Sustainability assessment of active packaging incorporating nanomaterials

Abstract

Packaging plays an important role in ensuring food safety and quality. The development antimicrobial packaging enables actively inhibiting/killing the spoilage microorganisms, and thus extending food product's shelf life. Generally, 50% shelf life extension is possible. The interest for using metallic nanoparticles in active packaging derives from its superior antimicrobial efficacy and no negative impact on the food sensory properties. In this thesis, the packaging material of concern is a PLA (Polylactic Acid) coated paper incorporating zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) in the coating layer. The material was characterized and its antimicrobial activity was evaluated. The SEM images show that the nanoparticles were homogenously distributed across the surface thanks to its surface modification. Antimicrobial assay indicates that the active material was effective in inactivating E. coli and S. aureus. Furthermore, E. coli was found to be more susceptible to this type of agent, showing 3.14 log reduction for 0.5 wt% agent loading in the PLA coating layer. This result was compared across the publications using the same agent for treating both Gram-positive and Gram-negative microorganisms. The discrepancy between the results can be explained by the fact that ZnO nanoparticles have multiple action mechanisms, and different antimicrobial testing methods may activate part of the action mechanisms. On the other hand, recyclability is regarded as an important attribute for paper-based packaging material, as it enables to conserve the resources and reduce the environmental impacts. Accordingly, when it comes to the nano-enabled paper packaging material, recyclability should be maintained. In this case, a recyclability test was carried out in a lab-scale paper recycling line. The protocol was based on a method adapted from the ATICELCA MC501-13, which enabled to recover over 99% of the solids material. The mass balance result indicates that 86%-91% zinc oxide nanoparticles ended up in the rejected material stream, mostly embedded within the polymer coating; whereas 7%-16% nanoparticles ended up in the accepted material stream. Besides, the tensile strength of the recycled handsheets suggests that the nano-enabled coating had no negative impacts on the recovered fibre quality. Active packaging plays a positive role in reducing food losses. If food and packaging are considered as a whole system, its overall environmental impact can be justified by incorporating the food loss reduction due to the application of active packaging. The LCA calculation shows that a breakeven point can be easily achieved for the case of red meat products of high environmental impact.

El envase juega un papel importante asegurando la seguridad y calidad de los alimentos. El desarrollo de envases activos, especialmente envase antimicrobiano, permite inhibir o matar los microorganismos causantes del deterioro de los alimentos, alargando por tanto su vida útil. De forma general es posible extender la vida útil de los alimentos en un 50%. El interés por el uso de nanopartículas metálicas en el envasado activo se deriva de su gran efectividad antimicrobiana sin causar un efecto negativo en sus propiedades sensoriales. En la presente tesis, se ha desarrollado un papel recubierto de PLA (ácido poliláctico) con nanopartículas de óxido de zinc (ZnO NPs) incorporadas en la capa de recubrimiento. Se ha caracterizado el material y se ha evaluado su capacidad antimicrobiana. Las imágenes obtenidas mediante SEM muestran que las nanopartículas fueron distribuidas a lo largo de la superficie gracias a su modificación. Los ensayos de efectividad antimicrobiana indicaron una actividad del material frente a E. coli y a S. aureus. Además, E. coli resultó ser más susceptible a este agente activo incorporado al 0.5 % en peso en el recubrimiento de PLA, mostrando una reducción de 3.14 log. Este resultado fue comparado con publicaciones donde se emplearon los mismos agentes activos para frente a microorganismos Gram-positivos y Gram-negativos. Las discrepancias encontradas entre los resultados pueden deberse a que las nanopartículas de ZnO tienen múltiples mecanismos de acción, y los diferentes métodos de ensayo poder estimular parte de estos mecanismos. Por otra parte, el reciclado juega un importante papel en la conservación de los recursos y en la reducción de los impactos medioambientales. Por tanto, cuando se trata de un material de envase de papel con sustancias de tamaño nano, el reciclado debe tratarse adecuadamente. El ensayo de reciclabilidad fue llevado a cabo a escala laboratorio en una línea de reciclado de papel. El protocolo de ensayo se basó en el método adaptado de ATICELCA MC501-13, permitiendo una recuperación del 99% de material sólidos. Los resultados del balance de materia indicaron que el 86%-91% de las nanopartículas de óxido de zinc llegaron al flujo de material de rechazo, principalmente mezclado en el recubrimiento polimérico. Además, los resultados de tracción de las láminas recicladas sugieren que el recubrimiento con partículas nano no tiene un efecto negativo sobre la calidad de la fibra recuperada. El envase activo juega un papel positivo en la reducción de los residuos alimentarios. Como resultado del uso del envase activo, considerando el envase y el alimento como un todo, el impacto ambiental sobre este sistema completo puede ser compensado por la reducción de pérdidas de alimentos. El cálculo LCA muestra que el punto de equilibrio se puede conseguir fácilmente en el caso de productos de carne roja de elevado impacto ambiental.

L'envàs té un paper prou important en la seguretat i la qualitat del aliments. El desenvolupament dels envasos actius, especialment l'envàs antimicrobià, el qual permeteix l'inhibició o mort dels microorganismes que produeixen el deteriorament dels aliments i, per tant, allargant la seua vida útil. De manera general, es possible l'allargament de la vida útil dels aliments en un 50%. L'interès per la utilització de nanopartícules metàl·liques en l'envasat actiu es deriva de la seua gran efectivitat antimicrobiana sense produir un efecte negatiu en les seus propietats sensorials. En aquesta present tesis, s'ha desenvolupat un paper recobert de PLA (àcid polilàctic) amb nanopartícules d'òxid de zinc (ZnO NPs) incorporades a la capa de recobriment. S'ha caracteritzat el material i s'ha avaluat la seua capacitat antimicrobiana. Les imatges obtingudes per mitjà del SEM mostren que les nanopartícules foren distribuïdes en tota la superfície gràcies a la seua modificació. Els assajos d'efectivitat antimicrobiana varen indicar una activitat del material front a E.coli i a S. aureus. A més, E. coli va resultar ser més susceptible a aquest agent actiu incorporat al 0.5 % en pes en el recobriment de PLA, mostrant una reducció de 3.14 log. Aquest resultat va ser comparat amb publicacions on es van emprar els mateixos agents actius front a microorganismes Gram-positiu i Gram-negatiu. Les discrepàncies trobades entre els resultats poden deure's a que les nanopartícules de ZnO tenen diversos mecanismes d'acció, i els diferents mètodes d'assaig poder estimular part d'aquestes mecanismes. Per altra banda, el reciclatge també té un paper important en la conservació dels recursos i en la reducció dels impactes mediambientals. Per tant, quan es tracta d'un material d'envàs de paper amb substàncies de la grandària 'nano', el reciclatge ha de tractar-se adequadament. El assaig de reciclabilitat va ser dut a terme a escala de laboratori en una línia de reciclatge de paper. El protocol de l'assaig es va basar en el mètode adaptat d'ATICELCA MC501-13, permetent una recuperació del 99% del material sòlid. Els resultats del balanç de matèria van indicar que el 86-91% de les nanopartícules d'òxid de zinc varen arribar al fluix material de rebuig, principalment mesclat en el recobriment polimèric. A més, els resultats de tracció de les làmines reciclades suggereixen que el recobriment amb nanopartícules nano no tenen un efecte negatiu sobre la qualitat de la fibra recuperada. L'envàs actiu juga un paper positiu en la reducció dels residus alimentaris. Com a resultat de l'ús de l'envàs actiu, considerant l'envàs i l'aliment com un tot conjunt, l'impacte ambiental sobre aquest sistema complet pot ser compensat per la reducció de pèrdues d'aliments. El càlcul LCA mostra que el punt d'equilibri es pot aconseguir fàcilment en el cas de productes de carn roja d'elevat impacte ambiental.