مواد پلیمری از جمله پلاستیک‌ها در صورتی که به عنوان زباله دفن شوند، می‌توانند در محل‌های دفن سبب نفوذ مواد مضر شیمیایی به آب‌های زیرزمینی شوند. این مواد شامل ترکیباتی نظیر فلزات سنگین و سایر ترکیبات خطرناک است که جزو ترکیبات زیان آور برای محیط زیست و سلامت انسان‌ها به شمار می‌روند ویژگی تجزیه پذیری بسیار کند در اغلب ظروف پلیمری سبب آثار مخرب طولانی مدت آن‌ها می‌شود.

امروزه ازدیاد استفاده از این ظروف، رهاسازی آن‌ها در طبیعت و محیط زیست، نگرانی‌های جدی جوامع بشری را به دنبال داشته است.

تحقیقات در زمینه جایگزینی ظروف پلیمری با ظروف تجزیه پذیری که آلایندگی محیطی کمتری داشته باشند، در حال انجام است و در بسیاری از موارد ظروف زیست تخریب پذیر به عنوان جانشین، طراحی شده و مورد استفاده قرار گرفته است، اما به دلیل نواقص مختلفی از جمله ضعف ساختاری و ترکیبی، بسیاری از ظروف زیست تخریب پذیر جهت کاربرد در صنایع غذایی نیاز به بررسی و تحقیقات بیشتری دارند.

۱- مقدمه

مواد پلاستیکی و پلیمری به علت ترکیبات با پایه نفتی و اغلب خاصیت تجزیه پذیری بسیار کند، در خاک باقی می‌مانند و به این ترتیب مواد شیمیایی مضر آن‌ها به تدریج از طریق خاک وارد زنجیره غذایی انسان می‌شود. بنابراین علاوه بر اثرات کیسه‌ها و ظروف پلاستیکی بر محیط زیست، آنچه حائز اهمیت است، سلامت انسان‌هاست. به خصوص اینکه امروزه مصرف بیش از حد و نادرست از این مواد، خطرات جبران ناپذیری را برای سلامت انسان به همراه دارد.

طبق برآوردهای صورت گرفته بیش از ۳۰ درصد از کل پلاستیک‌ها در صنایع بسته‌بندی مصرف می‌شود، که بیش از نیمی از آن در بسته‌بندی صنایع غذایی به کار می‌‌رود.

همچنین با توجه به آمارهای منتشر شده در اروپا ۵۰ درصد از پلاستیک‌های تولید شده در چرخه تولید بازیافت نمی‌شوند. این مساله زمانی نگران کننده می‌شود که میزان مصرف پلاستیک‌ها به چندین تن می‌رسد.

٢- زیست پلیمرهای زیست تخریب پذیر

مواد زیست تخریب پذیر موادی هستند که توسط میکرو ارگانیسم‌های موجود در طبیعت، نور و یا روش‌های شیمیایی قابل تجزیه می‌باشند.

مواد زیست تخریب پذیر جایگزین مناسبی برای بسته بندی‌های پلیمری سنتزی در صنایع غذایی هستند اما برای کاربرد در این صنایع، اصلاحات ساختاری جهت بهبود خصوصیات بسته بندی مورد نیاز است.

گری فین برای اولین بار در سال ۱۹۷۷ میلادی آلیاژ پلی اتیلن و پودر نشاسته را برای تولید کیسه‌های پلاستیکی ثبت اختراع نمود و بعد از آن وست هوف آلیاژ نشاسته را با پلی پروپیلن و پلی لاکتیک اسید توسعه داد.

کاربرد این مواد به عنوان جایگزین پلی اتیلن خالص در ابتدا باعث گردید بیشتر تولید کننده‌های کیسه‌های پلاستیکی به سمت این مواد سوق پیدا کنند، ولی با گذشت زمان با آشکار شدن برخی معایب آن تولید کیسه‌ها از این مواد محدود گردید. اولین مشکلی که ترکیبات نشاسته با درصد بالا داشتند صد در صد تخریب پذیر نبودن آن‌ها بود. در واقع ۲۰ الی ۴۰ درصد  پلی اتیلن یا پلی پروپیلن موجود در ترکیبات باعث گردید که ترکیب پلیمری به طور کامل مائند نشاسته خالص قابلیت تفکیک پذیری نداشته باشد. بعدها جذب رطوبت بالا و بوی نسبتا نامطبوع و نیز استحکام ضعیف این مواد سبب کاهش چشمگیر در رشد تولید کیسه‌های ساخته شده از آن گردید. نهایتا عدم شفافیت این کیسه‌ها، همچنین تولید گاز متان و گازهای گلخانه ای به هنگام تجزیه شدن نیز دلیل مضاعفی برای محدود شدن گسترش این مواد و کیسه‌های حاصل از آن شد، دلیل اصلی نقاط ضعف ذکر شده این ترکیبات، پودر نشاسته با درصد بالا می‌باشد. از طرفی دیگر در صد بالای نشاسته موجب رشد سریع قارچ‌ها و کپک‌ها در کیسه‌های پلاستیکی در مناطق گرمسیری می‌گردد. بنا بر برخی گزارش‌ها، ظروف و کیسه‌های تولید شده از ترکیبات نشاسته با درصد بالا، خود مورد مصرف برخی جانوران مانند موش بوده که از دیگر مسائل محیط زیستی این مواد به شمار می‌رود.

٣- خواص زیست پلیمرها

از خصوصیات اصلی که در فرآیند بهبود مواد زیست تخریب پذیر در صنایع غذایی نیازمند بررسی و تحقیق است، خواص مکانیکی، گرمایی و مبحث نفوذ پذیری اکسیژن و رطوبت می‌باشد.

مواد زیست تخریب پذیر به کار رفته در صنایع بسته بندی مواد غذایی در انواع ساختاری متفاوت به کار می‌رود.

اکثر زیست پلیمرهای کامپوزیت پلیمرهای مصنوعی و طبیعی، نانو پلیمرها، ورق‌ها و فیلم‌های خوراکی می‌توانند به عنوان مواد زیست تخریب پذیر در بخش‌های مختلف بسته بندی صنایع غذایی به کار روند.

از زیست پلیمرهای تخریب پذیر می‌توان به پروتئین‌های گیاهی و حیوانی اشاره کرد. نشاسته به عنوان یک زیست پلیمر طبیعی با ترکیبات خاصی از پلیمرهای مصنوعی می‌تواند خاصیت تجزیه پذیری را در ساختار خود ایجاد کند. نانو ذره‌ها نیز می‌توانند روند زیست تخریب پذیری را در پلیمرهای مصنوعی به وجود آورند.

در زیست پلیمرها کنترل تغییرات شیمیایی همانند کنترل تغییرات فیزیکی حائز اهمیت است.

تغییرات شیمیایی سبب کاهش کیفیت در غذا شامل واکنش‌های قهوه‌ای شدن، آبکافت و اکسایش لیپیدها و پروتئین‌ها و تغییرات گلیکولی است. با کنترل واکنش‌های شیمیایی زیست پلیمرها لازم است چوگازی اطراف غذا (اکسیژن، کربن دی اکسید نیتروژن)، فعالیت آبی، نور و دما کنترل شود.

تغییرات فیزیکی مانند نرم شدگی، سفت شدگی، بادکردگی، چروکیدگی و خرد شدگی نیز در کنار کنترل تغییرات شیمیایی باید در نظر گرفته شود، همچنین تغییرات شیمیایی می‌تواند بر تغییرات فیزیکی موثر باشد.

۴- بهبود خواص زیست پلیمرهای زیست تخریب پذیر

(۱-۴) استفاده از پرکننده‌ها

یکی از راه‌های کاهش محدودیت در استفاده از مواد زیست تخریب پذیر استفاده از پرکننده‌ها جهت بهبود خواص مواد می‌باشد. این پرکننده‌ها هنگامی که به ابعاد نانوذره تبدیل می‌شوند به علت ایجاد سطح تماس بیشتر خواص قابل توجهی از خود نشان می‌دهند.

(۱-۱-۴) نانو رس‌ها

پراکندگی و توزیع مناسب نانورس‌ها در بستر پلیمری می‌تواند سبب بهبود خواص زیست پلیمرها گردد. این خواص عبارتند از: افزایش پایداری حرارتی، افزایش استحکام پلیمر و افزایش مقاومت در برابر تنش کششی، کاهش نفوذ پذیری آب و گازها.

نانو رس به دلیل خواص و فرآیند پذیری مناسب، قیمت ارزان و دسترسی آسان همواره به عنوان پر کننده‌ای مناسب جهت بهبود عملکرد پلیمرهای زیست تخریب پذیر کاربرد دارد.

(۲-۱-۴) نانوذرات سلولزی

نانوذرات سلولزی از بافت‌های گیاهی حتی مواد زباله‌ای به راحتی تهیه می‌شود، که از لحاظ استحکام ساختاری و کاهش نفوذپذیری بخار آب، افزایش مدول الاستیکی و پایداری حرارتی به پلیمرهای زیست تخریب پذیر کمک می‌کند.

(۳-۱-۴) نانوذرات نقره

جهت خاصیت ضد باکتری در بسته بندی صنایع غذایی از نانوذرات نقره استفاده می‌گردد. اندازه و بار سطحی نانوذرات نقره سبب خاصیت ضد باکتری این ذرات شده است که با وارد شدن به غشا و تخریب دی ان ای  DNA باکتری خاصیت مذکور شکل می‌گیرد. از دیگر خواص نانوذرات نقره جلوگیری از رشد میکروارگانیسم در محتویات غذایی می‌باشد.

(۴-۱-۴) نانولیپیزوم‌ها

خواص ضد میکروبی، آنتی اکسیدان و ایجاد ترکیبات زیست فعال، از ویژگی‌های نانولیپیزوم‌ها است. در صورت استفاده از این نانوذرات، جهت افزایش خواص مکانیکی بیوپلیمرها، نیاز است از ترکیبات با سایر نانوذرات بهره جست.

(۲-۴) استفاده از لایه‌های پوششی

کاربرد یک لایه نازک از موادی خاص بر روی فیلم‌های پلیمری تجزیه پذیر می‌تواند سبب افزایش کارایی در بسته بندی‌های مواد غذایی گردد. با این عمل، محدودیت‌هایی همچون میزان تراوایی اکسیژن، بخار آب، دی اکسید کربن در فیلم‌های زیست پلیمری کاهش می‌یابد. بهبود خواص مکانیکی فیلم‌های پلیمری، می‌تواند سبب بهبود ساختار و استحکام مواد بسته بندی گردد.

پلی لاکتیک اسید یا اسید پلی لاکتیک یا پلی لاکتاید (PLA) نوعی پلی استر آلفاتیک ترموپلاستیک، قابل تجزیه زیستی و فعال زیستی می باشد که از منابع تجدید پذیر مانند نشاسته ذرت (در ایالات متحده و کانادا)، کاساوا، ریشه های چیپس، نشاسته (عمدتا در آسیا) و یا نیشکر (در بقیه جهان) به دست می‌آید. در سال ۲۰۱۰ میلادی پلی لاکتیک اسید بیشترین حجم مصرف نسبت به گونه‌های دیگر بیوپلاستیک را در جهان به خود اختصاص داده است.

این بیوپلیمر زیست تخریب پذیر به طور گسترده در صنایع بسته بندی سازگار با محیط زیست به کار می‌رود. اما معایبی مانند نفوذ پذیری زیاد گازهایی مانند اکسیژن، بخار آب و عدم انعطاف مورد نیاز، روش‌های اصلاحی همچون استفاده از پوشش دهی با سایر مواد و بهبود خواص پلیمر را لازم می‌سازد.

استفاده از بسته بندی فعال، روش نوینی برای نگهداری مواد غذایی می‌باشد و در سال‌های اخیر پژوهش‌های گسترده‌ای برای تولید و اقتصادی کردن آن انجام گشته است. تکنولوژی بسته بندی فعال شامل برهم کنش‌هایی بین غذا، ماده بسته بندی (یا پوشش) و اتمسفر گازی داخل بسته می‌باشد که باید در عین حال که کیفیت و امنیت محصول را حفظ می کند قادر به افزایش ماندگاری آن نیز باشد.

بسته بندی فعال می‌تواند نقش‌های متعددی را داشته باشد که در بسته بندی‌های رایج وجود ندارد. از نقش‌های مهم پسته بندی فعال خواص ضد میکروبی و بهبود ویژگی کاهش نفوذ پذیری گازهایی مانند اکسیژن می‌باشد.

۵- نتایج

آلودگی محیط زیست به عنوان یک تهدید جدی برای حیات انسان‌ها و دیگر موجودات زنده، لزوم راهکارهای مناسب برای مقابله با این بحران را ضروری می‌سازد.

جایگزینی بسته بندی‌های پلیمری با پلیمرهای زیست تخریب پذیر در دهه‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است، توسعه و بهبود خواص پلیمرهای زیست تخریب پذیر همچنان در حال تحقیق و بررسی است، حذف کامل بسته بندی‌های پلیمری و جایگزینی آن‌ها با پلیمرهای سازگار با طبیعت، از وارد شدن حجم انبوهی از آلودگی‌ها در محیط زیست جلوگیری خواهد کرد.