The limited nature of fossil resources has forced industries to find bio-based material alternatives. Currently, petroleum-based food packaging is largely being displaced by paperboard alternatives. However, paperboard materials possess weak barrier properties against water, grease and gas. In order to maintain food safety and quality, surface coating of paperboard packaging is required. Alpha-1,3-glucan has aroused interest as a sustainable barrier coating material due to its excellent grease and oxygen barrier properties. Nevertheless, poor water and moisture resistance as well as cracking tendency upon creasing and folding have limited its applications.
The aim of this thesis was to improve the water and moisture resistance of alpha-1,3-glucan barrier coatings as well as their ability to withstand creasing and folding. The experimental work included preparation of multilayer barrier coatings on a paperboard substrate with an alpha glucan layer on the bottom and a cellulose acetate butyrate layer with possible additives on the top. The additives included maleic anhydride grafted cellulose acetate butyrate, adipic acid, citric acid and microcrystalline glucan. In addition, the most promising top layer formulation was tested on a pilot-coated alpha glucan layer. The coated sheets were finally tested for their barrier properties including water, moisture, grease and oxygen resistance. The creasing and folding resistance of the sheets were additionally evaluated by performing the grease barrier tests on a creased or folded sample.
Based on the results, the cellulose acetate butyrate top layer significantly increased the water resistance of the coating. Furthermore, a significant reduction in water vapor permeability was observed with citric acid addition. Excellent grease barrier properties and substantially improved oxygen barrier properties were further accomplished using a pilot-coated alpha glucan layer. An improvement in creasing resistance was observed with most additives, yet a total collapse of the creasing resistance was observed when using a pilot-coated alpha glucan layer.
Citric acid enhanced cellulose acetate butyrate appears to be a promising top coating layer for alpha-1,3-glucan, improving its water and moisture resistance without compromising the grease barrier properties. This largely bio-based and food contact suitable multilayer coating composition could find use in fast food packaging, where long-term barrier properties are not required. However, further research should focus on improving the creasing and folding resistance of the coating.Fossiilisten luonnonvarojen rajallisuus on pakottanut teollisuudentoimijoita etsimään biopohjaisia materiaalivaihtoehtoja. Tällä hetkellä öljypohjaisia elintarvikepakkauksia korvataan laajasti kartonkivaihtoehdoilla. Kartonkimateriaaleilla on kuitenkin heikot barrier-ominaisuudet vettä, rasvaa ja kaasua vastaan. Elintarvikkeiden turvallisuuden ja laadun takaamiseksi kartonkipakkaus vaatii pintapäällysteen. Alfa-1,3-glukaani on herättänyt kiinnostusta ympäristöystävällisenä barrier-päällystemateriaalina erinomaisten rasva- ja happibarrier-ominaisuuksiensa ansiosta. Käyttöä on kuitenkin rajoittanut sen huono veden- ja kosteudenkestävyys sekä murtumisherkkyys nuuttauksen ja taiton seurauksena.
Tämän työn tarkoituksena oli parantaa alfa-1,3-glukaanipäällysteen veden- ja kosteudenkestävyyttä sekä päällysteen nuuttauksen ja taiton kestoa. Kokeellisessa osuudessa valmistettiin kartonkisubstraatille monikerrosbarrier-päällysteitä, joissa alempana kerroksena toimi alpha-1,3-glukaani ja ylempänä kerroksena selluloosa-asetaattibutyraatti mahdollisine lisäaineineen. Lisäaineina käytettiin maleiinianhydridioksastettua selluloosa-asetaattibutyraattia, adipiinihappoa, sitruunahappoa ja mikrokiteistä glukaania. Lisäksi lupaavinta pintakerroksen formulaatiota testattiin pilottipäällystetyn alfa-1,3-glukaanikerroksen päällä. Lopulta päällystettyjen arkkien barrier-ominaisuuksia arvioitiin mukaan lukien veden-, kosteuden-, rasvan- ja hapenkesto. Arkkien nuuttauksen ja taiton kestoa arvioitiin lisäksi suorittamalla rasvabarrier-testit nuutatulle tai taitetulle näytteelle.
Tulosten perusteella selluloosa-asetaattibutyraattipintakerros paransi merkittävästi päällysteen vedenkestoa. Lisäksi sitruunahapon lisäys laski huomattavasti päällysteen vesihöyryn läpäisevyyttä. Käyttämällä pilottipäällystettyä alfa-1,3-glukaanikerrosta, saavutettiin lisäksi erinomaiset rasvabarrier-ominaisuudet sekä huomattavasti parantuneet happibarrier-ominaisuudet. Useimmat lisäaineet lisäsivät päällysteen nuuttauksenkestoa, mutta nuuttauksenkesto romahti täysin pilottipäällystetyn alfa-1,3-glukaanikerroksen myötä.
Sitruunahapolla tehostettu selluloosa-asetaattibutyraatti vaikuttaa lupaavalta pintapäällystekerrokselta alfa-1,3-glukaanille, parantaen sen veden- ja kosteudenkestoa tinkimättä rasvabarrier-ominaisuuksista. Tämä enimmäkseen biopohjainen ja elintarvikekontaktiin soveltuva monikerrospäällyste voisi sopia pikaruokapakkauksiin, joissa ei vaadita pitkän aikavälin barrier-ominaisuuksia. Jatkotutkimuksen pitäisi kuitenkin keskittyä parantamaan päällysteen nuuttauksen ja taiton kestoa.
