plastik-ambalaj.com

Gıda Ambalajına Yönelik Biyoplastikler Sürdürülebilirlik ve Güncel Eğilimler

Özet

Gıda kalitesini ve güvenliğini korumak, gıda kayıplarını ve çevresel karbon ayak izini azaltmak için biyoplastikler gibi yenilikçi ve sürdürülebilir ambalaj materyallerinin kullanılması gereklidir. Son yıllardaki yoğun araştırmalar, Poli(laktik)asit (PLA), poli(hidroksi alkanoatlar) (PHA'lar), polivinil alkol (PVA), polibütilen süksinat (PBS) ve termoplastik nişasta (TPS) gibi endüstriyel öneme sahip çeşitli biyoplastiklerin ticarileştirilmesiyle sonuçlandı. Günümüzde biyoplastiklerin pazar alanının gelişmesini engelleyen maliyet, düşük bariyer ve mekaniksel özellikleri gibi belirli teknik sorunların aşılması gerekmektedir. Hızla gelişen teknoloji, devam eden araştırma ve geliştirme, biyoplastikleri ticari uygulamalar için giderek daha uygun bir seçenek haline getirmektedir.

1-Giriş

Artan dünya nüfusu, kentleşme ve küreselleşme, küresel gıda güvenliği ve gıda depolama stabilitesi konusundaki zorlukları artırmıştır. Gıdaların uygun ambalaj malzemeleriyle muhafaza edilmesi gerekmektedir. Ambalajlama, temel olarak dış atmosferle kütle transferini kontrol ederek, depolamada gıda kalitesinin korunmasına katkıda bulunarak ve gıda güvenliği sorunlarını önlenmesinde merkezi bir unsurdur. Uygun ambalaj malzemeleri kullanılarak, gıda depolama stabilitesinin artırılmasıyla gıda israfının azaltılması oldukça önemli hale gelmiştir. Günümüzün gıda ambalajı dünyasında çok hızlı gelişmeler yaşanmaktadır (Aydın ve ark., 2024.; Caner, 2024). Gıda ambalajlarında plastik, kağıt, metal, cam gibi çok çeşitli ambalaj malzemeleri kullanılmaktadır. Plastikler, bulunabilirlikleri, esneklikleri, dayanıklılıkları, çok yönlülüğü, ısıyla kapatılabilirliği, hafiflikleri, gazların transferine karşı bariyer, iyi mekaniksel özellikler ve ekonomik uygulanabilirlikleri nedeniyle diğer geleneksel ambalaj (kağıt, cam ve metaller) malzemelerinden fazla kullanılmaktadır (González-López ve ark., 2023; Caner, 2024). Son 60 yılda plastikler, olağanüstü özellikleri nedeniyle, biyolojik olarak parçalanmamalarına rağmen (yüksek yoğunluklu polietilen, düşük yoğunluklu polietilen,  polietilen tereftalat, polivinil klorür, polistiren, ve polipropilen) ambalaj sektöründe en fazla kullanılan malzemelerdir (Caner, 2024).

Dünya polimer üretimi 2000'den 2019'a yaklaşık iki kat artarak 460 mt ulaşarak, küresel sera gazı emisyonununda %3,5'undan sorumludur. Plastik atıkların üçte ikisi, ömrü beş yıldan az olan polimerlerdir. Plastik atıklarının yalnızca %9'u geri dönüştürülmekte, %19’u yakılmakta, %50'si çöp-depolama alanlarına gitmekte ve %22'si kontrolsüz çöplüklere atılmaktadır (Anonim 2022a). Avrupa düzeyinde her yıl üretilen 78 mt plastik ambalajın %98'i petrolden üretilmekte ve kullanımdan sonra yalnızca %14'ü geri dönüştürülmekte; bu da kağıt (%58) ve demir ve çelik (%70-90) için küresel geri dönüşüm oranlarının çok altındadır (Guillard ve ark., 2018). 

Plastik atıkların oluşması ve bunu takip eden kontrolsüz plastik kirliliği, günümüzde hükümetlerin ve kurumların yüzleşmesi gereken en önemli çevre sorunlarından biridir. Plastikler yüksek stabilitelerinden dolayı çevrede sınırlı oranda doğal bozunma sergilemektedirler. Plastiğin bozunması ısı, güneş ışığı, kimyasal/biyolojik aktiviteler gibi çevresel faktörlere ve polimerlerin molekül ağırlıklarına ve yoğunlukları gibi fiziksel özelliklerine bağlıdır. Plastiklerin aşınma ve bozunmaları; fiziksel/mekanik bozunma, fotodegradasyon/foto-oksidatif bozunma, kimyasal ve termal bozunma ve biyolojiktir. 

Plastiklerde bulunan Bisfenol A (BPA), ftalatlar ve kullanılan bromlu alev geciktiriciler (BFR) gibi kimyasal katkı maddeleri insan sağlığına ciddi zarar verebilirler. Ayrıca özellikle mikro ve nanoplastikler, boyutları nedeniyle insan vücuduna farklı yolardan (havadan ve besin zincirinden) kolaylıkla girebilirler. Doğal çevredeki plastik döküntüler son derece kalıcıdır; deniz suyundaki bozulmanın yüzlerce ila binlerce yıl arasında olduğu tahmin edilmektedir. Plastik atıklar dünya ekonomisine doğrudan (plastik kirliliği, deniz ekosisteminin bozulması ve temizlik harcamaları) ve dolaylı (halk sağlığı sorunları) maliyetlerle katılırlar (Pilapitiya ve ark., 2024). 

Plastiklerdeki yıllık tüketim artışlarına bakıldığında, 2050 yılında dünya tüketiminin 500 milyon tona ulaşacağı öngörülmektedir. Bu tüketimin çoğunluğunun tek kullanımlık ürünlerden oluşacağı beklenmektedir. Petrol kaynaklarının azalması, sürdürülebilirlik farkındalığının artması ve katı atık yönetimine ilişkin daha sert düzenlemeler, sentetik plastik ambalajlama materyallerinin değiştirilmesi ve daha sürdürülebilir alternatif ve çözümlerin kullanımı açısından teşvik edici olacaktır (González-López ve ark., 2023). Gıda endüstrisi, biyolojik olarak parçalanamayan plastiklerin, biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerle çevre dostu olarak değiştirilmesi arayışındadır. Gıda ambalaj malzemesi olarak geleneksel plastiklerin en büyük sorunu bozunmaz olmalarıdır ve bu da çevre sorunu yaratmaktadır. Katı atık maddeleri sadece iklimsel değişikliklere yol açmaz, aynı zamanda nitrojen ve fosfor döngüleri, küresel tatlı su kullanımı, kimyasal kirlilikler gibi çevresel faktörlerin üzerinde önemli etkilerede yol açabilir (Şekil 1).

Sınırsız atık üretimi ve bertarafındaki zorluklar, çevreye, topluma ve ekonomiye geri dönüşü olmayan zararlar vermektedir. Plastik atıklardan kaynaklanan sera gazı emisyonları, polimerlerin üretimi, taşınması, polimerden plastik üretilmesi dâhil olmak üzere, plastik yaşam döngüsünün her aşamasında meydana gelir. Çevre üzerindeki bu baskının hafifletilmesi gerekli olmasına rağmen atık kalıntılarının işlenmesi ve yeniden kullanılmasına yönelik etkili bir çözüm şu anda mevcut değildir ve uzun vadeli, sürdürülebilir bir çözüme ihtiyaç vardır. Döngüsel ekonomiye (kaynakların yeniden kullanımını ve geri dönüştürülmesini en üst düzeye çıkarma ve atığı en aza indirirken ürünlerin yaşam döngüsünü uzatmayı amaçlayan bir ekonomik sistem ve üretim modeli) ve biyoekonomiye artan ilgi göz önünde bulundurulduğunda, tüm atıkların mümkün olduğunca sürdürülebilir şekilde geri dönüştürülmesi gerekmektedir. Böylece fosil yakıtlara olan ekonomik bağımlılığın azaltılması amacıyla atık malzemelerin biyoenerjiye ve biyomateryallere dönüştürülmesine olan ilgi artırmıştır (Tabassum ve ark., 2023).

Biyoplastikler biyo-bazlı, biyolojik olarak parçalanabilen veya her ikisini de içeren plastiklerdir. Biyopolimerlerin üretiminde yenilenebilir doğal kaynakların kullanılması, fosil yakıtlara olan bağımlılığın azalmasına, katı atık yönetimi uygulanmasına, kaynakların geri kazanımı ve katma değer yaratılması gibi faydalar sağlayacaktır. Tarımsal atıklar zengin birer nişasta ve selüloz kaynağıdır. Şeker kamışı endüstrisi atıkları, selüloz, hemiselüloz ve lignin deposu olan lignoselülozik biyokütle içermektedir. Hatta ksilan ve kütin de tarımsal atıklardan kolayca elde edilebilmektedir. Kitin/kitosan, kabuklu deniz ürünlerinin başlıca yan ürünleridir; kolajen ve jelatin, balık ve kümes hayvanları atıklarından izole edilebilir. Tüm bu biyopolimerlerden, çevre dostu ambalaj üretimi için gıda ambalaj ham maddesi elde edilebilir (Tabassum ve ark., 2023; Caner 2024). 

Atıkların ambalaj materyallerine dönüştürülmeleri atık sentetik plastiklerin çevresel etkisinin azaltılmasına katkıda bulunabilir. Atık, dönüşüme ve değerlenme ciddi bir biyopolimer kaynağı sunar ve bu tür atıklardan üretilen biyopolimerler, yeşil teknolojinin bir parçası olarak biyolojik olarak parçalanabilen gıda ambalaj malzemesi için ham madde olarak da kullanılabilir.

Sürdürülebilirlik, çevre üzerindeki olumsuz etkilerin en aza indirilmesine yardımcı olacak kaynakların, yöntemlerin ve süreçlerin kullanılması anlamına gelir. Sürdürülebilir üretim, atıkları, genel kirliliği ve işletmenin karbon ayak izini azaltarak çevreye verilen zararı en aza indirilmesidir. Sürdürülebilirlik için tasarlanan geri dönüştürülebilir gıda ambalajlarında bitki bazlı plastikler ve karton gibi yenilenebilir ve kompostlanabilir malzemeler kullanılır. Tamamen sürdürülebilir olabilmek için bu malzemelerin uygun şekilde geri dönüştürülmesi de gerekmektedir (Ncube ve ark., 2020). 

Uluslararası Enerji Ajansı'nın Dünya Enerji görünüm raporuna göre, plastiklerin en fazla uygulama alanı ambalajlama sektörüdür (%26) ve önümüzdeki yıllarda da hızla artarak 2050 yılında dört katına çıkması beklenmektedir. Her ne kadar geleneksel polimerik atıkları tamamen parçalamanın tek yolu yakılması olsa da, yakma dioksinler, furanlar, cıva, poliklorlu bifeniller ve diğerleri gibi toksik kirleticileri açığa çıkarmaktadır. Plastiğin karbon ayak izi, üretimden yakılmasına kadar olan yaşam döngüsü süresince yaklaşık 6 kg CO2/kg plastiktir. Mevcut durumla, plastiklerin sera gazı emisyonları 1,34 gigatona (2030'da), 2,8 gigatona (2050'de) ulaşması ve küresel sıcaklığı 1,5°C artırmasına neden olacağı beklenmektedir. Plastiğin yüksek üretim hacmi, kısa kullanım süresi, biyolojik olarak parçalanmayan doğası, çok katmanlı plastiklerden kaynaklanan geri dönüşüm zorluklarıyla birlikte dünya çapında endişelere yol açmıştır (Anonim 2022b).

Dünyada bazı ülkeler (İngiltere, Portekiz, Rusya, Bangladeş, Çin, Fiji, Yeni Zelanda, Namibya ve Kenya) tek kullanımlık plastiğin üretimi, ithalatı, depolanması, dağıtımı, satışı ve kullanımını yasaklamıştır. Farklı doğal kaynaklardan üretilen biyolojik olarak parçalanabilen biopolimerlerin üretilmesine yönelik çalışmalar artmıştır. Sentetik polimerlerle kıyaslanabilir mekaniksel ve bariyer özelliklere sahip doğal-kaynaklardan elde edilen  gelişmiş biyopolimerler çekici ve arzu edilen bir alternatif olabilir (Tabassum ve ark., 2023).

2015 yılında BM Genel Kurulu'nun kabul ettiği “Sürdürülebilir Kalkınma Hedefi”, 2030 yılına kadar sürdürülebilirliği teşvik etmeyi, ekolojik yaşam destek sistemlerini korumayı ve atık ve kirliliğini azaltmayı amaçlamaktadır. 2015'teki Avrupa Birliği (AB) eylem planı, 2018'deki Döngüsel Ekonomide plastiklere ilişkin bölgesel stratejiler ve 2019'daki belirli plastik ürünlerin etkilerinin azaltılmasına yönelik direktif de dâhil olmak üzere stratejik mevzuatlar yoluyla plastik kirliliğiyle mücadeleyi hedeflemektedir. 2020'deki en son güncellemede ise, geri dönüştürülmüş içeriğin düzenlenmesini, atıkların azaltılmasını ve ürün etiketlemesine odaklanmıştır (Anonim, 2022b).

Petrol bazlı ambalajlamayla ilgili sorunların üstesinden gelmek için, yenilenemeyen petrol kaynaklarının yerini alacak ham maddelere büyük önem verilmektedir. Sürdürülebilir bir gıda ambalajı, ambalaj kaynaklarının olumsuz yükünü ve ambalaj atığı yönetimini azaltmanın yanı sıra, gıda kayıplarının ve israfının azaltılması sağlar.

Biyopolimerler, plastik katı atık probleminin bir çözümü olarak son yıllarda giderek artan bir araştırma alanı haline gelmiştir. Ayrışması yüzlerce yıl sürebilen ve çevreye zararlı kimyasallar salabilen sentetik plastiklerin aksine, biyopolimerler biyolojik olarak parçalanabilir ve çevre dostu tasarlanmıştır, bu da onları geleneksel plastiklere çekici bir alternatif haline getirir. Genel olarak, bu tür doğal polimerler yenilenebilir kaynaklardan (proteinler, lipitler ve polisakkaritler) elde edilir ve biyoparçalanabilirlikleri ve biyouyumlulukları nedeniyle tercih edilirler (Ncube ve ark., 2020). Biyo bazlı malzemeler, doğal polimerler ya bitkisel biyokütleden (Nişasta, Selüloz, Lignoselüloz, Gluten, Zein, Aljinat, Pektin, Karagenan) ekstrakte edilenler ve hayvan biyokütleden (Kitin/Kitosan, Kazein, Jelatin) elde edilen polimerlerdir (Caner, 2024). 

Biyopolimerler, sentetik plastiklerle alternatif olabilecek umut verici malzemeler olarak ortaya çıkarılmış olsa da, bazı performans dezavantajları ve tek kullanımlık gıda ambalajı plastiklerini hedef alan, teşvik edici düzenlemeler veya teşvikler gibi uygulanabilir tedbirlerin bulunmaması nedeniyle düşük pazar payına sahiptirler (Ncube ve ark., 2020). Avrupa Biyoplastik Birliği'nin raporuna göre biyobazlı plastiklerin toplam küresel üretim kapasitesi 2022'de 2,2 milyon tona ulaştı; bu, küresel plastik üretiminin %1'inden azını oluşturmaktadır. Bu malzemeler, mevcut fosil bazlı plastiklerin yerine geçecek görevi görerek karbondan arınmaya yardımcı olabilir (Anonim 2024). 

Biyoplastiklerin sınırlı uygulamasının ana nedenleri, petrokimyasal plastiklerle karşılaştırıldığında daha pahalı üretimden ve genellikle daha düşük mekanik özelliklerden kaynaklanmaktadır. Yenilenebilir kaynaklardan üretilen biyopolimerler, işlevsellik ve maliyet açısından sentetik plastiklerle rekabet edebilir konumda olmalıdır. Özellikle tek kullanımlık plastiklerin, gıdalarla birlikte atıldığı dikkate alındığında, bu polimerlerin biyolojik parçalanabilir özelliğinden faydalanır. Ambalaj malzemesi için göz önünde bulundurulması gereken birçok önemli özellik arasında, örneğin şeffaflık, termal direnç ve mekanik performans, diğerlerinin yanı sıra, bariyer özellikleri, ambalajın üst kısmında uygun bir atmosferin korunmasında kilit rol oynar. 

Hali hazırda pazarlanan biyokaynaklı biyoplastikler (Bio-PE ve PLA) şeker kamışı veya mısır gibi gıda kaynaklarından elde edilirler. Üstelik bu biyo-kaynaklı biyo-plastiklerin çoğu biyolojik olarak parçalanamaz veya evde kompostlaştırılamaz (biyo-PE, biyo-PET) veya yalnızca endüstriyel kompostlama (PLA) için uygundur, bu da atık yönetimini karmaşıklaştırmaya (atıkların ayrı toplanması ve sınıflandırılması) neden olur (Perera ve ark., 2023). Kısmen veya tamamen biyolojik olarak türetilmiş monomerler, biyolojik olarak türetilmiş polietilen tereftalat (biyo-PET: %70 saflaştırılmış tereftalik asit ve %30 monoetilen glikolden oluşur) veya polietilen (biyo-PE) üretiminde kullanılır. MEG, küspe gibi tarımsal gıda yan ürünlerinden veya şeker pancarı gibi mahsullerden elde edilen şekerlerden elde edilir. Biyo-PET biyo bazlı malzeme tanımını karşılamasa da, biyo-PE, fermantasyonla biyoetanolden türetildiği için biyo bazlı bir malzeme olarak kabul edilir (Siracusa ve ark., 2020).  

Benzer şekilde, biyo temeli biyo-parçalanabilen biyoplastikler PLA, PHA, PHB ve polibütilen süksinat (PBS), biyo bazlı malzeme tanımını tam olarak karşılamaktadır. 

2-Ticari Biyoplastikler Örnekleri

Biyoplastik üretim kapasitesinin 2023'de yaklaşık 2,2 milyon tondan 2026'da >7,59 milyon tona çıkması beklenmektedir. Polilaktik asit (PLA), PHA (Polihidroksialkanoatlar), PA (poliamidler) gibi polimerlerin güçlü gelişimi ve ticari istikrarlı büyümesi nedeniyle, üretim kapasitelerinin önümüzdeki 5 yıl içinde önemli ölçüde artmaya devam etmesi beklenmektedir  (Thomas ve ark., 2023). Poli(laktik)asit (PLA), poli(hidroksi alkanoatlar) (PHA'lar), polivinil alkol (PVA) ve polibütilen süksinat (PBS) biyoplastikler ticari örnekleri mevcuttur (Şekil 2). PLA ve PHA'lar gibi polyesterler, mikroorganizmalar tarafından sentezlenir ve çok çeşitli uygulamalara uygun, biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin üretiminde kullanılırlar (Bala ve ark., 2021). Avrupa'da biyoplastikler gıda ambalajlarında, alışveriş torbalarında ve şişelerde yaygın olarak kullanılmaktadır (Thomas ve ark., 2023). Gelecek vaat eden bir polimer, petrol bazlı PET'e %100 biyo bazlı alternatif olan polietilen furanoattır (PEF). PEF'in ana yapı taşı olan FDCA (2,5-furandikarboksilik asit), buğday, mısır ve şeker pancarı gibi şekerlerden (fruktoz) üretilir. %100 bitki bazlı bir PEF polimeri oluşturmak için bitki bazlı mono-etilen glikol (MEG) ile polimerize edilir. Ortaya çıkan %100 biyo bazlı PEF, geri dönüştürülebilir ve parçalanabilir ve PET'e kıyasla CO2 ve oksijene karşı üstün bariyer özelliklerine sahiptir. 

a) Polilaktik asit (PLA) malzemesi şeker kamışı, pancar, şeker fermantasyonu vb. yöntemlerle ekstrakte edilen laktik monomerinin polimerizasyonuyla üretilen bir polyester polimerdir. PLA endüstriyel ortamlarda kompostlaştırılabilen bir malzemedir ancak biyolojik olarak parçalanamaz. Ancak son çalışmalar, PLA bozunmasının, bozunma ortamına bağlı olarak 3-5 yıl kadar sürebileceğini göstermiştir (Ncube ve diğerleri, 2020). PLA düşük yoğunluklu polietilen ile karşılaştırılabilecek bariyer özelliklerine sahip ve yerine sıklıkla kullanılabilir. PLA, yüksek şeffaflığı, proses kolaylığı, esnekliği ve geri dönüştürülebilirliği ile ön plana çıkan bir polimerdir (Bala ve ark., 2021). Ticari biyopolimerler arasında PLA, petrol türevi plastiklerle kıyaslanabilen yüksek dayanıklılığa sahiptir. Kimyası onu ester bağlarının hidrolizi yoluyla biyoparçalanabilir ve sıcaklığa duyarlı kılmaktadır. Buda PLA'yı çevre dostu gıda ambalajlama uygulamalarına uygun hale getirir. Ayrıca, yaygın termoplastik proses yöntemlerle (ekstrüzyon, termoform, enjeksiyon kalıplama ve film üfleme) alışveriş poşetleri, bardaklar, tepsiler ve filmler üretilmektedir. PLA'nın performansı PET ile karşılaştırılabilir olmasına rağmen, PET atık akışının PLA tarafından >%0,01 düzeylerinde karışımı şeffaflığın kaybına neden olmaktadır (Anonim 2019a). PLA, yarı kristal termoplastik polimerlerin tipik özelliklerine sahip olduğundan çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir (Şekil 3) (Bala ve ark., 2021).

Biyolojik olarak parçalanabilen ambalaj malzemelerinin çoğu, gıda kalitesini ve tazeliğini korumak için uygun bariyer özelliklerine sahip değildir. Örneğin PLA biyoplastiklerin en iyi temsilcilerinden birisidir fakat bariyer özellikleri hassas gıdaların korunması için gereklilikleri karşılamada yetersiz kalmaktadır. PLA kısmen zayıf gaz bariyer (su buharı ve oksijen) özelliklerine sahiptir, bu da PLA’yı uzun raf ömrü gerektiren gıdaların ambalajlanmasında yetersiz kılar. PLA, yüksek gaz geçirgenliği ve zayıf bariyer özellikleri nedeniyle, pazarında PET şişelerin hâkim olduğu içecek şişeleri gibi bazı uygulamalarda uygulanamaz. Bu nedenle, gıda ambalaj endüstrisinde biyopolimerlerin sentetik plastiklerin yerine kullanılması için biyoparçalanabilen ambalajların çoğunun bariyer yani gaz ve buhar geçirgenliği sorunlarının çözümlenmesi gerekmektedir (Ncube ve ark., 2020).

b) Polivinil alkol (PVA), biyouyumlu yapısı ve toksik olmamasından dolayı yaygın kullanılabilen bir biyopolimerdir. Şeffaflığı ve mükemmel film oluşturucu özelliklere sahiptir. Ancak, diğer sentetik plastikler göre maliyetinin yüksek olması, PVA’yı gıda ambalajı uygulamalarındaki kullanımlarını daha az tercih edilir hale getirmektedir. PVA performansının geliştirilmesi için diğer polimerlerle harmanlanması gerektirir. Ayrıca, PVA nemli ortamlarda zayıf mekanik ve bariyer özellikleri sergiler ve bu da potansiyel kullanımlarını sınırlamaktadır (Oun ve ark.,  2022). 

c) Poli(hidroksi alkanoatlar) (PHA)'lar, biyosentez sırasında katılan belirli monomerlere bağlı olarak çeşitli özellikler sunar ve bu da gıda ambalajı uygulamalarında geniş bir kulanım alanı sağlar. Önemli bir biyolojik kategori olan PHA’lar plastikler ticarileştirildi. Gıda ambalaj endüstrisinde PVA, bağlayıcı ve kaplama maddesi olarak kullanılır. Film kaplama maddesi olarak nem bariyeri veya koruma özelliklerine ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır. PE ile benzer mekanik özelliklere sahiptir (González-López ve ark., 2023).

d) Polibütilen süksinat (PBS), ısıya ve ışığa dayanıklı olmasının yanı sıra kolay işlenebilirliği nedeniyle ambalaj endüstrisinde kullanışlı, biyolojik olarak parçalanabilen bir polyesterdir. PBS, dengeli özellikleri, gelişmiş işlenebilirliği ve mükemmel biyolojik olarak parçalanabilirliğinin yanı sıra biyo bazlı üretim olasılığı nedeniyle giderek daha fazla ilgi çeken bir alifatik polyesterdir. Ancak düşük darbe mukavemeti ve yırtılma direnci, PBS’nin kullanımını sınırlamaktadır (Aliotta ve ark., 2022).

e) Poli (bütilen adipat-ko-tereftalat) (PBAT), polibütilen adipat (PBA) ve polietilen tereftalatın (PET) özelliklerini birleştiren biyoparçalanabilen bir kopolimerdir, PE ile kıyaslanabilir mekaniksel özellikler sergiler. Gıda ambalajı kullanımında umut vadeden bir biyopolimerdir (Anonim 2022c).

f) Poli-ε-kaprolakton (PCL), düşük erime noktası, iyi termal porselenebilirliği ve düşük viskozitesinden dolayı son yıllarda üzerinde en çok çalışılan termoplastik biyobozunur polimerlerden birisidir. Polimer, ε-kaprolaktonun polimerizasyonuyla sentezlenir ve stres çatlama direncini, yapışmasını ve diğer uygulamalarını geliştirmek için diğer polimerlerle (örneğin, polilaktik asit [PLA], selüloz propiyonat ve selüloz asetat bütirat) harmanlanır. Bununla birlikte, PBAT ile kıyaslandığında gazlara (O2 ve CO2) karşı yüksek geçirgenlik sergilemektedir. Bununla birlikte, PCL daha iyi biyolojik parçalanma kapasitesine sahiptir (Oney-Montalvo ve ark., 2024). 

Bu polimerler, bardaklar, kavanozlar, tepsiler veya tek kullanımlık ambalaj materyali üretiminde geleneksel proses yöntemleriyle yumuşak filmler veya güçlü plastikler şeklinde kalıplanabilirler (González-López ve ark., 2023). 

Termoplastik nişasta (TPS), neme karşı hassastır ve düşük mekanik özellikler sergiler, bu nedenle çeşitli uygulamalar için üstün bir malzeme üretmek amacıyla TPS'nin diğer malzemelerle harmanlanması gerekir. TPS, PLA veya PBS, yüksek oksijen geçirgenliğinden dolayı tek başına kullanılacağı gıda ambalajı materyali olarak önerilmemektedir. Bu nedenle biyomateryaller, gıda ambalaj uygulamaları için geleneksel polimerlerle rekabet edebilecek biyokompozitler yada biyonanokompozitler halinde formüle edilmesi gerekmektedir (Nazrin ve ark., 2020).

Soya küspesinden ve soya atıklarından üretilen termoplastik nişasta tek kullanımlık ambalaj olarak kullanılabilir. Kağıt yapımında kullanılan yulaf, gıda ambalajında kullanılan ticari kağıtla aynı kalitedeki gereksinimlerini karşılar (Behera ve ark., 2021). 

Genel nanopartiküller veya montmorillonit (nanokil) gibi nanometaryaller ile ilave edilmiş polimer bazlı kompozitler ve nanokompozitler, türüne, dispersiyonuna ve konsantrasyonuna (%1-5) bağlı olarak ambalaj malzemesi olarak gelişmiş bariyer, mekaniksel ve fonksiyonel özellikler sergiler ve başarıyla kullanılmaktadır (Pires ve ark., 2023). 

Biyopolimerler biyolojik olarak parçalanabilir, yani doğal süreçlerle parçalanabilirler ve çevrede birikmezler. Bu, plastik atıkların ekosistemler üzerindeki etkisini azaltır ve plastik kirliliği sorununun azaltılmasına yardımcı olur. Ancak biyopolimerlerle ilgili bazı zorluklar da vardır. Örneğin, bazı biyopolimerlerin üretimi pahalı ve enerji yoğun olabilir ve arazi kullanımı ile tarım uygulamalarının çevre üzerindeki etkisi konusunda endişeler olabilir. Ek olarak, bazı biyopolimerlerin mekanik özellikleri bazı uygulamalara geleneksel polimerler kadar uygun olmayabilir ve bu da bazı endüstrilerde kullanımlarını sınırlayabilir. PBAT'ın yüksek dayanıklılığı onu doğru aday haline getirmekte ve sürdürülebilir ambalajlama alanı için daha uygun bir biyonanokompozit geliştirmek amacıyla PLA ile harmanlanması endüstriyel olarak daha uygundur (Nazrin ve ark., 2020).

3-Gıda Ambalajlama ve Sürdürülebilirlik Alanındaki Güncel Zorluklar

Bu çevre dostu yeniliklerin çoğunluğu, beklenenden daha az çevre dostudur: örneğin, malzemeler, formülasyonlarında kullanılan yenilenebilir kaynakların miktarı açısından önemli ölçüde farklılık gösterir ve çoğunlukla iddia edildiği gibi kolaylıkla kompostlanabilir olmayabilir. 

Sürdürülebilir gıda tüketiminin kritik toplumsal payının, ambalajlanmış gıdaların sürdürülebilirliğini artıracak geniş bir yenilikçi ambalaj teknolojileri rezervuarı sunan zengin bir Ar-Ge sektörü ile köprülenmesi hala gerekmektedir. Ancak, halihazırda geniş pazar alımını engelleyen bu biyoambalaj malzemeleriyle ilişkili spesifik teknik sorunların üstesinden gelme zorluğuyla karşı karşıyadır. Bu teknik sorunlar özellikle önlenebilir ham madde değişkenliği ve yaygın petrol bazlı muadilleriyle karşılaştırıldığında çok dar bir işleme penceresidir; bu da bunların ambalaj üreticileri arasında ölçeklenmesini ve yayılmasını engeller. 

Sürdürülebilir gıda ambalajlama çözümleri olarak bu tür ambalajların farkındalığını ve tüketicilerin kabulünü artırmak önemlidir. Buna ek olarak, kullanıcıların ambalajı gıda ihtiyaçlarına göre uyarlamasına ve özellikle gıda açısından biyo-ambalajlama kayıplarının azaltılması, paydaşların bu yeniliklerin ekonomik, toplumsal ve çevresel fırsatlarından tam olarak yararlanmasını ve genel olarak ambalajın gerçek sürdürülebilirliğini deşifre etmeye yardımcı olacak araçların eksikliği (Smith, 2022).

Biyoplastik ambalajların geliştirilmesi; teknik, sosyal ve çevresel faydalarıyla ilgili ciddi tartışmalardan (çevresel etkilerle ilgili belirsiz iddialar, mısır veya soya fasulyesi gibi tarımsal kaynakların gıda ve gıda dışı kullanımı arasındaki rekabet, hâlihazırda mevcut "biyo" çözümlerin yüksek çevresel maliyeti, sorunlu kompostlanabilirlik) dolayı sekteye uğramaktadır. “Biyo” etiketinin kendileri (biyo bazlı, biyoparçalanabilir, biyoplastik…) hala müşteriler tarafından tam anlaşılamamaktadır. "Biyobozunur" etiketlemesini "evde kompostlamaya uygun" olarak yorumlasalar da gerçekte mevcut biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin (örneğin PLA) büyük çoğunluğu, endüstriyel kompostlama tesislerinde yalnızca sürekli yüksek sıcaklık ve nem gibi çok özel koşullar altında biyolojik olarak bozunabilir (Guillard ve ark., 2018).

4-Sonuç

Günümüz plastiklerinin neredeyse %99'u petrol bazlıdır ve hali hazırda piyasada çok az biyolojik olarak parçalanabilen ambalaj malzemesi bulunmaktadır. Artan miktarlarda endüstriyel yan ürünler ve ambalaj atıkları, ciddi çevresel problemlere neden olmaktadır. Bundan dolayı bu atıkların değerli ürünlere dönüştürülmesi, sürdürülebilirlik ve ekonomik döngüselliğe ulaşmak için vazgeçilmez bir konuma gelmiştir.  Biyoplastiklerin benimsenmesi, toplumu fosil kaynaklarının kullanımından ayırmanın ve plastik atıklarla ilgili belirli çevresel riskleri azaltmanın sürdürülebilir bir alternatif yolu olarak değerlendirilmektedir. Üretimin maliyeti ve ölçeklenebilirliği gibi hâlâ aşılması gereken zorluklar olsa da, devam eden araştırma ve geliştirme, biyopolimerleri çeşitli uygulamalar için giderek daha uygun bir seçenek haline getirmektedir. 

Şu anda, biyoplastik ürünlerinin yüksek maliyetleri, rekabet gücü kazanmasının önündeki en büyük engellerden birisi olarak görünmektedir. Küçük ölçekli üretim teknikleri ve daha yüksek araştırma, geliştirme ve üretim maliyetlerinden dolayı (geleneksel plastiklere kıyasla 2.5 kat daha fazla), biyoplastikler çoğu endüstride yaygın şekilde kullanılamamaktadır. Ayrıca biyoplastiklerin laboratuvar ölçeğindeki fizibilitesi, gerçek endüstriyel boyuttaki uygulamalarından kullanılmadan önce pilot ölçekte doğrulanmalıdır. Teknolojideki gelişmeler, bu maliyet engelinin azaltılmasına katkıda bulunabilir ve bu da onu endüstri uygulamaları için daha uygun bir seçenek haline getirmektedir. Biyoplastiklerin üretimleri, malzeme sürdürülebilirliğini artırmak ve yenilenemeyen kaynaklara uzun vadeli bağımlılığı azaltmak için daha fazla destek verilmesi gerekmektedir. PLA, PHA, PVA ve PBS biyoplastikler ticari örnekleri mevcuttur ve sürdürülebilir gıda ambalajı için umut verici bir malzeme olarak büyük ilgi görmektedir. Aynı zamanda,  nanomateryallerin biyopolimerin matrikleri içerisinde kullanılarak,  özellikle bariyer özellikleri de geliştirilmektedir. Bu katma değerli malzemelerin pazarlanması yanı sıra bunların sürdürülebilirliğinin iyileştirilmesi için daha fazla Ar-Ge ihtiyaç duyulmaktadır.

KAYNAKLAR

•Anonim 2019a. https://www.food.gov.uk/sites/default/files/media/document/bio-based-materials-for-use-in-food-contact-applications_0.pdf

•Anonim 2019b. https://www.italianfoodtech.com/new-food-packaging-films-containing-polyvinyl-alcohol-and-tea-polyphenols/

•Anonim 2022a. https://www.oecd.org/en/about/news/press-releases/2022/02/plastic-pollution-is-growing-relentlessly-as-waste-management-and-recycling-fall-short.html

•Anonim 2022b. https://rcbc.ca/wp-content/uploads/2022/08/EMF-The-New-Plastics-Economy-Rethinking-the-Future-of-Plastics-and-Catalysing-Action-2017.pdf

•Anonim 2022c.https://www.welinkschem.com/pbat-poly-butylene-adipate-co-terephthalate-2/

•Anonim 2023. https://www.european-bioplastics.org/market/

•Anonim 2024. https://www.statista.com/topics/8744/bioplastics-industry-worldwide/#topicOverview

•Aliotta, L.; Seggiani, M.; Lazzeri, A.; Gigante, V.; Cinelli, P. 2022. A Brief Review of Poly (Butylene Succinate) (PBS) and Its Main Copolymers: Synthesis, Blends, Composites, Biodegradability, and Applications. Polymers 14, 844.

•Aydın A, M Yüceer, EU Ulugergerli, C Caner. 2024. Improving food security as disaster relief using intermediate moisture foods and active packaging Technologies. Applied Food Research, 4.1. 100378

•Balla, E.; Daniilidis, V.; Karlioti, G.; Kalamas, T.; Stefanidou, M.; Bikiaris, N.D.; Vlachopoulos, A.; Koumentakou, I.; Bikiaris, D.N. 2021. Poly(lactic Acid): A Versatile Biobased Polymer for the Future with Multifunctional Properties—From Monomer Synthesis, Polymerization Techniques and Molecular Weight Increase to PLA Applications. Polymers, 13, 1822

•Behera A. K., S. Manna, N. Das, 2021. Effect of Soy Waste/Cellulose on Mechanical, Water Sorption, and Biodegradation Properties of Thermoplastic Starch Composites. Starch - Stärke, 74,

•Caner C, 2024. Plastik Gıda Ambalajlama ve Sürdürülebilirlik. Plastik & Ambalaj Teknolojisi. 307. 51-57.

•González-López ME, Calva-Estrada SdJ, Gradilla-Hernández MS and Barajas-Álvarez P. 2023. Current trends in biopolymers for food packaging: a review. Front. Sustain. Food Syst. 7:1225371

•Guillard V, Gaucel S, Fornaciari C, Angellier-Coussy H, Buche P, Gontard N. 2018. The Next Generation of Sustainable Food Packaging to Preserve Our Environment in a Circular Economy Context. Front Nutr. 4;5:121

•Nazrin A, Sapuan SM, Zuhri MYM, Ilyas RA, Syafiq R, Sherwani SFK. 2020. Nanocellulose Reinforced Thermoplastic Starch (TPS), Polylactic Acid (PLA), and Polybutylene Succinate (PBS) for Food Packaging Applications. Front Chem. 15;8:213.

•Ncube LK, Ude AU, Ogunmuyiwa EN, Zulkifli R, Beas IN. 2020. Environmental Impact of Food Packaging Materials: A Review of Contemporary Development from Conventional Plastics to Polylactic Acid Based Materials. Materials (Basel). 6;13(21):4994

•Oun, A. A., Shin, G. H., Rhim, J. W., & Kim, J. T. 2022. Recent advances in polyvinyl alcohol-based composite films and their applications in food packaging. Food Packaging and Shelf Life, 34, 100991.

•Oney-Montalvo JE, Dzib-Cauich DA, Ramírez-Rivera EDJ, Cabal-Prieto A, Can-Herrera LA. 2024. Applications of polycaprolactone in the food industry: A review. Czech J. Food Sci.;42(2):77-84.

•Perera, K.Y.; Jaiswal, A.K.; Jaiswal, S. 2023. Biopolymer-Based Sustainable Food Packaging Materials: Challenges, Solutions, and Applications. Foods, 12, 2422

•Siracusa V, Blanco I. 2020. Bio-Polyethylene (Bio-PE), Bio-Polypropylene (Bio-PP) and Bio-Poly(ethylene terephthalate) (Bio-PET): Recent Developments in Bio-Based Polymers Analogous to Petroleum-Derived Ones for Packaging and Engineering Applications. Polymers (Basel). 23;12(8):1641. 

•Pilapitiya PGCNT, Ratnayake AS. 2024. The world of plastic waste: a review. Clean Mater.;11: 100220

•Pires, J.R.A.; Rodrigues, C.; Coelhoso, I.; Fernando, A.L.; Souza, V.G.L. 2023. Current Applications of Bionanocomposites in Food Processing and Packaging. Polymers, 15, 2336.

•Smith R. 2022. Current challenges for food packaging and sustainability. J Food Sci Nutr.5(5):121. 

•Tabassum Z, Mohan A, Mamidi N, Khosla A, Kumar A, Solanki PR, Malik T, Girdhar M. 2023. Recent trends in nanocomposite packaging films utilising waste generated biopolymers: Industrial symbiosis and its implication in sustainability. IET Nanobiotechnol. 17(3):127-153. 

•Thakur M, Majid I, Hussain S, Nanda V. Poly(ε-caprolactone): A potential polymer for biodegradable food packaging applications. 2021. Packaging Technolgy Sci.;1–13.

•Thomas, Anjaly P; Kasa, Vara Prasad; Dubey, Brajesh Kumar; Sen, Ramkrishna; Sarmah, Ajit K. Synthesis and commercialization of bioplastics: Organic waste as a sustainable feedstock. 2023. Science of The Total Environment. 904.(15), 167243.

Prof. Dr. Cengiz CANER

Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi 

Mühendislik Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü

Plastik & Ambalaj Teknolojisi Dergisi 308-Eylül 2024