食品包装

ビニール袋に入ったニンジンの調整雰囲気テスト

食品包装は食品専用に設計された包装システムであり、化学的、生物学的、物理的変化から食品を保護するため、食品産業に関わるプロセスの中で最も重要な側面の1つを占めています。[1]食品包装の主な目的は、消費者と業界の両方のニーズと期待に応えながら、食品を合理的なコストで保護および配送するための実用的な手段を提供することです。[1] [2]さらに、持続可能性、環境影響の削減、賞味期限の延長などの現在のトレンドは、包装システムを設計する上で徐々に最も重要な側面の1つになっています。[3]

歴史

食品の包装は、石器時代から産業革命に至るまで、技術の使用と応用において大きな変化を遂げてきました。

紀元前7000年: 陶器とガラスの導入。紀元前1500年頃から広く生産されるようになった。[4]

1700年代：ブリキ板の最初の製造は、イギリス（1699年）とフランス（1720年）で導入されました。その後、オランダ海軍は食品の保存期間を延長するために、ブリキ板の包装を使い始めました。[5]

1804年：ニコラ・アペールは、フランス軍の食糧の保存期間延長に関する調査に応えて、加熱殺菌処理を施したガラス瓶を採用した。後に、この用途ではガラスは金属缶に置き換えられた。[6]しかし、誰が最初に食品包装にブリキ板を導入したかについては議論があった。[5]

1870年：板紙の使用が開始され、段ボール材料が特許を取得しました。[7]

1880年代：クエーカーオーツ社が折りたたみ箱に詰めた最初のシリアルを発売。[8]

1890年代：ガラス瓶の王冠キャップがウィリアム・ペインターによって特許取得された。[9]

1950 年代:バッグインボックスシステムは、アメリカの化学者ウィリアム R. ショールによって発明されました。当初は酸性液体用でしたが、すぐに食品液体にも使用されるようになりました。

1960年代：米国で2ピース引き抜き成形と壁アイロン成形の金属缶が開発され、リングプルオープナーとテトラブリックアセプティックカートンパッケージも登場。[10]

1970年代：小売業と製造業にバーコードシステムが導入されました。飲料業界で広く使用されているPETプラスチックブロー成形ボトル技術が導入されました。[11]

1990年代: 食品パッケージへのデジタル印刷の応用が広く採用されるようになりました。

プラスチック包装は、その製造に使用される材料（硝酸セルロース、スチレン、塩化ビニルなど）が1800年代に発見されたにもかかわらず、第二次世界大戦中に初めて使用されました。 [12]

機能

包装とパッケージのラベルにはいくつかの目的がある: [13] [14]

種類

包装デザインは、様々な種類の包装や容器に盛り込まれた機能や、食品とその機能によって大きく異なります。例えば、次のようなものがあります。[16]

パッケージタイプ食品材料
無菌包装主要な液状の全卵または乳製品ポリマー、多層包装
トレイ主要な魚、肉、果物、野菜、お菓子、インスタント食品ポリマー、段ボール、バイオポリマー
バッグ主要なポテトチップス、リンゴ、ドライフルーツ、米、スナック菓子金属化ポリマー、ポリマー、多層包装
缶主要なトマトスープ缶、豆、マイス、サーモン、ツナ、エビアルミニウム、スズ、ステンレス鋼
カートン主要な卵、牛乳、フルーツジュースのカートン多層包装、コート紙
フレキシブル包装主要な袋入りサラダ、ポテトチップス、お菓子、キャンディーポリマー、バイオポリマー
ボックス二次シリアルの箱、冷凍ピザ段ボール
パレット第三紀製造工場から配送センターまで輸送するために使用される、1つのパレット上の一連の箱段ボール、木製パレット
ラッパー第三紀輸送のためにパレット上の箱を包むのに使用しますポリマー、多層包装

ほとんどすべての食品は何らかの方法で包装されているため、食品包装は基本的かつ広範囲に及んでいます。[17]さらに、ブランドの創造と標準化を可能にすることで、効果的な広告、広範な流通、そして大量販売を実現する機会を提供します。[17]したがって、包装の様々な種類（またはレベル）を区別する必要があります。

一次包装

一次包装は食品と直接接触し、食品にとって理想的なヘッドスペースを確保しながら、外部からの変化から保護します。さらに、一次包装は小売包装または消費者向け包装とも呼ばれ、食品包装のマーケティング面を担っています。[5]一次包装で使用される包装材料としては、通常、段ボール箱、プラスチックトレイ、ガラス瓶、多層構造（テトラパック）などがあります。

二次包装

二次包装は、複数の一次包装を1つの箱にまとめたもので、通常は段ボールで作られています。二次包装は一次包装の物理的な輸送キャリアであり、輸送中の取り扱いを容易にします。場合によっては、小売店やスーパーマーケットで生活必需品の陳列に補助として使用されることもあります。[5]

三次包装

最も外側の包装は三次包装と呼ばれ、一次包装と二次包装の両方を安全に一括して取り扱い、保管、配送することを容易にします。これにより、製品の保護が強化されるとともに、大量の材料を輸送する容易さも確保されます。最も一般的な三次包装は、段ボール箱をパレットに巻き付けたものです。[18]

包装機械

包装機械の選択には、少なくとも技術的能力、労働要件、労働者の安全性、保守性、保守性、信頼性、包装ラインへの統合性、資本コスト、床面積、柔軟性（段取り替え、材料など）、エネルギー使用量、出荷パッケージの品質、資格（食品、医薬品など）、スループット、効率、生産性、人間工学を考慮する必要があります。[19]

包装機械には、一般的に次のような種類があります。

食品包装の削減

過剰な過剰包装は依然として一般的ですが、包装の削減や持続可能な包装は増加しています。その動機としては、政府の規制、消費者からの圧力、小売業者からの圧力、コスト管理などが挙げられます。包装の削減は、多くの場合、包装コストの削減につながります。英国では、英国市場調査局が実施した地方自治体協会の調査で、29種類の一般的な食品を購入する複数の販売店を比較したところ、小規模な地域小売業者や市場の業者は「大規模スーパーマーケットよりも包装の使用量が少なく、リサイクル可能な包装を多く生産している」ことがわかりました。[20]

最適なパッケージデザインチャート

過去数十年にわたり、消費者や政府からのより持続可能で環境に優しい包装デザインへの需要の高まりを受け、食品業界は包装の再設計や代替ソリューションの提案に取り組んできました。[21]しかし、全く新しい包装システムを設計する際には、いくつかの変数を考慮する必要があります。最適な包装設計チャートに示されているように、理想的な包装設計とは、特定の製品に求められる性能を提供するために、適切な材料を適切な量だけ使用することです。[22] [23] [24]

食品包装は、食品を保護し、安全に保ち、ひいては重大な食品ロスを防ぐために、しばしば必要不可欠であり、場合によっては不可欠です。しかしながら、今日の食品包装は、環境リスクと消費者の健康リスクの両方に深く関連しています。包装専門家がこの課題に対処できるよう、2017年に11の欧州パートナーによって、責任ある食品包装プラットフォーム（FitNESS Food Packaging）[25]が設立され、責任ある食品包装の設計に関する一般研修コースと詳細研修コースの両方を提供しています。[26]欧州連合のErasmus+プログラムの資金提供を受けて開発されたこのプラットフォームには、食品包装の製造と使用から、再利用、リサイクル、廃棄に至るまで、食品包装のあらゆる側面にわたって、多くの、時には矛盾する基準を最適化するための学習が含まれています。[26]

使用終了

  • プラスチック：使用期限切れのプラスチック包装材は、埋め立て、焼却、リサイクルといった代替手段が考えられます。しかし、不適切な廃棄や取り扱いはプラスチック廃棄物の増加につながり、様々な場面で環境汚染を引き起こす可能性があります。包装材は、ヨーロッパで生産されるプラスチック全体の40.5%を占め、食品産業において最大のセクターとなっています。[27]しかし、こうした廃棄物のリサイクル率は約35%と、極めて低い水準にあります。さらに、プラスチック包装材の20%以上がリサイクル工程に至っていないと推定されています。[28]
  • バイオプラスチック：生分解性ポリマーまたはバイオポリマーとも呼ばれ、通常、トウモロコシ、ジャガイモ、木材パルプ、サトウキビなどの再生可能な原料資源、および様々な種類の再生可能な天然資源から作られています。[29]バイオプラスチックの一般的な廃棄方法としては、堆肥化や環境分解が挙げられますが、これらは資源の損失とCO2排出につながります。また、完全な分解は、企業が提供できるような厳しい条件下でのみ達成可能です。さらに、一部のバイオプラスチックは、従来の化石燃料由来のプラスチックと同様に処理されており、不適切な分別を行うと、他の材料のリサイクルプロセスに有害な干渉を引き起こす可能性があります。[30]
  • 紙、板紙、段ボール：セルロース繊維を結合させて柔軟な構造を形成しています。これらの包装材は、小麦粉、米、パスタなどの乾燥食品の保存に理想的なソリューションとして長年使用されてきました。また、二次包装、三次包装としても使用されています。紙と段ボールはリサイクルのために別々に回収されることが多いですが、コーティング（プラスチックやアルミニウムなど）が施されている場合や、食品残渣による汚染がある場合は、リサイクルが困難になります。代替の廃棄方法としては、焼却や埋め立てがあります。理論的には、紙や板紙の包装は堆肥化可能ですが、この方法ではPFASなどの残留化学物質が環境に拡散する可能性があるため、潜在的なメリットは限定的です。[31]
  • 金属ベースの包装は高温に耐え、優れたガスバリア性、光バリア性、芳香バリア性を備えているため、幅広い用途において非常に競争力のあるソリューションとなっています。缶詰製造法の開発により、包装内での食品の直接保存が可能になりました。[32]有機コーティングであれ無機コーティングであれ、金属と食品の相互作用を軽減できる可能性があります。しかしながら、これらのコーティングに含まれる化学物質の多くが食品に移行することが判明しました。金属食品包装の廃棄代替品は、その用途によって異なります。例えば、缶と蓋は分解して複数回リサイクルすることができます。[33]
  • ガラス：食品や飲料の保存に使用されてきた無機包装材です。現在では、ソーダ灰、石灰石、金属などの原料から製造されるソーダ石灰ガラスが一般的に使用されています。ガラスの構造特性により、食品への混入リスクは非常に低くなっています。ガラスは化学的に非常に安定しており、丁寧に扱えば耐久性も優れています（壊れやすい性質のため）。[34]これらの特性により、この包装材は繰り返し使用に最適です。また、ガラスは品質特性を損なうことなく複数回リサイクルすることも可能です。[35]
  • 多層包装：食品・飲料業界では、様々な素材の多層構造の包装を一般的に多層包装またはマルチマテリアル包装と呼びます。多くの国では、食品用マルチマテリアル包装は焼却処分または埋め立て処分されるケースが一般的です。[36]しかしながら、飲料用カートンなどの繊維系マルチマテリアル包装の分別収集と効率的な選別プロセスの開発が積極的に進められている地域もあります。一方、アルミニウムとプラスチックバリアからなる多層包装は、現状では効率的なリサイクルが不可能であり、適切に廃棄するには化学処理が必要です。これらの点を考慮すると、食品包装用途において最先端技術であるにもかかわらず、多層包装は、その使用済み製品の処理において大きな課題を抱えていることは明らかです。[37]例外は、同一素材（または同一カテゴリー）の複数の層からなる多層包装です。このようなソリューションは、多くの場合、優れた性能を発揮すると同時に、リサイクルを容易にします。[38]

食品包装のリサイクル

食品包装は、多種多様なプラスチック、金属、紙、ガラスなどの材料から作られています。これらの製品のリサイクルは、文字通り再利用する行為とは異なります。リサイクルプロセスには、製品の収集、調達、加工、製造、販売を含む独自のアルゴリズムがあるからです。米国環境保護庁（EPA）によると、リサイクル率は着実に上昇しており、2018年には発生した包装・容器のリサイクル率は53.9%でした。[39]

ガラスおよび金属包装のリサイクル率は、地域のインフラ、収集方法、そして住民の関与によって大きく変動します。欧州連合（EU）では、ガラス包装の平均リサイクル率は約80%です。[40]一方、米国ではガラスのリサイクル率は約31%と低く、これは主に汚染と分別能力の不足が原因です。[41]金属包装、特にアルミニウムとスチールは、一般的にリサイクル効率に優れています。EUでは、アルミニウム製の飲料缶のリサイクル率は約76%です。[42]どちらの素材も、プラスチックや紙に比べてリサイクル率と品質に優れています。[43]

製品の品質と安全性は、パッケージの最も重要な責任です。しかしながら、包装と食品廃棄物に関連する汚染の増加により、パッケージをより持続可能な方法で設計、製造、消費、リサイクルすることへの需要が高まっています。世界全体の都市固形廃棄物（MSW）の30.3%を占めるMSWのうち、新しい製品にリサイクルされているのはわずか10.33%と推定されています。 [28]

しかし、包装のレベルや製造時に使用される材料によって、包装の寿命は全く異なる可能性があります。リサイクルプロセスが望ましい方法であるにもかかわらず、多くの複雑な問題が、持続可能性の低い結末につながる可能性があります。[27]

食品包装バリア

包装材料を通過するガス分子の透過性に関わる物理的プロセス

食品包装における重要な要件の一つは、包装システムのガス、水蒸気、香料化合物の透過に対するバリア性です。実際、製品と環境との化学的相互作用は、不適切な保存期間や腐敗現象の主な原因です。[52]したがって、ガス分子の透過によるガス交換の評価は、製品設計において非常に重要な側面です。

包装システムを通るガス分子の浸透は、3つの独立した現象、すなわち、分子の包装外表面への吸着、包装セクションを通る分子の拡散、および内部ヘッドスペースでの脱着からなる物理プロセスである。[53]定常状態を仮定すると、浸透に関係する物理プロセスは簡単な方程式でモデル化できる。[54]特に、透過分子の拡散は包装システムの両側の濃度差に依存し、これが駆動力として作用し、フィックの拡散の第1法則に従う拡散流束を生み出す。[5]

さらに、浸透剤と包装材料との間に化学的相互作用がないことや、拡散流が一方向にしか流れないことなど、他の仮定も必要である。[55]浸透剤分子の吸着/脱着プロセスは通常、バリア層を横切る部分圧力勾配に線形依存性を示し、定常輸送条件の仮定を維持し、浸透剤の最大溶解度よりも低い濃度を示し、それによってヘンリーの溶解度の法則に従う。[56]

透過物質の種類、バリア層の厚さ、包装フィルムのガスや蒸気に対する特定の透過性、包装の透過面積、温度、バリアの内側と外側の間の圧力または濃度勾配はすべて、システムの透過性に影響を及ぼす可能性があります。[57]

包装システムと外部環境との間で起こるガス交換は、食品の品質と安全性に重大な影響を及ぼします。ビタミンの酸化、過剰な微生物の増殖、包装食品の腐敗など、制御されていない物理化学的および生物学的プロセスは、包装内のヘッドスペース内の状態を悪化させ、結果として食品の保存期間を短縮する可能性があります。[17]したがって、包装システムは、過剰なガス交換を避け、選択された製品にとって理想的な状態を作り出すように設計する必要があります。[53]

食品の官能特性に影響を与える透過物質の中で、最も重要なのは酸素と水蒸気です。これらの透過物質は、食品の熟成、劣化、加水・脱水、微生物の増殖、ビタミンの酸化など、食品における様々な生化学的プロセスに影響を与えます。また、官能特性にも影響を与え、異臭、過度の重量減少、食感の変化、そして一般的に賞味期限の短縮を引き起こします。[50]

包装システムのバリア特性を定量化するには、通常、酸素透過率(OTR) と水蒸気透過率(WVTR) をそれぞれ測定して、酸素と水蒸気の透過性を評価します。

酸素バリア

酸素透過率測定のための透過セルのセットアップ

包装材を通過するガスの酸素透過率は、標準化された試験条件（23℃、1気圧の分圧差）を考慮した包装システムにおいて、単位透過面積および単位時間あたりに透過する酸素量として定義されます。これは、特定の材料のバリア性を推定するための有効なツールです。[58] OTRの測定は通常、 ASTM D 3985またはASTM F 1307に規定された定常法および等圧法によって行われ、これらの規格には、各種包装材のOTR測定のためのそれぞれ標準化されたプロトコルが含まれています。[54]

典型的な計測機器は、試験対象物質によって分離された 2 つの異なるチャンバーで構成された透過セルで構成されています。チャンバーの 1 つにはキャリア ガス (窒素など) が充填され、もう 1 つのチャンバーには酸素が充填されます。これにより、酸素がバリアの物質を透過するために必要な駆動力が生成されます。

水蒸気バリア

水蒸気透過率測定装置。水または乾燥剤を入れたステンレス製カップを使用する。

酸素バリア性と同時に、食品包装システムにおける水蒸気の透過性を最小限に抑え、過剰な水分含有量に関連する物理的・化学的変化を効果的に防止する必要があります。[57]材料の防湿性は、水蒸気透過率（WVTR）を測定することで評価できます。WVTRは、包装フィルムを通過する単位面積および単位時間あたりの水蒸気量として定義されます。[53]

WVTR測定は、OTRと同様に、ASTM E96（材料の水蒸気透過率の標準試験方法）に概説されている標準化試験の基準に準拠しています。このような試験に使用される基本的な機器は、不浸透性の試験皿（ステンレス製カップなど）と、標準仕様に従って温度と相対湿度（RH）を調整できる試験チャンバーです。

その他の蒸気

食品包装用途において、酸素と水蒸気は最も研究されている透過物質ですが、二酸化炭素（CO 2）や窒素（N 2）といった他のガスも食品の保存に大きな関連性があります。実際、N 2とCO 2は、食品の腐敗を軽減するために包装内のヘッドスペース内の適切な状態を確立するために、修正雰囲気包装（MAP）技術に利用されています。 [59]

食品包装における密封の役割

食品包装において、シーリングは食品の安全性、製品の保存性、そして包装の完全性を確保する上で重要な役割を果たします。シーリングは、パウチ、トレイ、フレキシブルフィルムなど、プラスチックまたは多層材料で作られた袋を密閉するために使用されます。食品業界でより多く採用されている技術としては、熱風、超音波、または誘導加熱を用いて熱を発生させるヒートシール、レーザーシール、コールドシールなどがあります。[60] [61]

これらのプロセスにより、酸素、湿気、光、微生物などの外的要因に対するバリアが確保され、汚染を防ぎ、製品の賞味期限を延ばすことができます。シールの品質は重要なパラメータであり、シールに欠陥があると官能特性が低下し、食品の安全性も損なわれる可能性があります。そのため、食品業界ではシールの完全性を評価するために国際的な品質管理基準を採用しています。 [62]

食品安全と公衆衛生

食品の安全性は、加工、[63]包装、保管、物流（コールドチェーンを含む）、販売、使用の各段階で維持することが重要です。適用される規制への準拠は必須です。米国食品医薬品局や米国農務省のように国固有のものもあれば、欧州食品安全機関のように地域固有のものもあります。世界食品安全イニシアチブなどの認証プログラムが使用されることもあります。食品包装の考慮事項には、危害分析重要管理点の使用、検証および妥当性確認プロトコル、適正製造規範、効果的な品質管理システムの使用、追跡システム、ラベルの内容要件などがあります。パッケージが食品と直接接触する場合は、特別な食品接触材料が使用されます。包装作業と食品によっては、包装機械に指定された毎日の洗浄手順が必要になることがよくあります。[64]

食品包装に使用される材料や化学物質の健康リスクは、慎重に管理される必要がある。[65] 発がん性物質、毒性化学物質、変異原性物質などは、食品との接触や食品への移行の可能性から排除する必要がある。[66] [67]さらに、消費者は、消費者の関心を引くために食品と全く同じ包装で販売されている特定の化学製品に注意する必要がある。それらの多くには果物の絵が描かれており、容器も食品のパッケージに似ている。しかし、子供や不注意な大人がそれらを摂取し、中毒を引き起こす可能性がある。[68]プラスチック容器からの マイクロプラスチックやナノ粒子は、ますます懸念されている。[69] [70]

製造業

包装ラインには様々な種類の機器が使用されるため、自動化システムの統合は困難な場合があります。[39]包装を含む食品生産のあらゆる側面は厳密に管理されており、規制要件が定められています。適正製造規範（GMP）を維持するには、均一性、清潔さ、その他の要件が必要です。

製品安全管理は不可欠です。包括的な品質管理システムを導入する必要があります。ハザード分析重要管理点（HACCP）は、その有効性が実証されている方法論の一つです。Sperber , William H.; Stier., Richard F. (2009年12月). 「HACCP50周年おめでとう：回顧と展望」FoodSafety誌. pp.  42– 46. 2015年1月11日閲覧. 検証と妥当性確認には、コンプライアンスのあらゆる側面に関する証拠書類の収集が含まれます。品質保証は、包装業務にとどまらず、配送やコールドチェーン管理にも及びます。

参照

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