În contextul creșterii cererii globale de alimente și implicit de materiale de ambalare, cercetările recente se concentrează pe identificarea unor soluții sustenabile. În acest sens, hemicelulozele de tip xilan au atras atenția datorită potențialului lor de a înlocui polimerii sintetici convenționali, oferind alternative ecologice pentru ambalajele alimentare.
Un studiu recent a evaluat preliminar potențialul utilizării hemicelulozelor de tip xilan în stare nativă pentru ambalarea produselor alimentare. Obiectivul principal a fost evaluarea oportunităților de substituire a polimerilor sintetici actuali cu biopolimeri obținuți din materiale lignocelulozice, încadrându-se astfel în categoria resurselor regenerabile.
Caracterizarea Structurală prin Tehnici Analitice și Spectroscopice
În programul experimental, au fost utilizate două tipuri de hemiceluloze de tip xilan, provenind din surse vegetale diferite: lemn de esență tare (fag) și plante anuale (știuleți de porumb). Ambele tipuri au fost achiziționate de la același producător și evaluate inițial pe baza analizei vizuale directe și a testării solubilității în apă.
Capacitate Antioxidantă
Pe lângă degradarea cauzată de microorganisme, o altă cauză a alterării alimentelor ambalate se datorează prezenței oxigenului și a produșilor rezultați din reacțiile chimice cu acesta. Procesul de autooxidare implică un mecanism în lanț de radicali liberi, ceea ce duce la deteriorarea alimentelor. Industria ambalajelor alimentare caută constant noi soluții pentru a reduce oxidarea.
În acest studiu experimental, nanoparticulele de ZnO și CuO, împreună cu uleiul esențial de Lophanthus, au fost folosite pentru potențialele lor proprietăți antioxidante. Acestea au fost înglobate într-o matrice biopolimerică pe bază de xilan/derivați de xilan și utilizate în formule de acoperire a suprafaței hârtiilor de ambalaj alimentar.
Pentru evaluarea capacității antioxidante a hârtiilor acoperite cu diverse formule de acoperire cu antioxidanți, s-a utilizat metoda de inhibiție a radicalilor liberi DPPH• (2,2’-difenil-1-picrilhidrazil). Testul DPPH este utilizat pe scară largă pentru evaluarea activității antioxidante deoarece este considerat suficient de sensibil pentru a detecta compușii activi chiar și la concentrații scăzute.
Au fost selectate pentru evaluarea activității antioxidante probe de hârtie acoperite cu xilan/derivați de xilan, cu adaosuri de ZnO (20%), CuO (20%) și ulei esențial de Lophanthus (10%). Din aceste probe au fost pregătite extracte alcoolice cu concentrațiile de 25 mg/mL și 50 mg/mL. Procentul de inhibiție al activității radicalului DPPH• a fost determinat prin metoda spectrofotometrică și calculat pe baza absorbanțelor la lungimea de undă de 517 nm.
Evaluarea Vitezei de Biodegradare
Pentru a evalua viteza de biodegradare a hârtiilor de ambalaj alimentar acoperite cu dispersii pe bază de hemiceluloză tip xilan, eșantioanele pregătite au fost cântărite inițial și apoi îngropate în sol pentru 7, 28 și 42 zile. După fiecare perioadă de timp stabilită, eșantioanele au fost dezgropate și recântărite. Viteza de biodegradare a fost calculată ca procent de pierdere de masă, pe baza diferenței de masă a probelor înainte de momentul îngropării și după fiecare interval de timp.
Evaluarea Capacității de Producere a CO2
Capacitatea de biodegradare a unui material organic este direct corelată cu capacitatea de producere a CO2 ca rezultat al proceselor catabolice prin care microorganismele prezente în sol descompun materialele biopolimerice. Prin urmare, studiile recente au evaluat și această capacitate pentru a determina eficiența biodegradabilă a ambalajelor din hemiceluloză tip xilan.
Standardul folosit de Uniunea Europeană pentru a clasifica un material ca
fiind biodegradabil stabilește ca mai mult de 90% din materialul original
trebuie convertit prin procese biologice în CO2, apă și minerale în decurs de 6
luni.
Dintre materialele utilizate la obținerea ambalajelor alimentare, hârtia și
cartonul sunt considerate a fi cele mai ușor biodegradabile dintre toate tipurile
de ambalaje utilizate în prezent.
În acest capitol sunt prezentate rezultatelele testării capacității de
biodegradare în sol a hârtiilor acoperite cu dispersii pe bază de hemiceluloză
xilan obținute în cadrul programului experimental.
Probele de hârtie selectate pentru evaluarea capacității de biodegradare
și descrierea compoziției straturilor de acoperire, sunt prezentate în tabel.
Descrierea probelor de hârtie acoperite cu amestecuri compozite pe
bază de xilan/derivați de xilan selectate pentru evaluarea capacității de
biodegradare
Evaluarea capacității de biodegradare aerobă în sol s-a realizat prin
îngroparea probelor de hârtie în sol, în condiții specifice, pentru perioade de
timp de până la 42 zile (6 săptămâni), determinându-se, prin diferite metode
de analiză, la diferite intervale de timp (7, 28, 42 zile):
– viteza de biodegradare, exprimată ca procent de pierdere de masă;
– cantitatea de CO2 degajat în urma proceselor catabolice ale
microorganisemelor;
– modificările fizice și structurale datorate biodegradării, la nivel
macroscopic și microscopic;
– modificările microbiologice ale solului utilizat datorate produșilor de
biodegradare.
Pentru evaluarea influenței compoziției straturilor de acoperire aplicate la
suprafața hârtiilor asupra biodegradabilității, s-a utilizat ca probă martor
(control) hârtia suport.
Evaluarea vitezei de biodegradare la contactul cu solul a hârtiilor de
ambalaj alimentar acoperite cu dispersii pe bază de hemiceluloză tip
xilan
Eșantioanele pregătite din probele de hârtie supuse analizei au fost inițial
cântărite și îngropate în sol pentru 7, 28 și 42 zile apoi dezgropate și
recântărite. Viteza de biodegradare a fost calculată, sub formă de procent de
pierdere de masă, pe baza diferenței de masă a probelor înainte de
momentul îngropării în sol și după fiecare din perioadele de timp stabilite.
Viteza de biodegradare în sol a hârtiilor de ambalaj acoperite cu
amestecuri biopolimerice și compozite pe bază de xilan/derivați de xilan
Cu cât cantitatea de CO2 rezultată este mai mare cu atât materialul este
considerat a fi mai ușor biodegradabil. Ecuația generală a biodegradării
aerobe este următoarea :
Cbiopolimer + O2 → Crezidual + Cbiomasă + CO2↑ + H2O
Probele de hârtie analizate au fost îngropate în condiții specificate în sol
pentru diferite perioade de timp: 7, 14, 21 și 28 zile, iar cantitatea de CO2
degajat, captată într-o soluție alcalină, a fost determinată utilizând o metodă
de analiză volumetrică bazată pe reacția de neutralizare.
Cantitatea de CO2 degajat din procesul de biodegradare în sol a
probelor de hârtie acoperite cu amestecuri biopolimerice și compozite pe bază de
xilan/derivați de xilan
Din analiza rezultatelor prezentate se observă că după 28 zile probele de
hârtie acoperite cu amestecuri de xilan/derivați de xilan și celuloză
nanocristalină, chitosan sau nanoparticule de ZnO au atins valori similare ale
cantității de CO2 rezultat din reacțiile de biodegradare, cuprinse între 14-16
mg CO2, fiind mai mari decât cantitatea de CO2 rezultată în urma
biodegradării hârtiei suport, neacoperită. Rezultatele mai bune obținute
pentru hârtiile acoperite cu amestecuri de xilan și celuloză nanocristalină,
respectiv chitosan, se pot datora biocompatibilității acestora cu mediul și
capacităților lor individuale de biodegradare ridicate, ceea ce a condus la
degradarea mai rapidă în sol a probelor acoperite. Toți biopolimerii utilizați
fiind polizaharide naturale, în timpul proceselor catabolice de metabolizare a
zaharurilor are loc o intensificare a numărului și activității microorganismelor
implicate care se poate datora mai multor enzime ce catalizează reacțiile de
degradare a polizaharidelor în oligozaharide și monozaharide [348, 156].
Cele mai bune rezultate au fost obținute prin aplicarea de straturi compozite
succesive pe bază de xilan acetilat, chitosan și 20% ZnO nanoparticule
(P50), cantitatea de CO2 rezultat după 28 zile și 42 zile fiind de 16-19 mg
Cercetări privind obținerea unor amestecuri
biopolimerice pe bază de hemiceluloză
destinate ambalajelor biodegradabile
pentru produse alimentare privind obținerea unor amestecuri biopolimerice pe bază de
hemiceluloză destinate ambalajelor biodegradabile pentru produse alimentareDoctorand,
Mirela ROMAN (IANA-ROMAN)Conducător științific,
Prof. univ. dr. ing. habil. Petronela NECHITA
