پلیمرهای زیستی بعنوان مواد بسته بندی در صنایع غذایی و صنایع وابسته
در50 سال گذشته، پلاستیک ها به دلیل عملکرد و سهولت در تولید کاربرد گسترده ای در تولید مواد بسته بندی داشته اند. با ظهور صنایع تبدیلی مواد غذایی، تقاضای بالایی برای مواد بسته بندی با پایه نفت در کاربردهای غذایی وجود دارد. با این حال، افزایش استفاده از پلاستیک ها به دلیل مقاومت آنها در برابر تخریب زیستی باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی جدی شده است. پلیمرهای زیستی را میتوان بعنوان راه حلی برای مشکلات ناشی از پلاستیک استفاده کرد زیرا آنها به راحتی در محیط تجزیه شده و همچنین خواص پلیمرهای معمولی را تقلید می کنند. این پلیمرها از زیست توده استخراج شده، از مونومرهای مشتق شدۀ زیستی سنتز شده و از میکروارگانیسم ها تولید می شوند. روش های مختلف تشکیل فیلم برای بیوپلیمرها مانند ریخته گری محلول، مخلوط مذاب، الکتروریسی، پرس حرارتی و فیلم دمندۀ اکستروژن وجود دارد. این مقاله به بررسی انواع مختلف پلیمرهای زیست تخریب پذیر و خواص آنها با تأکید بر پتانسیل بازار آنها در بسته بندی مواد غذایی می پردازد.
امروزه پلیمرها به دلیل خواص مطلوبی من جمله پایداری، انعطاف پذیری و سهولت در تولید به بخش جدایی ناپذیر و لاینفک زندگی معاصر تبدیل شده اند. تولید جهانی پلاستیک در سال 2015 تقریبآ 322 میلیون تن بود که نسبت به سال 2014، 3.5 درصد افزایش داشته است. بین سال های 2014-2015، هند 8.3 میلیون تن پلاستیک تولید کرده است. در حال حاضر، حدود 90 درصد از مواد پلاستیکی توسط صنایع پتروشیمی ساخته می شود. در هند حدود 43 درصد از پلیمرهای مصنوعی سالانه تولید شده در صنعت بسته بندی استفاده می شود که بیش از 39 درصد جهانی است. فرایندهای تولید و فرآوری پلاستیک منجر به افزایش انتشار گازهای گلخانه ای می شود که به گرمایش جهانی کمک می کند. علاوه براین، پلاستیک ها در هنگام سوختن گازهای سمّی مانند مونوکسید کربن، کلر، اسید هیدروکلریک، دیوکسین، فوران ها، آمین ها، بنزن، بوتادین 1-3و استالدئید را منتشر می کنند که تهدیدی برای محیط زیست و سلامت عمومی محسوب می شوند. زباله های پلاستیکی به دلیل مقاومت آنها در برابر تخریب همچنان یک مشکل اساسی است. در سال های اخیر بیوپلاستیک ها بعنوان جایگزینی برای مهار تهدید ناشی از پلاستیک ها عمل می کنند. سازمان بیوپلاستیک اروپا بیان می کند که یک مادۀ پلاستیکی بعنوان یک بیوپلاستیک با خواص زیستی، زیست تخریب پذیر یا هر دو تعریف می شود. نیاز به جایگزینی پلاستیک با پایه نفتی با بیوپلیمرها بی طرفانه است زیرا تولید پلاستیک های معمولی 65 درصد انرژی بیشتری مصرف کرده و 30-80 درصد گازهای گلخانه ای بیشتری نسبت به بیوپلاستیک ها منتشر می کند. پلیمرهای زیست تخریب پذیر که از منابع تجدیدپذیر تولید می شوند، کاملآ زیست تخریب پذیر بوده و خواص پلیمرهای معمولی همچون پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن ترفتالات (PET) و غیره را تقلید می کنند. بنابراین، بیوپلیمرها مواد بسته بندی نوآورانه ای هستند که می توانند به کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از تولید پلاستیک کمک کنند.
بازار جهانی پلیمرهای زیست تخریب پذیر به 206 میلیون پوند با نرخ رشد متوسط سالانه 12.6 درصد در سال 2010 رسید و انتظار می رود در 10 سال آینده چندین برابر افزایش یابد. طبق مطالعات مؤسسۀ بیوپلاستیک ها و ژورنال بین المللی مطالعات کامپوزیت های شیمیایی، بیوپلاستیک ها از 1.6 به 2.0 میلیون تن در طی سال های 2013-2015 افزایش یافته است؛ حجم پلیمرهای زیست تخریب ناپذیر نیز 0.9-1.3 تن و پلاستیک های زیست تخریب پذیر 0.6-0.7 میلیون تن بوده است و ممکن است تا سال 2022 به 1.7 میلیون تن برسد. سهم پلاستیک های زیست تخریب پذیر و تخریب ناپذیر به ترتیب 63.7 و 36.3 درصد بود. بسیاری از زیست تخریب پذیرها از PLA (10.9 درصد)، پلی استرهای زیست تخریب پذیر (10.8 درصد)، مخلوط نشاسته زیست تخریب پذیر (9.4 درصد) و PHA (3.6 درصد) تشکیل شده اند. آسیا در تولید بیوپلاستیک 63.1 درصد، امریکای شمالی 13.5 درصد، اروپا 13.0 درصد و امریکای جنوبی 10.0 درصد سهم دارند. این نوع پلاستیک ها برای استفاده در صنایع بسته بندی انعطاف پذیر هستند اما نوع زیست تخریب ناپذیر بسیار سفت و سخت هستند. آیندۀ بیوپلاستیک ها بر بازار بیوپلاستیک های قابل کمپوست و بادوام مورد استفاده در کاربردهای مصرفی و صنعتی متمرکز است. پلیمرهای زیست تخریب پذیر را میتوان برای ذخیره سازی اتمسفر اصلاح شده (MAP) میوه ها و سبزیجات بجای پلیمرهای معمولی استفاده کرد. شکل زیر مراحل کلی کاربرد بیوپلاستیک در بخش های مختلف را در حال حاضر، علاوه بر ارزیابی کاربرد آنها در آینده نشان می دهد.
شکل 1:
بسته بندی عنصر کلیدی در بخش فرآوری مواد غذایی با تلفیقی از هنر، علم و فناوری با هدف دستیابی به حمل و نقل ایمن و توزیع محصولات در شرایط سالم است. بسیاری از مواد بسته بندی معمولی از محصولات شیمیایی من جمله پلی آمید (PA)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS) و پلی وینیل کلرید (PVC) ساخته شده اند. تنها مشکل پلیمرهای مصنوعی مقاومت آنها در برابر تخریب زیستی است. طبق استانداردهای ASTM D-5488-94d، زیست تخریب پذیری بعنوان قابلیت تجزیه به دی اکسید کربن، متان، آب، ترکیبات معدنی و زیست توده تعریف می شود. با افزایش آگاهی از پایداری پلیمرها، صنایع بسته بندی از سراسر جهان به دنبال بیوپلیمرها بعنوان جایگزین پلیمرهای مصنوعی هستند. بیوپلیمرها را میتوان بعنوان پلیمرهایی تعریف کرد که با فعالیت آنزیمی میکروب ها تجزیه پذیر هستند. در دو دهه اخیر تحقیقات زیادی در مورد کاربرد بیوپلیمرها در بسته بندی مواد غذایی انجام شده است. براساس تحقیقات انجام شده، مواد بسته بندی با پایۀ بیوپلیمر را میتوان باتوجه به منشأ و تولید آنها به سه گروه اصلی تقسیم کرد که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 2:
پلی ساکاریدهای خاصی مانند نشاسته، سلولز و پروتئین هایی مانند کازئین و گلوتن این دسته را تشکیل می دهند که همگی ذاتآ آبدوست و تا حدودی کریستالی هستند که در حین فرآوری مشکل ایجاد می کنند. علاوه براین، عملکردها به خصوص در رابطه با بسته بندی محصولات غذایی مرطوب نیز ضعیف است. با این حال، خواص مانع گاز عالی آنها را برای استفاده در صنایع بسته بندی مواد غذایی مناسب می کند.
بیوپلیمرها منجر به کاهش اثرات زیست محیطی تولید، فرآوری پلاستیک و به نوعی اقتصاد سبز می شوند. از آنجایی که فیلم های زیست تخریب پذیر از ذخایر خوراک تجدید پذیر و ضایعات کشاورزی ساخته می شوند، فرصت بسیار خوبی برای کار تحقیقاتی در استفاده از این فرصت اقتصادی وجود دارد. اما پلیمر زیست تخریب پذیر در حال حاضر تنها حدود 1 درصد از پلاستیک ها را جایگزین می کند. بنابراین، بایستی تحقیقات پایه و کاربردی بیشتر بر بهبود عملکرد (خواص فیزیکوشیمیایی و حرارتی)، کاهش هزینه و سهولت در تولید بیوپلیمرها متمرکز شود. در زمینه بسته بندی مواد غذایی، بسته بندی زیست تخریب پذیر را میتوان برای بسته بندی اتمسفر اصلاح شدۀ محصولات با ارزش بالا و کالاهای خاص مانند غذاهای ارگانیک استفاده کرد. با این حال قبل از اتخاذ هرگونه بسته بندی زیستی برای مواد غذایی، بایستی مطالعات مناسبی در مورد برهمکنش بین اجزای غذا و بیوپلیمرها در حین پردازش و ذخیره سازی انجام شود. تحقیقات آینده بایستی بیشتر بر استفاده از فناوری نانو و حسگرهای هوشمند متمرکز شود نه تنها یکپارچگی مواد را حفظ می کنند، بلکه اطلاعات مربوط به محصول را به خوبی به مصرف کننده منتقل می کنند. ازطریق پلیمرهای زیست تخریب پذیر پتانسیل بیشتری در استفاده بهتر از ضایعات کشاورزی، رسیدگی به مشکلات ناشی از کمبود سوخت فسیلی، خطرات بهداشتی، مدیریت پسماند جامد و مسائل زیست محیطی پلاستیک ها وجود دارد.
