φιλμ. H προσθήκη θυμόλης μείωσε σημαντικά το WVTR και το WVP, από 97.34 g/ (day x m2) σε 50.99 g/ (day x m2) και από 4.16 g x mm/ (kPa x d x m2) σε 1.94 g x mm/ (kPa x d x m2), αντίστοιχα, ενώ η προσθήκη νανοσωματιδίων δεν φαίνεται να είχε σημαντικές επιπτώσεις στη διαπερατότητα των υδρατμών. Στις μηχανικές ιδιότητες και συγκεκριμένα στο μέτρο ελαστικότητας του Young, η προσθήκη θυμόλης μείωσε σημαντικά την παράμετρο, από 1766.28 MPa σε 492.05 MPa, ενώ ο συνδυασμός θυμόλης και νανοσωματιδίων επέφερε υψηλότερες τιμές που κυμαίνονταν από 767.22 έως 810.47 MPa. Το ποσοστό % της ελαστικότητας με προσθήκη θυμόλης αυξήθηκε από 15.24% σε 236.26% σε σύγκριση με το απλό PLA, ενώ με την αυξανόμενη συγκέντρωση νανοσωματιδίων η % ελαστικότητα μειώθηκε και κυμάνθηκε μεταξύ 78.27-127.67%. Η αντοχή σε εφελκυσμό είχε υψηλότερες τιμές στα φιλμ με 1.5% w/w και 3% w/w TiO2 (24.96 - 26.47 MPa), ενώ ο συνδυασμός θυμόλης και νανοσωματιδίων δεν επέφερε σημαντικές διαφορές συγκριτικά με το απλό PLA. Όσον αφορά την αντιμικροβιακή ικανότητα η μεγαλύτερη διάμετρος διαύγασης παρατηρήθηκε έναντι του μικροοργανισμού E.faecalis, ενώ όλα τα παραχθέντα φιλμ με βιοδραστικό παράγοντα (ιδίως αυτά που περιείχαν θυμόλη) επέδειξαν έντονη αντιμικροβιακή δράση έναντι όλων των εξεταζόμενων μικροοργανισμών, με μικρότερη επίδραση ως προς το μικροοργανισμό L. monocytogenes. Επίσης, τα φιλμ που περιείχαν θυμόλη παρουσίασαν σημαντική αντιοξειδωτική δράση, η οποία ήταν πιο υψηλότερη όσο αυξανόταν η συγκέντρωση των νανοσωματιδίων. Τέλος, στην εφαρμογή διατηρησιμότητας στο φιλέτο τσιπούρας επιτεύχθηκε επέκταση του χρόνου ζωής κατά μία ημέρα στο φιλμ με προσθήκη 3% NPs και θυμόλης.

Abstract Plastic production has increased worldwide, and a large percentage is used in food packaging. As is known, there are several consequences for both the environment and humans. Thus, the plan pf the European Union and the USA is to reduce the use of plastic and replace it with recyclable and biodegradable packaging materials. For this purpose, in the present study, food packaging films were produced from polylactic acid (PLA) in which TiO2 nanoparticles were incorporated in quantities of 1.5% w/w and 3% w/w, and thymol 12% w/w. Then various characteristics were studied such as color parameters, UV-vis radiation permeability, contact angle, surface free energy, water vapor permeability, mechanical properties, antioxidant capacity, antimicrobial property and an application was also carried out on sea bream fillet in order to study the extension of shelf life. According to the results of the characterization of the produced films, it appears that the addition of nanoparticles had a great influence on the transmittance in the UV-vis spectrum as it was significantly reduced in the visible spectrum and zeroed in the UV region. The addition of NPs and thymol did not affect the hydrophobic nature of PLA, as the water contact angle and surface free energy did not affect the hydrophobic nature of PLA, as the water contact angle and surface free energy did not show significant differences between the different film categories. The addition of thymol significantly reduced the WVTR and WVP, from 97.34 g/ (day x m2) to 50.99 g/ (day x m2) and from 4.16 g x mm/ (kPa x d x m2) to 1.94 g x mm/ (kPa x d x m2), respectively, while the addition of nanoparticles does not seem to have had any significant effects on the water vapor permeability. In the mechanical properties and specifically in the Young’s modulus, the addition of thymol significantly reduced the parameter, from 1766.28 MPa to 492.05 MPa, while the combination of thymol and nanoparticles resulted in higher values ranging from 767.22 to 810.47 MPa. The percentage of elasticity with the addition of thymol increased from 15.24% to 236.26% compared to plain PLA, while with the increasing concentration of nanoparticles the % elasticity decreased and ranged between 78.27 – 127.6%. The tensile strength had higher values in the films with 1.5% w/w and 3% w/w TiO2 (24.96-26.47 MPa), while the combination of thymol and nanoparticles did not result in significant differences compared to plain PLA. Regarding antimicrobial capacity, the largest clearance diameter was observed against the microorganism E.faecalis, while all the produced films with bioactive agent (especially those containing thymol) demonstrated a strong antimicrobial activity against all the examined microorganisms, with a lesser effect on the microorganism L. monocytogenes. Also, the films containing thymol showed significant antioxidant activity, which was higher as the concentration of nanoparticles increased. Finally, in the preservation application on sea bream fillet, an extension of the self-life by one day was achieved in the film with the addition of 3% NPs and thymol.