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环保与经济效益并重的新型食品包装
MARKUS SCHMID KARIN AGULLA
在包装行业内,只有保障包装产品安全性的前提下,节约原材料这一举措才有利于提升产品的可持续性。这一方向的研究项目已在如火如荼地开展中,旨在使用可再生原材料,研发出可同时适用于食品和非食品生产领域的高效节能弹性包装材料。
食品如今已经不再被作为单一产品来看待,而被赋予了更丰富的涵义,其中一个重要因素就是包装。顾客越来越多地希望在伦理道德及生态环保方面毫无争议的产品,当然也会考虑到产品的包装。为了顺应这种从整体上考量的趋势,包装行业正致力于通过减少原材料使用及选取现有原材料的替代品,来生产更环保,因而也更具可持续性的包装。
然而,上述这些举措只有在充分保障被包装物品安全性的前提下,才是有利于提升可持续性的,这是因为投入到食品中或与食品紧密结合的资源的价值远远高于投入到包装中的资源价值。这点能够从烘焙咖啡的案例中清晰看出,在烘焙咖啡中,与咖啡相关的资源投入占90%,而与包装相关的能源仅为10%。当然,这个比例会因食品类别不同而有所差异,尽管如此,我们依然能够得出结论,由于选取不适当的包装材料而带来的产品损耗,并不能够单纯通过包装材料的节约得到平衡。
因而,在新包装材料产品开发和用中最优先考虑的,还是可持续包装的设计概念必须能足够为产品提供足够的保护。只有保障包装产品安全性的前提下,节约原材料这一举措才有利于提升产品的可持续性。举个例子,如果一款现有包装材料在渗透性能方面达到了最低要求,那么,若想进一步减少材料的使用量,便只能通过优化材料性能才能实现。提升包装设计可持续性的一个契机,是选取原材料替代物,比如用“生物高分子聚合物”替代石化材料。
“生物高聚物”这个术语往往会引起疑惑。根据目前最广泛使用的定义,生物高聚物是高分子聚合物材料,包括生物基(可再生)原材料和/或可生物降解原材料。尽管这个定义被专家普遍认可,但它仍然未被纳入法律及准则。欧洲生物塑料行业协会也认可该释义为“生物高聚物”的定义。
从字面上来看,生物高聚物意味着可持续性。然而,生物高聚物实际上也有缺陷,特别是作为食品包装材料使用时。在机械性能方面,生物高聚物完全可适用于传统薄膜材料的整个适用范围,但在阻隔性能方面就显得力有不逮。特别作为易腐食品的包装材料时,例如肉类食品(见卷首图),生物高聚物的阻隔性能往往在保护产品方面不能够胜任。
德国弗赖辛的工艺工程与包装Fraunhofer研究所(IVV)为此展开了两项研究项目,来深入探索节能且环保的包装材料。项目寻求各种不同的解决方案,共同的目标都是开发一款既可满足食品包装要求,又能立足于市场定价的可持续包装材料,简言之,要开发出一款既环保又经济的包装材料。
纳米表面作用过程
上述项目以自我融资形式开展,旨在使用可再生原材料,开发出一款创新型高效节能的弹性包装材料,使其既可用于食品行业,也可用于非食品行业。在加工过程中,需要进行表面作用过程,特别在使用生物材料的情况下。通过天然脂肪酸来实现表面酯化,从而提升技术功能特性的潜在可能性,以及纳米规格的表面作用过程成果都得到了展示。在技术功能特性之中,项目重点针对水汽的阻隔性能和防水性能进行了研究,作用过程的基底往往具有高水汽渗透性,因而其水汽阻隔需要通过表面作用才能得以显著提升(见图1)。

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芬兰赫尔辛基Ahlstrom Oyj公司推出的Gerbier HDS SCC (不同规格、涂层、压制)包装纸,以及英国威格顿Innovia薄膜有限公司生产的NatureFlex NP玻璃纸,在项目中用作基底层。使用德国美因河畔哈特斯海姆Kuraray Europe公司生产的不同规格Mowiol聚乙烯醇涂层((PVOH:从部分皂化到完全皂化),分别用于上述基底层,并且采用Fraunhofer IVV涂层和层压生产线(约6 g/m3)(见图4)。这样生产出的产品结构,在标准环境(23°C,50 % RH)下对氧气具有较高的阻隔性能,但事实上,对于易腐食物而言,例如鲜肉或肉类食品,该产品并不具备充分的水和水汽阻隔性能,这是由其亲水特性造成的。不止如此,在相对湿度较高的环境下,使用PVOH时往往会普遍出现氧气传输速率迅速增加的情况。
在接下来的步骤中,通过化学接枝法,使用脂肪酸氯化物对PVOH涂层基底的表面进行酯化。在这一过程中,棕榈酸和硬脂酸氯化物分别溶解于石油。传送包装纸(Whatman有限责任公司生产,2级)浸泡在脂肪酸氯化物中,随后溶剂挥发。与传送纸直接接触后,PVOH涂层基底储存在温度为150°C的干燥炉中(Heraeus 5042)。受控于固相和气相之间的平衡,酯化反应会随即发生。
据上所述,脂肪酸氯化物分子与羟基族在PVOH表面发生显著反应,从而形成极薄(一分子厚度)涂层。除共价黏合脂肪酸外的黏着脂肪酸,会对产品技术功能特性产生影响,为排除这一可能,先在Soxhlet萃取器中使用丙酮清洁样本,随后测量水与水汽对DIN 53 122的渗透性的交会角(见图2)。

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从图2中可以看出,进行酯化前,表面对水的交会角(左图)小于90°,这证明了PVOH表面的亲水性,而酯化表面对水的交会角(右图)大于90°,这证明了酯化表面的疏水性(见图3)。

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表面酯化过程前后对水汽渗透性的对比,显示出,19号阻隔改良因素通过纳米规格表面作用过程,显著提升了水汽阻隔性能,且仅需投入可忽略不计的原材料用量。对相对湿度赖氧渗透性的进一步研究显示出,PVOH在相对更高湿度的情况下,氧气渗透性会相应增加,但这一普遍效应能够被降低。
乳清蛋白基阻隔层
在欧盟第7研究框架计划中,“乳清层(Wheylayer)”项目工作于2008年展开。乳清是一种全新的生物材料,由乳清蛋白制成。产品研究目标是在包装薄膜中取代聚合物层的使用,因而要求乳清产品对氧气和水分要具备卓越的阻隔性能。

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乳清和乳制品在食品和制药行业中,往往被用作功能性添加剂。乳清产品也广泛用于运动营养行业,常用于的产品是蛋白质饮品。不止如此,乳清也被用于动物养殖所用的添加剂或者肥料。根据“2008年国际乳清会议”数据,乳清作为奶酪生产所产生的副产品,每年产量为5000万吨。在这个庞大的数字中,约40%比例的乳清被当作生产废料直接丢弃。从比较严格的水废弃物处理法律规定角度出发,传统处理方式之外的替代性处理选择方案正在研究当中。

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在该项目背景中,Fraunhofer IVV特别在优化涂层阻隔性能方面起到了重要作用。由此获得的纯蛋白被隔离。乳清蛋白能够从甜和酸乳清中形成薄膜,这一特性通过化学改良和酶部分水解加以改良提升。在上述蛋白的基础上生产出的创新型乳清蛋白产品,具备更优良的阻隔效果、更卓越的黏附力和更高的耐机械力性能。也因其自身出众的阻隔性能,它成为可替代石化基阻隔材料的一种选择。
Fraunhofer IVV表面形成的乳清蛋白结构,在实验室和试验性应用领域,被用于PET、PE和PLA薄膜的涂层。实验室使用的控制涂层,可保障可复制性涂层厚度。涂层工序之后,薄膜在实验室干燥箱中进行对流烘干。通过实验室测试后,该产品走出实验室的迫切性和必要性浮出水面。乳清蛋白产品的前景一片光明,继而投入了批量生产,经过遴选的涂层用基底和Fraunhofer IVV层压生产线在生产中与之匹配(见图4)。
除了涂层工艺,层压工序也用于生产复合材料,来满足食品包装的要求。由此生产出的包装材料,能够取代成本高昂且非可再生原材料基的阻隔材料EVOH(乙烷-乙烯基酒精)。
该项目最初设定的目标,是希望新产品对于厚度为100 mm的产品样本,阻隔性能达到氧气渗透OTR小于2 cm3 (STP)/(m2 d bar),水汽渗透WVTR小于20 g/(m2 d)。为了达到这一目标,若干前提条件必须满足。其中特别关键的是,乳清蛋白薄膜必须对基底层具备足够黏着力,并能承受机械力,从而防止分层和/或脆性断裂。经过乳清蛋白的选择性改良和形成后,才能够生产出满足机械要求的涂层(见图5)。
电晕预处理使得基底层的表面能量被涂层保护而获得显著提升,从而实现更卓越的黏着力。由此得到的样本随后进行氧气和水汽阻隔性能的测试。从图6中可以看出,产品样本已经达到了阻隔性能目标。
该项目下一步的目标是提升复合材料的可再循环性,及研究生物可降解性。意大利比萨大学为此开展了必要的研究,由此提出了不同结构的生态平衡理念,实现原材料和能源投入性能的评估。研究结果显示出,阻隔涂层能够从基底层上移除而无残留。领衔研究的比萨大学将这项新包装解决方案看作是复合材料再循环的重大突破。
Fraunhofer IVV已经成功在多层薄膜生产领域使用乳清蛋白基阻隔层,并首次采用卷筒工艺,该加工步骤也是满足经济性标准的一个先决条件。 3/8/2013


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