Friday, Aug 12th

Last updateTue, 02 Aug 2022 8am

You are here: Home Article Aktif ambalajlama teknolojisi ve akıllı ambalajlar

Aktif ambalajlama teknolojisi ve akıllı ambalajlar

 

Geleneksel ambalajlama yöntemlerinde kullanılan malzemelerin gıdaları belirli düzeyde dış etkenlerden koruyabilen bir bariyer özelliğine sahiptirler. Yani gıdaların kalitelerinin korunması ve raf ömürlerinin uzatılması, tüketiciye daima sağlıklı raf ömrü uzun ürünlerin sunulabilmesi için uygun ambalaj malzemelerinin ve ambalajlama tekniklerinin kullanımı, gıda ambalajlama teknolojisinin temel hedefi olmuştur. 

Ayrıca günümüzde tüketicilerin daha kaliteli, sağlıklı, tazeye yakın özelliklere sahip ve raf ömrü uzun gıdaları talep etmesi de ambalajlama uygulamalarında yeni arayışlara ve gelişmelere yol açmıştır. Kaldı ki tüketicilerin daha az işlenmiş ve doğal özellikleri daha az zarar görmüş gıdaları tercih etmelerinin yanı sıra; internetten alışveriş, pazarların uluslar arası boyut kazanması ve satış aktivitelerinin merkezileşmesi ile bağlantılı olarak gıdaların depolama, satışa sunma ve dağıtımında ortaya çıkan değişimler, yeni ambalajlama tekniklerine dair beklenti ve taleplerdeki artışa hız kazandırmıştır. Ve yıllardır bu doğrultuda yapılan çalışmalar sonucunda “aktif ve akıllı ambalajlama” olarak adlandırılan çağdaş ambalajlama teknolojileri geliştirilmiştir. 

Aktif ambalajlama, bozulma reaksiyonlarının hızının azaltılması ve gıdanın raf ömrünün daha da uzatılabilmesi için ambalaj içindeki ortamın değiştirilmesi ya da modifiye edilmesidir. Ürünü dış etkenlerden korumada bariyer olarak kullanılan ambalaj materyaline ekstra özellikler kazandırılması olarak tanımlanabilir. Hiç kuşkusuz aktif ambalaj sadece dış etkenlere karşı bariyer bariyer oluşturmakla kalmaz; ambalajın içinde gerçekleşen olayları kontrol altına alabilir ve hatta bunlara tepki verebilir ve değişen koşullara göre gıdayı muhafaza ve kalitesini korumaya yönelik etkileşimlerde bulunabilir. Örneğin, ambalaj içindeki gaz konsantrasyonlarını değiştirebilir veya gıda yüzeyindeki mikroorganizmaları öldürebilir ve böylece güvenliğini ve duyusal özelliklerini iyileştirebilir, gıdanın kalitesini koruyarak raf ömrünü uzatabilir. 

Aktif ambalajlama teknolojisinde, çeşitli aktif bileşenler ambalaj malzemesine eklenerek ya da ambalaj içine ayrı tablet veya kesecikler halinde konularak yahut ara katman halinde kullanılarak ambalaja bazı ek işlevler kazandırılır. 

Aktif ambalajlama sistemleri çalışma prensiplerine göre “aktif salıcı – yayıcı sistemler” ve “aktif emici – tutucu sistemler” olmak üzere ikiye ayrılır. Bu sistemlerde: oksijen tutucular, etilen tutuculari karbondioksit tutucu ve salıcılar, nem düzenleyiciler, aroma ve koku maddelerini absorbe edici veya salıcılar, etanol, enzim ve antioksidan salan ambalajlar ile antimikrobiyal (bakterisavar) sistemlerden yararlanılır. 

Akıllı ambalajlar ise gıdanın güvenliği ve kalitesi bağlamında tüketiciye bilgi sağlayan ambalaj sistemleridir. Hissetme, izleme ve işaret etme potansiyelleri olan akıllı ambalajlara; sıcaklık – süre indikatörü olan ambalajlar, biyonsensörlü ve özel barkodlu ambalajlar örnek olarak verilebilir. Çalışma prensipleri, sıcaklık – süre ölçümü, enzimsel kalite değişimleri ve mikrobiyolojik aktivite ölçümüne bağlıdır. Sıcaklık -  süre indikatörü içeren ambalajlar kullanıcıyı ürünün taşıma ve dağıtımı aşamasında maruz kaldığı sıcaklık koşulları ve bunun sonucunda olabilecek kalite değişimleri hakkında bilgilendirir. Biyosensörlü ambalajlar ise kullanıcıyı üründe mikroorganizma gelişip gelişmediği bağlamında uyarır. Gelecekte bu teknolojinin daha da gelişeceği ve gıdalardaki farklı bozulma reaksiyonlarına göre tasarlanmış farklı sistemlerin üretileceği belirtilmektedir. Bunlar arasında sıcaklıkla rengi değişen, son kullanma tarihi yaklaşırken öten ve reyonlarda tüketici kendisine yaklaşırken hoş koku salarak satın alınmayı teşvik eden ambalajlar sayılabilir. 

Zeki ambalajlar olarak adlandırılan ambalajlar ise; içindeki ürünün durumunu izleyerek nakliye ve depolama sırasında ürünün kalitesi hakkında bilgi verirler. Günümüzde tedarik zincirinde ürün akışını “anında görüntü” ile izleyebilmek için istif raflarında ve konteynırlarda radyo frekansı ile tanıma yöntemi kullanılmaya başlanmıştır. 

Oksijen tutucular

Gıdaların bozulmasında oksijen varlığında gıda bileşenlerinin oksidaysonu veya gıdalarda bulunan bozulma etkeni mikroorganizmaların etkinlikleri sonucunda ortaya çukan çeşitli eğişimler ve oluşan metabolitler son derece önemli yer tutar. 

Tüm yaşamsal yağ asitleri, A.C ve E vitaminleri, bazı aminoasitler, renk maddeleri ve gıda aroma maddeleri, özellikle eterik yağlar oksijene duyarlıdır. Eğer oksidasyon için yeterli miktarda oksijen gıda maddesinde çözünmüş durumda varsa veya ambalajın tepe boşluğunda bulunuyorsa ya da ambalaj aracılığıyla içeriye nüfuz ediyorsa; ışık enerjisi ve/veya demir, bakır gibi metal iyonları ve/veya bazı bitkisel renk maddelerinin de etkisiyle oksidasyon gerçekleşebilir. Keza çeşitli bakteri, maya ve küflerin gelişmeleri bağlamında; renk bozulmaları, acılık, istenmeyen kokular oluşabilir, besin elementleri kaybı ve mikotoksin olarak adlandırılan toksik metoboliter ortaya çıkabilir. 

Oksijene duyarlı gıdalar modifiye atmosferde ambalajlama veya vakum ambalajlama teknikleri kullanılarak ambalajlanabilir ve böylece oksijenin etkisi belirli düzeyde önlenebilir. Fakat bu tür uygulamalarla oksijen her zaman yeterinde uzaklaştırılamaz; ambalajda %0.1-2.0 oranında oksijen kalır. Hatta bu oran, kek ve benzeri gözenekli gıdalarda daha da fazladır. Keza ambalaj filmine nüfuz etmiş olan ya da depolama süresince ambalaj filminden geçen oksijen de bu yöntemlerle uzaklaştırılamaz. Oysa belirtilen oranlarda bulunan oksijen ble hem oksidasyon hem de küf gelişimi için çoğu kez yeterlidir. 

Şu halde gıdaların oksijenden kaynaklanan kalite kayıpları ve bozulmaları önleyebilmek ve raf ömrünü uzatabilmek için, oksijen oranını %0.01’in altına (100 ppm) düşürebilen başka uygulamalara ihtiyaç vardır. İşte bunlardan biri de ambalajlama teknolojisinde oksijen emici (tutucu) sistemlerden yararlanmaktadır. Söz konusu bu sistemler; ambalajlama sonrası kalan oksijni absorbe ederek, oksijene duyarlı gıdalardaki kalite kayıplarını önemli derecede azaltabilmekte; çeşitli bitkisel ve hayvansal gıdalardaki acılaşma ve diğer duyusal bozulmalar, vitamin ve bazı bileşenlerin besleyici değerindeki kayıplar, küflerin kaynaklanan mikotoksin oluşumu etkin bir şekilde önlenebilmekte ve çeşitli hububat ve bakliyatlarda sık sık rastlanan haşereler büyük ölçüde engellenebilmektedir. 

Oksijen tutucu sistemler

Dilimlenmişi pişirilmiş ve kürlenmiş et ve kanatlı etleri, kahve, çay, pizza, kuruyemiş, çikolata, peynir, kek, bisküvi, çörek, taze (yaş) makarna, kürlenmiş balık, süttozu, toz yumurta, baharatlar, cips, şekerlemeler, vitamin tabletleri, kahvaltılık çerezler ve hatta bira, şarap ve meyve suyu gibi bir çok üründe kullanılan oksijen tutucular, aşağıda belirtilen kimyasal ve enzimatik yöntemler bağlamında uygulanırlar:

· Demir tozu oksidasyonu

· Askorbik asit oksidasyonu

· Işığa duyarlı boya oksidasyonu

· Enzimatik oksidasyon (Glukoz oksidaz ve katalaz)

· Doyamamış yağ asitleri (oleik asit ve linolenik asit) oksidasyonu

· Katı materyalde tutuklanmış (immobilize) mayaların oksidasyonu

Oksijen tutucular ticari olarak kesecik, film, etiket, kart ve şişe kapağı gibi çeşitli şekillerde kullanılır ve bunlarda demir tozu, askorbik asit, fülfitler, enzimler, doymamış yağ asitleri, glikol ve şeker alkolleri, paladyum katalizörleri gibi maddelerden yararlanılır. 

Oksijen tutucular tek başlarına veya modifiye atmosferde ambalajlama (MAP) teknolojisi ile birlikte kullanılabilmektedir. Tek başlarına kullanılmaları halinde, modifiye atmosferde ambalajlama için gerekli olan makineye ihtiyaç olmamakta ve paketleme hızı artmaktadır. Ancak sorunlarla karşılaşmamak için ticari uygulamalarda atmosferik oksijen çoğu kez MAP teknolojisi ile uzaklaştırılmakta ve ambalajda kalan az miktardaki oksijenin arındırılabilmesi için uygun bir oksijen tutucu kullanılmaktadır. 

Oksijen tutucu kesecikler

· Demir tozu bazlı oksijen tutucular

Günümüzde ticari olarak kullanılan O2 tutucuların çoğunluğu demir tozunun veya askorbik asidin oksidasyonu prensibine göre etkinlik gösterirler. Ancak demir tozunun kullınımı askorbik aside göre daha geniş reaksiyon yüzey alanı sağlamak için tercih edilir. Bunun oksidasyonu aşağıdaki gibi gerçekleşir: 

Vakum ambalajlama veya inert gazla süpürme uygulamalarında %0.3-3.0 kalıntı oksijen düzeyi sağlanabilmesine karşın, demir tozu kullanıldığında ambalajın tepe boşluğundaki O2 konsantrasyonu %0.01’in altına (100 ppm) indirilebilmektedir. Zira genel olarak 1g demir 0.0136 mol yani yaklaşık 300 mL oksijen ile reaksiyona girebilmektedir. Günümüzde 200-2000 mL O2 tüketme kapasitesine sahip (hava hacmi 100-10 000 mL) çeşitli boyutlardaki ticari O2 emiciler bulunmaktadır. En önemli demir bazlı oksijen tutucular Çizelge 3’de bir araya getirilmiştir. 

Bunlardan Ageless (Mitsubishi Gas Chemical Co., Japonya) ve FreshPax (Multisorb Technologies Inc., ABD) aktif maddesi oksijen ve su buharı geçirgenliğine sahip bir torbacığa yerleştirilmiş demir tozu olan ve en yaygın kullanılan O2 tutucu sistemlerdir. Torbacık, ambalaj içine yerleştirildikten sonra ambalajdaki oksijen oksijen konsantrasyonunu birkaç saat içerisinde %0.01’e (100 ppm) ve hatta daha aşağı değerlere düşürmektedir. Böylelikle aerobik koşullardan kaynaklanan sorunlar giderilebilmekte, özellikle öğütülmüş kahve, çikolata ve patates cipsi gibi gıdalarda oksidatif lazzet değişimleri önlenebilmektedir. Dolayısıyla BHA (Bütillenmiş hidroksianizol), BHT (Bütillenmiş hidroksitoluen) gibi antioksidanların kullanımına gerek kalmamaktadır. Ageless yardımıyla ayrıca ekmek, pizza, kek, çerez, peynir, et ürünleri ve benzeri bir çok gıdada küf gelişimi engellenebilmektedir. 

· Enzim esaslı oksijen tutucular

Gıda ambalajlamada oksijen tutucu olarak glukoz oksidaz ve alkol oksidaz gibi enzimlerden de yararlanılmaktadır. Bunlardan glukoz oksidaz katalaz enzimii ile birlikte kullanılmaktadır. Glukoz oksidaz enzimi, aşağıdaki tepkimede özetlendiği üzere, glukozun –CHOH grubundan iki hidrojeni transfer ederek glukona-delta-lakton ve hidrojen peroksit (H2O2) oluşturmakta ve lakton sulu ortamda glukonik aside dönüşmekte; hidrojen peroksit ise katalaz enzimiyle parçalanmaktadır:

2 Glukoz+2O2 + 2H2O —> 2 Glukonik asit + 2H2O 

Bu tip enzimatik sistemler; pH, su aktivitesi (aw), tuz içeriği, sıcaklık ve çeşitli diğer faktörlerin değişimine çok duyarlıdırlar. Ayrıca yeterli aktivite için suya ihtiyaç duyarlar; bu yüzden enzim esaslı oksijen tutucular düşük nem içerikli gıdalarda pek etkili değillerdir. 

Enzimler ya ambalaj filminin içinde ambalajın bir parçası olarak ya da ambalajdan bağımsız ayrı bir poşete yerleştirilmiş halde kullanılırlar. Gerek polipropilen gerekse polietilen, enzimlerin immobilizasyonu (tutuklanması) için uygun ortamlardır. Plastik yüzeyine bağlı olan glukoz oksidazın aktivitesinde ilk 2-3 haftada yaklaşık %50 düzeyinde azalma olmaktadır; fakat sonraki haftalarda aktivite kaybı çok az gerçekleşmektedir. 

Enzim bazlı ticari oksijen tutuculardan en ünlüsü “Bioka, Finlandiya”dır. Bu ürün, ambalajdaki oksijeni 20ºC’de saat, 2-6 ºC’de ise 24-96 saat içerisinde elimine edebilmektedir. Ayrıca dondurulmuş gıdalar için de kullanılabilmektedir. 

Glukoz oksidazın yanı sıra diğer bazı enzimlerin de oksijen tutucu özellikleri vardır. Etanolu asetaldehide okside eden etanol oksidaz enzimi örnek olarak verilebilir. Aktivitesi için suya ihtiyaç duymayan bu enzim, çok farklı su aktivitesine sahip bir çok gıdada kullanılabilmektedir. Ancak yüksek miktarda oksijen absorbe edilmesi söz konusu olduğunda etanol ihtiyacı artmakta; bu da ambalajda kötü kokuya neden olmaktadır. Ayrıca yüksek miktarda oluşan asetaldehit de yoğurt kokusuna benzer bir kokunun ortaya çıkmasına yol açmaktadır. 

Oksijen emici filmler

Oksijen emici poşetçikler bazen yanlışlıkla gıda ile birlikte tüketilmekte ya da poşetin çatlayıp ağılması sonucu içeriği poşet dışında saçılıp gıda ile temas etmektedir. Özellikle demir tozu esaslı oksijen emici poşetçiklerden kaynaklanan çeşitli olumsuzlukları önleyebilmek amacıyla oksijen tutucu ajanlar; polimer filmler, etiketler, kapama şeritleri ve kapaklarla birlikte iç içe kullanılmaktadır. Bu bağlamda geliştirilen oksijen emici filmlerde aktif maddeler ambalaj materyalinin yapısına eklenmektedir. Nitekim yararlanılan düşük molekül ağırlıklı katkılar plastik içerisinde disperse edilmekte (dağıtılmakta) veya çözündürülmekte ya da plastik, polimerik bir oksijen tutucudan yapılmaktadır. Ticari örneği Toyo Seikan Kaisha şirketi (Japonya) tarafından üretilen “Oxyguard”, laminata birleştirilebilen demir bazlı bir oksijen tutucudur. Keza Amoco Chemicals (ABD) şirketince geliştirilen “Amosorb” polimer esaslı bir oksijen emicidir ve çeşitli ambalajların yapılarında, örneğin sert kapların yan duvarlarında veya kapaklarında, ayrıca esnek filmlerde ve kapama şeritlerinde kullanılmaktadır. Ancak oksijen emici filmlerin hoz ve kapasitesinin, demir bazlı oksijen tutucu keseciklere kıyasla önemli derecede düşük olduğu bildirilmektedir. 

Söz konusu sistemlerden en ilginci, ışık aktivasyonu ile oksijen emici hale dönüşen oksijen yakalayıcı filmlerdir. Bu sistemlerde film UV ışığı altından geçirilerek film içindeki belli bileşenlerin aktif hale getirilmesi ve filmin oksijen emme özelliğine sahip olması sağlanmaktadır. Bu tekniğin uygulanabilmesi için ambalajda ışığa duyarlı bir boya içeren etil selüloz filmden küçük spiral kullanılması ve ambalajın tepe boşluğunda singlet (tekli) oksijen akseptörünün bulunması gerekmektedir. Film uygun dalga boyunda ışığa maruz kaldığında (UV-aktivasyonu); boya molekülleri yardımıyla O2 molekülleri tekli forma dönüşmekte ve tekli oksijen molekülleri akseptör (alıcı) moleküller ile reaksiyona girerek tüketilmektedir. Işığın aktive ettiği oksijen tutuculara, CSIRO ve VisyPak firması (Avustralya) tarafından üretilen “ZerO2” ile Cryovac Sealed Air firması (ABD) geliştirilen “OS-1000” ticari adlı filmler örnek verilebilir.

Oksijen emici kapaklar

Başta bira olmak üzere oksijene duyarlı çeşitli içki ve içeceklerin kalitelerinin korunabilmesi, özellikle aroma maddelerinin oksidasyonunun önlenebilmesi için, askorbik asidin oksijen tutucu özelliği esas alınarak oksijen emici kapaklar geliştirilmiştir. 

Bilindiği üzere kimyasal adı askorbik olan C vitamini, oksidasyon ve redüksiyonlarda önemli rolü bulunan beyaz kristal halde bir bileşiktir. L-askorbik asit, D-askorbik asit (Eritobik asit) olmak üzere çeşitli izomerleri vardır. C vitamini denince bu izomerlerden L-askorbik asit anlaşılır. Çünkü sadece bu izomerin biyolojik aktivitesi vardır. L-askorbik asit kristal haldeyken dayanıklı bir bileşik olmasına karşın, çözelti halindeyken kolaylıkla parçalanabilmektedir. Parçalanma metal iyonları, özellikle bakır ve demir iyonları eşliğinde hızlanmaktadır. L-askorbik asit kolaylıkla ve dönüşümlü olarak dehidro-L_askorbik aside okside olmaktadır. 

Bazı ABD şirketlerinin geliştirdiği ve aktif içeriği askorat/metalik tuzlar olan “Darex” ve askorbik/sülfit olan “PureSeal” ticari aklı oksijen tutucu sistemler, bira ve benzeri içecek şişelerinin kapaklarında oksijen tutucu olarak kullanılmaktadır. Söz konusu sistemlerde çok katlı bir bariyer astar, taç kapak ya da plastik ve metal tapaların içine tutturulmaktadır. Katmanlardaki aktif ingrediyentlerden askorbik asit, yukarıda da değinildiği gibi dehidro askorbik aside; sodyum sülfit ise sodyum sülfata okside olarak şişedeki ürünü oksidasyondan koruyabilmektedir. 

Pillsbury şirketi de askorbik asidi, oksidasyon reaksiyonunu katalize eden bakır ile birlikte kullanarak “oxysorb” ticari adlı bir ürün geliştirmiştir. Söz konusu ürün ya da bir kesecik içinde ambalajlama konulmakta ya da ambalaj materyalinin üretiminde karışıma ilave edilmektedir. 

Gerekli olan oksijen tutucunun seçiminde hiç kuşkusuz gıdanın boyutları, şekli, ağırlığı, su aktivitesi, gıdada çözünmüş oksijen miktarı, ambalajın tepe boşluğundaki başlangıç oksijen konsantrasyonu, ambalaj materyalinin oksijen geçirgenliği ve ürün için istenen raf ömrü etkilidir. Özellikle ambalaj materyalinin oksijen geçirgenliği, oksijen tutucunun genel performansı ve ürünün raf ömrü açısından son derece kritik öneme sahiptir. Nitakim uzun raf ömrü isteniyorsa, özellikle gaz geçirgenlikleri son derece düşük olan PVdC, EVOH kopolimer içeren bariyer katman kullanılması gerekir. Çünkü yararlanılan oksijen tutucu hızlı bir şekilde doygunluğa ulaşır ve oksijen tutma kapasitesi düşer. Oksijen tutucu ambalaj filminin oksijen geçirgenliği 20ml/m².gün.atm’den fazla olmamalıdır. Eğer oksijen geçirgenliği yüksek bir film kullanılırsa, ambalaj içerisindeki oksijen konsatrasyonu yaklaşık bir haftada sıfıra yaklaşır, fakat oksijen tutucu doygumluğa ulaştığı ve oksijen tutma kapasitesini büyük ölçüde yitirdiği için ambalajdaki oksijen konsatrasyonu tekrar yükselir. Ancak gaz bariyer özelliği iyi olan bir film kullanılırsa, oksijen miktarı 1-2 gün içerisinde 100 ppm’e düşer ve bu değerde depolama sürecinde herhangi bir artış ortaya çıkmaz. 

Karbondioksit salıcı veya tutucu sistemler

Yüksek oranda karbondioksit bir çok gıdada mikrobiyal üreme ve gelişmeyi yavaşlatmak ya da önlemek amacıyla yaygın ölçüde kullanılmaktadır. Böyle bir durumda; bir plastik filmin CO2 geçirgenliği oksijen gazına göre daha fazla olduğundan, ambalaj dışına göçeden karbondioksidin dengelenebilmesi için ambalaj içinde CO2 salan bir sistemin bulunması gıdaların raf ömrünü uzatılması bakımından önem taşımaktadır. 

Bazı durumlarda ise gıdalarda bozulma veya solunum tepkimeleri sonucunda oluşan karbondioksidin ambalajdan uzaklaştırılması gerekir. Örneğin, çekirdek kahve kavrulduğunda, şeker ve aminler arasında gerçekleşen Strecker bozunma tepkimeleri bağlamında çok fazla miktarda CO2 oluşmaktadır. Kahve kavrulduktan sonra alüminyum folyo esaslı bir ambalaja konulursa, başlangıçta oluşan CO2  uzaklaştırılmış olsa bile sonradan üretilen CO2  gazı ambalajın şişmesine ve hatta patlamasına yol açabilmektedir. İşte bu gibi durumlarda ambalaja karbondioksit emici tabletler yerleştirilmesi gerekir. 

Karbondioksit tutucular çoğunlukla kalsiyum hidroksit esaslıdırlar ve genellikle oksijen ve karbondioksidi yakalayan çift işlevli kesecikler halinde pazarlanırlar. Nitekim FreshLock veya Ageless ticari markalı O2 ve CO2 tutucu kesecikler, hem oksidatif aroma değişimlerini geciktirmekte hem de ortamdaki karbondioksiti absorbe etmektedirler. FreshLook’un aktif bileşeni olan Ca(OH2), yeterli düzeyde nem bulunması durumunda CO2  ile tepkimeye girerek CaCO3 oluşturmaktadır. Karbondioksit tutuculara bir başka örnek, kalsiyum oksit içeren poröz (gözenekli) bir zarf (kılıf) ve üzerinde suyun absorbe edildiği silika jelden oluşan üründür. Söz konusu ürünün kullanılması durumunda gerçekleşen tepkimeler aşağıda gösterilmiştir. 

CaO + H2O —> Ca (OH)2

Ca (OH)2 + CO2  —> CaCO3 + H2O 

Bu yazı ASD-Ambalaj Sanayicileri Derneği tarafından yayınlanan Gıda Ambalajlama Teknolojisi isimli kitaptan alınmıştır. Ayrıntılı bilgi için www.ambalaj.org.tr

Prof. Dr. Mustafa Üçüncü