Inteligentne opakowania są innowacyjnym fragmentem dziedziny opakowalnictwa, oferującym ciekawe możliwości dla bezpieczeństwa produktów spożywczych, ich jakości i wygody użytkowania. Są one wynikiem wymagań konsumentów względem opakowań, aby były one bardziej zaawansowane oraz kreatywne od tych, które są oferowane obecnie. Przepisy dotyczące opakowań tradycyjnych odnoszą się również do inteligentnych opakowań, ponieważ wszystkie materiały opakowaniowe muszą mieć status dopuszczonych do kontaktu z żywnością i wyrobami farmaceutycznymi.
Nastawienie konsumentów do inteligentnych opakowań jest pozytywne. Podstawę stanowią chęć zaakceptowania nowych technologii oraz pewność, że nowy system jest bezpieczny dla użytkownika. Wiele inteligentnych opakowań jest już od dość dawna dostępnych na rynku w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej, Korei Południowej, a także w Europie, w tym również w Polsce.
Niektórzy eksperci uważają, że kolejny etap rozwoju technologii opakowań wykorzysta osiągnięcia nanotechnologii, co pozwoli umieszczać nowe substancje przeciwdrobnoustrojowe i pochłaniające gazy w opakowaniach z tworzyw sztucznych. Innowacyjny kierunek inteligentnych opakowań będzie także napędzać wykorzystanie zaawansowanych urządzeń elektronicznych. Wraz z rozwojem świadomości społeczeństwa oczekiwania konsumentów również będą wzrastać [1].
Inteligentne opakowania (z ang. intelligent packaging lub smart packaging) są zdefiniowane w rozporządzeniu WE 450/2009, wyposażone w wewnętrzny lub zewnętrzny wskaźnik, inaczej indykator, dostarczający informacji o aspektach historii opakowania i/lub jakości żywności czy produktu farmaceutycznego. Inteligentne opakowanie stanowi kontynuację funkcji komunikacyjnej tradycyjnych opakowań i dostarcza konsumentowi informacji – na podstawie ich zdolności wyczuwania, wykrywania lub zapisywania – dotyczących wewnętrznych lub zewnętrznych zmian w środowisku produktu [1]. Inteligentne opakowania zwykle nie oddziałują bezpośrednio na pakowaną żywność, więc jej składniki nie są uwalniane do opakowania, a tylko dostarczają one informacji konsumentowi, sprzedawcy i producentowi o stanie, w jakim znajduje się dany produkt. W przypadku zastosowania inteligentnych opakowań w przemyśle farmaceutycznym ważna jest przede wszystkim dbałość o bezpieczeństwo oraz ochronę zapakowanego leku [2].
Wskaźniki
Opakowanie powinno chronić przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak np. światło, temperatura, wilgoć, oraz uszkodzeniami mechanicznymi i skażeniami biologicznymi. Znane są następujące rodzaje wskaźników, w które są wyposażone inteligentne opakowania [3]:
n integratory czasu i temperatury,
n wskaźniki świeżości,
n wskaźniki nieszczelności.
Wskaźniki czasu i temperatury, czyli TTI (ang. Time/Temperature Indicators)
Wskaźniki TTI są wykorzystywane do ciągłego monitorowania aktualnej temperatury produktu oraz jego otoczenia. Temperatura jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o pojawieniu się w produktach spożywczych niekorzystnych zmian fizykochemicznych i drobnoustrojów. Przechowywanie żywności w temperaturze wyższej niż zalecana powoduje zwiększenie flory bakteryjnej, co prowadzi do zepsucia produktu przed upływem terminu ważności [3]. Temperatura ma też wpływ na produkty farmaceutyczne, które muszą być przechowywane w odpowiednich warunkach.
Wskaźnik TTI działa na zasadzie nieodwracalnej zmiany właściwości zapakowanego produktu pod wpływem temperatury wyższej niż wartość zadana lub w wyniku efektu cieplnej jego kumulacji podczas przechowywania i transportu. Miernikiem tej zmiany jest proporcjonalny do jej natężenia efekt wizualny, występujący zwykle jako przebarwienie pola etykiety na skutek zachodzącej reakcji chemicznej. Wskaźniki te dają możliwość zarejestrowania wystąpienia przejściowego rozmrożenia produktu, w wyniku czego następuje zmiana barwy. Umożliwiają też śledzenie odstępstw od optymalnej temperatury w całym okresie dystrybucyjnym, sumując jednocześnie ich natężenie i czas występowania. Sygnał wskaźnika informuje o skróceniu dopuszczalnego okresu przechowywania [3]. Indykatory zwracają uwagę nie tylko na temperaturę, ale i na czas jej oddziaływania. Dzięki temu krótkotrwałe podwyższenie temperatury, niemające wpływu na jakość produktu, np. podczas przeładunku mrożonek – nie powoduje zmiany wskaźnika [4].
Przykładem występujących na rynku wskaźników czasu i temperatury są wskaźniki produkowane przez firmę Temptime. Dzielą się one na wskaźniki ciepła i zimna. Do wskaźników ciepła należą:
n HEATmarker TTI,
n HEATmarker Vaccine Vial Monitor (VVM),
n LIMITmarker,
n TransTracker Heat Indicators.
Wskaźniki HEATmarker TTI, czyli wskaźniki czasu i temperatury, są umieszczane przez producentów na opakowaniach bezpośrednich oraz pudełkach leków, szczepionek i innych produktów medycznych wrażliwych na temperaturę. Te wyjątkowo małe wskaźniki poddano badaniu stabilności i stwierdzono, że mogą one być stosowane do monitorowania całego okresu każdej pojedynczej jednostki od chwili jej wyprodukowania do czasu użycia, informując użytkownika, czy produkt został wystawiony na działanie potencjalnie szkodliwego, skumulowanego ciepła przez określony czas (rys. 1). Firma Temptime produkuje ponad 20 różnych kategorii wskaźników HEATmarker [5].
Na wskaźniku znajduje się jego nazwa wraz z numerem, który także oznacza liczbę dni, w jakich będzie on działał wystawiony na daną temperaturę, np. gdy przez 14 dni, na etykiecie jest numer 14 (rys. 1).
Na rys. 2. przedstawiono wygląd wskaźnika na początku i po upływie 14 dni. Kwadrat w środku, o jaśniejszym odcieniu od tła, po upływie 14 dni stopniowo ciemnieje, aż w 14. dniu zlewa się zupełnie z tłem. Oznacza to, że produkt przebywał w danej temperaturze przez 14 dni. Każdy ze wskaźników ma ciemnieć przy wartościach, które mieszczą się w przedziale od kilku dni w temperaturze chłodzenia do 30 dni w temperaturze 60°C [5].
HEATmarker Vaccine Vial Monitor to wskaźnik do monitorowania fiolek ze szczepionkami (rys. 3). Tego typu wskaźniki HEATmarker VVM są używane przez światowych producentów szczepionek. Spełniają one wymagania WHO (World Health Organization) i informują, czy produkt był wystawiony na działanie potencjalnie szkodliwego, narastającego ciepła przez cały okres jego życia. Istnieją –określone przez WHO – 4 kategorie tego wskaźnika: VVM2, VVM7, VVM14 oraz VVM30 [5].
LIMITmarker to wskaźniki służące do monitorowania produktów wrażliwych na temperaturę podczas transportu. Ostrzegają one użytkownika, z pewnym niewielkim opóźnieniem, jeśli produkt przekroczył próg potencjalnie szkodliwej temperatury [5]. Działanie wskaźnika polega na nieodwracalnej zmianie koloru okręgu w środku naklejki z białego na czerwony, sygnalizując tym samym, że miała miejsce niekorzystna zmiana związana z oddziaływaniem ciepła.
Firma Temptime produkuje też wskaźniki zimna o nazwie FREEZEmarker. Wiele produktów medycznych, szczególnie tych, które wymagają chłodzenia, może być uszkodzonych, jeśli zostaną zamrożone. W sytuacji, gdy po zamrożeniu nastąpi odwilż, to uszkodzenie często pozostaje niezauważone [5]. Wskaźnik sygnalizuje natomiast ten fakt zmianą koloru z zielonego na biały (rys. 4).
Firma Temptime oferuje trzy kategorie wskaźników FREEZEmarker, które mogą być używane do monitorowania transportu i pełnego życia produktu, w zależności od okresu trwałości wyrobu farmaceutycznego lub medycznego [5]. Są to:
n FREEZEmarker L – temperatura reakcji 0,0±1°C,
n FREEZEmarker B – temperatura reakcji -1,0±1°C,
n FREEZEmarker C – temperatura reakcji -6,0±2°C.
Wskaźnik FREEZEmarker (rys. 5) to opatentowany wskaźnik oparty na zaawansowanej koloidalnej technologii. Aktywna substancja składa się z mikroskopijnych cząstek materiałów, które są stabilne i równomiernie rozprowadzone w cieczy. W bardzo precyzyjnie określonej temperaturze i z dużą dokładnością małe cząstki we wskaźniku stają się niestabilne, pokonując siły odpychające utrzymujące osobno te cząstki. Pozwala to na ich koagulację, w wyniku której tworzy się nieprzezroczysty biały żel świadczący o tym, że doszło do zamrożenia. Warto przy tym pamiętać, że sam produkt można zamrażać i rozmrażać, ale wyniki wskaźnika są nieodwracalne [5].
Wskaźniki świeżości
Drugą grupę opakowań inteligentnych stanowią wskaźniki świeżości, różniące się od wskaźników TTI tym, że sygnalizują jakość produktu przez bezpośrednie zareagowanie na zmianę składu atmosfery panującej we wnętrzu opakowania lub zmiany zachodzące na powierzchni produktu. Ich działanie polega zazwyczaj na wykrywaniu obecności metabolitów mikroorganizmów takich jak: ditlenek węgla, ditlenek siarki, amoniak, aminy, siarkowodór, kwasy organiczne, etanol, toksyny i enzymy. Dla tych wskaźników stosuje się głównie elektroniczne i optyczne detektory, a także barwne związki tworzące się w wyniku reakcji z substancją wchłanianą z wnętrza opakowania [3].
Firma Insignia Technologies wytwarza wskaźniki detekcyjne. Jej produkty to zestaw inteligentnych pigmentów i tuszy, które mogą zmieniać kolor po wystawieniu na działanie różnych gazów i światła UV. Skupia się ona głównie na zastosowaniu swoich produktów w przemyśle spożywczym, gdzie zmieniające kolor indykatory ostrzegają, kiedy żywność przekroczyła czas spożycia, gdyż zmiana koloru jest dynamiczna i zauważalna, przez co łatwo dostrzegalna [6].
Produktami firmy Insignia Technologies są Waste Watch: food fresh indicators, czyli wskaźniki świeżej żywności. Taki wskaźnik WW może być przyklejony na każdą folię. Jest aktywowany w chwili, gdy opakowanie zostaje otwarte. Przypomina też, jak długo produkt znajduje się w lodówce. Jest on produkowany w postaci naklejki zmieniającej kolor z biegiem czasu (rys. 6) [6].
Wskaźniki nieszczelności
Kolejną grupę opakowań inteligentnych stanowią te, które zawierają wskaźniki nieszczelności. W nieszczelnym opakowaniu zmniejsza się zabezpieczające działanie zmodyfikowanej atmosfery na produkt i wzrasta niebezpieczeństwo mikrobiologicznego zanieczyszczenia produktu przez zwiększoną podatność na mikroorganizmy [3].
Wskaźniki pomiaru zawartości tlenu i ditlenku węgla w opakowaniu, czyli wskaźniki nieszczelności mogą być wykorzystane do monitorowania jakości m.in. produktów spożywczych. Ich zasada działania polega na zmianie koloru w wyniku reakcji chemicznej lub enzymatycznej. Najczęściej stosowanym barwnikiem redukująco-utleniającym we wskaźnikach nieszczelności w odniesieniu do tlenu jest niebieski metylen.
Wskaźniki nieszczelności muszą kontaktować się z gazem we wnętrzu opakowania, toteż pozostają one w bezpośrednim kontakcie z żywnością. Reakcje te są nieodwracalne przy zmianie warunków z powrotem na beztlenowe [3].
Firma Insignia Technologies produkuje opatentowane inteligentne pigmenty, które mogą być włączone do tworzyw sztucznych przeznaczonych do pakowania żywności, tworząc zmieniające kolor etykiety. Tworzone są m.in. zestawy wskaźników UV, tlenu, substancji lotnych i wilgotności dla różnych zastosowań. Inteligentne pigmenty są wytwarzane w laboratorium firmy Insignia Technologies, a następnie wytłaczane w postaci folii polimerowej, np. z polietylenu w celu wytworzenia kolorowej inteligentnej folii. Folia taka tworzy zmieniającą kolor część etykiety. Inteligentna folia jest przetwarzana na etykiety przy użyciu standardowych surowców etykietowych, jak np. folie polimerowe pokryte klejem. Pigmenty produkowane przez firmę Insignia Technologies są wykonane z barwnych połączeń chemicznych, które mają zdolność wykrywania takich związków chemicznych jak np. CO2.
Etykieta firmy Insignia Technologies zostaje aktywowana z chwilą, kiedy konsument otworzy opakowanie i spowoduje, że regulator czasowy, tzw. timer, pokaże wyraźną zmianę koloru w ciągu czasu, w którym żywność traci świeżość. To cienki i lekki regulator czasowy, który może występować w odmianach działających na: dni, tygodnie, miesiące, a nawet lata (rys. 7).
Podstawą działania tej etykiety jest fakt, że stosuje się ją we wnętrzu opakowania. Jego zawartość jest pakowana w modyfikowanej atmosferze, a zmiana koloru jest aktywowana przez zmianę ilości ditlenku węgla CO2. Ten ostatni jest zazwyczaj wprowadzany do wędlin i serów, aby przedłużyć ich trwałość oraz uchronić przed zepsuciem. W chwili, gdy żywność jest pakowana, etykieta zmienia swoją barwę na początkowy żółty kolor, żeby wskazać, że ditlenek węgla jest wprowadzony do opakowania. Kiedy opakowanie jest następnie otwierane przez konsumenta, CO2 z opakowania zacznie się ulatniać, co powoduje aktywację czasomierza objawiającego się początkiem zmiany koloru na fioletowy lub niebieski, zależnie od konkretnego timera. Wskaźniki mogą być opracowane dla różnego czasu działania, w zależności od produktów [6].
Podsumowanie
Możliwości inteligentnych opakowań są już duże. Nie bez powodu nazywa się je obecnie opakowaniami przyszłości, właśnie ze względu na ich innowacyjność i ogromne wręcz możliwości, które dziś nawet trudno sobie wyobrazić. Prowadzone są ciągle prace nad nowymi technologiami w tym obszarze. W związku z tym – dzięki nim – należy spodziewać się swoistej rewolucji w opakowaniach.
Literatura
[1] Karleigh Huff: Active and Intelligent Packaging: Innovations for the Future, Virginia Polytechnic Institute and State University – tłumaczenie na polski 2014 http://www.iopp.org/files/public/VirginiaTechKarleighHuff.pdf
[2] Kotowska M.: Innowacje opakowaniowe przemysłu farmaceutycznego jako element optymalizacji dystrybucji używania leków [w:] Miesięcznik techniczno-ekonomiczny „Opakowanie”, nr 12/2013, s. 63, 67
[3] Kubiak M. S., Borowy T.: Opakowania inteligentne w zasięgu ręki [w:] Miesięcznik techniczno-ekonomiczny „Opakowanie”, nr 10/2013, s. 51-54
[4] Strona internetowa: http://www.fcmarket.pl, „Indykator prawdę powie”, Przemysł Spożywczy, 2007, 19.06.14
[5] Strona internetowa: http://www.temptimecorp.com, 29.12.14
[6] Strona internetowa: http://www.insigniatechnologies.com, 29.12.14
