WYDZIAŁ NAUKI O ŻYWNOŚCI KATEDRA MLECZARSTWA I ZARZĄDZANIA JAKOŚCIĄ ĆWICZENIE 1: OPAKOWANIA METALOWE Przewodnik metodyczny do ćwiczeń z przedmiotu Opakowalnictwo produktów mleczarskich Studia stacjonarne Rok III Dr inż. Marek Juśkiewicz 1
WPROWADZENIE Do produkcji opakowań metalowych stosowane są metale i ich stopy w postaci blachy lub folii. Do podstawowych zalet opakowań metalowych zaliczyć należy ich dużą wytrzymałość mechaniczną, odporność na działanie wysokich i niskich temperatur, a jednocześnie dobrą przewodność cieplną, możliwość hermetycznego zamknięcia, łatwość formowania i znakowania, niepalność oraz przydatność do ponownego przetwórstwa. Metale jednak ulegają korozji, co bardzo skraca trwałość i okres użytkowania wyprodukowanych z nich opakowań. Istnieje również niebezpieczeństwo migracji jonów metali z opakowania do produktu spożywczego, co niekorzystnie wpływa na jego jakość np. rozkład witamin, degradacja antocyjanów itp. Przeciwdziałając temu stosuje się zabiegi zabezpieczające opakowania metalowe przed korozją takie jak: metalizowanie (cynowanie, cynkowanie, chromowanie), malowanie farbami, pokrywanie powłoką lakierową oraz stosowanie inhibitorów korozji (np. fosfatyzacja). Należy przy tym zaznaczyć, że każda metalowa powierzchnia opakowaniowa powinna być pokryta lakierem, dzięki czemu przedłuża się dopuszczalny czas przechowywania produktów spożywczych w opakowaniach metalowych. Lakierowanie odbywa przez powlekanie rozpyłowe lub za pomocą walców, bądź metodą zanurzeniową. Wewnętrzne powłoki lakierowe mają za zadanie izolować produkt przed kontaktem z metalami podłoża, przez co wpływają pośrednio na zachowanie jakości tego produktu. Równocześnie powłoki lakierowe nie mogą oddziaływać ujemnie na produkt, czego wynikiem mogłaby być niedopuszczalna wielkość migracji ich składników do zawartości opakowania. Do produkcji opakowań metalowych stosuje się: b l a c h ę c z a r n ą - tj. wyżarzaną blachę stalową niepokrytą, bardzo łatwo ulegającą korozji. W opakowalnictwie produktów spożywczych niekonserwowanych, o krótkim okresie przechowywania, stosuje się blachy czarne cienkie o grubości do 4,5 mm; b l a c h ę b i a ł ą - tj. blachę stalową (czarną) pokrytą obustronnie warstwą cyny metodą ogniową (rzadko) lub elektrolityczną. Jest najczęściej stosowanym materiałem do produkcji opakowań metalowych, w tym do wyrobu puszek konserwowych. Produkuje się blachy białe w różnych stopniach twardości rdzenia stalowego, różnych grubościach i gramaturach powłoki cynowej oraz rodzajach wykończenia powierzchni. Blacha biała, stosowana w opakowalnictwie, ma 2
zazwyczaj: grubość 0,22-0,32 mm, gramaturę powłoki cynowej 5,6 g/m 2 (obustronnie) i warstwę lakieru 3-7 g/m 2 (jednostronnie). Obecnie coraz częściej stosuje się blachy ocynowane nowej generacji tj. blachy dwukrotnie walcowane, o obniżonej grubości (0,14-0,18 mm) i o mniejszej gramaturze cyny (poniżej 1 g/m 2 ) - tzw. blachy niskocynowane LTS (Light Tin Steel), blachy o różnej grubości powłoki cynowej po stronie wewnętrznej i zewnętrznej oraz zawierające nikiel jako składnik powłoki ochronnej, co zwiększa ich odporność na korozję (np. blacha Riverwelt); b l a c h ę c h r o m o w a n ą - otrzymywana przez pokrycie powierzchni blachy czarnej związkami chromu metodą ogniową, elektrolityczną lub rozpyłową. W wielu krajach blacha chromowana jest rozpowszechniona pod nazwą Cansuper i produkowana jest w trzech odmianach: z połyskiem, matowa i chropowata. Blachy stalowe chromowane są znane również pod nazwą blach bezcynowych (TFS Tin Free Steel) i stanowią jedno z rozwiązań umożliwiających wyeliminowanie kosztownej i deficytowej cyny z produkcji blach opakowaniowych. Podstawowymi zaletami blachy chromowanej jest odporność na ścieranie i na związki siarki oraz doskonała, lepsza niż w blachach białych, przyczepność do lakierów. Do wad tych blach zaliczyć należy twardość, niemożność lutowania i nieodporność na kwasy. Stosowane są najczęściej do produkcji płytkich puszek wytłaczanych, wieczek do puszek oraz puszek zgrzewanych; b l a c h ę o c y n k o w a n ą - otrzymywaną z oczyszczonej blachy czarnej przez ocynkowanie. Ze względu na to, że ciecze zawierające dwutlenek węgla lub kwasy, rozpuszczają powłokę cynkową tworząc trujące związki cynku, zastosowanie tych blach w opakowalnictwie produktów spożywczych jest ograniczone; b l a c h ę a l u m i n i o w ą - tj. blachę otrzymywaną z czystego aluminium lub jego stopów, najczęściej magnezowych i manganowo-magnezowych. Jest drugim, po blachach białych, podstawowym metalowym materiałem w produkcji opakowań dla przemysłu spożywczego. Stosowane są do produkcji tub, płytkich puszek na przetwory rybne oraz puszek dwuczęściowych głęboko tłoczonych do napojów i łatwo otwieralnych wieczek. Główne zalety blachy aluminiowej to mała masa właściwa, mała podatność na korozję, dobra podatność na tłoczenie, całkowita obojętność wobec pakowanego produktu oraz wysoka barierowość. Stosuje się blachy aluminiowe o grubości 0,25-0,35 mm; 3
f o l i e m e t a l o w e, które otrzymuje się przez wielokrotne rozwalcowanie blach (najczęściej aluminium) do grubości poniżej 0,1 mm. Folie metalowe często uszlachetnia się poprzez lakierowanie, powlekanie tworzywem sztucznym lub laminowanie, czyli łączenie ich, za pomocą czynnika wiążącego, z innymi materiałami takimi jak papier, tworzywo sztuczne itp. Metalowe opakowania jednostkowe są przeznaczone przeważnie do pakowania produktów wymagających dłuższego przechowywania i stanowią na ogół opakowania jednorazowego użycia. Wśród jednostkowych opakowań metalowych stosowanych w przemyśle spożywczym wyróżniamy: - puszki - są to sztywne, hermetyczne opakowania o zamknięciu przystosowanym do jednorazowego otwarcia. Mogą mieć różny kształt (okrągłe, prostokątne, owalne, eliptyczne i nieregularne), pojemność i konstrukcję (trzyczęściowe - składane i dwuczęściowe - tłoczone). Puszki składane, ze względu na połączenie szwu pobocznicy mogą być zgrzewane, klejone lub lutowane. Wśród puszek tłoczonych wyróżnia się płytkie puszki dwuczęściowe produkowane przez zwykłe wytłaczanie, puszki wytwarzane metodą wytłaczania z przetłaczaniem (ang. Drawing and Redrawing - DRD) oraz puszki dwuczęściowe głęboko tłoczone metodą wytłaczania z wyciąganiem (ang. Drawing and Wall Ironing - DWI). Puszki produkowane są głównie z blach stalowych ocynowanych, chromowanych lub aluminiowych, przeważnie lakierowanych oraz z materiałów wielowarstwowych z folią aluminiową jako główną warstwą wewnętrzną. Są powszechnym opakowaniem do mleka zagęszczonego, konserw mięsnych, rybnych, owocowo-warzywnych itp., piwa, napojów gazowanych, pasztetów, dżemów, serów topionych itp. - tuby - są to opakowania o kształcie cylindrycznym zamykane z jednej strony gwintowaną zakrętką a z drugiej zagięciem pobocznicy, produkowane najczęściej z krążków aluminiowych przez wyciskanie na zimno i następnie wyżarzane w celu nadania im giętkości. Od wewnątrz tuby powlekane są lakierem elastycznym i odpornym na pakowany produkt. Stanowią powszechne opakowania mleka zagęszczonego słodzonego, sera topionego, past i przypraw spożywczych; - pudełka są to opakowania o różnych kształtach i pojemności. Mogą być tłoczone lub składane, najczęściej z blachy białej, chromowanej lub aluminiowej, zamykane wieczkiem i zabezpieczone często membraną z folii 4
aluminiowej. Stosowane są do pakowania wyrobów cukierniczych, herbaty, kakao, kawy itp. - tacki są to tzw. opakowania półsztywne, wykonane z folii aluminiowej o grubości 0,08-0,1 mm, o różnych kształtach i pojemności. Stosowane są do pakowania i przechowywania gotowych produktów garmażeryjnych i cukierniczych oraz dań zamrożonych; - owinięcia wykonywane są najczęściej z lakierowanej folii aluminiowej powlekanej i drukowanej o grubości 0,01-0,04 mm. Stosowane są głównie do bezpośredniego owijania serów topionych i wyrobów czekoladowych; - torebki produkowane są najczęściej z laminatów folii aluminiowej z papierem lub tworzywami sztucznymi. Stanowią powszechne opakowania koncentratów spożywczych, kawy, chipsów i konfekcji cukierniczej. Z materiałów metalowych wykonuje się znaczną część zamknięć do opakowań produktów spożywczych, w tym zakrywki kontaktowe (Twist Off) do słoi i nakrętki do butelek, kapsle do opakowań z tworzyw sztucznych i butelek szklanych oraz zamknięcia koronowe do butelek. Metalowe opakowania transportowe stosowane w przemyśle spożywczym to przede wszystkim konwie (bańki). Są to opakowania wielokrotnego użytku o pojemności 10-30 dm 3 i z zamknięciem grzybkowym lub dźwigniowym, stosowane powszechnie do transportu mleka i płynnych produktów mleczarskich. Konwie (bańki) produkowane są z blachy ocynowanej ogniowo lub blachy aluminiowej. Do transportu piwa stosowane są beczki z blachy aluminiowej oraz tzw. kegi specjalne pojemniki z kwasoodpornej blachy ocynowanej, wyposażone w uchwyty, otwór do napełniania i zawór dozujący. Blachy stalowe są ponadto podstawowym materiałem w produkcji kontenerów służących do przewożenia większych jednostek ładunkowych transportem morskim, drogowym, kolejowym lub lotniczym. 5
WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Pomiar grubości blachy Wykonanie: zmierzyć za pomocą śruby mikrometrycznej grubości badanych blach. Pomiarów dokonać dla każdej blachy przynajmniej w 3 miejscach, z dokładnością do 0,01 mm. Wyniki porównać z danymi literaturowymi. 2. Oznaczanie grubości powłoki lakierowej Wykonanie: próbkę badanej blachy o znanej powierzchni (np. 5-10 cm 2 ) dokładnie wymyć, osuszyć i zważyć z dokładnością do 10 mg. Następnie zanurzyć do mieszaniny 10% roztworu NaOH z glikolem etylenowym (1:1) (w zlewce) i ostrożnie ogrzewać w ciągu 1-2 godz (pod wyciągiem). Po rozpuszczeniu się powłoki lakierowanej, próbkę dokładnie wymyć, osuszyć i ponownie zważyć. Wynik wyrazić w g lakieru na 1 m 2 powierzchni badanej blachy. Uzyskane wyniki porównać z danymi w literaturze. 3. Oznaczanie porowatości powłoki cynowej Porowatość powłoki cynowej można oznaczyć metodą polegającą na barwnej reakcji żelaza odsłoniętego w miejscach por, z żelazicyjankiem potasu: 2K 3 [Fe(CN 6 )] + 3 Fe 3+ Fe 3 [Fe(CN 6 )] 2 + 6K + Tworzy się żelazicyjanek żelazawy (tzw. błękit Turnbulla). W wypadku blachy lakierowanej jakość powłoki cynowej można badać dopiero po usunięciu powłoki lakierowej np. w gorącym roztworze NaOH. Wykonanie: na pozbawioną powłoki lakierowej (jak w pkt. 2) oraz odtłuszczoną spirytusem i eterem próbkę badanej blachy o znanej powierzchni (5-10 cm 2 ) nałożyć bibułę nasyconą 1% roztworem K 3 [Fe(CN) 6 ] z dodatkiem 0,5% NaCl. Po około 1 godzinie na bibule w miejscach por występują niebieskie punkciki. Obliczyć ile punkcików przypada na 1 cm 2 powierzchni badanej blachy. Interpretacja wyników: - blacha normalna, tzn. słabo porowata: 1-3 por / cm 2 - blacha średnio porowata: 4-12 por / cm 2 - blacha silnie porowata: ponad 12 por / cm 2. 4. Oznaczanie grubości powłoki cynowej Grubość powłoki cynowej, czyli ogólną ilość cyny na obu stronach powierzchni blachy białej (g/m 2 ) oznacza się na podstawie różnicy masy przed i po usunięciu pobiały z próbki o znanej powierzchni. Do rozpuszczenia cyny używa się mieszaniny 6
kwasu solnego ze środkiem utleniającym np. trójtlenkiem antymonu (metoda Clarke a): 3Sn + 2SbCl 3 3SnCl 2 + 2Sb lub ołowianu sodu (metoda Kohmana-Sandborna): Sn + Na 2 PbO 2 Na 2 SnO 2 + Pb Wykonanie: odtłuszczony spirytusem i eterem kawałek blachy o znanej powierzchni (5-10 cm 2 ) zważyć z dokładnością do 10 mg. Zanurzyć próbkę na okres 1 minuty w roztworze otrzymanym przez rozpuszczenie na płytce Petriego 1 g trichlorotlenku antymonu w 10 ml wody destylowanej. Do każdego badania należy użyć świeżo przygotowanego roztworu. Mieszać przez około 1 minutę, po czym próbkę wyjąć i zmyć zimną wodą luźno osadzony osad. Następnie próbkę osuszyć i zważyć. Z różnicy mas obliczyć ilość cyny w pobiele wyrażając wynik w g cyny na 1 m 2 badanej blachy. Wyciągnąć wnioski dotyczące rodzaju badanej blachy i metody jaką była cynowana. 5. Obliczanie stosunku masy opakowania (tara) do masy produktu (netto) Wykonanie: zważyć opakowania wraz z wieczkiem: puste (tara) i po napełnieniu wodą o temp. 20 o C (brutto). Obliczyć dla każdej stosunek masy opakowania (tara) do masy wody (masa produktu netto). LITERATURA Chuchlowa J., J. Dąbrowski, J. Matuszewski. 1978. Ćwiczenia z opakowań i materiałów pomocniczych. Skrypty SGGW AR Warszawa. Chuchlowa J. 1996. Materiały pomocnicze i dodatki do żywności. WSiP Warszawa. Cichoń M. 1996.Opakowania w towaroznawstwie, marketingu i ekologii. Ossolineum Wrocław - Warszawa - Kraków. Frączek J. 2001. Blachy ocynowane stosowane do produkcji puszek konserwowych. Opakowanie, 3: 10-12 Górecki W. 1989. Wybrane kierunki i technologie rozwoju produkcji blachy ocynowanej. Opakowanie, 3: 17-20. Jakowski S. 2008. Jakość i zużycie opakowań metalowych. Opakowanie, 4: 20-21 Juśkiewicz M., H.Panfil-Kuncewicz. 1999. Materiały opakowaniowe i opakowania stosowane w przemyśle spożywczym. Wydawnictwo ART Olsztyn. Kolek Z., J. Kolek. 1991. Właściwości ochronne powłok lakierowych jako wskaźnik niezawodności opakowań metalowych. Opakowanie, 1: 19-20. Opakowania żywności. Pod redakcją B.Czerniawskiego, J.Michniewicza. 1998. Agro Food Technology. Czeladź. Panfil-Kuncewicz H., A. Kuncewicz, M. Juśkiewicz. 2012. Wybrane zagadnienia z opakowalnictwa żywności. Wydawnictwo UWM w Olsztynie Poradnik inżyniera opakowaniowca. 1987. Stowarzyszenie Naukowo-techniczne Inżynierów i techników Przemysłu Spożywczego. Warszawa. 7