Lotuseffekten og antimikrobiel papirbaseret barriereemballage til fødevarer

Fødevareemballage har løbende behov for innovation inden for materialer, der forsøger at imødekomme samfundsmæssige udfordringer med forbedret fødevaresikkerhed og -kvalitet, reduktion af madspild, bekvemmelighed, bæredygtighed, genanvendelighed, stabilitet osv. Dette kan ikke opnås med emballageløsninger, der kun er designet til at være passive barrierer, der forsinker de skadelige effekter af omgivelserne på fødevareproduktet. Den passende løsning er en global kommerciel anvendelse af aktiv emballage, især antimikrobiel emballage, der spiller en dynamisk rolle i forlængelsen af holdbarheden af fødevarer. Den aktive emballage skal også overholde kravene i den cirkulære økonomi og EUs plaststrategi, dvs. være genanvendelig og/eller biologisk nedbrydelig for at mindske emballageaffald.

Talrige antimikrobielle emballageløsninger er blevet udviklet, testet og endda kommercialiseret i løbet af det sidste årti. De bruger for det meste flydende antimikrobielle stoffer (fx flydende planteekstrakter også kaldet æteriske olier), som enten er imprægneret i konventionelle plastemballagefilm ved anvendelse af høj temperatur og tryk eller anbragt inde i plastemballagen i små breve, der indeholder et plastgranulat imprægneret med funktionelle stoffer. Imprægnering resulterer imidlertid i tab af mekanisk styrke og barriereegenskaber af plastfilmene. Dette forsøges mindsket ved at iblande andre materialer, for eksempel nano-ler eller naturlige fibre (fx cellulose), men umuliggør deres genanvendelighed som ren plast. 

Hos Plast og Emballage har vi i mange år arbejdet med at undlade brugen af plast i fødevareemballage, som samtidig skal have de nødvendige barriereegenskaber og gerne en antimikrobiel effekt. Vores motivation for udviklingen ligger i nedbringelsen af miljøpåvirkningen fra emballage- og fødevareproduktionen, som kun kan nås med brugen af bæredygtige og genanvendelige emballagematerialer og mindre madspild. Vi ser fremtiden i papir- og fiberemballage med pålagte barrierer, som man kan læse om i Medlemsinformation 2019/5, 2019/6, 2020/1, 2020/2, 2020/4. Vi har allerede i Medlemsinformation 2019/5 vist, hvordan vi kan producere plastfrie papiremballager med vanddamp- og iltbarriere bedre end de fleste plasttyper, og i 2019/6 skrev vi om imprægnering af æteriske olier i emballager for at give dem antimikrobielle egenskaber. Problemet ligger i, at de æteriske olier kun er rettet imod et smalt spektrum af mikro-oganismer, og at deres effektive virkning kræver en så høj koncentration, at det medfører utilsigtede sensoriske ændringer i fødevaren.

Det er kendt, at nogle typer overflader forhindrer mikroorganismer i at overleve og formere sig og endda er i stand til at selvrense. Hvis vi kunne skabe sådan en overflade på en coatet barriereemballage, vil vi kunne skabe en hel ny type af plastfri antimikrobiel emballagemateriale, der vil inhibere mikrobiel vækst på fødevarer gennem kontakt med emballagen. Løsningen skal findes i naturens mangfoldighed, fx i lotuseffekten, der dækker over et begreb af selvrensende egenskaber grundet ultrahydrofobicitet som udvises af fx bladene af arterne i slægten af lotusblomster Nelumbo. Denne effekt er vist på Figur 1. Snavspartikler og mikroorganismer vil blive skyllet væk af vanddråber takket være den mikro- og nanoskopiske udformning af overfladen, der minimerer dråbernes vedhæftning til den. Ultrahydrofobicitet og selvrensende egenskaber findes også i andre planter og på insektvinger. Lotuseffekten er meget vigtig for planter som et middel til at forhindre svampe- og algevækst, og for insekter som sommerfugle og guldsmede, der ikke selv kan rense alle deres kropsdele. En anden positiv effekt af de selvrensende egenskaber for planter er, at der ikke samles snavs, der forhindrer fotosyntese.

Det er tydeligt, at implementeringen af lotuseffekten på fødevareemballagers kontaktoverflader kunne være en god forhindring mod mikrobiel vækst uden brug af antimikro-bielle stoffer som æteriske olier. Uden vand kan bakterier og svampe nemlig ikke vedhæfte eller formere sig på overflader. Fidusen ligger i at kunne skabe en overflade med denne effekt, og opskriften skal findes ved at forstå, hvorfor den overhovedet finder sted.

Det er kendt, at lotuseffekten skyldes en speciel dobbeltstruktur i overfladen. Denne hierarkiske dobbeltstruktur består af en karakteristisk epidermis (ydre cellelag) og de dækkende vokslag. Lotusplantens epidermis har 10-20 μm høje og 10-15 μm brede pappilarer (bakkelignende forhøjninger i strukturen) ovenpå hvilke den naturlige voks ligger, med andre ord er lotuseffekten en kombination af overfladens hydrofobicitet og ruhed. Med denne forståelse har vi prøvet at reproducere effekten på en papiroverflade. Hydrofobiciteten har vi allerede vist med vores plasmacoatings, se Medlemsinformation 2019/5, sammen med en vandbaseret bionedbrydelig primærcoating, fx gelatineret stivelse, men den primære coating kan også laves meget mere ru for at efterligne overfladen hos lotusplanten. Til formålet valgte vi at blande et vandbaseret coatingmateriale med mikrofibrilleret cellulose, MFC (cellulosefibre med en længde på op til 10 μm og en diameter på op til 1 μm). Resultatet oversteg alle forventninger, da den ikke blot havde en mærkbar ruhed,
men også signifikant forbedrede barriereegenskaberne af primærcoatingen. I grafen i figur 2 - her til højre - kan iltpermeabiliteten af en stivelsesbaseret coating ses som funktion af forskellige koncentrationer af iblandet MFC. Fra 0 til 5 vægtprocent iblandet MFC faldt iltpermeabiliteten fra 34 til 0,7 ml/m²/dag tilsvarende. 

Plasmacoating kan yderligere forbedre barrieren til under 0,1 ml/m²/dag og kan derudover tilføre overfladen 
ultrahydrofobicitet som vist i figur 3.

   
Figur 3: Vand- og oliedråber på coatet papir.

På figur 3 til venstre kan man tydeligt se, at lotuseffekten er blevet reproduceret på papiroverfladen med vand, som det sker i naturen, da vand har en meget høj overfladespænding. Hvad der ikke sker i naturen, er en lotuseffekt i forhold til organiske opløsningsmidler inkl. olie, der dog med vores teknologi kan ses på figur 3 til højre. Selvfølgelig samler olien sig ikke i dråber som vand pga. dens lave overfladespænding, men der dannes ikke en hinde, og olien trænger heller ikke ind i papiret. Dette er bemærkelsesværdigt og har en klar anvendelse i industrien: Et forbud mod fluorerede stoffer i papiremballage til fødevarer forventes meget snart at blive til virkelighed, som omtalt i Medlemsinformation 2020/1, og industrien har været i gang med at finde nye fedtafvisende overflader, der kan anvendes i stedet. Dette kan vores ultrahydrofobiske coating også være en løsning på.

En anden vigtig detalje ved de udviklede coatings er, at når de er pålagt papir, forbliver hele materialet som lotusbladene bionedbrydeligt og komposterbart ved almindelig temperatur og luftfugtighed. Dog er det også genanvendeligt som papir.

Den langsigtede plan er at teste papiremballager med ultrahydrofobiske coatings mht. deres antimikrobielle egenskaber på ompakkede fødevarer, fx kød eller creme fraiche, sammen med vores kollegaer fra Center for Fødevaresikkerhed. Idéen er at sammenligne holdbarhed af ompakkede produkter i samme type emballage med kun barrierecoating og også med ultrahydrofobicitet. Disse eksperimenter er allerede i gang, og vi vil opdatere vores medlemmer, så snart der er resultater. Vores fælles aktiviteter på området støttes af Styrelsen for Institutioner og Uddannelsesstøtte under Uddannelses- og Forskningsministeriet i rammen af resultat-kontrakter F2: ”Fødevarekvalitet og convenience – value for money”, B4: ”Højværdiplast - Substitution med naturlige materialer” og G2: ”Biobased business – Værdiskabelse af biomasse” samt projektet “ Bæredygtige plastfrie papiremballager til syrnede mælkeprodukter” under Grønt Udviklings- og Demonstrationsprogrammet (GUDP).