الأغلفة الحيوية

Bio-Packaging

تعريف الأغلفة الحيوية:

تعرف التعبئة والتغليف بالمواد ذات الأساس البيولوجي بأنها تعبئة أو تغليف يحتويان على مواد خام تنشأ عن مصادر زراعية, وبالتالي فهي تعبئة يتم إنتاجها من مواد قابلة للتجدد مثل النشاء والمونوميرات المشتقة من المواد العضوية, وهذه المواد ليست بالضرورة أن تكون قابلة للتفسخ الحيوي (Biodegradable).

ومن الأسباب الهامة لهذا الاهتمام بالأغلفة الحيوية هو تسويق مواد التعبئة والتغليف التي تعد صديقة للبيئة.

ولكن يوجد بعض التحفظات على استخدام الأغلفة الحيوية بسبب عدة عوامل منها:

1. معدلات التفسخ في الظروف المختلفة.

2. التغيرات في الخصائص الميكانيكية أثناء التخزين.

3. احتمالية النمو الجرثومي.

4. تحرر المركبات الضارة في المواد الغذائية التي تم تغليفها.

آلية التفسخ الحيوي:

يمكن أن يحدث تفسخ البوليمير من فعل الجراثيم, والعضويات كبيرة الحجم, أما التفسخ الناتج عن العضويات صغيرة الحجم فيمكن أن يسلك طريقين:

1. التفسخ غير الهوائي, حيث يتم انتاج الغاز الحيوي (Biogas) (الميتان, الهيدروجين) التي يمكن استخدامها كمصدر للطاقة.

2. التفسخ الهوائي الذي ينجم عنه السماد النباتي.

أنواع الأغلفة ذات الأساس الحيوي:

تصنف البوليميرات المشتقة من المواد القابلة للتجديد (البوليميرات ذات الأساس الحيوي) على نطاق واسع تبعاً لمنهج الإنتاج وهي على ثلاث فئات:

1. البوليميرات المستخرجة من مواد طبيعية (النباتات بصورة رئيسية) ومن الأمثلة على ذلك السكاريدات المتعددة مثل النشاء والسيليلوز والبروتينات مثل الكازئين وغلوتين القمح.

2. البوليميرات التي يتم إنتاجها بتركيبات كيميائية من مونوميرات ذات اشتقاق حيوي قابلة للتجديد, ومن الأمثلة على ذلك البولي لاكتات وهي بوليستر ذو أساس حيوي قابل للتفسخ مأخوذ من مونوميرات حمض اللبن, أما المونومير ذاته فيجري إنتاجه عن طريق تخمر مخزون الكربوهيدرات. ويوجد أيضاً البولي غلايكولايد الذي يتركب من مونوميرات حمض الغلايكوليك.

3. البوليميرات التي يتم إنتاجها بفعل العضويات صغيرة الحجم أو البكتيريا, ومن أشهرها البولي هيدروكسي ألكانوات, وبصورة رئيسية البولي هيدروكسي بيوترات.إن البوليميرات الناتجة عن هيدروكسي البيوترات (HB) وهيدروكسي الفاليرات (HV) تعرف بالإسم التجاري النوعي (بيوبول), وتؤدي البولي هيدروكسي كانوات وظيفتها في العضويات الصغيرة على أنها بدائل للطاقة ولتخزين الكربون.  ويوجد أنواع أخرى من البوليسترات المنتجة من قبل الأحياء الدقيقة مثل البولي β حمض الماليك.

إن المواد المأخوذة من الفئات السابقة يمكن ان تكون قد استعملت سابقا لاغراض التعبئة والتغليف, وعلى كل حال فان ميدان التغليف مازال يهيمن عليه البوليميرات المشتقة من البترول مثل البولي ايتيلين (PE) والبولي ستيارين (PS) على الرغم من القلق الناجم من تأثير هذه المواد على البيئة عن استخدامها في مجال تعبئة المواد الغذائية.

يوجد استثناء بالنسبة للسيليلوز الذي يدخل في تركيب الورق والورق المقوى، الذي يمكن أن يستخدم بصفته طبقة تغليف خارجي, والسيليلوز غير المعدل يعد شديد التفسخ من الناحية الحيوية, وبما أن الورق الذي يدخل في تركيبه السيليلوز ذو بنية ليفية وعديم الشفافية فانه يعد غير مقاوم لخصائص الرطوبة, وبالتالي يقتصر دوره على أنه فقط معد للتغليف الخارجي للأغذية, باستثناء الاغذية المجففة.

إن المشكلات المرتبطة بالبوليميرات الحيوية يمكن تمييزها بثلاث جوانب: الأداء, المعالجة, التكلفة. وعلى الرغم من أن هذه العوامل تترابط فيما بينها إلى حد ما, فالمشكلات الناجمة عن الأداء والمعالجة تكون أكثر وضوحاً وتجلياً في حالة البوليميرات المستخرجة مباشرةً من الكتلة العضوية (السيليلوز والنشاء والبروتينات) والعكس بالعكس فالبوليميرات التي تعود إلى الفئة (2 و3) الواردتين أعلاه تؤدي وظائفها بشكل جيد للغاية وتسهل معالجتها بهدف تحويلها الى أغشية (Films) باستخدام تقنيات أنموذجية خاصة باللدائن (البلاستيك), الا أنها باهظة التكاليف .

أما البوليميرات الطبيعية الأكثر توافراًً (الفئة:1) فيتم استخراجها من النباتات الزراعية ونباتات الغابات والأشجار, ومن الأمثلة على ذلك السيليلوز والنشاء والبروتينات, وكل هذه المواد بحكم الطبيعة تكون شرهة للماء, وبلورية, وهي العوامل التي تسبب مشكلات في المعالجة والأداء.

أولاً: البوليميرات المستخرجة من مواد طبيعية:

1. السليلوز:

يعد السيليلوز مثال جيد للبوليميرات الطبيعية الأكثر توافراً على وجه الأرض, وهو ذو بنية خطية في جوهره, ومنه بوليميرات " أنهيدروغلوكوز" ويعتبر مادة خام رخيصة, بلورية بدرجة عالية, ليفية, غير قابلة للذوبان, لذلك يتم تذويب السيليلوز في مزيج له تاثير شديد التفكيك من هيدروكسي الصوديوم وثاني سولفيد الكربون فيتم إرجاعه الى حمض الكبريت, وينتج عن هذا غشاء من السلوفان الذي يتميز بخصائص ميكانيكية جيدة, وشراهة للماء, وحساسية تجاه الرطوبة, ولايعد لدناً بالحرارة لذلك لايمكن لحامه بالحرارة, وكثيراً ما يجري تغطيته بشمع النتروسيليلوز (NC-W) او البولي فينيل دي كلورايد (PVDC) لتحسين حجز السيليلوز للماء, الا أن هذا يزيد من تكلفة الإنتاج.

أما في حال ظروف رطوبة منخفضة نسبياً فيعد السلوفان حاجز جيد للغاز, وعند ظروف الرطوبة المتوسطة والعالية فإن خصائص الحجز للماء تنخفض نسبياً.

من ناحية أخرى يمكن للسيليلوز أن يتم اشتقاقه ضمن الحالة المذابة له عن طريق أسترة فئات الهيدروكسيل للبولي سكاريد, حيث يؤدي إلى إنتاج العديد من المشتقات على الصعيد التجاري بما في ذلك أسيتات السيليلوز, وإيتيل السيليلوز, وهيدروكسيل إيثيل السيليلوز, وهيدروكسي بروبيل السيليلوز, ويعد تعديل السيليلوز لإنتاج هذه المشتقات باهظ التكاليف وصعباً, أما المشتق الأقل تكلفة فهو ثاني الأسيتات.

باقى الموضوع ......