Локс Ф. Упаковка и экология

Подождите немного. Документ загружается.

В подлиннике утверждается, что это связано с интенсификацией конвективных потоков с ростом

температуры, что, по крайней мере, спорно, поскольку при том игнорируются процессы молекулярной

диффузии и собственно фотохимическая реакция.

Доля падающего света, проходящего через поверхность упаковки определяется законом Ламберта (в

подлиннике в этой формуле ошибочно отсутствует множитель — А: в правой части):

(Это уравнение носит название закона Бугера-Ламберта)

а) Однослойная стенка

b) Многослойная стенка

Интенсивность света

Рис. 1.11. Поглощение света как функция толщины стенки упаковки

где I

— интенсивность падающего света, I— интенсивность прошедшего света, х — толщина

упаковочного материала, k -- коэффициент поглощения

(зависящий от длины волны и типа материала) (см.

рис. 1.11). (В подлиннике утверждается, что поглощение света равно I<I0; это эквивалентно абсурдному утверждению,

что интенсивность поглощенного света больше интенсивности падающего света).

Пропускание света (доля прошедшего света) равно (I/I

); его логарифм представляет собой

линейную функцию толщины х: lg(I/I

) = = -0 4343 kх.

Поглощение света равно (1 - I/I

Зная k, можно

определить толщину упаковочного материала, обеспечивающую требуемую степень защиты продукта от

излучения. При слабом светопоглощении приходится применять толстые стенки для достижения желаемого

результата. Принимая во внимание механические свойства одних материалов и большие значения

коэффициента ослабления других материалов, мы можем достичь хороших результатов и с тонкими

стенками (экономия материалов), комбинируя различные пленки.

Для создания достаточно прочных упаковок, обеспечивающих надежный барьер проникновению

как воздуха, так и света, можно использовать трех- пятислойное ламинирование. Для трехслойной упаковки

(см. рис. 1.11):

откуда

где k

, k

, х

— коэффициенты ослабления света и толщины трех компонентов,

соответственно. (Здесь опущена цитата из [89] с формулой, физический смысл которой не раскрывается в оригинале).

В более детальных расчетах следует учитывать зависимость k от длины волны, а также то, что

определенная часть света отражается упаковкой и продуктом [89].

А = Полиэтилен высокой плотности

толщина 89 мкм

В = Вощеная бумага, 89 мкм

С = Saran, 28 мкм

D = Mylar, 35 мкм

Е = Pliofilm, 33 мкм

F = Ацетатцеллюллозная пленка, 25 мкм G = Полиэтилен низкой плотности, 38 мкм

Рис. 1.12. Светопропускание некоторых упаковочных материалов как функция длины волны

А - Обыкновенный целлофан, тол щина 23 мкм

В = Целлофанированный Saran (целлофан, покрытый Saran'ом) 38 мкм

С = Целлофанированная нитроцеллюлоза, (целлофан, покрытый нитро-

целлюлозой) 25 мкм

D = Целлофан, покрытый УФ-поглотителем, 25 мкм

Е = Красный целлофан, 25 мкм F - Зеленый целлофан, 25 мкм

Рис. 1.13. Светопропускание различных типов целлофана как функция длины волны

Принимая во внимание различные характеристики упаковочных материалов и продуктов, можно

оценить падение качества со временем. На практике решают обратную задачу — рассчитывают допустимые

пределы светопропускания, отвечающие установленному допустимому падению качества в пределах

ограниченного периода консервации (например, нескольких дней для мяса, от трех до шести месяцев для

молока). На основании этих данных можно выбрать наиболее приемлемое сочетание материалов [182].

Некоторые кривые светопропускания упаковочных материалов показаны на рис. 1.12 и 1.13.

Из рис. 1.12 (а) следует, что с учетом толщины полиэтилен высокой плотности дает лучшую защиту

от УФ-излучения, чем saran, mylar, ацетат целлюлозы, полиэтилен низкой плотности и вощеная бумага. Рис.

1.12 (в) показывает, что, как и следовало ожидать, цветное стекло (коричневое, зеленое) пропускает меньше

света, чем обычное стекло, но пропускание УФ-излучения примерно одинаково. Рис. 1.13 демонстрирует,

что окрашенные пленки обладают требуемым светопоглощением в широкой области спектра и

обеспечивают лучшую защиту продукта от влияния света.

Защитная функция упаковки от газов и паров

Многие продукты, изготовленные из металлов, пластиков, пищевые продукты и т.д. подвержены

воздействию атмосферного кислорода и претерпевают изменения, приводящие, главным образом, к

ухудшению качества. Ржавление железа представляет собой медленный процесс окисления, ускоряемый

присутствием воды и повышением температуры. Другие металлы, используемые в упаковке, такие как олово

и алюминий, под действием кислорода образуют окисный слой, защищающий металл от дальнейшей

коррозии. Некоторые пластмассы становятся хрупкими под влиянием атмосферного кислорода и солнечной

радиации, поэтому при их производстве добавляют некоторые антиоксиданты. Многие пищевые

компоненты, такие как жиры и масла, белки и витамины, в присутствии кислорода вступают в реакции,

изменяющие их внешний вид (например, мясо и очищенный картофель становятся коричневыми), вкус

(жиры становятся прогорклыми) и запах. Множество публикаций [89, 96, 97, 112, 138, 152, 153, 154]

посвящены проблеме снижения содержания витаминов (витаминов С, Е и А) в пищевых продуктах не только

в процессах их изготовления, но и При хранении. Эти окислительные реакции могут включать ряд стадий,

например, перекиси жирных кислот, образующиеся при взаимодействии жира с кислородом на свету,

служат в качестве катализатора окисления многих белков и аминокислот [89]. Обычно такие окислительные

реакции протекают на свету в присутствии кислорода и воды и катализируются энзимами, содержащимися в

пищевых продуктах.

Часто потеря или образование воды приводят к снижению качества пищи: должная защита связана с

водной активностью а

продуктов:

где р и р

— давление насыщенного пара Н

О над продуктом и чистой водой, соответственно.

Например, мясо с a

> 0,95 при относительной влажности 75% будет терять влагу и высохнет, в то время как

бисквиты с a

= 0,3 будут поглощать влагу (см. рис. 1.14). На пищевых продуктах может появиться плесень,

если a

> 0,35, сахар может кристаллизоваться или растворяться и текстура кондитерских изделий может

стать органо-лептически непреемлемой, когда аw слишком низка или высока. Кроме своей зависимости от

температуры и влажности, сохранность фруктов и овощей также существенно зависит от соотношения

кислород/двуокись углерода в окружающем воздухе; свежие непереработанные продукты «дышат» при их

хранении, выделяя двуокись углерода и воду за счет связывания атмосферного кислорода. В отсутствие

кислорода или при избытке воды и двуокиси углерода начинается гниение. Отношение количества

образующегося углекислого газа к количеству потребленного кислорода называется дыхательным

коэффициентом (PQ):

Рис. 1.14. Водная активность как функция содержания воды в различных пищевых продуктах

Для углеводов (сахара, продукты из меда) RQ = 1; «биологическое сжигание» продуктов, богатых

белками, потребляет больше кислорода, чем оно производит углекислого газа (RQ < 1); наоборот, при

гниении кислород извлекается из продуктов, богатых им (сульфатов, нитратов и т.д.), следовательно, RQ >

Рис. 1.15. Схема пропускания газа (пара) через упаковочные материалы

Из этого краткого рассмотрения ясно, что с точки зрения сохранения качества упаковка имеет

огромное влияние на обмен газами и между внешним окружением и внутренней атмосферой упаковки.

Для того чтобы иметь возможность оценить допустимое время хранения продуктов, мы должны

располагать точными данными по газопроницаемости упаковочных материалов в отношении таких газов,

как кислород, азот, двуокись углерода и паров воды, ароматических веществ и др. [77, 96, 97]. Пропускание

газов и паров сквозь упаковочный материал как функция времени может быть выражено уравнением:

где F = dM/dt — поток газа (пара), переносимого в единицу времени (г/сут, см

/сут или моль/сут);

k — константа растворимости газа в упаковочном материале (моль/см

-бар);

D — коэффициент диффузии газа в упаковочном материале (см

/сут);

х — толщина упаковочного материала (мкм);

S— площадь поверхности упаковки (м

);

Δр =p

- р

— разность парциальных давлений газа (пара) между внутренней и внешней

поверхностями (мм рт.ст., атм, бар) (сравни рис. 1.15).

Произведение kD называется константой проницаемости В:

Ее размерность — моль-мкм/м

сут бар. Константа проницаемости определяется как количество газа

(пара), диффундирующего в единицу времени через единицу площади поверхности упаковочной пленки при

толщине ее равной единице и единичном перепаде давления.

В качестве единицы толщины используются миллидюймы mil (25,4 мкм) или 100 мкм. Константа

проницаемости 3800 см

-100 мкм/сут-м

-бар при 30°С для кислорода (см. табл. 1.15) означает, что через

пленку толщиной 100 мкм и площадью поверхности 1 м

при температуре 30°С диффундирует 3,8 дм

кислорода в сутки. Если толщина пленки 20 мкм, через нее будет проходить в пять раз больше кислорода,

т.е. 19 дм

. Отнеся этот объем к нормальным условиям и разделив его на молярный объем, найдем, что 19

дм

кислорода соответствуют 24,5 г О

Газопроницаемость стекла и металлов ничтожно мала при обычной температуре, хотя

металлическая и стеклянная тара может давать утечки через запечатанные горловины и пробки.

Предсказания о сохранении качества упакованного продукта на основании данных по газообмену относятся

в основном к полимерным пленкам. Проницаемость различных ленок по отношению к О

, N

и СО

приведена в табл. 1.15 и 1.16.

Кислородная проницаемость различных упаковочных материалов при 30°С [77, 89,188]

Таблица 1.15

Материал Константа проницаемости

см

·т11/сут·м

·бар см

· 1 00 мкм/ сут·м

·бар

Полиэтилен низкой плотно-

сти

6000-15000 1500-3800

Полиэтилен высокой

плотности

1500-3000 380-750

Saran 10-350 3-90

Целлофан 20-5000(2) 5-1300

Тефлон 25-100 6-25

Mylar 50-100 13-25

Политрифторохлороэтилен 50-1000(1) 13-250

Ацетат целлюлозы 1000-3000 250-750

Полиэтилен, покрытый бума-

гой

100-15000(3) 25-3800

Полипропилен

(ориентированный)

2450

622

Полипропилен

(неориентированный)

3670

933

А1-ламинаты

0 0

Пластиковые ламинаты 10-400 3-100

Найлон 66 55-244(2) 14-62

Полистирол 3980 1010

(1) в зависимости от количества пластификатора; (2) — в зависимости от содержания влаги; (3) — в зависимости от

покрывающего материала.

В случае пластмасс газопроницаемость существенно зависит от температуры. Как мы увидим при

обсуждении усадки полимерных пленок, пластмассы имеют структуру резины в области температур между

так называемой температурой стеклования Т

и точкой плавления; при Т < Т

с С

труктура полимера подобна

строению стекла (частично кристаллическая, частично аморфная) — проницаемость уменьшается, когда

молекулы лучше скоординированы (т.е. при более высокой степени кристалличности). Как и в случае

натуральной резины, пластмассы в соответствующей температурной области обладают высокой

газопроницаемостью [149]. Проницаемость различных полимерных пленок для водяного пара приведена в

табл. 1.17.

Влагосодержание водопоглощающих упаковочных материалов, таких как регенерированная

целлюлоза, ацетатцеллюлоза и поливиниловый спирт, может оказывать большое влияние на их

газопроницаемость. Вода действует как «пластификатор» и поглощение воды вызывает набухание пленки,

существенно увеличивая ее проницаемость для газов и паров.

Сравнение констант проницаемости полимерных пленок для различных газов при 20°С (см

100

мкм/сутм

бар) [77, 89,188, 234]

Таблица l.16

Материал В

О2

СО2

СО

/В

О2

Saran

Найлон 6

Mylar

Полиэтилен низкой

плотности

Полиэтилен высокой

плотности

Резина

Полипропилен

(неориентированный)

Полипропилен

(ориентированный)

Полистирол

Полиэтилентерефталат

(ориентированный)

Поливинилхлорид

(обыкновенный)

Целлофан

Полиэтилентерефталат,

покрытый поливинили-

денхлоридом

6,3

890

178

5080

142

3-4

10-25

2-6

3,3

25,4

3050

508

15200

937

622

1014

24-32

20-80

0,8-2

5,5-7,3-10-

102

17800

2540

89000

2300

2160

3350

60-100

40-200

1,5-24

5,7

4 3,

5,8

2,5

3,5

3,3

2,5-3,1

2-2,5

1,8-12

Константа проницаемости упаковочных материалов

для водяного пара при 37,8°С и относительной влажности 95% [89, 220]

Таблица 1.17

Материал г mil/сут-100 дюйм

г-100 мкм/сутм

Целлофан 10-100 40-394

Целлюлоза, покрытая

нитроцеллюлозой

0,2-2,0 0,8-8

Целлюлоза, покрытая Sаrаn'ом 0,1-0,5 0,4-2,0

Полиэтилен высокой

плотности

0,8-1,5 3,2-6,0

Полиэтилен низкой плотности 0,3-0,5 1,2-2,0

Saran 0,1-0,5 0,4-4,0

Поливинилхлорид 0,5-8,0 2,0-32,0

А1-фольга 9мкм 0,1-1,0 0,4-4,0

А1-фольга 35 мкм 0,1 0,4

Бумага — А1-полиэтилен-

ламинат

0,1 0,4

Вощеная бумага 0,2-15,0 0,8

Полиэфирная пленка 0,8-1,5 3,2-6,0 0,25

Полипропилен

(ориентированный)

0.25 1

Полипропилен

(неориентированный)

0,6-0,9 2,5-3,5

Полистирол 6-10 25-40

Располагая такими данными, сравнительно легко рассчитать проницаемость B

tot

полислойной

системы. Рассмотрим ламинат, состоящий из трех слоев с данной толщиной х

, (см. рис. 1.15). Общий поток

tot

на поверхность S определяется материалом с наименьшей константой проницаемости.

Уравнение для F

дает:

Отсюда сложением получаем:

откуда

Если влагосодержание пленки влияет на газопроницаемость, этими уравнениями следует

пользоваться с осторожностью. Свидетельством этому служит проницаемость для СО

ламината целлюлозы

и полиэтилена низкой плотности, которая зависит от того, какая из сторон ламината обращена к влажной

среде (сравни с табл. 1.18)

Используя данные (е), (f), (g) в табл. 1.18, проницаемость может быть аппроксимирована

следующим образом.

Отсюда: B

tot

= (2.10.50000): (50000+10) = 20

Значение 3500(h) получено из данных (в) и не может быть выведено из аппроксимации.

Для соединенных параллельно пленок проницаемость композита может быть рассчитана так (см.

рис. 1.15):

Отсюда из тождества левых частей равенств получаем:

Если в пленке имеются иголочные отверстия, то обмен газов и паров описывается не уравнением

активированной диффузии, а совершенно иным законом. Рассматривая отверстия как небольшие каналы

(капилляры), можно вывести газопроницаемость из закона Пуазейля другим моментом, который следует

отметить, является то, что проницаемость увеличивается с ростом температуры не линейно, а по

экспоненциальному закону.

Сохранение аромата для большинства пищевых продуктов и косметических товаров является

важным критерием качества. Потерю через упаковку нельзя рассчитать, поскольку аналитические методы

определения очень малых количеств ароматических веществ в воздухе часто неэффективны или слишком

дороги. Поэтому проницаемость упаковочных пленок для таких веществ определяется эмпирически с

помощью дегустаторов запахов. Наконец, пластиковые упаковки могут пропускать не только газы, но и

жидкости — так, при длительном хранении в пластиковых бутылках жидкого масла, оно частично вытекает

наружу через стенки упаковки! Такая потеря не имеет значения для пищи, но может оказаться важной для

фармацевтических препаратов, содержащих сильно разбавленные «активные» вещества.

Влияние влаги на проницаемость для СО

пленки целлюлозы (C),

полиэтилена (РЕ) и РE/С-ламинатов [89]

Таблица 1.18

Материал Сторона, кон-

тактирующая с

высокой

влажностью

Относит,

влажность, %

Газопроницаемость,

см

x1/м

сутбар,

= х

= 25 мкм

Целлофан

Полиэтилен

С + PE

РЕ

100

10 (а)

3000 (b)

50 000 (с)

47 000 (d)

18 (е)

18 (f)

18 (g)

3500 (h)

Имеется много публикаций [10, 12, 13, 35, 89], привлекающих внимание к возможной опасности,

связанной с применением пластиковых упаковок для жидких лекарств: с одной стороны, активный

компонент может быть потерян из-за сорбции его поверхностью пленки с последующей диффузией в ее

объем, что особенно предосудительно в случае малы; концентраций, а с другой стороны, может случиться,

что компоненты и упаковки перейдут в жидкую среду, так что свойства лекарства изменятся.

b) Торговая и информационная функция упаковки. Эмоциональные и подобные им элементы

С развитием супермаркетов и магазинов самообслуживания в возрастающих объемах применяется

предупаковка все большего количества товаров. С введением системы самообслуживания упаковке была

приписана дополнительная специальная функция, заменяющая функцию продавца - упаковка должна не

только предоставлять информацию об упакованном продукте, но также рекламировать товар и

стимулировать его покупку. Таким образом, упаковка имеет эмоциональную функцию, вызывающую у

потребителя впечатление, что данная вещь является «наилучшим выбором». Посредством своей формы,

цвета, иллюстраций и печатной информации она должна быть привлекательной и информативной. В

среднем потребитель

тратит от 20 до 30 минут в супермаркете для покупки 20 различных предметов [44] и,

следовательно, товары должны быть легко узнаваемы. В этом отношении существенны форма и цвет.

Большинство упаковок для напитков имеют цилиндрическую форму; но жидкие фармацевтические

препараты для наружного применения предлагаются в многогранных (например, октаэдрических)

бутылочках. Конечно, обычай и реклама играют свою роль; однако форма упаковки остается превосходным

узнаваемым сигналом, имеющим значение и для слепых людей. Цвет более психологичен — голубые

оттенки ассоциируются с опрятностью и свежестью, зеленые умиротворяют, желтые свидетельствуют о

силе и жизненности, красные и оранжевые — о теплоте, пастельные тона вызывают мягкое, женственное

чувство, в то время как чистые насыщенные тона ассоциируются с мужественностью. Эти ассоциации

зависят от культуры населения. Сахаров и Гриффин [146] подчеркивают, что в западных странах символизм

красок имеет важное значение в повседневной жизни, которое необходимо учитывать в дизайне упаковки.

Для европейца пурпурный цвет напоминает о королевском достоинстве, для китайца он означает горе (см.

табл. 1.19). Поэтому в случае экспорта товаров представляется целесообразным анализ относящейся к этому

вопросу информации.

Потребитель судит о качестве большинства свежих продуктов питания по их внешнему виду с

первого взгляда; поэтому сохранение или демонстрация естественной окраски оказывает глубокое влияние

на ход-ость товара. Исходя из этого, рекомендуется использовать легкую прозрачную упаковку для свежих

продуктов, хотя более темная была бы предпочтительнее для уменьшения действия света. Однако обычной

практикой является предпочтительное применение прозрачной упаковки для светочувствительных

продуктов, таких как мясо или молоко. Для мяса это парадоксальное решение приемлемо, потому что

проникновение света ограничено в небольшом приповерхностном слое, однако упаковка должна быть

непроницаема для кислорода, — по-видимому, a priori существует некоторое несоответствие и в этом

случае. Алый пигмент миоглобин, ответственный за цвет свежего разрезанного мяса, под влиянием

атмосферного кислорода превращается в темно-красный оксимиоглобин, который мы хорошо знаем и часто

предпочитаем. В атмосфере, содержащей кислород, оксимиоглобин, однако, образует нежелательный корич-

невый метмиоглобин. В настоящее время предпочитают упаковывать свежее мясо в условиях

модифицированной атмосферы с высокой концентрацией кислорода для стимулирования красной окраски,

чем использовать стабилизаторы цвета. Напротив, молоко не имеет защиты от действия света; в прозрачной

упаковке оно теряет большое количество витаминов за короткий период (от двух до четырех суток).

Следовательно, основным требованием к упаковке является светонепроницаемость, если мы хотим

сократить падение содержания витаминов. Сегодня этого можно достигнуть путем использования картона,

ламинированного А1-фольгой. Однако это решение вызывает другие проблемы, относящиеся, в частности, к

осуществимости рецикла отходов упаковки, которые мы исследуем позднее. Темное стекло дает хорошую

защиту от света, более удобно для современных процессов регенерации тары, но есть большая вероятность

того, что оно окажется менее приемлемо для потребителя.

Хорошо продуманные иллюстрации могут благотворно влиять на ходкость товара: например,

изображение снежинок понятно в холодных странах, но имеет мало смысла в тропиках, поскольку оно не

воспламеняет воображение людей, живущих там. Сахаров [146] отмечает, что продажа американского тунца

в консервных банках не была успешной в Японии, потому что рыба была изображена с опущенным вниз

носом, как будто она ныряет в волны. Эта картинка навела японского потребителя на мысль, что рыба была

поймана уже мертвой. После исправления картинки восстановился обычный уровень продаж.

Символическое значение некоторых красок и изображений на упаковке для дальневосточных

рынков [146]

Таблица 1.19

Страна Цвет Значение Изображение Значение

Китай Белый Грусть (а) Тигры, львы

и драконы

Сила (в)

Голубой Плохое, непопу-

лярное (а)

- _

Индия Зеленый и

оранжевый

Хорошее (в) Коровы Священны

для индусов

(а)

Япония Золотой,

серебряный,

алый.

Роскошь и высо-

кое качество (в)

Вишневое

цветущее де-

рево

Красота (в)

Черный Только для печати Хризантемы Царственно

сть (а)

Малайя Желтый Королевское (а)

Коровы

Священны

для индусов

(а)

Зеленый Исламское (а)

Золотой Долголетие (в) Свиньи

Грязь и

нечистота

для

мусульман

(а)

Тайвань Черный Траур (а)

Слоны

Сила (в)

Таиланд Черный Траур (а) Слоны Национальн

ая эмблема

(а)

(а) — не рекомендуется; (в) — рекомендуется

В некоторых особых случаях сюжет изображения на упаковке диктуется соображениями

безопасности; например, указание на токсичность, горючесть, опасность вдыхания или контакта с кожей.

Эта наклейка, раскрашенная фосфоресцирующими красками, была разработана Южным Центром

Ядохимикатов для отпугивания детей, которые не могут прочитать инструкцию по использованию

вещества.

Южный Центр Ядохимикатов разработал фосфоресцирующую наклейку для отпугивания детей от

использования продукта (см. рис. 1.16) Любопытные по природе, дети в большинстве случаев стремятся

испробовать на вкус, понюхать или испытать продукты, которые они видят впервые, поэтому вполне

разумно прикреплять такие наклейки на ток

Рис. 1.16. Отпугивающая наклейка «Мистер Йок»

сичные несъедобные бытовые продукты, такие как чистящие вещества, политуры, моющие средства,

стиральные порошки, кислоты, щелочи, органические растворители и т.д. Очевидно, что внешний вид и

форма упаковки может вводить в заблуждение (например, когда она создает впечатление большого

размера). С другой стороны, некоторые небольшие продукты преднамеренно помещают в большие упаковки

как для того, чтобы обеспечить место для необходимой информации, так и для того, чтобы затруднить

магазинные кражи.

Форма позволяет не только идентифицировать продукт на эмоциональном уровне, что приводит к

экономии времени потребителя. Как объяснено выше, форма может также экономить пространство, она

может обеспечить эффективное штабелирование и распределение, что приводит к соответствующей

экономии средств на складирование, транспортировку и обработку товаров. Размеры большинства

прямоугольных коробок, выпускаемых в настоящее время, основаны на стандартном модуле 60x40 мм. Они

подходят к стеллажам, основание которых имеет размеры 1200x800 мм (ISO № 1) или 1200x1000 мм (ISO №

2).

Упаковочные модули

Схематическое изображение модульных упаковочных блоков показано на рис. 1.17. Различные

образцы паллетов представлены на рис. 1.18.

Паллеты изготавливаются обычно из дерева; упаковки закрепляются Пятаковыми ремнями,

растягивающейся или стягивающейся пленкой и т.п. Из-за экономии пространства упаковочные модули все

больше используются вплоть до розничной торговли. В супермаркетах товары де-