Đang tải... (xem toàn văn)
VẬT LIỆU BAO BÌ SINH HỌC
Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa 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 Tài nguyên Môi Trường, trung bình ngày, người tiêu dùng phải sử dụng túi nilon Thời gian để phân hủy nilon khoảng 50 năm ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường Nhự a nhiệt dẻo phải từ 10 tới 30 năm Thậm chí kỷ phân hủ Nếu mang đốt, chúng gây ô nhiễm không khí Trong đó, chôn lấp tốn đất ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm Hoạt động tái chế cần đầu tư trang thiết bị đắt tiền, hiệu kinh tế thấp Chỉ riêng năm 1996, giới sử dụng 150 triệu nhựa dẻo Chính lý mà nhiều nước giới bắt đàu nghiên cứu polymer tự phân hủy từ năm 1980 để sử dụng nông, lâm nghiệp, chế biến thực phẩm (bao túi đựng thực phẩm ) y tế ( màng mỏng phủ vết bỏng polymer để gắn xương Năm 1980 giới có – 12 sáng chế ngành Tuy nhiên, số tăng lên 1500 10 tháng năm 2003 Hiện Mỹ thay 30% nhựa nhiệt dẻo polymer tự phân hủy Nước Mỹ sử dụng 190lbs nhựa năm, khoảng 60lbs dùng để đóng gói bỏ sau bao bì mở Nhiều vật liệu plastic bỏ nơi đổ rác nơi mà chúng tồn hàng nhiều kỉ Sự phát triển dân số liên quan đến vấn đề rác thải nhu cầu phát triển vật liệu có tính chống đỡ tốt hơn, dẫn đến việc đời công ty nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme phối trộn từ nguồn nông nghiệp Chúng ta tin tưởng vật liệu polyme sinh học có tiềm lớn thị trường đóng gói thực phẩm 10 năm tới Sự có mặt góp phần làm giảm phụ thuộc vào dầu mỏ nước giải vấn đề môi trường bao bì plastic gây Trong năm gần đây, quốc gia có đạo luật như: sở sản xuất phải có trách nhiệm với sản phẩm làm giai đoạn cuối vòng đời tồn nó, sách giao vấn đề quản lý chất thải cho nhà sản xuất, giới hạn lượng bao bì đóng gói thực phẩm, khuyến khích tổ chức quyền sử dụng vật liệu sinh học Những sách giúp cho việc tạo môi trường phát triển cho polyme sinh học II Các loại vật liệu Polyme xem “xanh” phải thỏa mãn yếu tố: Một chúng phải tạo từ nguồn nguyên liệu tái tạo, làm đổi lại như: trồng…Hai chúng phải trở thành phân bón bị phân hủy Hai điều kiện không phụ thuộc vào Có loại polyme: tự nhiên tổng hợp Polyme tự nhiên tạo từ nguồn hồi phục lại : tinh bột, xenlulo polyme tổng hợp dựa vào chế phẩm công nghiệp dầu mỏ Bao bì sinh học sản phẩm từ nguyên liệu tự nhiên, có dang: Polymer tách trực tiếp từ sinh vật Polymer tổng hợp từ monomer có nguồn gốc sinh học Các hợp chất hữu thiên nhiên biến đổi importn foodpckaging? Bao bì từ vật liệu sinh học phải đáp ứng tiêu chuẩn như: tính chống chấm (nước, khí, ánh sáng, mùi), đặc tính quang học (trong suốt,…), tính co giãn, đóng dấu in ấn dễ dàng, kháng nhiệt hóa chất, tính ổn định thân thiện với môi trường có giá cạnh tranh Hơn nữa, bao bì phải phù hợp với quy định bao bì thực phẩm, tương tác bao bì thực phẩm phải đảm bảo chất lượng an toàn thực phẩm Vật liệu sinh học tự phân hủy thiên nhiên, không ảnh hưởng đến môi trường Nhờ không sử dụng hóa chất tổng hợp, bao bì từ sinh học an toàn thực phẩm sức khỏe người Hình ảnh ly nhựa vật liệu sinh học 1, 15, 30, 50 ngày Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn : tinh bột, cellulose, protein, pullulan, gelatin… monomer tù chất hữu lên men Vật liệu từ tinh bột Đây nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn rẻ tiền Tinh bột có thành phần Amilose Amilopectin Trong tự nhiên tinh bột có nhiều ngũ cốc, số loại củ số loại đậu Hạt tinh bột kết hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với polyolefins Khi plastic phân hủy vi sinh vật, vi sinh vật sử dụng tinh bột, làm tăng độ xốp tạo khoảng trống làm tính nguyên vẹn mạng plastic Có loại polyme phối trộn: poly(hydroxylalkanoates) (PHA), polylactic acid (PLA), thermoplastic tinh bột (TPS) Ba loại nag notice quant tam năm gần PLA notice sản xuất từ lên men tinh bột (chủ yếu tinh bột bắp) Loại polyme tiêu tốn lượng plastic Mặc dù polyme thân thiện với môi trường, chưa sử dụng rộng rãi chi phí sản xuất cao Polyme TPS polyme 100% từ tinh bột có chỗ đứng thị trường Nó có ưu điểm là: chi phí lượng, giá thấp so với plastic truyền thống Mặc dù có nhiều ưu điểm nhiều rào cản khiến chúng chưa notice sử dụng rộng rãi: hoài nghi người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật Để vượt qua rào cản phải có sách sau: Đưa nghiên cứu mở rộng việc đóng gói bao bì có bổ sung khí Tiếp tục nhắm vào mặt hàng cửa hàng tạp hóa, sản phẩm trái cây, rau,sản phẩm snack cho trẻ em thực phẩm cho vật nuôi nhà Tìm kiếm đồng tình ủng hộ tổ chức có quan tam đến vấn đề môi trường như: trường đại học, cao đẳng, đồng thời tìm kiếm tổ chức quan tâm đến vấn đề để giúp đỡ lẫn Nhấn mạnh vào tiện ích nhiều người không quan tâm đến môi trường tiện ích 1.1 Vật liệu PLA Những vật liệu đóng gói plastic vững chắc, sử dụng phải thỏa mãn điều kiện: không đắt tiền, nhẹ, sạch, không thấm khí, không thấm nước dầu Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp Bắp xay cán Sau đường hóa thành dextrin Các dextrin chuyển thành axit lactic qua trình lên men Và cô đặc, lúc phân tử lactic kết hợp lại thành cấu trúc vòng gọi lactid Hợp chất lactid làm qua trình chưng cất Sau dó chúng trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài Để có nhiều loại ta thay đổi phân tử lượng độ Bằng cách thêm vào nhiều chất bổ sung ta có vật liệu PLA Qui trình sản xuất PLA Sau đó, vật liệu bán cho công ty gia công thêm sản phẩm cuối Sau thời gian sử dụng PLA bị hủy tái chế lại Mặc dù có nhiều ích lợi môi trường có nhiều khía cạnh kỹ thuật cần giải Ví dụ: tinh bột dễ tương tác với nước nên nhiều thuộc tính PLA phụ thuộc nhiều vào độ ẩm Điều có nghóa PLA không sử dụng thị trường chai, lọ Mặc khác PLA chịu nhiệt độ tối đa khoảng 1140 F Nếu vượt qua nhiệt độ PLA tan chảy 1.2 Vật liệu PHA Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA vật liệu polyme khác có nhiều hứa hẹn Polyme nghiên cứu để thay cho bao bì plastic Các nhà sinh học biết đến tồn PHA từ năm 1925 tế bào vi khuẩn Nhiều loại PHA tổng hợp từ nguồn cacbon, vi sinh vật hữu khác có qua trình gia công Có phương pháp để tổng hợp nên PHA : - Phương pháp lên men gồm : trồng trồng bắp, thu họach, tách chiết glucose từ trồng sau lên men đường tế bào chứa PHA, rửa xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cô đặc phơi khô khuôn - Quá trình tổng hợp dựa vào phát triển PHA tế bào trồng kỹ thuật mà theo đuổi Quá trình giống với trình mô tả bỏ qua giai đoạn lên men Người ta sử dụng lượng lớn dung môi để trích ly nhựa từ trồng Sau phải tìm cách loại dung môi Do tốn lượng Một ưu điểm PHA so với PLA khả tự phân hủy cao dễ tổng hợp 1.3 Vật liệu TPS Vật liệu tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt (Thermoplastic Starches ) Thermoplastic Starches có nhiều bước phát triển ngành công nghiệp polyme sinh học Những polyme tạo từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây Thermoplastic Starches (TPS) khác PLA PHA chúng không qua giai đọan lên men Để có thuộc tính giống plastic, TPS trộn với vật liệu tổng hợp khác Tinh bột liên kết với polyme tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột lớn 50% tạo nên lọai plastic mà đáp ứng dụng nhu cầu thị trường EAA (copolyme ethylen-acrylic acid): nghiên cứu từ năm 1977 Nhược điểm loại plastic nhạy cảm với thay đổi môi trường, dể bị rách trượt không phân hủy cách hoàn toàn vi sinh vật Starch/vinyl alcohol copolymers : tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột thành phần copolmers tạo nên nhiều loại plastic với hình dạng hoạt tính khác Plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn 20/80, không hòa tan nước sôi Còn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ 20/80 hòa tan phần Tỷ lệ tinh bột phân rã vi sinh vật vật liệu tỷ lệ nghịch với hàm lượng AM/phức vinyl alcohol Điểm hạn chế vật liệu giòn nhạy cảm với độ ẩm Cơ chế phân hủy : Thành phần tự nhiên : dù che chắn cấu trúc mạng bị phân hủy enzyme ngoại bào vi sinh vật Thành phần tổng hợp phân hủy hấp phụ bề mặt vi sinh vật, tạo bề mặt trống cho thủy phân thành phần tự nhiên Aliphatic polyesters : tinh bột cấu trúc lại với diện polyme kỵ nước polyester béo Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo thổi tạo hình Khi trộn tinh bột với polyester béo cải thiện nhược điểm Một số polyester béo thích hợp poly- εcaprolactone copolymer nó, polymer tao thành từ phản ứng glycol 1,4 - butandiol với số acid: succinic, sebacic, adipic, azelaic, decanoic, brassillic Sự kết hợp tăng thuộc tính cơ, giảm nhạy cảm với nước tăng khả phân hủy Đã có nghiên cứu thay bao bì plastic từ chế phẩm dầu mỏ sang dạng bao bì plastic từ bắp Nguồn nguyên liệu bắp thỏa mãn nhu cầu lớn bao bì plastic Vật liệu làm từ nguồn ngun liệu hạn chế việc gây ô nhiễm mơi trường phân hủy khơng tạo hợp chất gây độc Việc thay tiến hành vào ngày tháng 11 năm 2005, 114 triệu thùng chứa plastic sử dụng năm cho đại lý bán lẻ rau , dâu tây, thảo dược Hiệu kinh tế thể rõ rệt 2.Vật liệu từ cellulose Cellulose nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan nước hầu hết dung môi hữu Cellophane (giấy bóng kính) dạng phổ biến bao bì từ Cellulose , sử dụng cho nhiều loại thực phẩm tính chống thấm dầu , khả ngăn cản công vi khuẩn tính suốt Cellophane thường phủ lớp với nitro cellulose acrylate để tăng khả chống thấm, lớp phủ không phân hủy lớp vi sinh vật Chúng ta bao gói bánh mì cellophan – loại vật liệu phân hủy sinh học dùng bao gói thực phẩm, loại vật liệu có giá cạnh tranh với plastic thông thường, ưu điểm khác phân hủy nhanh au sử dụng chí ăn Ngoài Cellulose acetate kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ phân hủy vi sinh vật Cellulose kết hợp với Chitosan tạo màng có khả thấm khí thấm nước cao Đường cong phân hủy plastic sinh học Vật liệu bao bì từ cellulose : sử dụng để bảo quản số loại rau dễ bị hư hỏng như: dâu tây, đào, chuối, nấm,… 10 Vật liệu từ Chitin Chitosan Chitin tổng hợp chủ yếu côn trùng, tôm cua nấm sợi, loại composit bền vững tạo khung bảo vệ cho chúng Chitin khử nhóm acetyl tạo thành Chitosan Chitin Chitosan hai loại polymer có đặc tính phù hợp để tạo dạng màng dạng sợi 3.1 Chitin Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine hay [(1-4)]-2-Acetamido-2-deoxy-ßD-glucan Công thức phân tử: (C8H13NO5)· n Sản phẩm polysaccharide cao phân tử chiết tách từ tôm cua biển 3.2 Chitosan Tên hóa học: Poly-(1-4)-2-Amino-2-deoxy-ß-D-Glucan Công thức phân tử: (C6H11O4N)· n Vật liệu Mater – Bi Mater-Bi sản xuất Novamont, công ty nghiên cứu Ý cho thấy khả thay plastic từ nguyên liệu dầu mỏ Mater-Bi polymer sinh học phân hủy hoàn toàn nghiên cứu Một số vật liệu khác Một công ty Anh phát triển loại dung dịch mới, có tính thực tiễn an toàn môi trường, giải vấn đề môi trường hàng triệu rác thải plastic gây Họ tuyên bố việc cắt đứt liên kết cacbon nhựa góp phần làm giảm phân tử lượng, thay đổi thuộc tính dẫn đến việc chúng phân hủy nhanh chóng Một bước đột phá nhà khoa học phát triển bao bì bioplastic tốt : có khả phân hủy nhiệt độ thấp đến 33 0F, hay đơn giản phân hủy mưa, vi sinh vật đất Bioplastic phân hủy cho CO2 H2O Plastic từ tinh bột tạo cách ép đùn, thổi khí đúc thành khn So sánh với plastic từ dầu mỏ giá bioplastic rẽ khoảng 32cent/pound Các loại bao bì thường dùng bao gói thực phẩm khô socola, kẹo , bánh… Bằng cách phối trộn protein từ bắp acid béo người ta tạo loại resin cách ép đùn thành màng phân hủy sinh học ưu chuộng plastic.Vật liệu đốt cháy cho chất không gây độc hại Các loại màng thường dùng bao gói dạng thực phẩm đông lạnh, loại bánh, thức ăn nhanh… Các plastic ăn làm từ tinh bột protein, sau sử dụng nghiền nhỏ làm thức ăn cho gia súc thành phần dinh dưỡng chứa 11 cao Plastic từ khoai tây : Các phế phẩm ngành chế biến khoai tây tận dụng để làm plastic Tinh bột từ phế phẩm vi khuẩn thủy phân thành đường glucose, sau lên men nhờ vi khuẩn latic cho sản phẩm acid latic, sấy khô nghiền thành bột để dùng tạo dạng PLA plastic kỹ thuật ép đùn Bao bì nhựa tự phân hủy Màng polymer tự phân huỷ Có thể nói sản phẩm thuộc loại ngành sản xuất vật liệu polymer Việt Nam Ưu điểm khơng gây nhiễm mơi trường giống màng túi đựng nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PVC) Vật liệu dùng sản xuất màng polymer tự phân huỷ nhựa LDPE (low density polyetylen - polyetylen tỷ trọng thấp) tinh bột sắn Ban đầu, nhóm nghiên cứu cho LDPE, tinh bột sắn số chất phụ gia qua máy trộn vật liệu cực nhiệt độ thích hợp Tiếp đến, vật liệu đùn ép máy đùn trục vít có vùng điều khiển nhiệt độ khác Sau bổ sung chất trợ tương hợp chất phân tán, nhựa hạt qua máy chém hạt để tạo hạt compound Chất trợ tương hợp đóng vai trị định khả phân phối trộn đồng vật liệu Cuối cùng, hạt compound qua máy ép phun để tạo vật liệu định hình qua thiết bị thổi màng để thổi thành màng mỏng Có thể tạo màng có độ dày khác theo yêu cầu người sử dụng Nhóm nghiên cứu phủ vật liệu luống lạc Nông trường Thanh Hà, Hồ Bình Kết cho thấy, có tác dụng giữ ẩm, dinh dưỡng cho đất, chống xói mịn diệt cỏ dại Sau tháng, toàn màng polymer phân huỷ 100% Hiện họ mở rộng ứng dụng cho nông trường lạc, bông, ngô thuốc tồn quốc Tiến sĩ Phạm Thế Trinh, Phó Viện trưởng Viện Hố học cơng nghiệp, cho biết: "Nhu cầu sử dụng màng polymer tự phân huỷ nông, lâm nghiệp thực phẩm lớn Chúng mong nhận hỗ trợ quan hữu quan để sản xuất hàng loạt, tiến tới chế tạo bao gói thay bao bì nhựa nhiệt dẻo Những bình làm từ vật liệu phân hủy vi sinh vật, trồng trực tiếp vào đất, không ngăn cản rễ phát triển, vỡ ra, rễ phát riển vùng đất xung quanh III Tương lai polymer sinh học Vấn đề thân thiện với môi trường ngày coi đặc tính vật liệu và giá yếu tố quan trọng Hầu hết polymer sinh học có đặc tính gần giống polymer truyền thống, đặc tính (độ co giãn đan hồi …) tùy thuộc vào nguyên liệu thô phương pháp gia công Ngày nay, giá nhiều loại vật liệu sinh học gần vượt chút so với PET PA, ngoại trừ PHAs, có giá gấp 10 lần plastic truyền thống Tuy nhiên, lượng sản phẩm hơn, ảnh hưởng đến vấn đề giá cảù , sản xuất với số lượng lớn giá chúng thấp 12 Các nghiên cứu khoa học tìm lượng lớn vật liệu sinh học thích hợp cho bao bì thực phẩm việc ứng dụng chúng nhiều hạn chế Chúng ta không mong thay hoàn toàn vật liệu truyền thống vật liệu sinh học thời ngắn, nhiên, thật vật liệu tương lai, mà đạc tính giá chúng tương đương với vật liệu truyền thống IV Tài liệu tham khảo http://www.ptonline.com/articles/200203fa2.html http://www.biopolymer.net/ http://www.scribd.com/doc/19697458/Food-Packaging-of-the-Future http://books.google.com http://www.esf.edu/rwls/Research/biodegplastic/ http://www.informaworld.com/smpp/ content~content=a764552578&db=all http://www.ifsqn.com/forum/index.php?/topic/14120-chitosan-for-foodcontact-biodegradable-packaging/ 13 ... chất tổng hợp, bao bì từ sinh học an toàn thực phẩm sức khỏe người Hình ảnh ly nhựa vật liệu sinh học 1, 15, 30, 50 ngày Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn... cứu khoa học tìm lượng lớn vật liệu sinh học thích hợp cho bao bì thực phẩm việc ứng dụng chúng nhiều hạn chế Chúng ta không mong thay hoàn toàn vật liệu truyền thống vật liệu sinh học thời ngắn,... giới hạn lượng bao bì đóng gói thực phẩm, khuyến khích tổ chức quyền sử dụng vật liệu sinh học Những sách giúp cho việc tạo môi trường phát triển cho polyme sinh học II Các loại vật liệu Polyme