An extensive theoretical and experimental study of sustainable biopolymer food packaging : multi-layered food trays

Food packaging materials and bioplastics used as packaging industry are discussed in this study. It will be carried out the step-by-step processes of selecting materials and preparing composites with the goal of studying and developing eco-sustainable composite materials based on starch-based compostable matrix, water-soluble matrix based on polyvinyl alcohol, supplied by NextMaterials, and various types of cellulosic fillers to be added to the matrices mentioned in percentages between 30 and 60%, supplied by NextMaterials Lab of Politecnico Di Milano. It provides an overview of the key materials used to make biobased food trays, as well as their limitations, solutions, potential applications, and a state-of-the-art on bioplastics that have already been utilized in food packaging. In addition, as part of a research study, many composites were prepared and studied. Important packaging material features are described, which demonstrates a wide range (e.g., permeability, tensile qualities), implying the applicational importance in food packaging. Biopolymers are the most suitable material for this purpose due to their biodegradability and long shelf-life features such as resistance to chemical and enzymatic processes. Because petroleum-based plastics are non-renewable and have a waste disposal problem, a newer concept of using bioplastics has emerged. Bioplastics are made from renewable resources, such as agro/food sources, and ingredients such as starch, cellulose, protein, and others that are commonly used in packaging materials and are regarded safe for use in food applications. Compostable or degradable bioplastics generated from renewable sources are hydrolyzed into CO2, CH4, inorganic compounds, or biomass by the enzymatic action of microorganisms. The benefits of bio-origin materials such as starch and cellulose derived from microbial fermentations have led to their widespread use in food packaging in recent years. When it comes to one-time usage or short-duration packaging, biodegradable packaging materials are ideal. The basic purpose of biodegradables, like any other packaging material, is to protect the contents from the environment and retain their quality over time. They're commonly used to package low-shelf-life items like cupcakes, chocolates cover and food serving trays, as well as high-shelf-life items like pasta and chips that don't require very high oxygen and/or water barrier qualities. Bioplastics can be easily combined with other biopolymers and nanofillers to improve mechanical capabilities and water barrier properties which are also discussed and studied. With advancements in bio-based packaging, the reliance on finite petroleum resources has been lessened. The thesis will consist of various activities. Bibliographic examination of eco-sustainable, Study of the main current applications and innovative applications of these materials. Experimental activity of extrusion, granulation and of mechanical characterization of the materials previously described. Although applications and process suggestions to industrialize biopolymer food packaging are made based on the results of the experimental thesis further studies and prototypes are needed to progress further.

In questo studio vengono discussi i materiali per l'imballaggio alimentare e le bioplastiche utilizzate nell'industria degli imballaggi. Verranno svolti i processi step by step di selezione dei materiali e preparazione dei compositi con l'obiettivo di studiare e sviluppare materiali compositi ecosostenibili a base di matrice compostabile a base di amido, matrice idrosolubile a base di alcol polivinilico, forniti da NextMaterials , e vari tipi di filler cellulosici da aggiungere alle matrici citate in percentuali comprese tra il 30 e il 60%, fornite da NextMaterials Lab del Politecnico di Milano. Fornisce una panoramica dei materiali chiave utilizzati per realizzare vassoi per alimenti a base biologica, nonché i loro limiti, soluzioni, potenziali applicazioni e uno stato dell'arte sulle bioplastiche che sono già state utilizzate negli imballaggi alimentari. Inoltre, nell'ambito di uno studio di ricerca, sono stati preparati e studiati molti compositi. Vengono descritte importanti caratteristiche del materiale di imballaggio, che dimostra un'ampia gamma (ad esempio, permeabilità, qualità di trazione), implicando l'importanza applicativa nel confezionamento alimentare. I biopolimeri sono il materiale più adatto a questo scopo per le loro caratteristiche di biodegradabilità e lunga durata come la resistenza ai processi chimici ed enzimatici. Poiché le plastiche a base di petrolio non sono rinnovabili e presentano un problema di smaltimento dei rifiuti, è emerso un nuovo concetto di utilizzo delle bioplastiche. Le bioplastiche sono prodotte da risorse rinnovabili, come fonti agroalimentari, e ingredienti come amido, cellulosa, proteine e altri che sono comunemente usati nei materiali di imballaggio e sono considerati sicuri per l'uso nelle applicazioni alimentari. Le bioplastiche compostabili o degradabili generate da fonti rinnovabili vengono idrolizzate in CO2, CH4, composti inorganici o biomassa dall'azione enzimatica dei microrganismi. I vantaggi dei materiali di origine biologica come l'amido e la cellulosa derivati da fermentazioni microbiche hanno portato negli ultimi anni al loro diffuso utilizzo negli imballaggi alimentari. Quando si tratta di imballaggi monouso o di breve durata, i materiali di imballaggio biodegradabili sono l'ideale. Lo scopo fondamentale dei biodegradabili, come qualsiasi altro materiale da imballaggio, è quello di proteggere il contenuto dall'ambiente e conservarne la qualità nel tempo. Sono comunemente usati per confezionare articoli a bassa conservabilità come cupcakes, coperture per cioccolatini e vassoi per il cibo, nonché articoli ad alta conservabilità come pasta e patatine che non richiedono ossigeno e/o qualità di barriera all'acqua molto elevate. Le bioplastiche possono essere facilmente combinate con altri biopolimeri e nanoriempitivi per migliorare le capacità meccaniche e le proprietà di barriera all'acqua, anch'esse discusse e studiate. Con i progressi negli imballaggi a base biologica, la dipendenza dalle risorse petrolifere limitate è stata ridotta. La tesi si articolerà in diverse attività. Esame bibliografico dell'ecosostenibile, Studio delle principali applicazioni attuali e innovative di questi materiali. Attività sperimentale di estrusione, granulazione e di caratterizzazione meccanica dei materiali precedentemente descritti. Sebbene le applicazioni e i suggerimenti di processo per industrializzare gli imballaggi alimentari in biopolimeri siano realizzati sulla base dei risultati della tesi sperimentale, sono necessari ulteriori studi e prototipi per progredire ulteriormente.