Production and evaluation of active antimicrobial polymer films for food packaging

Abstract

Ziel des Dissertationsprojektes war die Herstellung und möglichst umfassende Evaluierung von Kunststofffolien mit antimikrobiellen Eigenschaften für die Verpackung von Lebensmitteln durch die Verwendung von natürlichen Substanzen wie Citronensäure, sowie als unbedenklich geltenden Konservierungsmitteln wie Sorbinsäure und deren Salzen als Zusatzstoffe.<br />Zunächst wurde der Produktionsprozess (Extrusion, Pressen) im Labormaßstab entwickelt, danach erfolgte eine Evaluierung der antimikrobiellen Wirkung der produzierten Folien sowohl in vitro mit ausgewählten Teststämmen als auch konkret an der Oberfläche von Fleisch und Käse. Des Weiteren wurden die Migration der aktiven Substanzen in Lebenmittelsimulanzien getestet und die Materialeigenschaften der Folien mittels TGA, DSC, DMA, Zugversuchen sowie Rasterelektronenmikroskopie umfassend bestimmt.<br />Die Verwendung von Citronensäure oder Sorbinsäure stellte insofern ein Problem dar, als mit diesen Substanzen wegen der sonst stattfindenden Zersetzung eine Verarbeitungstemperatur von 150 °C nicht überschritten werden darf. Daher wurde einerseits ein Ethylen-Okten Copolymer mit sehr niedrigem Schmelzbereich als Basis verwendet, und andererseits auch Materialien auf Basis von Stärke-Blends entwickelt. Mit den Salzen Kaliumsorbat und Mono-Natrium-Citrat stellte sich dieses Problem nicht und daher wurde mit diesen Substanzen konventionelles LDPE verwendet.<br />Die Folien mit Citronensäure und Copolymer erwiesen sich als sehr vielversprechend: Ab einer Konzentration von 25 % zeigten sie (mit Ausnahme der Versuche mit Käse) eine sehr gute antimikrobielle Wirkung sowie hohe Werte bei der Migration der Säure, während die Materialeigenschaften sich durch die Säure nicht wesentlich änderten.<br />Die Folien mit Sorbinsäure und Copolymer zeigten ebenfalls sehr gute antimikrobielle Wirkung, allerdings nur mit den Teststämmen und nicht auf den Lebensmitteln selbst. Eine höhere Konzentration als die verwendete (maximal 10%) würde daran möglicherweise etwas ändern, allerdings werden bereits durch die geringere Menge die Materialeigenschaften so wesentlich verschlechtert (insbesondere nach Wasserkontakt und erfolgter Migration), dass es nicht vernünftig erscheint, hier weitere Experimente zu betreiben.<br />Die Materialien auf Stärkebasis zeigten zwar teilweise sehr vielversprechende Resultate was die antimikrobielle Wirkung betrifft, erwiesen sich sonst aber aufgrund ihrer Materialeigenschaften und eines schwierigen Herstellungsprozesses als eher ungeeignet.<br />Die LDPE-Folien mit Sorbat bzw. Citrat zeigten zwar die besten Materialeigenschaften, aber eher mäßige bis schlechte Ergebnisse bei den mikrobiellen Versuchen trotz hoher Dosierung (bis zu 50 %).<br />Letztlich sind die Ergebnisse mit den Citronensäure-Folien durchaus vielversprechend, es bedürfte aber sicherlich noch einiger weiterer Forschungsarbeit bis ein "marktfähiges" Produkt dabei herauskommt.<br />

The aim of this project was the production and comprehensive evaluation of polymer films with antimicrobial properties for the packaging of food through the use of natural substances like citric acid or harmless additives like sorbic acid. As a first step the production process (extrusion, compression moulding) was developed in laboratory scale. After that microbiological experiments were made with some test strains as well as directly with meat and cheese samples. The migration of the active substances into food simulants was also tested, as were the material properties (using TGA, DMA, DSC, tensile tests and scanning electron microscopy).<br />The use of citric or sorbic acid was problematic insofar as these substances may not be handled at temperatures higher than 150 °C in order to avoid thermal decomposition. Therefore an ethylene-octene copolymer with a low melting temperature was used and some materials based on blends of thermoplastic starch were developed as an alternative. Potassium sorbate and mono-sodium citrate were less problematic and could be used in combination with standard LDPE.<br />The films containing citric acid were quite a success: With a concentration of 25 % they showed very good antimicrobial properties and high values concerning the migration of the substances without a significant altering of the material properties.<br />Films with sorbic acid showed some good results in vitro but not on meat and cheese and had poorer material properties, so they are less promising.<br />The starch-based films showed some promising results concerning the microbiological tests, but completely failed as far as the production process and the physicochemical properites are concerned.<br />LDPE films wih sorbate or citrate had very good material properties but their antimicrobial activity was very limited despite a high concentration (up to 50 %) of the substances.<br />As a conclusion it may be said that the citric acid containing films are in fact promising, but some further research will be necessary before a product ready for the market arises.