Antimikrobiel emballage - muligheder og begrænsninger

Ved implementering af antimikrobiel emballage inkorporeres antimikrobielle stoffer i emballage til frigivelse fra emballagen til miljøet omkring den emballerede fødevare. Fordærvelsesbakterier og gær samt patogener som Salmonella, Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica, Campylobacter, Escherichia coli og skimmel-svampe udgør sundhedsmæssige risici og definerer ofte fødevares holdbarhed. Antimikrobiel emballage kan bruges til at holde mikrobiel vækst i emballeret mad i skak og måske endda reducere tilsætningen af konserveringsmidler i selve fødevaren. Dette er grunden til, at interessen for at bruge antimikrobiel emballage vokser: ifølge Fortune Business Insights (se også figur 1) vokser den globale markedsstørrelse for antimikrobiel emballage med en hastighed på mere end 10% om året.

Figur 1: Dynamikken og sammensætningen af markedet for antimikrobiel emballage (fra Fortune Business Insights)

Brugen af emballage til dosering af antimikrobielle stoffer er ikke ny. Generelt hører antimikrobiel emballage til under den brede kategori, aktiv emballage, og kombineres ofte med andre aktive emballageteknologier for at opnå en synergistisk effekt. For eksempel anvendes emballage med modificeret atmosfære og emballage-løsninger med kontrol af fugt, ilt, ætylen og kuldioxid ofte sammen med den aktive antimikrobielle emballage.

I kommerciel emballage inkorporeres antimikrobielle stoffer overvejende i plastik, der så anvendes som fødevarekontaktlag i plast-, pap-, metal-, glas- og multikomponentbaserede beholdere. Det interessante er, at man kan bruge glasovergangstemperaturen (en amorf til krystallinsk tilstandsovergang) til at kontrollere antimikrobiel frigivelse i fødevarer, hvilket resulterer i en effektiv og forfinet metode til at øge holdbarheden. Dette kan lade sig gøre grundet valget af polymerer med specifikke glasovergangstemperaturer, som tillader frigivelse af højere koncentrationer af antimikrobielle stoffer ved den ønskede temperatur, hvor mikrobiel vækst accelererer. De antimikrobielle stoffer bør være specifikke for den temperaturkurve, som fødevaren vil opleve i transportkæden og under opbevaring samt for produktets mikroflora, forordninger og forbrugernes sensoriske præferencer.

Vi har tidligere i Medlemsinformation beskrevet vores sui generis eksperimenter med plastfri papirbaseret antimikrobiel emballage. Disse eksperimenter er i gang. Denne udvikling er strategisk vigtig, da bibringelsen af antimikrobiel funktionalitet ikke må få emballagen til at afvige fra at være bæredygtig. Dermed er emballagerne ikke kun antimikrobielle, men også fossilfri og genanvendelige og/eller komposterbare.

Læs mere: 
Implementering af genanvendelig og bionedbrydelig anti-mikrobiel emballage 
Lotuseffekten og antimikrobiel papirbaseret barriereemballage til fødevarer

Et arsenal af antimikrobielle stoffer til emballering¹⁾
Den første store gruppe af antimikrobielle stoffer er bakteriociner og enzymer, såsom nisin, natamycin, lacticin, pediocin, lysozym, lactoferrin og lactoperoxidase som har antimikrobiel aktivitet. Nisin er et kendt bakteriocin, som er godkendt af European Food Safety Authority (EFSA). Nisin er effektiv mod gram-positive og spore-dannende bakterier, herunder Clostridium, Listeria monocytogenes, Lactobacillus, Staphylococcus aureus og Micrococcus. Nisin er mere effektiv i forarbejdede fødevarer, herunder ost, mejeriprodukter og forarbejdede grøntsager, hvor tilstedeværelsen af proteolytiske enzymer er lav. Selvom nisin almindeligvis anvendes i polymerer, kan effektiviteten reduceres på grund af temperaturer, der opstår i polymerfremstilling. Den nedsatte trækstyrke for polymerer, der indeholder nisin, kompenseres for ved anvendelse af mere mekanisk robuste ydre emballagelag. Nisin kombineres ofte med andre antimikrobielle stoffer, såsom lysozym, chitosan og etylendiamintetraeddikesyre (EDTA) for at øge effektiviteten. Natamycin, et fungicid, anvendes i vid udstrækning i fødevareindustrien, da det har en begrænset diffusionsevne fra traditionel emballage til fødevaren. Dens anvendelse er således begrænset til strukturer, der bibringer minimale barriereegenskaber og dermed hurtig diffusion, såsom metylcellulose-baserede film. Pediocin er et bakteriocin produceret af Pediococcus spp., der er særligt effektiv mod Listeria monocytogenes, og som er stabil over et stort spænd af pH-værdier og temperaturer. Lacticin, som er et bakteriocin, er effektivt mod gram-positive bakterier.    Regulatoriske barrierer og manglende EFSA-godkendelse, forhindrer dog en mere udbredt anvendelse. Enzymet lysozym er godkendt som et antimikrobielt stof i specifikke koncentrationer til brug i emballager til forarbejdede og spiseklare kød- og fjerkræprodukter. Lysozym kræver specifik mærkning i EU. Den antimikrobielle aktivitet af lysozym er nedsat under pH 3,5 og over pH 7,0. Derfor kombineres det ofte med andre antimikrobielle stoffer. Lactoferrin er et antimikrobielt valleglycoprotein. Det har dog problemer med stabilisering ved tilstedeværelse af calcium og andre divalente kationer, hvilket begrænser dets anvendelse. 

En anden gruppe af materialer, der er berømt for deres antimikrobielle aktivitet, er metalioner og nanopartikler. Sølv, zink og titandioxid er de hyppigst anvendte, og de kombineres ofte for at øge effektiviteten. Sølvioner påvirker elektrontransportsystemerne i mikroorganismer og masseoverførsel på tværs af cellemembraner og forårsager cytoplasmatisk lækage. De kan også binde til nukleinsyrer, proteiner og enzymer i celler, hvilket reducerer deres funktionalitet. Effektiviteten af sølv falder også under kølede forhold. Sølvioner vurderes at kunne bruges til implementering af kontrollerbar antimikrobiel funktionalitet. Sølvkoncentrationen i polymerer varierer typisk fra 1 til 3%. EFSA har godkendt sølv til anvendelse i materialer, der kommer i kontakt med fødevarer, med en maksimal dosis på 5% i form af sølvzeolit og med en maksimal fødevaremigrationsgrænse på 0,05 mg/kg. Zinkoxid og titandioxid, som også er godkendt til anvendelse i fødevarekontaktmaterialer, er interessante i kontrollen af skimmelsvamp inden for papbaseret emballage og bruges til at bibringe anti-mikrobiel aktivitet inden for polymerer. Anvendelsen af stoffer i nanostørrelse reguleres via lovgivning for at imødekomme miljømæssige og biologiske bekymringer.

Den tredje gruppe af almindeligt anvendte antimikrobielle stoffer er æteriske olier og ekstrakter. Vi har tidligere informeret vores medlemmer om deres anvendelse i antimikrobiel emballage. Mange æteriske olier bibringer antimikrobiel aktivitet via thymol, carvacrol og eugenol fra timian, nellike, kanel, basilikum, oregano, gurkemeje, salvie og citrongræs. Generelt er gram-positive bakterier mere modtagelige for disse stoffer end gram-negative bakterier. Æteriske olier er blevet mere populære antimikrobielle stoffer, da forbrugerinformation med mindre ”videnskabelige udtryk” på emballagerne foretrækkes. For at forhindre bismag og forblive under lovgivnings-mæssige grænser er et interval på kun 0,2 til 2% æterisk olieindhold normalt realistisk, og afhængigt af de mikroorganismer anvendelsen er rettet imod, er dette niveau muligvis ikke højt nok. Æteriske olier bruges i emballage til fersk og forarbejdet kød, fisk og skaldyr, fjerkræ og friskt frugt og grønt. Da olier blødgør polymerer, resulterer tilsætningen af æterisk olie ofte i en løsere polymerstruktur med dårligere vanddamp- og iltbarriereegenskaber. Denne reduktion af barriereegenskaber påvirker fødevarens holdbarhed. På grund af dette har vellykket anvendelse af æteriske olier været at erstatte blødgørere med æteriske olier i polymerlaget i kontakt med fødevaren. Grapefrugtkerneekstrakt har for eksempel antimikrobiel aktivitet mod mange bakterier, mens grøn te- og granatæblekerneekstrakter er effektive mod gær og skimmelsvamp.

Forskere fra Sabancı University, Tyrkiet rapporterede for nylig²⁾, at de har udviklet en emballagefilm belagt med lernanorør pakket med en antibakteriel æterisk olie. Filmen giver en dobbelt-funktionalitet, der forhindrer overmodning og mikrobiel vækst, hvilket kan hjælpe med at forbedre holdbarheden af letfordærvelige produkter (se figur 2).

Figur 2: Tomaterne pakket i almindelig film (venstre) rådnede efter seks dage, mens tomaterne indpakket i en ny emballagefilm med en antibakteriel æterisk olie (til højre) forblev friske.
Kilde: Phys.org og Hayriye Ünal, ph.d., Sabancı University Nanotechnology Research and Application Center, Istanbul, Tyrkiet

Endelig anvendes organiske syrer som benzoesyre, sorbinsyre, propionsyre og eddikesyre traditionelt som antimikrobielle forbindelser i emballagen på grund af deres minimale indvirkning på fødevaresensoriske egenskaber. Disse svage syrer er inkorporeret i emballagefilm eller aktive emballagekomponenter såsom poser, foringer og absorberende måtter inden for lovgivningsmæssige grænser. Parabener og sorbater har regulatoriske problemstillinger, og deres migration til fødevarer skal forstås bedre for at sikre, at grænserne i fødevarerne ikke overskrides.

Hvad med beskyttelse af fødevarer mod vira?
I forbindelse med COVID-19 er en potentiel antiviral aktivitet af fødevareemballage blevet aktuel. Selvom data om overlevelsen af vira som norovirus og coronavirus varierer meget, er der øget interesse for brugen af indvendige og udvendige emballager indeholdende stoffer med antiviral aktivitet til medarbejder- og forbrugerbeskyttelse i forsyningskæden. Hundredvis af humane enteriske vira er kendt, og de inhiberende virkninger af antimikrobielle stoffer mod dem varierer. Imidlertid er det berygtede coronavirus modtagelig for nogle antimikrobielle stoffer, fx ionoforer, der indeholder zinkioner³, samt guld-sølv-nanopartikler⁴. Denne kendsgerning kan yderligere fremme udviklingen af antimikrobiel emballage i den nærmeste fremtid.

Begrænsninger og behovet for tværfaglig F&U
Begrænsningerne for kommercialisering inkluderer emballagens muligheder for at bevare såvel som frigive antimikrobielle stoffer, pålidelig antimikrobiel effektivitet og regulatoriske begrænsninger. Feltet for antimikrobiel emballage har en kompleks række stoffer og forbindelser, der skal udforskes. Viden fra et virvar af discipliner, der inkluderer mikrobiologi, fødevarevidenskab, sensorisk videnskab, emballageudvikling og materiale-videnskabelig ekspertise samt emballageproducenter, er nødvendig for en vellykket implementering.

En væsentlig begrænsning er, at effekten af antimikrobiel emballage ofte er vanskelig at vurdere. Dette skyldes i høj grad inkonsistensen i selve integreringen af de antimikrobielle stoffer i emballagematerialerne på laboratorierne, som ikke er udstyret med den nødvendige proceskontrol til fremstilling. For at afhjælpe dette er det nødvendigt med forskning, der kombinerer fødevare- og materialevidenskab. En anden begrænsning er, at urealistiske forventninger til antimikrobielle stoffer fremmes af forskning, der ikke direkte er knyttet til nogen anvendelse inden for fødevareindustrien. For eksempel kan forskning, der involverer antimikrobielle stoffer på niveauer langt over, hvad der er sensorisk holdbart og over lovgivningsmæssige grænser, ikke bruges i nogen applikationer i virkeligheden og er distraherende. Det samme kan tilskrives undersøgelser, hvor inkorporering af antimikrobielle stoffer resulterer i forringelse af mekanisk styrke og barriereegenskaber for emballage-materialer. For at fødevareindustrien således pålideligt kan anvende antimikrobielle stoffer inden for emballage, er forskning, der inkorporerer realistiske mængder antimikrobielle stoffer i kommercielt levedygtig emballage, essentiel. Inkorporeringen af antimikrobielle stoffer i emballagen er en væsentlig mulighed, der kræver samarbejde med både avanceret emballagevidenskab og -fremstilling samt fødevarevidenskab og mikrobiologi.

Derfor har vi i på Teknologisk Institut været i gang med at finde en industrielt realistisk implementering af antimikrobiel emballage. Vi har undersøgt forskellige antimikrobielle komponenter i konkrete emballage- og produktsetups og kan tilbyde pilotdesigns til aktører på markedet. Undersøgelserne er udført i tæt samarbejde mellem centrene for Plast og Emballage (Materiale) og Fødevaresikkerhed (DMRI) i rammen af fælles resultatkontrakt F2: ”Fødevarekvalitet og convenience – value for money”, medfinansieret af Uddannelses- og Forskningsstyrelsen (UFS) under Uddannelses- og Forskningsministeriet i 2019 og 2020.
 

¹⁾ Denne klassifikation af antimikrobielle stoffer til anvendelse til fødevareemballage er bearbejdet ud fra C. K.
    Sand’s artikel, Antimicrobial Packaging on the Rise Again. FoodTechnology, October 2020,
    pp. 80-82. www.ift.org
²⁾ Phys.org News, August 21, 2017: Clay-based antimicrobial packaging keeps food fresh, by American
   Chemical Society
³⁾ AJW t Velthuis, SHE v-d Worm, AC Sims et al., “Zn(2+) inhibits coronavirus and arterivirus RNA polymerase
   activity in vitro and zinc ionophores block the replication of these viruses in cell culture”,
   2010 Nov 4;6(11):e1001176. doi: 10.1371/journal.ppat.1001176.
⁴⁾ T Du, J Zhang, C Li et al., ”Gold/Silver Hybrid Nanoparticles with Enduring Inhibition of Coronavirus
   Multiplication through Multisite Mechanisms”, Bioconjugate Chem. 2020, 31, 11, 2553–2563.

Online nyhedsmagasin

Vil du modtage nyheder og artikler om plast og emballage i din indbakke? Tilmeld dig vores online nyhedsmagasin her