Έξυπνες συσκευασίες με ενσωματωμένα ηλεκτρονικά στοιχεία και καινοτόμα βιοδραστικά συστατικά για την παρακολούθηση και ενεργητική προστασία της ποιότητας των τροφίμων

Abstract

The aim of this doctoral thesis is the development of a smart packaging, intended for use in food products, which consists of a layer with encapsulated antioxidant compounds derived from by-products of the juice industry (active packaging) and a chemical sensor capable of detecting modificatiobns in concentration of carbon dioxide, a compound that represents an indicator of food spoilage (intelligent packaging).The scientific methodology of this thesis is divided into three separate axes. At first, the by-products of the juice industry, and more specifically apricot kernels and apricot and peach pulps, are extracted using two conventional solvents, water and an ethanol: water system, and two deep eutectic solvents, choline chloride: urea and choline chloride: lactic acid by combined extraction with microwaves and ultrasounds. The aim of this part of the study is the recovery of extracts rich in phenolic, antioxidant compounds by optimizing the extraction process. Subsequently, the optimal extracts are encapsulated in zein matrix through the process of electrospinning so that a film of encapsulated phenolic compounds is developed with gradual and controlled release. Various operational parameters are considered during the production of the encapsulated structures. The films with the best encapsulation performance are stored under various mild and extreme temperature and humidity conditions, either in closed chambers or using flexible heaters of small dimensions. Τhe shelf life of the products and the possibility of activating the immediate release of the encapsulated phenolic compounds are evaluated.The second axis of the doctoral research is related to the development of a chemical sensor, capable of detecting changes in carbon dioxide levels at ambient temperature. Carbon dioxide is a product of the metabolic activities of microorganisms that spoil food. Therefore, carbon dioxide chemical sensors can indicate the quality and freshness of food products. Given the excellent properties of its nanostructures, it is chosen to develop sensors based on zinc oxide. The doping of the zinc oxide structure with small amounts of sodium and its effect on the sensor response at various low concentrations of carbon dioxide are also examined.Finally, a life cycle assessment study and an economic study of the smart packaging are carried out, in order to evaluate its environmental and economic sustainability. Firstly, the environmental footprint of the production of smart packaging is compared to that of conventional packaging. Then, the stages of the use of the packaging and of the end of life of packaging and the contained products, are examined by adapting four use scenarios, considering that the application of smart packaging leads to the extension of the lifetime of the contained foods, and therefore, to the reduction of food waste.Active packaging represents one of the most dynamic technologies for food preservation, with its new direction of development moving towards the use of nanotechnology to effectively incorporate bioactive ingredients and enhance desired functions. In addition, increasing demands for continuous monitoring of food quality have led to the emergence of advanced types of intelligent packaging systems with sensors being one of the most promising technologies for commercial use. Therefore, given these modern trends in food packaging technology, the results of this doctoral thesis can provide new perspectives in this rapidly evolving field.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας έξυπνης συσκευασίας, η οποία προορίζεται για χρήση σε προϊόντα τροφίμων και θα αποτελείται από ένα στρώμα με εγκλεισμένες αντιοξειδωτικές ενώσεις από παραπροϊόντα της βιομηχανίας χυμού (ενεργή συσκευασία) και από έναν χημικό αισθητήρα ικανό να ανιχνεύει τις αλλαγές στη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα, μια ένωση που αποτελεί δείκτη αλλοίωσης των τροφίμων (ευφυής συσκευασία).Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε σε ερευνητικό επίπεδο χωρίζεται σε τρεις διακριτούς άξονες. Αρχικά, τα παραπροϊόντα της βιομηχανίας χυμού, και πιο συγκεκριμένα οι πυρήνες βερίκοκου και οι πούλπες βερίκοκου και ροδάκινου, εκχυλίζονται με δύο συμβατικούς διαλύτες, νερό και σύστημα αιθανόλης: νερού, και δύο βαθείς ευτηκτικούς διαλύτες, χλωρίδιο χολίνης: ουρία και χλωρίδιο χολίνης: γαλακτικό οξύ με συνδυαστική εκχύλιση με μικροκύματα και υπερήχους. Στόχος αυτής της ενότητας είναι η ανάκτηση εκχυλισμάτων πλούσιων σε φαινολικές, αντιοξειδωτικές ενώσεις, βελτιστοποιώντας τη διεργασία της εκχύλισης. Σε μετέπειτα στάδιο, τα βέλτιστα εκχυλίσματα ενθυλακώνονται στον φορέα εγκλεισμού της ζεΐνης μέσω της διαδικασίας της ηλεκτροστατικής ινοποίησης, ώστε πάνω στη συμβατική συσκευασία Tetra Pak να αναπτυχθεί ένα φιλμ εγκλεισμένων φαινολικών ενώσεων, οι οποίες θα απελευθερώνονται σταδιακά και ελεγχόμενα. Για την παραγωγή των εγκλεισμένων δομών εξετάζονται διάφορες λειτουργικοί παράμετροι. Τα φιλμ με την καλύτερη απόδοση εγκλεισμού αποθηκεύονται σε διάφορες ήπιες και ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας, είτε σε κλειστούς θαλάμους είτε με τη χρήση εύκαμπτων θερμαντήρων πολύ μικρών διαστάσεων. Κατ’ αυτόν τον τρόπο, αξιολογείται ο χρόνος ζωής των προϊόντων και η δυνατότητα ενεργοποίησης της άμεσης απελευθέρωσης εγκλεισμένων φαινολικών ενώσεων.Ο δεύτερος άξονας της διδακτορικής έρευνας αφορά στην κατασκευή ενός χημικού αισθητήρα, ικανού να ανιχνεύει μεταβολές στα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί προϊόν των μεταβολικών δραστηριοτήτων των μικροοργανισμών που αλλοιώνουν τα τρόφιμα. Επομένως, οι χημικοί αισθητήρες διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να υποδείξουν την ποιότητα και τη φρεσκάδα των προϊόντων διατροφής. Δεδομένων των εξαιρετικών ιδιοτήτων των νανοδομών του, επιλέγεται να αναπτυχθούν αισθητήρες με βάση το οξείδιο του ψευδαργύρου. Εξετάζεται, επίσης, η νόθευση της δομής του οξειδίου του ψευδαργύρου με μικρές ποσότητες νατρίου και η επίδρασή της στην απόκριση του αισθητήρα σε διάφορες χαμηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα.Τέλος, πραγματοποιείται μελέτη αξιολόγησης του κύκλου ζωής, καθώς και οικονομική μελέτη της έξυπνης συσκευασίας, ώστε να εκτιμηθεί η περιβαλλοντική και οικονομική βιωσιμότητά της. Αρχικά, το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της παραγωγής της έξυπνης συσκευασίας συγκρίνεται με το αντίστοιχο της συμβατικής. Στη συνέχεια, εξετάζονται και τα στάδια της χρήσης των συσκευασιών, αλλά και του τέλους ζωής αυτών και των περιεχόμενων προϊόντων. Τέσσερα σενάρια χρήσης προσαρμόζονται εκτιμώντας ότι η εφαρμογή της έξυπνης συσκευασίας οδηγεί στην παράταση του χρόνου ζωής των περιεχόμενων τροφίμων, και επομένως, στη μείωση των αποβλήτων τροφίμων σε σχέση με τη συμβατική συσκευασία. Η ενεργή συσκευασία αποτελεί μια από τις πιο δυναμικές τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση των τροφίμων, με τη νέα κατεύθυνση εξέλιξής της να κινείται προς τη χρήση της νανοτεχνολογίας για την αποτελεσματική ενσωμάτωση των βιοδραστικών συστατικών και την ενίσχυση των επιθυμητών λειτουργιών. Επιπλέον, οι αυξανόμενες απαιτήσεις για συνεχή παρακολούθηση της ποιότητας των τροφίμων έχουν οδηγήσει στην εμφάνιση αναπτυγμένων τύπων ευφυούς συσκευασίας με τα συστήματα αισθητήρων να είναι μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για εμπορική χρήση. Δεδομένων, λοιπόν, των παραπάνω σύγχρονων τάσεων στην τεχνολογία συσκευασίας τροφίμων, τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής μπορούν να αποτελέσουν νέες προοπτικές στον ραγδαίως εξελισσόμενο αυτόν τομέα.