VẬT LIỆU BAO BÌ SINH HỌC

VẬT LIỆU BAO BÌ SINH HỌC

Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hĩa Học Ngành Cơng Nghệ Thực Phẩm

Báo Cáo Bao Bì Thực Phẩm

VẬT LIỆU BAO BÌ

SINH HỌC

GVDH: PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH: HC07TP

Năm học: 2009 – 2010

I Mở đầu

Theo thống kê sơ bộ của Bộ Tài nguyên Môi Trường, trung bình 1 ngày, 1 người tiêu dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nilon Thời gian để phân hủy những chiếc nilon này là khoảng 50 năm sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường Nhự a nhiệt dẻo phải mất từ 10 tới 30 năm Thậm chí là một thế kỷ mới có thể phân hủ Nếu mang đốt, chúng sẽ gây ô nhiễm không khí Trong khi đó, chôn lấp sẽ tốn đất và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm Hoạt động tái chế cần đầu tư trang thiết bị đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp Chỉ riêng năm 1996, thế giới sử dụng 150 triệu tấn nhựa dẻo Chính

vì những lý do trên mà nhiều nước trên thế giới đã bắt đàu nghiên cứu polymer tự phân hủy từ những năm 1980 để sử dụng trong nông, lâm nghiệp, chế biến thực phẩm (bao túi đựng thực phẩm ) và y tế ( màng mỏng phủ vết bỏng và polymer để gắn xương Năm 1980 trên thế giới mới chỉ có 7 – 12 sáng chế trong ngành này Tuy nhiên, con số đó đã tăng lên 1500 trong 10 tháng năm 2003 Hiện Mỹ đã thay thế 30% nhựa nhiệt dẻo bằng polymer tự phân hủy

Nước Mỹ sử dụng 190lbs nhựa mỗi năm, trong đó khoảng 60lbs thì được dùng để đóng gói và sẽ được bỏ đi ngay sau khi bao bì được mở Nhiều vật liệu plastic sẽ được bỏ trong nơi đổ rác và là nơi mà chúng tồn tại hàng nhiều thế kỉ ở đó Sự phát triển dân số liên quan đến vấn đề rác thải và nhu cầu phát triển các vật liệu có tính chống đỡ tốt hơn, dẫn đến việc ra đời các công ty nghiên cứu và chế tạo ra các vật liệu polyme phối trộn từ nguồn nông nghiệp Chúng ta tin tưởng rằng vật liệu polyme sinh học sẽ có tiềm năng lớn trong thị trường đóng gói thực phẩm trong 10 năm tới Sự có mặt của nó góp phần làm giảm đi sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài và chúng ta sẽ giải quyết được vấn đề môi trường do bao bì plastic gây ra Trong những năm gần đây, các quốc gia có những đạo luật như: các cơ sở sản xuất phải có trách nhiệm với các sản phẩm do mình làm ra ở giai đoạn cuối vòng đời tồn tại của nó, chính sách giao vấn đề quản lý chất thải cho các nhà sản xuất, giới hạn lượng bao bì đóng gói thực phẩm, khuyến khích các tổ chức chính quyền sử dụng vật liệu sinh học Những chính sách này giúp cho việc tạo ra môi trường phát triển cho polyme sinh học

1

II Các loại vật liệu

Polyme được xem như là “xanh” thì phải thỏa mãn 2 yếu tố: Một là chúng phải được tạo ra từ những nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, làm đổi mới lại được như: cây trồng…Hai là chúng phải trở thành phân bón khi bị phân hủy Hai điều kiện này thì không phụ thuộc vào nhau Có 2 loại polyme: tự nhiên và tổng hợp Polyme tự nhiên được tạo ra từ các nguồn có thể hồi phục lại được : tinh bột, xenlulo và polyme tổng hợp thì dựa vào các chế phẩm của công nghiệp dầu mỏ

Bao bì sinh học là sản phẩm từ nguyên liệu tự nhiên, có 3 dang:

Polymer được tách trực tiếp từ sinh vật

Polymer tổng hợp từ các monomer có nguồn gốc sinh học

Các hợp chất hữu cơ thiên nhiên được biến đổi importn

foodpckaging?

Bao bì từ vật liệu sinh học phải đáp ứng được các tiêu chuẩn như: tính chống chấm (nước, khí, ánh sáng, mùi), đặc tính quang học (trong suốt,…), tính co giãn, có thể đóng dấu hoặc in ấn dễ dàng, kháng nhiệt và hóa chất, tính ổn định cũng như thân thiện với môi trường và có giá cả cạnh tranh Hơn nữa, bao bì phải phù hợp với quy định về bao bì thực phẩm, tương tác giữa bao bì và thực phẩm phải đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm

Vật liệu sinh học có thể tự phân hủy trong thiên nhiên, vì vậy không ảnh hưởng đến môi trường Nhờ không sử dụng các hóa chất tổng hợp, bao bì từ sinh học sẽ an toàn hơn đối với thực phẩm và sức khỏe của con người

Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn như : tinh bột, cellulose, protein, pullulan, gelatin… và các monomer tù chất hữu cơ lên men

1 Vật liệu từ tinh bột

Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền Tinh bột có 2 thành phần là Amilose và Amilopectin

Trong tự nhiên tinh bột có nhiều ở ngũ cốc, một số loại củ và một số loại đậu Hạt tinh bột có thể được kết hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với polyolefins Khi đó plastic sẽ được phân hủy bởi vi sinh vật, vi sinh vật sẽ sử dụng tinh bột, làm tăng độ xốp tạo khoảng trống làm mất tính nguyên vẹn của mạng plastic Có 3 loại polyme phối trộn: poly(hydroxylalkanoates) (PHA), polylactic acid (PLA), thermoplastic tinh bột (TPS) Ba loại này nag notice quant tam trong những năm gần đây PLA notice sản xuất từ sự lên men tinh bột (chủ yếu là tinh bột bắp) Loại polyme này tiêu tốn ít năng lượng hơn plastic Mặc dù những polyme này rất thân thiện với môi trường, nhưng vẫn chưa sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất còn cao Polyme TPS là polyme 100% từ tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường Nó có

3 Hình ảnh ly nhựa bằng vật liệu sinh học trong 1, 15, 30, 50

ngày

ưu điểm là: chi phí năng lượng, giá cả thấp hơn so với plastic truyền thống

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa notice sử dụng rộng rãi: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật Để vượt qua những rào cản đó chúng ta phải có những chính sách như sau:

Đưa ra những nghiên cứu mở rộng về việc đóng gói bao bì có bổ sung khí quyển

Tiếp tục nhắm vào các mặt hàng ở các cửa hàng tạp hóa, các sản phẩm trái cây, rau,sản phẩm snack cho trẻ em và thực phẩm cho vật nuôi trong nhà

Tìm kiếm sự đồng tình ủng hộ của các tổ chức có quan tam đến vấn đề môi trường như: các trường đại học, cao đẳng, đồng thời tìm kiếm các tổ chức nào cũng quan tâm đến vấn đề này để có thể giúp đỡ lẫn nhau

Nhấn mạnh vào sự tiện ích bởi vì còn rất nhiều người không quan tâm đến môi trường và sự tiện ích của nó

1.1 Vật liệu PLA

Những vật liệu đóng gói bằng plastic vững chắc, sạch được sử dụng phải thỏa mãn các điều kiện: không đắt tiền, nhẹ, sạch, không thấm khí, không thấm nước và dầu Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp Bắp được xay và cán Sau đó sẽ được đường hóa thành các dextrin Các dextrin này sẽ được chuyển thành axit lactic qua quá trình lên men Và rồi sẽ được cô đặc, lúc này 2 phân tử lactic sẽ kết hợp lại thành cấu trúc vòng gọi là lactid Hợp chất lactid này sẽ được làm sạch qua quá trình chưng cất Sau dó chúng sẽ được trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài Để có nhiều loại thì ta có thể thay đổi phân tử lượng và độ trong Bằng cách thêm vào nhiều chất bổ sung ta sẽ có vật liệu PLA

Sau đó, vật liệu này được bán cho các công ty và nó sẽ được gia công thêm để cho ra sản phẩm cuối cùng Sau một thời gian sử dụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc được tái chế

Qui trình sản xuất PLA

lại

Mặc dù có nhiều ích lợi đối với môi trường những vẫn có nhiều khía cạnh kỹ thuật cần giải quyết Ví dụ: tinh bột rất dễ tương tác với nước nên nhiều thuộc tính của PLA thì phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm Điều này có nghĩa là PLA sẽ không được sử dụng trong thị trường chai, lọ Mặc khác PLA chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 1140 F Nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy ra

1.2 Vật liệu PHA

Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA là một vật liệu polyme khác có nhiều hứa hẹn Polyme này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plastic Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925 trong tế bào vi khuẩn Nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua quá trình gia công

Có 2 phương pháp để tổng hợp nên PHA :

- Phương pháp lên men gồm : trồng các cây trồng như bắp, rồi thu họach, tách chiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô trong khuôn

- Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong tế bào cây trồng là một kỹ thuật mà đang được theo đuổi Quá trình này thì giống với quá trình đã mô tả ở trên nhưng bỏ qua giai đoạn lên men Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích

ly nhựa từ cây trồng Sau đó phải tìm cách loại dung môi đi Do đó rất tốn kém năng lượng

Một ưu điểm của PHA so với PLA là khả năng tự phân hủy của nó rất là cao và dễ tổng hợp

1.3 Vật liệu TPS

Vật liệu bằng tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt (Thermoplastic Starches )

Thermoplastic Starches đã có nhiều bước phát triển trong ngành công nghiệp polyme sinh học Những polyme này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây Thermoplastic Starches (TPS) khác PLA và PHA là chúng không qua giai đọan lên men Để có những thuộc tính giống như plastic, TPS được trộn với các vật liệu tổng hợp khác

Tinh bột liên kết với các polyme tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể lớn hơn 50% sẽ tạo nên các lọai plastic mà đáp ứng dụng nhu cầu thị trường

EAA (copolyme là ethylen-acrylic acid): được nghiên cứu từ năm 1977 Nhược điểm của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dể bị rách trượt và không được phân hủy 1 cách hoàn toàn bởi vi sinh vật

Starch/vinyl alcohol copolymers : tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolmers sẽ tạo nên nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính

5

khác nhau Plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80, sẽ không hòa tan ngay cả trong nước sôi Còn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 thì sẽ được hòa tan từng phần Tỷ lệ tinh bột được phân rã bởi vi sinh vật trong những vật liệu này tỷ lệ nghịch với hàm lượng của AM/phức vinyl alcohol Điểm hạn chế của những vật liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm

Cơ chế của sự phân hủy :

Thành phần tự nhiên : dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy bởi enzyme ngoại bào của vi sinh vật

Thành phần tổng hợp được phân hủy do sự hấp phụ bề mặt của vi sinh vật,

tạo bề mặt trống cho sự thủy phân các thành phần tự nhiên

Aliphatic polyesters : tinh bột cũng có thể được cấu trúc lại với sự hiện diện của các polyme kỵ nước như các polyester béo Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và thổi tạo hình Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ cải thiện được nhược điểm này Một số polyester béo thích hợp là poly-ε-caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các polymer tao thành từ phản ứng của các glycol như 1,4 - butandiol với một số acid: succinic, sebacic, adipic, azelaic,

kết hợp này sẽ tăng thuộc tính cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy

Đã có những nghiên cứu thay thế bao bì plastic từ các chế phẩm dầu mỏ sang dạng bao bì plastic từ bắp

Nguồn nguyên liệu bắp cĩ thể thỏa mãn được nhu cầu lớn của bao bì plastic Vật liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc gây ô nhiễm mơi trường do khi phân hủy

nĩ khơng tạo ra các hợp chất gây độc

Việc thay thế đầu tiên được tiến hành vào ngày 1 tháng 11 năm 2005, 114 triệu thùng chứa bằng plastic được sử dụng hằng năm cho các đại lý bán lẻ rau quả , dâu tây, thảo dược Hiệu quả kinh tế thể hiện rõ rệt

2.Vật liệu từ cellulose

Cellulose là nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan trong nước và hầu hết dung môi hữu cơ

Cellophane (giấy bóng kính) là một trong những dạng phổ biến của bao bì từ Cellulose , được sử dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính chống thấm dầu , khả năng ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt của nó

9

Cellophane thường được phủ một lớp ngoài với nitro cellulose hay là acrylate để tăng khả năng chống thấm, mặc dù lớp phủ này thì không được phân hủy bởi lớp vi sinh vật

Chúng ta có thể bao gói bánh mì bằng cellophan – một loại vật liệu phân hủy sinh học dùng bao gói thực phẩm, loại vật liệu này có giá cả cạnh tranh với plastic thông thường, một ưu điểm khác là nó có thể phân hủy nhanh au khi sử dụng thậm chí có thể ăn được

Ngoài ra Cellulose acetate được kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ phân hủy bởi vi sinh vật Cellulose cũng kết hợp với Chitosan tạo màng có khả năng thấm khí và thấm nước cao

Đường cong phân hủy của plastic sinh học

Vật liệu bao bì từ cellulose : sử dụng để bảo quản một số loại rau quả dễ bị hư hỏng như: dâu tây, đào, chuối, nấm,…

3 Vật liệu từ Chitin và Chitosan

Chitin được tổng hợp chủ yếu bởi côn trùng, tôm cua và nấm sợi, là một loại composit bền vững tạo bộ khung ngoài bảo vệ cho chúng Chitin khi khử nhóm acetyl sẽ tạo thành Chitosan Chitin và Chitosan là hai loại polymer có đặc tính

cơ phù hợp để tạo dạng màng và dạng sợi

3.1 Chitin

Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine hay [(1-4)]-2-Acetamido-2-deoxy-ß-D-glucan

Công thức phân tử: (C8H13NO5)· n

Sản phẩm này là một polysaccharide cao phân tử chiết tách từ tôm và cua biển

3.2 Chitosan

Tên hóa học: Poly-(1-4)-2-Amino-2-deoxy-ß-D-Glucan

Công thức phân tử: (C6H11O4N)· n

4 Vật liệu Mater – Bi

Mater-Bi được sản xuất bởi Novamont, một công ty nghiên cứu của Ý đã cho thấy khả năng thay thế plastic từ nguyên liệu dầu mỏ Mater-Bi là polymer sinh học được phân hủy hoàn toàn đầu tiên được nghiên cứu

6 Một số vật liệu khác

Một công ty ở Anh đã phát triển 1 loại dung dịch mới, có tính thực tiễn và an toàn đối với môi trường, giải quyết vấn đề môi trường do hàng triệu tấn rác thải bằng plastic gây ra Họ tuyên bố rằng việc cắt đứt liên kết cacbon trong nhựa góp phần làm giảm phân tử lượng, thay đổi thuộc tính dẫn đến việc chúng có thể phân hủy nhanh chóng Một bước đột phá mới khi các nhà khoa học phát triển bao bì bioplastic tốt hơn : cĩ khả năng phân hủy ở nhiệt độ thấp đến 330F, hay đơn giản nĩ cĩ thể phân hủy dưới mưa, các vi sinh vật trong đất Bioplastic phân hủy cho ra CO2 và H2O

Plastic từ tinh bột được tạo ra bằng cách ép đùn, thổi khí và đúc thành khuơn So sánh với plastic từ dầu mỏ thì giá cả bioplastic rẽ hơn khoảng 32cent/pound Các loại bao bì này thường dùng bao gĩi các thực phẩm khơ như socola, kẹo , bánh…

Bằng cách phối trộn giữa protein từ bắp và các acid béo người ta cĩ thể tạo ra một loại resin bằng cách ép đùn thành màng phân hủy sinh học được ưu chuộng hơn plastic.Vật liệu này khi đốt cháy cho ra các chất khơng gây độc hại Các loại màng này thường dùng bao gĩi các dạng thực phẩm đơng lạnh, các loại bánh, thức ăn nhanh… Các plastic ăn được làm từ tinh bột và protein, sau khi sử dụng cĩ thể nghiền nhỏ ra làm thức ăn cho gia súc bởi thành phần dinh dưỡng chứa trong nĩ khá

11