Assessment of different innovative packaging strategies to maintain the quality of fresh produce

Abstract

The objective of this thesis was to assess the influence of different innovative packaging strategies on typical quality parameters of fresh produce and thus to keep and even improve the resource efficiency in food supply chains. First, the status quo and current practical use of bio-based polymers were analyzed; in terms of fundamental packaging functions and industrial applicability. Additionally, plant extracts as active packaging agents (capable of prolonging the food shelf life) were considered, and the adoption potential of packaging based on polymers from renewable resources was discussed from a bioeconomic perspective. The practical trials comprised studies to analyze the impact of innovative packaging strategies on quality changes of fresh cherry tomatoes as well as emulsion-type sausage. The use of both bio-based materials and fossil-based materials (multi-layers with reduced material thickness and a recyclable mono-layer) was assessed. Next, product-specific quality parameters and general packaging characteristics were investigated. Furthermore, the antimicrobial activity of coatings under development, containing a mineral binder based on liquid potassium silicate, non-conserved acrylate polymers, and non-conserved styrene-acrylate polymers, was analyzed. <br> Literature research showed that numerous (bio-based) materials are under development that provide significant opportunities to current fossil-based packaging in terms of sustainability and biocompatibility. Nevertheless, their use in industrial applications is often restricted due to various factors, such as poor commercial availability, insufficient material properties, high costs, and lower performance in fundamental packaging functions, which negatively impact shelf life, and thus the amount of food waste. The conducted product studies with tomatoes showed that the moisture absorption of the materials in particular had an influence on quality changes. Groundwood pulp and sugar cane showed promising preserving characteristics of fresh cherry tomatoes and pointed to the advantages of using this kind of bio-based packaging material, even from an economical and sustainable perspective. The product studies with emulsion-type sausage showed that sufficient barrier properties of both under and upper foil are crucial in keeping product quality during storage. So far, the practical implementation of fossil-based multi-layers with reduced material thickness and recyclable mono-layers is still challenging and remains highly case-dependent and may represent a promising alternative for replacing conventionally used multi-layer packaging. The analyzed organic coatings showed high antimicrobial activity against several microorganisms. These findings underline the potential of these coatings as a new antimicrobial material for different applications, such as antimicrobial packaging and antimicrobial food contact surfaces, to increase the safety and quality of perishable products and reduce waste.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss verschiedener innovativer Verpackungsstrategien auf die Qualität von Frischprodukten zu bewerten und damit die Ressourceneffizienz in Lebensmittel Supply Chains zu verbessern. Zunächst wurde der Status quo zu Verpackungsmaterialien aus biobasierten Polymeren und deren aktuelle industrielle Nutzung im Hinblick auf grundlegende Verpackungsfunktionen analysiert. Zudem wurden Pflanzenextrakte als aktive Additive von Verpackungen, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern können, betrachtet und das Adaptionspotenzial von Verpackungen auf Basis von Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen aus bioökonomischer Sicht diskutiert. In (Produkt-)Studien wurde der Einfluss innovativer Verpackungsmaterialien auf Qualitätsveränderungen von frischen Kirschtomaten sowie Brühwurst untersucht. Dabei wurde der Einsatz von biobasierten Verpackungsmaterialien und fossilbasierten Multilayern mit reduzierter Materialstärke und recyclefähigen Monofolien bewertet. Neben produktspezifischen Qualitätsparametern wurden allgemeine Verpackungseigenschaften bestimmt. Des Weiteren wurden sich in der Entwicklung befindliche antimikrobiell wirksame Beschichtungen auf Basis einer Wasserglas-Mischung als mineralischem Bindemittel, nicht konservierte Acrylate und Styrol-Acrylate mit funktionalem mineralischem Füllstoff untersucht. <br> Aus der Literaturrecherche ging hervor, dass zahlreiche (biobasierte) Materialien in der Entwicklung sind, die derzeitigen fossilbasierten Verpackungen in Punkto Nachhaltigkeit und Biokompatibilität überlegen sind. Dennoch ist ihre industrielle Anwendung bisher unter anderem aufgrund mangelnder Verfügbarkeit, nicht ausreichender Werkstoffeigenschaften, hoher Kosten und verminderter Barriereeigenschaften, die sich negativ auf die Haltbarkeit und damit auf die Menge an Lebensmittelverlusten auswirken, oft limitiert. In den durchgeführten Produktstudien mit Tomaten zeigte sich, dass insbesondere die Feuchtigkeitsaufnahme der Materialien einen Einfluss auf die Qualitätsveränderungen darstellte. Die Verwendung von Holzschliff und Zuckerrohr führte zu einem verzögerten Qualitätsverlust und wies zudem Vorteile in Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit auf. Aus den Produktstudien mit Brühwurst ging hervor, dass ausreichende Barriereeigenschaften sowohl der Unter- als auch Oberfolie entscheidend zum Erhalt der Produktqualität sind. Bisher ist der praktische Einsatz von fossilbasierten Multilayern mit reduzierter Materialstärke und recycelfähigen Monofolien noch herausfordernd und bedarf weiterer Entwicklungen. Abhängig vom Einsatzzweck stellen die genannten Materialien eine vielversprechende Alternative zum Einsatz herkömmlicher Verpackungsmaterialien dar. Die untersuchten organischen Beschichtungen zeigten eine hohe antimikrobielle Aktivität gegen verschiedene Mikroorganismen. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Beschichtungen für antimikrobielle Verpackungen und Oberflächen, um die Sicherheit und Qualität verderblicher Produkte zu erhöhen und Ausschüsse zu reduzieren.