Bioaktivní obalový materiál na bázi hydrogelu pro agro produkty

Smarak Bandyopadhyay, M.Sc.

Doctoral thesis

Hydrogel-based bioactive food packaging material for agro products

Abstract:

Petroleum based food packaging materials increase the global carbon footprint due to their non-biodegradability. Moreover, the excessive use and improper disposal have caused enough harm to the aquatic and terrestrial lives. According to the European Parliament, the usage of single-use plastics (mainly used for food packaging) should be replaced with biodegradable packaging materias by 2022. Bio-based hydrogels are not only an alternative to the non-biodegradable packaging materials but also have the capability to enhance the shelf life of the product. This doctoral thesis is focused on the production of bacterial cellulose (BC) from waste apple juice and utilizing the BC to develop novel biodegradable hydrogel film (PVP-CMC-BC-GG). Furthermore, essential oils and anthocyanin were added to the films to make them functional packaging material. Among the evaluations done for the hydrogel film, SEM, FTIR, XRD, TGA, DMA, color assay, mechanical and biodegradation analysis are the notable ones. Mechanical tester Instron gave the Young's modulus, elongation at break and tensile strength of the films. The physico-chemical analysis of the novel packaging material was done using FTIR and XRD methods. SEM provided an insight to the structural orientation of the film, and TGA gave the thermal stability of the materials. The determination of barrier properties is also an important parameter for food packaging material, hence the oxygen permeability and water vapour transmission rate were calculated following ASTM protocols. The analysis of freshness of food (berries and cheese) were done by packing in the hydrogel film and monitoring them over a period of time. The results from SEM revealed that the final film structure has characteristic hydrogel pores. The FTIR spectra support the presence of PVP-CMC, BC and GG in the final structure. PVP-CMC-BC-GG has the best barrier and mechanical properties among all the compositions tested. Further, the shelf life enhancement of berries and cheese by this film also supports its use as a packaging material. The addition of essential oil to the films has resulted in inhibition zones (antimicrobial properties) against an array of food spoilage microbes. Further, the incorporation of anthocyanin has made the films pH-sensitive and successful in detecting pH changes due to food spoilage. Finally, the newly developed hydrogel film was 80% degraded in compost bed in 30 days and complete degradation in 60 days. Thus it can be concluded from the achievements of the thesis that PVP-CMC-BC-GG hydrogel dried films can be an alternative to the petroleum based food packaging materials.

Abstract:

Obalové materiály na bázi ropy zvyšují celosvětovou uhlíkovou stopu díky své biologické nerozložitelnosti. Jejich nadměrné používání a nesprávná likvidace navíc škodí vodním i suchozemským živočichům a obecně životnímu prostředí. Podle Evropského parlamentu by mělo být používání plastů na jedno použití do roku 2022 nahrazeno biologicky rozložitelným obalovým materiálem, a to zejména u potravinářských obalů. Alternativou k biologicky nerozložitelným obalovým materiálům jsou bio-hydrogely, které navíc mají také schopnost prodloužit skladovatelnost produktu. Předložená disertační práce je zaměřena na produkci bakteriální celulózy (BC) z odpadní jablečné šťávy a její využití k vývoji nové biologicky rozložitelné hydrogelové fólie na bázi PVP-CMC-BC-GG s přídavky éterického oleje a antokyaninu. Pro hodnocení hydrogelové fólie byly použity metody SEM, FTIR, XRD, TGA, DMA, testy na změny zbarvení, mechanická a biodegradační analýza. Testovací přístroj Instron byl použit pro měření Youngova modulu, prodloužení při přetržení a pevnosti fólie v tahu, fyzikálně-chemická analýza nového obalového materiálu pak byla provedena pomocí FTIR a XRD. Metoda SEM umožnila znázornit strukturální orientaci fólie a pomocí TGA byla zjištěna tepelná stabilita materiálů. Důležitým kritériem pro hodnocení potravinářských obalových materiálů jsou bariérové vlastnosti. Proto byla, podle protokolů ASTM, stanovena propustnost kyslíku a rychlost propouštění vodních par. Analýza čerstvosti potravin (bobulí hroznového vína a sýru) zabalených do hydrogelového obalu byla hodnocena vizuálně za běžných laboratorních podmínek v různých časových intervalech. Bylo zjištěno, že obaly na bázi PVP-CMC-BC-GG mají lepší bariérové a mechanické vlastnosti ve srovnání s běžně používanými potravinářskými obaly. Metoda SEM ukázala, že porozita hydrogelového obalu zůstala nezměněna po celou dobu hodnocení. Vhodnost jeho použití podporuje také prodloužení trvanlivosti bobulí hroznového vína a vzorků sýru v něm balených. Přidání éterického oleje do těchto fólií mělo za následek vznik inhibičních zón, tj. antimikrobiální vlastnosti proti řadě mikrobů znehodnocujících potraviny. Přídavkem antokyaninu do PVP-CMC-BC-GG vznikly fólie citlivé na pH, které detekují znehodnocení potravin v důsledku změn pH. Nově vyvinutá hydrogelová fólie degraduje z 80% v kompostu za 30 dní a úplné degradace je dosaženo za 60 dní. Z výsledků práce je tedy možno vyvodit závěr, že hydrofilní fólie PVP-CMC-BC-GG hydrogelu mohou být vhodným řešením pro budoucí rozložitelné potravinové obaly.

Keywords

biopolymer, hydrogel, balení potravin, aktivní balení, doba použitelnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 27. 8. 2020
• Supervisor: prof. Ing. Petr Sáha, CSc.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds