Biodegradowalne naczynia i opakowania mają zastąpić plastik, jednak ich wpływ na żywność nadal wymaga dokładnych badań. Doktor inż. Karolina Brończyk z Wydziału Chemii UAM sprawdza, jakie substancje mogą przenikać z ekologicznych materiałów do żywności i czy pozostają one bezpieczne dla konsumentów. Z badaczką rozmawia Magda Ziółek.
Jednorazowe naczynia ekologiczne kojarzą się z bezpieczeństwem i troską o środowisko. Pani badania pokazują, że sytuacja jest znacznie bardziej złożona. Czy to panią zaskoczyło?
Może zacznę od tego, że do wyboru tej tematyki badań zainspirowała mnie unijna dyrektywa ograniczająca stosowanie jednorazowych tworzyw sztucznych. Była ona odpowiedzią na kryzys środowiskowy i problem nadmiernego wykorzystania ropopochodnych tworzyw sztucznych, szczególnie produktów jednorazowego użytku. W efekcie na rynku zaczęło pojawiać się coraz więcej alternatywnych materiałów spełniających ideę zrównoważonego rozwoju.
W swoich badaniach skupiłam się właśnie na takich wyrobach dopuszczonych do obrotu jako materiały do kontaktu z żywnością. Analizowałam nowe produkty, wprowadzane jako alternatywa dla tradycyjnych tworzyw sztucznych, a nie opakowania, które miały już wcześniej kontakt z żywnością.
Pierwszą rzeczą, która mnie zaskoczyła, była ogromna różnorodność tych materiałów. Nie były to wyłącznie surowce pochodzenia roślinnego, takie jak otręby pszenne, liście palmowe czy bambus, ale także materiały częściowo przetworzone: różnego rodzaju bioplastiki, m.in. polilaktyd czy szeroka gama materiałów skrobiowych. Dużym wyzwaniem badawczym okazało się więc uporządkowanie tej różnorodności oraz opracowanie odpowiednich metod analitycznych pozwalających ocenić zarówno bezpieczeństwo tych materiałów, jak i ich wpływ na jakość żywności.
Pani praca doktorska została wyróżniona m.in. ze względu na nowatorskie metody analityczne. Na czym polegała ich innowacyjność?
Nowatorstwo moich badań polegało przede wszystkim na połączeniu wielu metod analitycznych i statystycznych do kompleksowej oceny bezpieczeństwa nowoczesnych materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością.
Badania rozpoczęłam od analiz nieukierunkowanych, które pozwoliły określić, jakie związki najłatwiej migrują z materiałów do żywności i które z nich warto monitorować pod kątem bezpieczeństwa. Wykorzystałam do tego metody statystyczne, m.in. analizę głównych składowych oraz analizę hierarchiczną. Dzięki temu mogłam wytypować tzw. związki markerowe, charakterystyczne dla konkretnych materiałów.
W kolejnym etapie przeprowadziłam analizy ukierunkowane, w których wykorzystałam wiele różnych metod analitycznych, m.in. chromatografię gazową i wysokosprawną chromatografię cieczową w układzie z różnymi detektorami, olfaktometrię oraz spektrometrię mas. Umożliwiło to monitorowanie zanieczyszczeń pochodzenia organicznego i nieorganicznego na śladowym poziomie stężeń, które mogą być uwalniane z ekomateriałów do żywności i w konsekwencji obniżać jej jakość i profil sensoryczny. Do jednych z nich należą związki hormonalnie aktywne, takie jak związki z grupy bisfenoli i benzofenonów, a także pierwiastki potencjalnie toksyczne, m.in. kadm, ołów i glin. Szczególnie ważnymi markerami interakcji materiał – żywność są również związki karbonylowe, zwłaszcza formaldehyd – substancja powszechnie uznawana za rakotwórczą i mutagenną.
Badania migracji w układzie opakowanie – żywność prowadziłam z wykorzystaniem płynów modelowych imitujących różne typy żywności: neutralną, kwaśną, alkoholową, tłustą oraz mrożoną. Analizowałam także wpływ temperatury i podgrzewania, np. w kuchence mikrofalowej, na intensywność migracji substancji z materiałów do żywności. Istotnym elementem moich badań była również analiza lotnych związków wpływających na smak i zapach żywności serwowanej w nowoczesnych opakowaniach. Myślę, że właśnie to interdyscyplinarne podejście – łączące ocenę bezpieczeństwa nowoczesnych opakowań z analizą ich wpływu na właściwości sensoryczne żywności – zostało uznane za szczególnie nowatorskie i ważne dla poszerzenia wiedzy na temat współczesnych, zrównoważonych opakowań.
Skąd właściwie bierze się formaldehyd w materiałach uznawanych za ekologiczne i co wpływa na jego przenikanie do żywności?
Moje badania pokazały, że poszczególne surowce różnią się pod względem poziomu uwalniania formaldehydu, jednak w żadnym przypadku nie zostały przekroczone dopuszczalne limity migracji. Pod tym względem analizowane materiały można więc uznać za bezpieczne.
Różnice w poziomie migracji związków karbonylowych, w tym formaldehydu, wynikają przede wszystkim z rodzaju materiału oraz stopnia jego przetworzenia. W przypadku materiałów roślinnych formaldehyd może występować naturalnie jako metabolit wtórny roślin, powstający m.in. w odpowiedzi na stres środowiskowy, uszkodzenia mechaniczne czy działanie pasożytów.
Dodatkowym źródłem formaldehydu mogą być także powłoki ochronne stosowane podczas produkcji opakowań. Materiały roślinne często wymagają wzmocnienia lub utrwalenia odpowiedniego kształtu, dlatego wykorzystuje się różnego rodzaju substancje o charakterze polimerowym. Pod wpływem wysokiej temperatury mogą one ulegać degradacji termicznej, a jednym z produktów tego procesu jest właśnie niskocząsteczkowy formaldehyd.
Jeśli chodzi o czynniki wpływające na przenikanie formaldehydu do żywności, to oprócz rodzaju materiału można również wymienić rodzaj żywności: żywność kwaśna (np. zupy warzywne) może być bardziej zanieczyszczona związkami karbonylowymi niż żywność neutralna (np. wody mineralne niegazowane), co wynika z wpływu pH żywności na stabilność związków. Ponadto ważny jest także sposób obchodzenia się z żywnością, tzn. czas i temperatura kontaktu w układzie materiał – żywność, jak również właściwości fizykochemiczne substancji migrującej.
Pokazuje to, że migracja substancji z materiałów do żywności jest procesem złożonym, zależnym od wielu współdziałających czynników, które wpływają zarówno na dynamikę uwalniania związków, jak i skalę ich przenikania do żywności.
Czyli naczynie może początkowo mieścić się w dopuszczalnych limitach migracji formaldehydu, ale pod wpływem podgrzewania, np. w kuchence mikrofalowej, poziom uwalniania tego związku może wzrastać?
Tak, w przypadku materiałów deklarowanych przez producentów jako przeznaczone do stosowania w kuchenkach mikrofalowych moje badania wyraźnie pokazują, że na poziom migracji substancji wpływa wiele czynników. Znaczenie ma nie tylko czas podgrzewania, ale również długość przechowywania żywności, np. w warunkach chłodniczych. Poziom uwalnianych związków może różnić się po 12 godzinach przechowywania, po dobie czy po tygodniu. Oznacza to, że sposób i warunki użytkowania materiału mają istotny wpływ na ilość substancji przenikających do żywności.
zob. też Świat to pięknie działający mechanizm
A czy prawidłowo użytkowane naczynia ekologiczne mogą wpływać na smak i aromat przechowywanej lub podawanej w nich żywności?
Tak, zdecydowanie. Z perspektywy pracy analitycznej były to dla mnie jedne z najciekawszych badań. Realizowałam je we współpracy z Uniwersytetem Przyrodniczym w Poznaniu. Jak się okazało, tego typu analizy są bardzo praco- i czasochłonne, wymagają nie tylko doświadczenia, ale także dużej wrażliwości sensorycznej.
Ocena zapachu i smaku jest w pewnym stopniu subiektywna, ponieważ zależy m.in. od indywidualnej wrażliwości zmysłu węchu. Dlatego badania prowadziliśmy zarówno z wykorzystaniem klasycznych analiz sensorycznych, jak i metod instrumentalnych, m.in. chromatografii gazowej sprzężonej z olfaktometrią.
Zależało mi również na tym, aby badania miały praktyczny wymiar i odnosiły się do codziennych doświadczeń konsumentów. Najpierw analizowałam profile lotnych związków samych materiałów, np. papieru czy otrębów pszennych, aby sprawdzić, jakimi cechami sensorycznymi się charakteryzują. Następnie w badanych naczyniach zaparzałam kawę i herbatę, a po 30 minutach analizowałam, jakie związki przenikają do napojów i w jaki sposób wpływają na ich smak oraz aromat.
Wyniki pokazały, że materiały te mogą wyraźnie wpływać na właściwości sensoryczne żywności i napojów. Myślę, że wiele osób zna z codziennego doświadczenia sytuację, w której napój podawany w papierowym lub drewnianym opakowaniu ma wyczuwalne obce nuty zapachowe. Co ciekawe, w badaniach sensorycznych ta sama kawa podana w kubku papierowym była oceniana jako mniej aromatyczna niż podana w naczyniu szklanym.
Prawdopodobnie wynika to z właściwości samego materiału. Może on nie tylko uwalniać do napoju związki wpływające na jego smak i zapach, ale również pochłaniać część pożądanych aromatów. W praktyce oznacza to, że interakcje między materiałem a żywnością mogą zmieniać odbiór sensoryczny produktu. Warto zauważyć, że nie zawsze musi to mieć negatywny charakter. W części badań, np. podczas serwowania ryżu na talerzach wykonanych z otrębów pszennych, uczestnicy oceniali delikatne nuty zbożowe jako przyjemne i nadające produktowi większą wyrazistość. Niemniej jednak zdecydowanie częściej pojawiały się nuty określane jako drewniane, stęchłe, zielone czy trawiaste, które zaburzały pożądany smak i aromat żywności i napojów.
Po tym wszystkim, co usłyszałam, zastanawiam się, jakich opakowań używa pani na co dzień?
To pytanie rzeczywiście bardzo często pojawia się podczas konferencji czy rozmów po wykładach. Generalnie korzystam z produktów powszechnie dostępnych i używanych przez konsumentów. Z własnego doświadczenia wiem jednak, że szkło i porcelana należą do materiałów najbardziej obojętnych pod względem oddziaływania z żywnością oraz uwalniania różnych substancji. Myślę, że wiele osób dostrzega to również w codziennym życiu – choćby w przypadku wody przechowywanej w plastiku i w szkle, która często jest odbierana zupełnie inaczej pod względem smaku, mimo że pochodzi od tego samego producenta.
W tym miejscu należy wyraźnie podkreślić, że nie oznacza to, że materiały biodegradowalne czy nadające się do recyklingu należy całkowicie wykluczyć. Wręcz przeciwnie – będą one odgrywać coraz większą rolę, ponieważ wpisują się w założenia zrównoważonego rozwoju ze względu na konieczność ograniczania zużycia ropopochodnych tworzyw sztucznych. Tego procesu nie da się już zatrzymać i materiały alternatywne z pewnością pozostaną obecne również w sektorze związanym z żywnością.
Kluczowe jest jednak to, aby materiały wprowadzane na rynek były odpowiednio kontrolowane i badane pod kątem jakości, szczególnie jeśli mają kontakt z żywnością. Oczywiście istnieją już regulacje prawne określające wymagania dla tego typu produktów, jednak materiały pochodzenia roślinnego wymagają dodatkowej uwagi.
Jednym z ważniejszych wniosków płynących z moich badań jest to, że materiały takie jak bambus, liście palmowe czy otręby pszenne, mimo przetworzenia technologicznego, nadal pochodzą z roślin wzrastających w konkretnym środowisku. Jeśli rośliny rozwijały się na terenach zanieczyszczonych – w glebie, wodzie lub powietrzu zawierających szkodliwe substancje – mogą kumulować je w swoich tkankach.
Rośliny mają naturalną zdolność pochłaniania i magazynowania różnych zanieczyszczeń ze środowiska, co określa się mianem fitoremediacji. Część tych substancji może trafiać również do materiałów wykorzystywanych później do produkcji naczyń czy opakowań. Dlatego właśnie materiały roślinne wymagają szczególnie dokładnej kontroli i monitorowania pod kątem bezpieczeństwa.
Obecnie pracuje pani nad urządzeniem, które ma umożliwić szybką ocenę bezpieczeństwa takich naczyń czy opakowań. Na czym polega ten projekt?
W 2024 r. udało mi się uzyskać finansowanie Narodowego Centrum Nauki w konkursie PRELUDIUM, co uważam za jeden ze swoich większych sukcesów naukowych. W ramach projektu opracowujemy szybką metodę pozwalającą w precyzyjny sposób klasyfikować materiały przeznaczone do kontaktu z żywnością pod kątem ich bezpieczeństwa. Nie chodzi przy tym o prosty podział na materiały roślinne czy bioplastiki, ale raczej o ocenę, które z nich można uznać za bardziej bezpieczne, a które wymagają większej kontroli. W ramach projektu konstruujemy specjalne platformy wyposażone w czujniki elektrochemiczne, które mają umożliwić szybką ocenę badanych materiałów.
Jednym z największych wyzwań związanych z tego typu czujnikami jest tzw. czułość krzyżowa. Dla przykładu formaldehyd i acetaldehyd mają bardzo podobną budowę chemiczną. Zaawansowane metody chromatograficzne pozwalają precyzyjnie rozróżnić oba związki i określić ich stężenia, natomiast czujniki elektrochemiczne często reagują jednocześnie na kilka substancji o podobnej strukturze. Dlatego prowadzimy wieloetapowe procesy kalibracyjne, których celem jest zwiększenie precyzji działania czujników oraz dobranie takich układów pomiarowych, które najlepiej pozwolą różnicować materiały pod względem bezpieczeństwa. Do analizy dużych ilości danych pozyskiwanych z czujników w ujęciu czasowym zaczynamy wykorzystywać metody sztucznej inteligencji, w szczególności uczenia maszynowego.
Docelowo chcielibyśmy stworzyć niskokosztowe urządzenie umożliwiające przeprowadzenie oceny bezpieczeństwa opakowania lub naczynia na podstawie analizy danych pochodzących z czujników elektrochemicznych.
Projekt jest obecnie na etapie konstrukcji i testowania platform pomiarowych, ale nasz nadrzędny cel to uzupełnienie czasochłonnych metod instrumentalnych o szybkie metody przesiewowe. Przy tak dużej różnorodności materiałów dostępnych dziś na rynku tego typu rozwiązania stają się coraz bardziej potrzebne.