食品包装

食品包装は食品専用に設計された包装システムであり、食品産業に関わるプロセスの中で最も重要な側面の1つです。食品包装は、食品を化学的、生物学的、物理的な変化から保護します。^{[ 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を満たしながら、食品を保護し、妥当なコストで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、環境負荷の低減、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最も重要な側面のいくつかになりつつあります。^{[ 3 ]}

食品包装は、石器時代から産業革命に至るまで、技術の利用と応用において大きな変革を遂げてきた。

紀元前7000年：陶器とガラスが採用され、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ばすためにこのような包装を使用し始めました。^{[ 5 ]}

1804年：ニコラ・アペールは、フランス軍の食料の保存期間を延ばすための問い合わせに応え、熱殺菌を施したガラス瓶を採用した。この用途では後にガラスは金属缶に置き換えられた。^{[ 6 ]}しかし、誰が最初にブリキを食品包装に導入したかについては議論がある。^{[ 5 ]}

1870年：板紙の使用が開始され、段ボール材料の特許が取得された。^{[ 7 ]}

1880年代：クエーカーオーツ社が初めて折りたたみ式の箱にシリアルを包装した。^{[ 8 ]}

1890年代：ガラス瓶用の王冠キャップはウィリアム・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方式は、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た。当初は酸性液体用であったが、すぐに食品用液体にも使用されるようになった。

1960年代：米国で、リングプル式オープナーとテトラブリック無菌カートンパッケージとともに、2ピースの引き抜き成形と壁面アイロン加工の金属缶が開発された。^{[ 10 ]}

1970年代：小売業や製造業にバーコードシステムが導入された。飲料業界で広く使われているPETプラスチックブロー成形ボトル技術が導入された。^{[ 11 ]}

1990年代：食品包装へのデジタル印刷の応用が広く普及した。

プラスチック包装は第二次世界大戦中に初めて使用されたが、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）は1800年代に発見されていた。^{[ 12 ]}

パッケージとパッケージのラベルにはいくつかの目的があります: ^{[ 13 ] [ 14 ]}

• 物理的保護 - パッケージ内の食品は、衝撃、振動、圧縮、温度、細菌などから保護する必要がある場合があります。
• バリア保護 ―酸素、水蒸気、塵埃などからのバリアがしばしば必要とされます。透過性は設計において重要な要素です。内容物を清潔で新鮮、かつ安全な状態で、定められた賞味期限内に保管することが主な機能です。一部の食品包装では、改質雰囲気または制御雰囲気が維持されています。賞味期限を延ばすために、乾燥剤、酸素吸収剤、またはエチレン吸収剤を含む包装もあります。
• 封じ込めまたは集約 ― 小さな物品は通常、効率的な取り扱いを可能にするために1つのパッケージにまとめられます。液体、粉末、および粒状物質は封じ込めが必要です。
• 情報伝達 ― パッケージやラベルには、パッケージや製品の使用方法、輸送方法、リサイクル方法、廃棄方法などが記載されています。一部の情報は政府によって義務付けられています。
• マーケティング - パッケージやラベルは、マーケターが潜在的な購入者に製品を購入するよう促すために使用できます。美しく魅力的な食品のプレゼンテーションは、人々に内容物を検討するよう促します。パッケージデザインは、数十年にわたり重要かつ絶えず進化している現象です。マーケティングコミュニケーションとグラフィックデザインは、パッケージの表面だけでなく、（多くの場合）販売時点のディスプレイにも適用されます。パッケージの色は、消費者に購入を促す感情を呼び起こす上で重要な役割を果たします。^{[ 15 ]}
• セキュリティ - パッケージは、出荷のセキュリティリスクを軽減する上で重要な役割を果たします。パッケージは、改ざん防止のために改ざん耐性を向上させて製造することができ、改ざんの兆候を示す機能も備えています。パッケージは、盗難のリスクを軽減するように設計できます。パッケージの構造によっては盗難に対する耐性が高く、盗難を示すシールが付いているものもあります。パッケージには、パッケージとその内容物が偽造品ではないことを示す認証シールが含まれている場合があります。パッケージには、染料パック、 RFIDタグ、電子商品監視タグなどの盗難防止装置が含まれている場合もあり、これらは出口にある機器によって作動または検出され、解除するには専用のツールが必要です。このようにパッケージを使用することは、小売業における損失防止の一手段となります。
• 利便性 - パッケージには、流通、取り扱い、積み重ね、陳列、販売、開封、再封、使用、再利用の利便性を高める機能があります。
• ポーションコントロール ― 個包装は内容量が正確に決まっているため、使用量を管理しやすい。塩などのバルク商品も、各家庭に適したサイズのパッケージに小分けできる。また、在庫管理にも役立つ。例えば、牛乳を1リットル入りの密封ボトルで販売すれば、消費者が各自でボトルを持参して詰め替える必要がなくなる。

パッケージデザインは、さまざまな種類のパッケージや容器に組み込まれる機能、および食品とその機能に応じて大きく異なる場合があります。例: ^{[ 16 ]}

ほぼすべての食品は何らかの形で包装されているため、食品包装は基本的かつ普及している。^{[ 17 ]}さらに、ブランドの創出と標準化を可能にすることで、大規模な広告、広範な流通、大量販売を実現する機会を提供する。^{[ 17 ]}したがって、さまざまなタイプ（またはレベル）の包装を区別する必要がある。

包装機械の選択には、少なくとも、技術的能力、労働要件、作業員の安全、保守性、サービス性、信頼性、包装ラインへの統合能力、設備投資コスト、設置面積、柔軟性（切り替え、材料など）、エネルギー使用量、出荷パッケージの品質、認証（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 ]}

包装機械は、一般的に以下の種類に分類されます。

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  KUKA社製産業用ロボットを使用したパンの自動パレタイザー
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  パン類のトレーをシュリンク包装する
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  新鮮な魚にスラリーアイスを注入する
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  バッグインボックス用充填機

包装の削減や持続可能な包装はますます一般的になってきているが、過剰な包装は依然として一般的である。その動機としては、政府の規制、消費者の圧力、小売業者の圧力、コスト管理などが挙げられる。包装の削減は、多くの場合、包装コストの削減につながる。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できるさまざまな販売店を比較したところ、小規模な地元の小売業者や市場の商人は、「大型スーパーマーケットよりも包装が少なく、リサイクル可能な包装が多い」ことがわかった。^{[ 20 ]}

ここ数十年、消費者や政府からのより持続可能で環境に優しい包装設計への需要の高まりにより、食品業界は包装設計を見直し、代替包装ソリューションを提案するようになりました。^{[ 21 ] [ 22 ]}しかし、まった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。最適な包装設計図に示されているように、理想的な包装設計では、特定の製品に必要な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必要があります。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

食品包装は、食品を保護し、安全に保ち、それによって大幅な食品ロスを防ぐために、しばしば必要不可欠である。しかし、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と強く関連付けられている。包装専門家がこの課題に対処できるよう、責任ある食品包装プラットフォーム（FitNESS Food Packaging）^{[ 26 ]}が2017年に11のヨーロッパのパートナーによって作成され、責任ある食品包装の設計に関する一般的なトレーニングコースと詳細なトレーニングコースの両方を提供している。^{[ 27 ]}欧州連合のErasmus+プログラムから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、時には矛盾する多くの基準を最適化する方法を学ぶことが含まれている。^{[ 27 ]}

• プラスチック：使用期限が過ぎたプラスチック包装の処分方法としては、埋め立て、焼却、リサイクルなどがあります。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割合を高め、さまざまな状況で環境を汚染する可能性があります。包装部門はヨーロッパで生産されるプラスチック全体の40.5%を占めており、食品産業で最大の部門となっています。^{[ 28 ]}しかし、このような廃棄物のリサイクル率は約35%と非常に低い水準にとどまっています。さらに、プラスチック包装の20%以上がリサイクル工程に至らないと推定されています。^{[ 29 ]}
• 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、通常はトウモロコシ、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、およびさまざまな種類の再生可能な天然資源から作られています。^{[ 30 ]}一般的な使用済み処理オプションには、バイオプラスチックの堆肥化または環境分解が含まれますが、これらは資源の損失と CO2 の発生につながります_。完全な分解は、企業がめったに提供しない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、従来の化石ベースの対応物と同様に処理されるため、不適切に分別されると、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。^{[ 31 ]}
• 紙、板紙、段ボールは、セルロース繊維を結合して柔軟な構造を形成したものです。これらの包装材料は、乾燥食品（小麦粉、米、パスタなど）の保存に最適なソリューションとして長い歴史を持ち、二次包装や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）や食品残渣による汚染がある場合は、いくつかの問題が生じます。使用済み後の代替処理方法としては、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、この方法では残留性化学物質（PFASなど）が環境中に拡散する可能性があり、潜在的な利点が制限されます。^{[ 32 ]}
• 金属ベースの包装は高温に耐えることができ、優れたガス、光、および香りのバリアを提供することができ、幅広い用途で非常に競争力のあるソリューションにつながります。缶詰法の開発により、包装内での食品の直接保存が可能になりました。^{[ 33 ]}有機または無機のコーティングは、金属と食品の相互作用を軽減する可能性があります。しかし、これらのコーティングに含まれる多くの化学物質が食品に移行することがわかっています。^{[ 34 ]}金属製食品包装の寿命後の代替手段は、その使用方法によって異なります。たとえば、缶と蓋は分解して複数回リサイクルできます。^{[ 35 ]}
• ガラス：食品や飲料の保存に使用されてきた無機質の包装材です。現在では、ソーダ灰、石灰石、金属などの原材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。ガラスの構造的特性により、食品への溶出リスクは非常に限定的です。ガラスは、その脆さゆえに注意深く扱えば、化学的に非常に安定しており耐久性があります。^{[ 36 ]}したがって、この包装材は、これらの特性により、繰り返し使用するのに理想的な候補です。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できます。^{[ 37 ]}
• 多層包装：食品および飲料業界では、さまざまな材料の多数の層で構成された包装は、一般的に多層包装または多素材包装と呼ばれます。多くの国では、多素材の食品包装は頻繁に焼却または埋め立て処分されています。^{[ 38 ]}それにもかかわらず、一部の地域では、飲料カートンなどの繊維ベースの多素材包装の分別回収と効率的な選別プロセスを積極的に開発しています。一方、アルミニウムとプラスチックバリアで構成された多層包装は、現状では効率的にリサイクルできず、適切に処分するためには化学処理を経る必要があります。これらの点を考慮すると、食品包装用途における最先端技術であるにもかかわらず、多層包装は、その使用終了を考慮すると大きな課題となることが明らかです。^{[ 39 ]}例外は、同じ材料の複数の層で構成された多層包装（または同じカテゴリーに属するもの）の場合です。このようなソリューションは、多くの場合、優れた性能を発揮し、同時にリサイクルも容易になります。^{[ 40 ]}

• 業界団体による数々の報告書は、スマート指標の利用が増加するという点で一致している。食品生産者、消費者、小売業者にとってそれぞれ異なるメリットを持つ、様々な指標が存在する。
• 温度記録計は、コールドチェーンで輸送される製品を監視し、コールドチェーンの検証に役立てるために使用されます。デジタル温度データロガーは、食品輸送の温度履歴を測定および記録します。インジケーターに温度が表示される場合や、その他の出力（ライトなど）を備えている場合があります。輸送からのデータは、（ケーブル、RFIDなどを使用して）コンピュータにダウンロードして、さらに分析することができます。これらは、製品の温度管理が不正に行われたかどうかを特定し、残りの賞味期限を判断するのに役立ちます。^{[ 46 ]}また、輸送中の極端な温度の時間を特定し、是正措置を講じるのにも役立ちます。
• 時間温度インジケーターは、インジケーターと隣接する食品が経験する時間と温度を統合します。色の変化をもたらす化学反応を利用するものもあれば、フィルター媒体を通過する染料の移動を利用するものもあります。インジケーターにおけるこれらの物理的変化が食品の劣化速度と一致する限り、インジケーターは食品の劣化の可能性を示すのに役立ちます。^{[ 47 ]}
• 食品包装には、サプライチェーン管理のために無線周波数識別（RFID）技術が用いられています。これにより、食品生産者や小売業者はサプライチェーン全体をリアルタイムで完全に把握できるようになり、大きなメリットが得られています。
• 使用されているプラ​​スチック包装は、食品との相互作用の可能性があるため、通常は生分解性ではありません。また、生分解性ポリマーは、適切に分解するために特別な堆肥化条件を必要とすることがよくあります。通常の密閉された埋立地条件では、生分解は促進されません。生分解性プラスチックには、有機材料や微生物ポリマーから合成された生分解性フィルムやコーティングが含まれます。包装材料の中には、食用可能なものもあります。たとえば、医薬品は、ゼラチン、デンプン、ジャガイモ、またはその他の材料で作られたカプセルに入っている場合があります。新しいバイオプラスチック、フィルム、製品が開発されています。^{[ 48 ]}
• 食品の保存期間を延長することを目的とした物質やシステムを含む食品包装材料の開発と生産が増加している。これには、二酸化炭素（CO2 _）放出剤、抗酸化剤（例えば、ブチルヒドロキシトルエン（BHT）、ブチルヒドロキシアニソール（BHA）、トコフェロール、ヒノキチオール） 、抗菌酵素（例えば、リゾチーム）、ポリマー（例えば、ε-ポリリジン、キトサン）、ナノ粒子（例えば、銀、銅、金、白金、二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、有機修飾ナノクレイ）、バクテリオシン（例えば、ニシン、ナタマイシン）、精油などが含まれる。^{[ 49 ] [ 50 ]}
• ここ数十年の間に、食品包装業界では、改質雰囲気包装（MAP）やこの技術のその他のバリエーションへの関心と応用が高まっています。包装ヘッドスペース内に特定のガス混合物を使用することで、食品の代謝プロセスを遅らせ、肉、魚、果物、野菜の保存期間を延ばすのに理想的であることが証明されています。^{[ 51 ]}
• 多層包装システムの設計は、その汎用性、加工性、および有効性から、食品包装用途における最先端技術として認識されています。各層は異なる材料で作ることができ、機械的特性の向上、化学的安定性、バリア特性、抗菌特性など、構造全体に重要な機能を提供します。しかし、このような複雑な構造を使用すると、リサイクル性が大幅に低下します（いくつかの例外を除く）。^{[ 39 ]}
• 近年、市販の包装材料（PET、PP、PLA段ボール、バイオポリマーなど）に保護コーティングを施すことは、食品廃棄物と包装廃棄物の両方による環境負荷の増加に対処するための潜在的な解決策となっている。^{[ 52 ]}
• バーコードは数十年にわたり、多くの製品の包装に使用されてきました。自動コーディングに使用される2次元バーコードは、製品が正しく包装され、日付が適切にコード化されていることを保証するために、食品包装にもますます広く適用されるようになっています。
• 粘性のある食品を容器から完全に排出または分注できるかどうかは、容器の内壁の表面エネルギーに多少依存します。超疎水性表面の使用は有効ですが、新しい潤滑剤含浸表面を使用することでさらに改善できます。^{[ 53 ]}

食品包装における重要な要件は、包装システムのガス、水蒸気、および香気成分の透過に対するバリア特性です。実際、製品と環境との間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。^{[ 54 ]}したがって、ガス分子の透過によるガス交換の評価は、製品設計において重要な側面です。

ガス分子が包装システムを透過する現象は、包装の外面への分子の吸着、包装の断面を通る分子の拡散、内部ヘッドスペースでの脱着という 3 つの独立した現象からなる物理プロセスです。^{[ 55 ]}定常状態を仮定すると、透過に関わる物理プロセスは単純な方程式でモデル化できます。^{[ 56 ]}特に、透過物質の分子の拡散は、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働き、フィックの第一法則に従う拡散流束を生み出します。^{[ 5 ]}

さらに、浸透物質と包装材料との間に化学的相互作用がないこと、拡散流が一方向にしか進まないことなど、他の仮定も必要となる。^{[ 57 ]}透過物質分子の吸着/脱着プロセスは通常、定常状態の輸送条件を仮定しつつ、浸透物質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一方で、バリア層を横切る分圧勾配に対して線形依存性を示す。^{[ 58 ]}

透過物質の種類、バリア層の厚さ、ガスや蒸気に対する包装フィルムの特定の透過性、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与える可能性があります。^{[ 59 ]}

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大きな影響を与えます。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、包装ヘッドスペース内の不適切な状態につながり、その結果、賞味期限が短くな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条件を作り出すように設計する必要があります。^{[ 55 ]}

食品の官能特性に影響を与える可能性のある透過物質の中で、酸素と水蒸気は最も重要なものです。これらの透過物質は、食品の熟成、劣化、水分/脱水、微生物の増殖、ビタミンの酸化など、食品中のいくつかの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、食感の変化を引き起こし、一般的に保存期間を短縮します。^{[ 52 ]}

包装システムのバリア特性を定量化するために、酸素透過率（OTR）と水蒸気透過率（WVTR）をそれぞれ測定することにより、酸素透過性と水蒸気透過性の両方が一般的に評価されます。

酸素バリア

包装材を介したガスの酸素透過率は、標準化された試験条件（23  °C および 1 atm. 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。^{[ 60 ]}これは、特定の材料のバリア特性を推定するための効果的なツールです。^{[ 61 ]} OTR の測定は通常、 ASTM D 3985 または ASTM F 1307に報告されている定常状態および等方性法によって行われ、それぞれ数種類の包装材の OTR 測定のための標準化されたプロトコルが含まれています。^{[ 56 ]}

典型的な測定装置は、試験対象材料によって隔てられた2つの独立したチャンバーからなる透過セルで構成されています。一方のチャンバーにはキャリアガス（例えば窒素）が充填され、もう一方のチャンバーには酸素が充填されることで、酸素がバリア材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

酸素バリア特性と同時に、食品包装システムを通る水蒸気の透過性を最小限に抑えることで、過剰な水分含有量に関連する物理的および化学的変化を効果的に防止する必要があります。^{[ 59 ]}材料の水分バリア特性は、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る水蒸気透過率（WVTR）を測定することによって評価できます。^{[ 62 ] [ 55 ]}

WVTRの測定は、OTRと同様に、ASTM E96（材料の水蒸気透過率の標準測定方法）に規定されている標準試験の基準に準拠しています。このような試験で使用される基本的な計測機器は、不透過性の試験皿（ステンレス製のカップなど）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構成されています。

食品包装において、密封は食品の安全性、製品の保存、および包装の完全性を確保する上で重要な役割を果たします。密封は、パウチ、トレイ、フレキシブルフィルムなどのプラスチックまたは多層材料で作られた袋を気密に閉じるために使用されます。食品業界でよく用いられる技術には、熱風、超音波、または誘導を使用して熱を発生させるヒートシール、レーザーシール、およびコールドシールがあります。^{[ 64 ] [ 65 ]}

これらのプロセスは、酸素、水分、光、微生物などの外部要因に対するバリアを保証し、汚染を防ぎ、製品の保存期間を延長します。シールの品質は重要なパラメータです。シールに欠陥があると、官能特性が劣化し、食品の安全性が損なわれる可能性があります。このため、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。 ^{[ 66 ]}

食品の安全性は、加工、^{[ 67 ]}包装、保管、物流（コールドチェーンを含む）、販売、使用の過程で維持することが極めて重要です。適用される規制への適合は必須です。米国食品医薬品局や米国農務省のように国固有の規制もあれば、欧州食品安全機関のように地域的な規制もあります。グローバル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、ラベル内容の要件などが含まれる場合があります。包装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、包装機械に特定の毎日の洗浄手順が必要になることがよくあります。^{[ 68 ]}

食品包装に使用される材料や化学物質の健康リスクは、慎重に管理する必要があります。^{[ 69 ]}発がん性物質、有毒化学物質、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を排除する必要があります。^{[ 70 ] [ 71 ]}さらに、消費者は、食品と全く同じように包装されて消費者を惹きつける特定の化学製品に注意する必要があります。それらのほとんどには果物の写真が描かれており、容器も食品のパッケージに似ています。しかし、子供や不注意な大人が摂取して中毒を引き起こす可能性があります。^{[ 72 ]} 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ます。 ^{[ 73 ] [ 74 ]}

• 「食品包装 ― 役割、材料、環境問題 ― IFT.org」 www.ift.org 2018年12月3日取得。
• 食品包装用ポリ（ヒドロキシアルカノエート）：用途と実用化に向けた取り組み