1.3.1.1. Vai trò quan trọng của vật liệu sinh học làm bao bì thực phẩm
Các quy định về môi trường ngày càng chặt chẽ nên vấn đề sử dụng vật liệu nguồn gốc sinh học làm bao bì thay thế các vật liệu cũ đang trở nên cấp thiết. Các vật liệu từ nguồn nông sản như tinh bột và dẫn xuất monome sinh học đều được xác định là những vật liệu có tiềm năng làm bao bì thực phẩm. Các loại vật liệu tự nhiên dùng làm bao bì (dùng cho thực phẩm) dễ bị phân hủy sinh học sẽ đóng vai trò hết sức quan trọng nhất là ở các nước chuyên xử lý chất thải bằng biện pháp chôn lấp.
Mục đích chính của bao bì thực phẩm là giữ chất lượng sản phẩm bên trong được an toàn trong hạn sử dụng, tránh tác động của môi trường và thể hiện đầy đủ các đặc tính hàng hóa cần thiết.
Ngành nguyên liệu nông nghiệp và trồng trọt rất hy vọng chất dẻo sinh học sẽ trở thành một đầu ra quan trọng đối với các sản phẩm nông nghiệp phi thực phẩm. Phế phẩm từ quá trình chế biến nông nghiệp cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu cho ngành sản xuất nhiên liệu sinh học mang lại lợi ích kinh tế và môi trường [11].
1.3.1.2. Định nghĩa bao bì sinh học và vật liệu sinh học
Vật liệu sinh học là vật liệu có nguồn gốc tự nhiên và thân thiện với môi trường.
Vật liệu sinh học còn gọi là vật liệu polyme sinh học, nhựa sinh học (bioplastic).
Màng bioplastic (hay bao bì sinh học) là màng sản xuất từ vật liệu có nguồn gốc tự nhiên và thân thiện với môi trường nhưng vẫn có đặc điểm giống với màng plastic như tính chống thấm, tính co giãn, kháng nhiệt và hóa chất, có thể đóng dấu và in ấn dễ dàng [11].
1.3.1.3. Phân loại các loại vật liệu sinh học dùng làm bao bì
Dựa trên cơ sở phương pháp sản xuất, có thể chia các vật liệu sinh học thành 3 nhóm chính sau:
- Polyme được tách trực tiếp từ các nguồn tự nhiên (chủ yếu là thực vật) như tinh bột, xenluloza, casein, gluten của bột mì,…
- Polyme được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học từ monome như poly axit lactic là một polyeste sinh học được polyme hóa từ monome axit lactic. Các monome này được sản xuất nhờ phương pháp lên men các hydratcacbon tự nhiên.
- Polyme được sản xuất nhờ vi sinh vật hoặc vi khuẩn cấy truyền gen. Vật liệu polyme sinh học điển hình nhất trong trường hợp này là polyhydroxy – alkanoat;
polyhydroxybutyrat và copolyme của hydroxyl butyrate và hydroxy – valerat có tên thương mại là biopol.
Cả 3 nhóm polyme sinh học nói trên đều có tiềm năng làm nguồn vật liệu cho bao bì trong tương lai gần và sẽ thay thế các loại bao bì vật liệu polyme hiện tại có nguồn gốc dầu mỏ như polyetylen, polystyren. Nói chung các polyme sinh học nói trên đều có hiệu quả cao và dễ chế biến thành màng mỏng bằng công nghệ gia công chất dẻo thông thường (tuy còn hơi đắt) [11].
1.3.2. Một số loại màng bioplastic dùng trong bao gói thực phẩm 1.3.2.1. Màng làm từ xenluloza
Bao bì celophan (các loại giấy bóng kính) làm từ xenluloza khá bền, rất thích hợp để bao gói sản phẩm, tuy nhiên còn khá nhạy cảm với độ ẩm nên được khắc phục bằng cách phủ thêm lớp sáp nitroxenluloza hoặc polyvinyliden clorua [11].
1.3.2.2. Màng làm từ tinh bột
Tuy tính bền cơ kém hơn màng xenluloza nhưng màng tinh bột có đặc điểm ngăn khí tốt, có tính nhiệt dẻo và khả năng phân hủy sinh học cao. Để màng có độ trong phù hợp, có thể bổ sung lượng lớn polime tổng hợp như PVA (polyvinyl ancol) hoặc polycaprolactam [11].
1.3.2.3. Màng PLA (polylactic axit)
Màng PLA là loại màng bioplastic không chỉ có tính chất tương tự màng plastic mà còn có thể gia công dễ dàng trên các thiết bị chuẩn hiện có để gia công nhựa truyền thống. Màng PLA có tính co giãn và chống thấm tốt, dễ phân hủy, thân thiện môi trường. Tuy nhiên công nghệ và quy trình sản xuất phức tạp, tốn kém nên giá thành cao hơn các sản phẩm plastic khác [11].
1.3.2.4. Màng PHA (polyhydroxyalkanoat)
Màng PHA có tính chất gần giống với màng PE (polyetylen), PP (polypropylen) hoặc PET (polyeste), bền với nước, dễ được chế biến theo tiêu chuẩn chế biến chất dẻo thông thường lại dễ phân hủy trong đất nhưng giá thành cao do quy trình phức tạp và tốn kém [11].
1.3.2.5. Màng PHB (poly-3-hydroxybutyrat)
Màng PHB có tính chịu nhiệt, dễ phân hủy, có tính chất tương tự nhựa tổng hợp tuy nhiên lại dễ gãy khi bị ánh sáng và nhiệt độ cao tác động, đồng thời sự phân rã của màng PHB rất không ổn định. Để khắc phục người ta cho vào PHB một lượng hạt nano đất sét làm cho màng PHB trở nên dai hơn, bền hơn và cải thiện đáng kể tính phân rã của màng [11].
1.3.2.6. Màng chitosan
Màng chitosan được ứng dụng nhiều trong thực phẩm. Trong gói xúc xích, ngoài việc giúp cho xúc xích có hình dáng đẹp, còn có tác dụng giữ được màu và mùi đặc trưng của xúc xích. Sử dụng màng chitosan để bảo quản thủy sản khô và tươi cũng đạt hiệu quả cao. Ngoài ra, màng chitosan còn ứng dụng để bao bọc rau quả tươi, làm giảm tốc độ mất nước, ngăn cản vi khuẩn và nấm xâm nhập, hạn chế quá trình hô hấp, làm quả chín chậm, ít bị nhăn nheo, giữ được màu và hương vị của rau quả lâu hơn [11].
1.3.3. Các liên kết tạo thành trong màng casein
Trong mạng lưới NaCas/glyxerol/pectin các liên kết giữa các phân tử được tạo thành và có độ mạnh khác nhau [12]:
➢ Liên kết chặt chẽ giữa 2 nhóm –COOH của phân tử pectin với Ca2+, tạo thành gel pectin, đồng thời các nhóm –OH và –COOH trong chuỗi pectin có khả năng liên kết cùng với nhóm –NH2 của phân tử casein.
➢ Tương tác tĩnh điện giữa Ca2+ với 2 nhóm điện tích âm của casein, bên cạnh đó Ca2+ còn tạo liên kết với các nhóm –OH của glyxerol.
➢ Các nhóm –OH của glyxerol gắn vào các nhóm mang điện tích dương trên phân tử casein.
Hình 1.4 Một số cơ chế hình thành cấu trúc của màng casein [12]