مصرف جهانی پلاستیک در حال حاضر به بیش از 200 میلیون تن می‌رسد و رشد سالیانه آن حدود 5% است که نشان‌دهنده بزرگترین زمینه کاربرد نفت خام است. این تاکید بر وابستگی صنعت پلاستیک به نفت بوده و در نتیجه نشان می‌دهد که چگونه افزایش قیمت نفت خام و گاز طبیعی می‌تواند تاثیر اقتصادی بر روی بازار پلاستیک داشته باشد. استفاده از مواد اولیه جایگزین به طور فزاینده‌ای مهم است. تا به امروز پلاستیک‌های پتروشیمی مانند پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلی‌وینیل کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی‌استایرن (PS) و پلی‌آمید (PA) به طور فزاینده‌ای به عنوان مواد بسته‌بندی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که نسبتا کم هزینه بوده و دارای عملکرد مکانیکی خوب مانند مقاومت دربرابر کشش و پارگی، مانع خوب برای اکسیژن و دی‌اکسیدکربن، مقاومت در برابر گرما و غیره هستند. اما امروزه استفاده از آن‌ها باید محدود شود، زیرا کاملاً غیرقابل بازیافت هستند و زیست تخریب‌پذیر نیستند، بنابراین مشکلات جدی زیست محیطی را ایجاد می‌کنند.
مواد بسته‌بندی پلاستیک نیز اغلب با مواد غذایی و مواد زیستی ترکیب می‌شوند، بنابراین بازیافت این مواد غیرممکن است و اغلب از لحاظ اقتصادی مناسب نیستند. در نتیجه چند هزار تن از محصولات، ساخته شده در مواد پلاستیکی، دفن شده‌اند. هر سال مشکل دفع زباله شهری افزایش می‌یابد. آگاهی زیست محیطی در حال افزایش است تا بسته‌بندی را در فیلم‌هایی انجام دهند که سازگار با محیط زیست باشد. به عنوان یک نتیجه، تجزیه زیستی نه تنها یک نیاز کاربردی بلکه یک ویژگی مهم زیست محیطی است.
خصوصیات ترکیب سازی برای مواد پلیمری زیستی بسیار مهم است، از آنجاییکه بازیافت انرژی گران است، کمپوست اجازه دفع بسته‌ها را در خاک می‌دهد. با تخریب بیولوژیکی، تنها آب، دی‌اکسیدکربن و ترکیبات معدنی بدون بقایای سمی تولید می‌شود. به طور خاص، نوع پیوند شیمیایی تعریف می‌کند که در چه زمان میکروب‌ها می‌توانند مواد زیستی را تجزیه کنند. چندین پلیمر مصنوعی از نظر زیست تخریب‌پذیر و قابل انعطاف هستند مانند نشاسته، سلولز، لیگنین، که به طور طبیعی پلیمرهای مبتنی بر کربن هستند.
نه تنها خواص فیزیکی و مکانیکی این مواد زیست تخریب‌پذیر مهم می باشد سازگاری آن‌ها با مواد غذایی در جهت حفظ کیفیت مواد غذایی حائز اهمیت می‌باشد.
کاربرد پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر در بسته‌بندی مواد غذایی
زمینه استفاده از پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر در محصولات در تماس با غذا مثل کارد و چنگال یکبار مصرف، لیوان، ظرف سالاد، بشقاب و ظروف غذاهای آماده مصرف است. در چند سال اخیر، پلیمرهایی که از منابع تجدیدپذیر به دست می‌آیند و می‌توانند بازیافت و کمپوست شوند، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. همچنین خواص نوری، فیزیکی و مکانیکی آن‌ها می‌تواند از طریق طراحی پلیمری طراحی شود، بنابراین پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر می‌توانند با دیگر پلیمرهای مصنوعی مورد استفاده در زمینه بسته‌بندی مواد غذایی تازه مانند پلاستیک‌های معمولی پلیمر (OPS) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) مقایسه شوند.
پلیمرهــای مــورد اســتفاده در ســاخت بسته‌بندی های زيست تخريب پذير در دو گروه طبقه‌بندی می گردند:
- پلیمرهای طبیعی (مانند پلی‌ســاکاريدها و پروتئین‌ها)
- پلیمرهای ترکیبــی مانند پلی کاپرولاکتون (PLA ) و پلی لاکتیک اسید ( PCL)
پلیمرهای ترکیبی نیز براســاس منشاء تولید آن ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- پلیمرهای تولید شده از میکروارگانسیم‌ها
- پلیمرهای به دست آمده از زيست فناوری
- پلیمرهــای تولید شــده از مشــتقات نفتی
انواع پلیمرهــای مــورد اســتفاده در ســاخت بسته‌بندی‌های زيست تخريب‌پذير
پلی‌لاکتیک اسیدها (PLA):
یکی از امیدوارکننده‌ترین پلیمرهای زیستی، پلی‌لاکتیک‌اسیدها هستند که از پلیمریزاسیون مونومر اسیدلاکتیک حاصل از تخمیر شکر، ذرت و غیره حاصل می‌شوند که منابع تجدیدپذیر و به راحتی قابل تخریب هستند. این محصول به وسیله تبدیل ذرت یا سایر منابع کربوهیدرات به دکستروز و پس از آن با کمک فرآیند تخمیر به اسیدلاکتیک تبدیل می‌شود. پلی‌لاکتیک‌اسیدها یک پلیمر همه‌کاره، قابل بازیافت با شفافیت و وزن مولکولی بالا، قابلیت پردازش خوب و مقاوم در برابر حلالیت آب هستند. علاوه براین گزارش شده است که تولید PLA 15 تا 60% باعث کاهش انتشار کربن و 25 تا 55% در مقایسه با پلیمرهای برپایه نفت باعث کاهش مصرف انرژی می‌شود.
سلولز:
سلولز پلیمری طبیعی است که به طور گسترده‌ای استفاده از آن گسترش یافته است و از خمیر چوب یا پنبه مشتق شده است. یک پلی‌ساکارید زیست تخریب‌پذیر است که می‌تواند در مخلوط هیدروکسید سدیم و دی‌سولفیدکربن حل شود تا سیانات سلولز تولید شود و سپس به یک محلول اسید (اسید سولفوریک) تبدیل شود تا یک فیلم سلفون تولید کند. به طور متناوب، مشتقات سلولز را می‌توان با استفاده از مشتقات سلولز از حالت محلول، از طریق استرینگ یا اتیرسازی گروه‌های هیدروکسیل تولید کرد. استئارهای سلولز مانند سلولز دی‌استات و تری‌استات برای تولید مواد ترموپلاستیک به عنوان افزودنی مورد نیاز هستند. اکثر آن‌ها را می‌توان با قالب‌گیری تزریقی یا اکستروژن تولید کرد. اتر سلولز مانند هیدروکسی پروپیل سلولز و متیل‌سلولز به جز اتیل سلولز و بنزیل سلولز حلال‌های آب هستند.
نشاسته:
نشاسته به طور طبیعی در دسترس است و جزء منابع طبیعی قابل تجزیه آسان است. برای تولید یک فیلم پلاستیکی بر پایه نشاسته، محتوای زیاد آب یا پلاستیسایزر (گلیسرول، سوربیتول) ضروری است. این مواد پلاستیسیته (استفاده از انرژی حرارتی و مکانیکی) نشاسته ترموپلاستیک (TPS) نامیده می‌شود و جایگزین پلی‌استایرن (PS) را تشکیل می‌دهد. مواد ترموپلاستی برپایه نشاسته (مثلا مخلوطی از TPS با اجزای پلیمری مصنوعی/ زیست تخریب‌پذیر مانند پلی کاپرولکتون، پلی اتیلن وینیل الکل یا پلی وینیل الکل) در زمینه صنعتی برای فوم، دمیدن، قالب‌گیری تزریقی، و اکستروژن استفاده می‌شوند.
پلیمرهای برپایه نشاسته پلیمر تجاری هستند که از سنتز مونومرهای بر پایه روغن بدست می‌آید و می‌توان با درصدهای مختلف (10، 50 و 90%) از نشاسته به عنوان افزودنی ترکیب کرد. براساس درصد نشاسته و مواد افزودنی مانند (ترکیبات رنگی، افزودنی‌های مقاوم در برابر حرارت) ویژگی‌های این مواد می‌تواند بسیار متفاوت باشد به عنوان مثال در آب گرم یا سرد می‌توانند مقاوم شوند.
پلی هیدروکسی آلکانوئات (PHA):
این پلیمرها به وسیله تخمیر باکتری از قند و چربی تولید می‌شوند. آن‌ها می‌توانند مواد ترموپلاستیک یا الاستومری با نقطه ذوب بین 40 و 180 درجه سانتیگراد، بسته به مونومر مورد استفاده در سنتز باشند. این پلیمرها به تنهایی یا در ترکیب با پلاستیکی یا نشاسته مصنوعی فیلم‌های بسته‌بندی عالی را ارائه می‌دهند. شایع‌ترین نوع پلی‌هیدروکسی بوتیرات (PHB) است که از پلیمریزاسیون مونومر 3-هیدروکسی بوتیرات به دست می‌آید، با خواص مشابه PP اما سخت‌تر و شکننده.
منابع:
Siracusa V. ,Rocculi P., Romani S., and Rosa M (2008). Biodegradable Polymers for food Packaging: a review.Food Science & Technology 19: 634-643. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2008.07.003
Kumar P., Sandeep K.P., Alavi S.,Truong V.D., Gorga G.E. (2010). Preparation and characterization of bio-nanocomposite films based on soy protein isolate and montmorillonite using melt extrusion. Journal of Food Engineering 100: 480–489. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2010.04.035
Intan S. M. A, Tawakkal, Marlene J, Cran, Joseph Miltz, and Stephen, Bigger W. 2014. A review of poly (Lactic Acid)-based materials for antimicrobial packaging. Journal of Food Science, 79: 1477-1490. https://doi.org/10.1111/1750-3841.12534
Peelman N, Ragaert P, De Meulenaer B, Adons D, Peeters R, Cardon L, Van Impe F, Devlieghere F. 2013. Application of bioplastic for food packaging. Trends in Food Science & Technology, 32:128-141. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2013.06.003
