Ανάπτυξη καινοτόμων νανοσύνθετων υλικών ενεργούς συσκευασίας με αντιμικροβιακές και αντιοξειδωτικές ιδιότητες

Abstract

Recent years have witnessed the development of various smart packaging technologies, which are increasingly integrated into packaging systems to meet the evolving demands of the food supply chain. The adoption of suitable packaging technologies by the food industry plays a crucial role in extending product shelf life, improving quality and safety, and providing vital information regarding the status and characteristics of food products. Additionally, intensified research in the field of smart and active packaging serves as a driving force for improving existing systems and fostering innovation through the development of new solutions. The development of active packaging materials incorporating natural antimicrobial agents has gained increasing attention in recent years as an effective strategy to improve food safety, inhibit microbial growth, and extend the shelf life of perishable products. Active packaging is especially important in fresh and expanded shelf-life foods, where it is necessary to control freshness and prevent impaired factors such as moisture, oxygen levels and microbial growth. By using techniques such as antimicrobial films, oxygen scavengers and moisture regulators, active packaging increases food stability, reduces waste, and meets consumer demands for safe and long-lasting products. This dissertation focuses on the development and study of innovative nanocomposite materials for active food packaging applications, aimed at enhancing their antioxidant and antimicrobial/antifungal properties. Specifically, bioactive films based on low-density polyethylene (LDPE) were developed, incorporating bioactive nanocarriers such as organically modified montmorillonite (OMT), inorganic bentonite (B), and halloysite (H), into which natural bioactive compounds, namely carvacrol, thymol, and olive leaf extract, were encapsulated. Specifically, bioactive nanocarriers were incorporated into LDPE via melt mixing in a twin-screw extruder and formed into films by thermal compression. This approach targeted the improvement of the physicochemical and mechanical properties of the resulting films, as well as the antioxidant, antimicrobial and antifungal properties. The incorporation of bioactive compounds into the nanocarriers was achieved via a green methodology based on evaporation/adsorption method, avoiding the use of organic solvents. This method enables the efficient encapsulation and protection of volatile compounds during their integration into the polymer matrix, while also allowing for their controlled release during application. The study includes the physicochemical and structural characterization of the bioactive nanocarriers and films using X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA), which demonstrated the ability of nanocarriers to provide effective protection to the bioactive compounds. The mechanical properties of the developed films were evaluated by tensile tests, while the oxygen barrier performance was investigated by permeability measurements. Incorporation of bioactive nanocarriers into the LDPE matrix resulted in an overall decline in mechanical properties, likely due to the non-uniform distribution and the formation of agglomerates during the blending process. The addition of OMT-based bioactive nanocarriers loaded with thymol or carvacrol resulted in only slight modifications to mechanical properties. This outcome is attributed to the intercalated structure and the homogeneous dispersion of the nanocarriers within the polymer matrix, which also contributed to the significant improvement of the oxygen barrier performance. Furthermore, antioxidant, antimicrobial and antifungal activities were evaluated through a series of assays, both in vitro and using food model systems (white bread), aiming to simulate real-world conditions for food packaging applications. The bioactive films showed excellent antioxidant activity and growth inhibition against E. coli and C. glutamicum bacteria and showed complete growth inhibition against Salmonella enteritidis. The findings of the bread packaging simulation were very promising, as no fungal growth was detected during visual observation up to 180 days after packaging. Microbiological analysis confirmed the effectiveness of bioactive films in retarding fungal growth. Part of this dissertation is integrated into a broader research project focused on the development of flexible films with controlled antimicrobial and antioxidant activity for food packaging materials. This research was carried out under the project entitled AntiMicrOxiPack. In the context of the present research, the reproduction of the LDPE blend with OMT bioactive nanocarriers with thymol in a medium-scale extruder was selected by the University of Ioannina in collaboration with the National Technical University of Athens, which was used for the pilot industrial production of multilayer films by Achaika Plastics S.A. The project was funded under the Special Actions of the Operational Program “Competitiveness, Entrepreneurship and Innovation (EPAnEK)” of the NSRF 2014-2020.

Τα τελευταία χρόνια αναπτύσσονται διάφορες τεχνολογίες έξυπνης συσκευασίας, οι οποίες ενσωματώνονται σε συστήματα συσκευασίας με στόχο την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων της αλυσίδας εφοδιασμού τροφίμων. Η υιοθέτηση κατάλληλων τεχνολογιών από τη βιομηχανία τροφίμων συμβάλλει στην παράταση της διάρκειας ζωής των προϊόντων, στη διατήρηση και βελτίωση της ποιότητας και της ασφάλειας, καθώς και στην παροχή κρίσιμων πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση και τα χαρακτηριστικά του προϊόντος. Παράλληλα, η εντατικοποίηση της έρευνας στον τομέα των έξυπνων και ενεργών συσκευασιών αποτελεί μοχλό για τη βελτίωση των υφιστάμενων τεχνολογιών και την ανάπτυξη νέων, καινοτόμων λύσεων. Η ανάπτυξη ενεργών υλικών συσκευασίας που ενσωματώνουν φυσικούς αντιμικροβιακούς παράγοντες έχει κερδίσει όλο και μεγαλύτερη προσοχή τα τελευταία χρόνια ως μία αποτελεσματική στρατηγική για τη βελτίωση της ασφάλειας των τροφίμων, την αναστολή της μικροβιακής ανάπτυξης και την παράταση της διάρκειας ζωής των ευπαθών προϊόντων. Η ενεργή συσκευασία είναι ιδιαίτερα σημαντική στα νωπά τρόφιμα και στα τρόφιμα με διευρυμένη διάρκεια ζωής, όπου είναι απαραίτητο να ελέγχεται η φρεσκάδα και να αποτρέπονται παράγοντες που επηρεάζουν την υγρασία, τα επίπεδα οξυγόνου και την ανάπτυξη μικροβίων. Χρησιμοποιώντας συστήματα όπως αντιμικροβιακές μεμβράνες, απορροφητές οξυγόνου και ρυθμιστές υγρασίας, η ενεργή συσκευασία αυξάνει τη σταθερότητα των τροφίμων, μειώνει τα απόβλητα και ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των καταναλωτών για ασφαλή και μακράς διάρκειας προϊόντα. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και μελέτη καινοτόμων νανοσύνθετων υλικών ενεργούς συσκευασίας τροφίμων, με σκοπό την ενίσχυση των αντιοξειδωτικών και αντιμικροβιακών/αντιμυκητιακών ιδιοτήτων τους. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν βιοενεργές μεμβράνες βασισμένες σε πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE), ενισχυμένες με βιοδραστικούς νανοφορείς οργανικά τροποποιημένου μοντμοριλλονίτη (OMT), ανόργανου μπετονίτη (B) και αλλοϋσίτη (H), στους οποίους ενσωματώθηκαν φυσικές βιοδραστικές ενώσεις όπως η καρβακρόλη, η θυμόλη και το εκχύλισμα φύλλων ελιάς. Συγκεκριμένα, οι βιοδραστικοί νανοφορείς ενσωματώθηκαν στο LDPE μέσω ανάμιξης τήγματος σε δικόχλιο εξωθητή εργαστηριακής κλίμακας, και μορφοποιήθηκαν σε νανοτροποποιημένες μεμβράνες με θερμική συμπίεση. Η στρατηγική αυτή στοχεύει στη βελτίωση των φυσικοχημικών, μηχανικών ιδιοτήτων των μεμβρανών, καθώς και των αντιοξειδωτικών, αντιμικροβιακών και αντιμυκητιακών ιδιοτήτων. Η ενσωμάτωση των βιοδραστικών ενώσεων στους νανοφορείς πραγματοποιήθηκε με πράσινη μεθοδολογία, χωρίς τη χρήση οργανικών διαλυτών, μέσω της μεθόδου εξάτμισης/προσρόφησης. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει τον αποτελεσματικό εγκλωβισμό και την προστασία των πτητικών ενώσεων κατά τη διαδικασία ενσωμάτωσής τους στο πολυμερές, καθώς και την ελεγχόμενη αποδέσμευσή τους κατά τη χρήση. Η μελέτη περιλαμβάνει τον φυσικοχημικό και δομικό χαρακτηρισμό των βιοδραστικών νανοφορέων και των μεμβρανών μέσω περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και θερμοβαρυτικής ανάλυσης (TGA), κατά την οποία αναδείχθηκε η ικανότητα των νανοφορέων να προσφέρουν αποτελεσματική προστασία στις βιοδραστικές ενώσεις. Οι μηχανικές ιδιότητες των μεμβρανών αξιολογήθηκαν μέσω δοκιμών εφελκυσμού και η ικανότητα φραγμού έναντι του οξυγόνου διερευνήθηκε με μετρήσεις διαπερατότητας. Ως προς τη μηχανική απόκριση, η ενσωμάτωση των βιοδραστικών νανοφορέων στο LDPE οδήγησε σε μία συνολική υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, πιθανώς λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής και τον σχηματισμό συσσωματωμάτων κατά την ενσωμάτωση στο πολυμερές. Τις μικρότερες μεταβολές των μηχανικών παραμέτρων επέφερε η ενσωμάτωση των βιοδραστικών νανοφορέων OMT με καρβακρόλη ή θυμόλη. Το αποτέλεσμα αυτό αποδίδεται στην παρεμβληθείσα δομή και στην καλή διασπορά των βιοδραστικών νανοφορέων OMT στην πολυμερική μήτρα, γεγονός που συνέβαλε και στη σημαντική βελτίωση της ικανότητας φραγμού οξυγόνου. Επιπλέον, η αντιοξειδωτική, η αντιμικροβιακή και η αντιμυκητιακή αποτελεσματικότητα των μεμβρανών αξιολογήθηκαν μέσω μιας σειράς αναλύσεων, τόσο in vitro όσο και σε πρότυπα μοντέλα τροφίμων (λευκό ψωμί),προσομοιώνοντας ρεαλιστικές συνθήκες εφαρμογής στη συσκευασία τροφίμων. Οι βιοενεργές μεμβράνες παρουσίασαν εξαιρετική αντιοξειδωτική δράση και αναστολή της ανάπτυξης των βακτηρίων E. coli και C. glutamicum, ενώ έδειξαν πλήρη αναστολή ανάπτυξης έναντι στη Salmonella enteritidis. Τα ευρήματα της προσομοίωσης συσκευασίας ψωμιού ήταν άκρως ενθαρρυντικά, καθώς κατά την οπτική παρατήρηση δεν ανιχνεύθηκε η ανάπτυξη μυκήτων (μούχλα) έως και 180 ημέρες μετά τη συσκευασία, ενώ και η μικροβιολογική ανάλυση επιβεβαίωσε την αποτελεσματικότητα των βιοενεργών μεμβρανών στην καθυστέρηση της ανάπτυξης των μυκήτων. Ένα μέρος της εν λόγω διατριβής εντάσσεται σε μία διευρυμένη ερευνητική μελέτη που επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη εύκαμπτων μεμβρανών με ελεγχόμενη αντιμικροβιακή και αντιοξειδωτική δράση για υλικά συσκευασίας τροφίμων, η οποία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του ερευνητικού έργου με κωδική ονομασία AntiMicrOxiPack. Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής διαδικασίας επιλέχθηκε η αναπαραγωγή του αναμίγματος LDPE με τους βιοδραστικούς νανοφορείς OMT με θυμόλη σε εξωθητή μεσαίας κλίμακας από το Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων σε συνεργασία με το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την πιλοτική βιομηχανική παραγωγή πολυστρωματικών μεμβρανών από την εταιρεία ΑΧΑΪΚΑ ΠΛΑΣΤΙΚΑ Α.Ε.Β.Ε. Το έργο χρηματοδοτήθηκε στο πλαίσιο των Ειδικών Δράσεων του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανταγωνιστικότητα,Επιχειρηματικότητα και Καινοτομία (ΕΠΑνΕΚ)» του ΕΣΠΑ 2014-2020.