Wetenschappers mikken vooral op biobased verpakkingsmaterialen

24ste IAPRI World Packaging Conference

Voedselverspilling door onvoldoende barrière-eigenschappen is uit den boze. Op dat vlak is nog genoeg werk te doen als het gaat om biobased verpakkingsmaterialen. Tal van wetenschappers in de hele wereld zijn dan ook bezig met onderzoek naar biobased barrièrematerialen voor dit soort verpakkingen. Zo bleek tijdens de 24ste IAPRI World Packaging Conference in Valencia.

Ook Fuensanta Monzo Sanchez van het Spaanse onderzoekscentrum CETEC in Murcia gaat voor de optie van biogebaseerde/biocomposteerbare materialen. “Bij is de transitie van de samenleving naar een duurzamere manier van leven is het van cruciaal belang om het welzijn van de volgende generaties te garanderen.” In die context ziet zij de vervanging van op fossiele brandstoffen gebaseerde kunststoffen door biogebaseerde materialen momenteel als een veelbelovende strategie om de impact van plastic op het milieu te verminderen. “Binnen het upPE-T-project richten we ons op de productie van poly 1 (3-hydroxybutyraat-co-3-hydroxyvaleraat), ook bekend als PHBV, met een hoog molgehalte aan 3-hydroxyvaleraatmonomeer en de ontwikkeling van op PHBV gebaseerde formuleringen toegepast in de voedselverpakkingssector. Tot nu toe hebben we een reeks samengestelde folies geproduceerd met andere biologisch afbreekbare polyesters die geschikt zijn om te worden verwerkt door middel van injectie, gegoten extrusie en geblazen extrusie. Aanvullend zijn ook gethermovormde trays” Om een ​​volledige biologische afbreekbaarheid van de tijdens het project ontwikkelde materialen te garanderen, waren alle gebruikte additieven biobased en biologisch afbreekbaar, meldt Sanchez. “We hopen dat de inspanningen die in dit werk worden geïnvesteerd, bijdragen aan de transitie van PHBV buiten de academische wereld naar de echte markt.”

Halvering voedselverlies

Volgens Jesus Paluenzula Conde van het organiserende Spaanse wetenschappelijke instituut ITENE zijn het aanpakken van duurzame ontwikkelingen en het terugdringen van voedselverlies en -verspilling (FLW) twee van de belangrijkste uitdagingen. “Deze worden door de Verenigde Naties erkend in de Agenda 2030 voor Duurzame Ontwikkeling. In lijn met deze doelstellingen heeft het door de EU gefinancierde ZeroW-project zichzelf het ambitieuze doel gesteld om een ​​sleutelrol te spelen in de transitie van de huidige voedselsystemen. Daarbij moet een halvering van het voedselverlies en -verspilling (FLW) tegen 2030 en het bereiken van bijna nul FLW tegen 2050". 

ITENE levert een bijdrage aan ZeroW door de technische ontwikkeling van verpakkingstechnologieën om het probleem van FLW in verpakkingen van verse vis effectief aan te pakken. Daarbij is een hoofdrol weggelegd voor de ontwikkeling van een tray met meerdere compartimenten die de noodzaak elimineren van het gebruik van absorberende kussens om het vocht van de vis vast te houden. Deze dienen ervoor om de houdbaarheid te verlengen en tegelijkertijd de duurzaamheid van de tray te vergroten.

Verder ontwikkelt ITENE een coating voor het afsluitende deksel die de zuurstofbarrière verbetert ten opzichte van het originele materiaal.

Met een versheidsindicatorlabel met kleurveranderende inkt worden de puntjes op de i gezet. Het label reageert namelijk op de veranderingen van metabolieten en microbiologie in het voedsel. Zij geeft vervolgens een indicatie voor de resterende houdbaarheid van het product die de werkelijke toestand ervan weerspiegelt. Dit label kan worden gelezen met een mobiele applicatie, die ook in het kader van het project wordt ontwikkeld.

Biobased dispersiecoating voor papier

Rajesh Koppolu van het technische onderzoeksinstituut VTT in Finland presenteerde als nieuwste ontwikkeling een biogebaseerde barrièrecoating voor papier. Het gaat om een polyester dat wordt aangetroffen in celwanden van planten, suberine genaamd. Koppolu: “Suberine kan worden gehydrolyseerd en teruggewonnen als vetzuren uit de berkenschors, en kan een veelbelovend materiaal zijn voor barrièreverpakkingen.” Deze stof beschermt de plant tegen vochtverlies en heeft daarmee automatisch een vochtafwerende werking.

“De momenteel gebruikte vochtbarrièrelagen in verpakkingen zijn voornamelijk gemaakt van materialen op fossiele basis, een eindige en niet-hernieuwbare hulpbron. Er wordt verwacht dat biogebaseerde barrièrecoatings de duurzaamheid van producten zullen vergroten en het gebruik van milieugevaarlijke hulpbronnen en de productie van afval zullen verminderen.”

In het onderzoek van VTT werden waterige dispersies van suberine bereid met behulp van een thermo-mechanische benadering. “Deze is goedkoop en milieuvriendelijk en maakt gebruik van milde verwerkingsomstandigheden die de afbraak van polymeer tijdens de bereiding van de dispersie minimaliseren.” Het aanbrengen van de suberine-dispersiecoating werd eerst op laboratoriumschaal getest op twee verschillende papier- en kartonsubstraten. De coatingformuleringen en het applicatieproces werden geoptimaliseerd voordat de productie naar een semi-pilotschaal werd overgeheveld (VTT’s pilotlijn voor oppervlaktebehandelingsconcepten). Het proefgecoate papier en karton werden onderzocht op hun barrièreprestaties bij variërende vochtigheidsomstandigheden. Een waterdamptransmissiesnelheid (WVTR) van 10 - 18 g/m² werd verkregen bij 23°C en 50% RH. WVTR werd nog steeds onder 80 g/m²/dag gehouden bij hogere vochtigheidsomstandigheden (23°C en 80% RH), en deze prestatie was vergelijkbaar met die van sommige van fossiele oorsprong afkomstige dispersiecoatings. De vet- en oliebarrièreprestaties van suberinecoatings werden ook concurrerend bevonden. De smeltlasprestaties van met suberine gecoate substraten konden tot slot ook de toets der kritiek doorstaan in flexibele VVS-verpakkings- en stansprocessen.

Hoofdrol voor aardappelschillen

De Zwitserse onderzoekster Susanna Miescher (Universiteit Zürich voor toegepaste wetenschappen) deed verslag van haar zoektocht naar een film op basis van hele aardappelschillen. Daarin werden aardappelschillen (PP) en biogebaseerd polybutyleensuccinaatadipaat (BioPBS) in verhoudingen van 1:0, 3:2, 1:1 en 2:3 gebruikt om films te produceren. Dat gebeurde in een tweetraps extrusieproces met behulp van een co-roterende dubbelschroefsextruder. Daarbij werden maleïnezuuranhydride en wijnsteenzuur toegevoegd voor een betere hechting van de verschillende lagen en carnaubawas voor verbetering van de film die vervolgens werd beoordeeld op zijn mechanische eigenschappen, waterdampdoorlaatbaarheid en thermische eigenschappen.

Films met een hoog gehalte aan 50-100 procent aardappelschillen vertoonden microscheurtjes en zwakke mechanische eigenschappen. Het verhogen van het BioPBS-gehalte naar PP: PBS 2:3 resulteerde echter in een significante toename van de treksterkte en rek. Bovendien verminderde het de waterdampdoorlaatbaarheid van de film aanzienlijk.

Het gebruik van 1 procent maleïnezuuranhydride om de hechting aan het grensvlak van de componenten te verbeteren had geen significant effect op de treksterkte (6,23 MPa), maar verhoogde de elasticiteit verder tot 65,48 procent zonder extra effect op de barrière-eigenschappen. Toevoeging van 0,15 procent wijnsteenzuur vertoonde een vergelijkbare rek bij breuk (56,23 procent), maar verhoogde de treksterkte aanzienlijk tot 6,56 MPa. De opname van 5 procent carnaubawas zorgde voor een significante verhoging van de waterbarrière-temperatuur van het oppervlak van 69,5° naar 99,7°, maar ging ten koste van de mechanische eigenschappen. 

Aardappelschil met citroenzuur als barrière

Ook volgens de Duitse onderzoekster Katharina Miller (KU Leuven) wordt de verwaarding van aardappelschillen als barrière voor toepassing in voedselverpakkingen steeds belangrijker in de context van de circulaire bio-economie. “In een eerdere studie hebben we al aangetoond dat de fysisch-chemische eigenschappen van films op basis van aardappelschillen vergelijkbaar zijn met die van films op basis van zetmeel, eiwitten en polyamide. Om het toepassingspotentieel van aardappelschillen te vergroten, moeten hun verpakkingsgerelateerde eigenschappen echter verder worden verbeterd.” Om de zuurstofdoorlaatbaarheid van coatings en films op basis van aardappelschillen te verminderen en knelpunten, waaronder gevoeligheid voor water en lage treksterkte, te overwinnen, werd modificatie met citroenzuur (CA) toegepast.

Aardappelschilsuspensies, die 10-50 procent CA bevatten, werden gecoat op PLA-substraat waarna er films van werden gegoten.

Met toenemende of afnemende CA-concentratie werden toenemende permeabiliteits- en transmissiewaarden waargenomen. Het gebruik van lage CA-concentraties in op aardappelschillen gebaseerde barrièrelagen kan gunstig zijn voor hun barrière-eigenschappen bij hoge RV, maar hun flexibiliteit kan onvoldoende zijn voor meerlaagse toepassing. Zo bleek uit het onderzoek.

Miller: “Over het geheel genomen vertoonden op aardappelschillen gebaseerde coatings en films met 10-50 procent CA vergelijkbare barrière-eigenschappen als EVOH, ook al werd er geen uitgebreide industriële zuivering of fractionering van aardappelschillen uitgevoerd. De integratie van aardappelschillen als zuurstofbarrière in laminaten zal in toekomstige studies worden beoordeeld. Daarbij wordt onder meer gekeken naar gevoelige voedingsmiddelen zoals vlees.

Barrièrelaag van peulvruchten

Carolina Peñalva, onderzoekster bij het Spaanse technologiecenter Aitiip in Zaragoza, zoekt het in resten van peulvruchten als mogelijke barrièrelaag voor biogebaseerde en bio-afbreekbare PLA-folies. “De eiwitten van sojabonen, erwten en linzen kunnen de basis zijn voor dunne bio-films met barrière-eigenschappen, waardoor voedsel wordt beschermd tegen vocht en gassen. De barrière-eigenschappen kunnen helpen de microbiële groei te verminderen, de voedselveiligheid te verbeteren en de houdbaarheid van voedsel te verlengen.”

De barrièrelaag wordt aangebracht door middel van roll-bar coating op PLA-filmsubstraten. Daarbij werd ook een alternatieve methodologie gebaseerd op oppervlakte-activatie met atmosferisch plasma voor een effectieve hechting van de coating aan de biobased en biologisch afbreekbare films onderzocht. De oppervlaktemodificatie kende een maximale verbetering van 29 procent door de toegevoegde barrièrelaag.

PLA/TPS-laminaat

Het onderzoek van Hayden McGreal, afgestudeerd aan de Toronto Metropolitan University richtte zich op de vraag of een combinatie mogelijk is van polymelkzuur (PLA) en thermoplastisch zetmeel (TPS) als gecoëxtrudeerde laminaat. En hoe efficiënt meerlaagse films van PLA en TPS zijn in termen van mechanische en barrière-eigenschappen.

Om die vraag te beantwoorden werd een op maat gebouwd 3-kanaals co-extrusieapparaat gebruikt om monsters van de films op laboratoriumschaal te vervaardigen, die ook werden getest onder compressievormomstandigheden. De films bestonden uit een centrale laag TPS, tussen de twee buitenste PLA-lagen. “Dit ontwerp is van strategisch belang en maakt gebruik van de zuurstofbarrièrecapaciteiten van TPS en de vochtbarrière-eigenschappen van PLA”, aldus de Canadese onderzoeker. De vervaardigde films werden voor en na elk experiment geanalyseerd op hun trekeigenschappen, adhesiesterkte en morfologische en thermofysische eigenschappen. Ook werden de afschuif- en extensionele reologische eigenschappen van de films bestudeerd om de verwerkbaarheid van de filmcomponenten te onderzoeken.

“Er werd aangetoond dat de trekeigenschappen van de gelaagde film een ​​cumulatie zijn van de eigenschappen van de componenten”, aldus McGreal. De hechtsterkte van de films was afhankelijk van de verwerkingsomstandigheden en de hoeveelheid hechtend middel die in de TPS-formulering werd gebruikt. “De thermofysische studies bevestigden de thermische stabiliteit van de ontwikkelde films bij hoge temperaturen, geschikt voor de meeste verpakkingstoepassingen. De gegevens toonden aan dat de gelaagde films geschikt zouden kunnen zijn voor rek-dominante processen zoals thermovormen.”

Recycleerbare PE/PA-folie

Volgens Jordy Montfort, Spaans researcher en developer met speciale aandacht voor polyamiden bij de Japanse multinational UBE, zoekt zijn werkgever het toch vooral in PE-gebaseerde laminaten als het om verduurzaming gaat. Hij was dan ook een van de weinige uitzonderingen die niet sprak over onderzoek over biobased maar aardoliegebaseerd verpakkingsmateriaal. “Meerdere organisaties zoals APR, How-2-Recycle, CEFLEX, Cyclos-HTP, RecyClass en anderen hebben richtlijnen gegeven om verpakkingsstructuren te ontwerpen en tegelijkertijd de recycleerbaarheid ervan in de overeenkomstige stroom te garanderen. Dat is in het geval van flexibele verpakkingen meestal de polyethyleenstroom.”

Het gebruik van monomateriaal PE-structuren was dan ook de eerste, snelle stap om het duurzaamheidsprobleem aan te pakken. “Maar soms ging dit gepaard met verlies van een aantal essentiële verpakkingsprestaties, waaronder het beschermen van het voedsel.”

UBE zet daarom op dit moment volop in op PE-films die een dusdanig kleine hoeveelheid PA bevat dat het laminaat compatibel is in de PE-stroom. Daarom wordt volgens Monfort een duurzame folie mogelijk, zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Bij UBE is dat een recycleerbare PE/PA-folie, waarbij UBE Nylon 5036B wordt geïntroduceerd, een nieuwe generatie van UBE's Copolymeer 6/66-familie. Deze heeft volgens Montfort een nog betere recycleerbaarheid vanwege het lage smeltpunt.

Elders in deze uitgave leest u meer over deze mondiale wetenschappelijke verpakkingsconferentie.

Foto's: IAPRI/ITENE