Development of Ethylene Scavenging Systems Based on Pumice and Potassium Permanganate for Food Packaging Applications

Dans les emballages alimentaires actifs, les absorbeurs d'éthylène jouent un rôle essentiel dans la prolongation de la durée de conservation des fruits et légumes en éliminant l'éthylène produit dans l'espace de tête de l'emballage. Le permanganate de potassium (KMnO4) est largement utilisé pour préparer des absorbeurs d'éthylène, et il est généralement soutenu par des matériaux poreux inertes pour augmenter la surface en contact avec l'éthylène. La pierre ponce est un adsorbant de gaz potentiel avec une structure poreuse et une propriété d'adsorption de gaz, mais sa combinaison avec KMnO4 en tant que absorbeurs d'éthylène n'a pas été développée. Les sachets et les films sont deux formes de absorbeurs d'éthylène, mais aucune étude complète sur l'application de KMnO4 et de pierre ponce dans les emballages alimentaires actifs n'a été réalisée. Par conséquent, le projet vise à développer un système de récupération d'éthylène contenant du KMnO4 et de la pierre ponce, sous forme de sachets et de films, pour conserver les fruits et légumes. La première partie du projet consistait à développer un piégeur d'éthylène composé de pierre ponce et de KMnO4. La pierre ponce a été choisie comme matériau de support principalement en raison de son faible coût, de sa bonne propriété d'adsorption et de sa grande disponibilité. Tout d'abord, la taille des particules de pierre ponce a été étudiée pour déterminer que la plus petite taille était favorable à l'adsorption de l'éthylène. Ensuite, la pierre ponce et le KMnO4 ont été broyés jusqu'à l'uniformité pour étudier l'influence de leur rapport pondéral sur l'adsorption d'éthylène, et un rapport pondéral de 10 à 1 (pierre ponce sur KMnO4) s'est avéré être le choix optimal. De plus, une humidité relative (HR) élevée n'était pas bénéfique pour l'adsorption d'éthylène car l'humidité entrerait en compétition avec l'éthylène pour les sites d'adsorption sur la surface de la pierre ponce. Plus important encore, il a été découvert que la combinaison de pierre ponce et de KMnO4 améliorait considérablement la capacité de piégeage de l'éthylène par rapport à la pierre ponce seule ou au KMnO4 seul. Cela est dû à l'effet synergique de la pierre ponce adsorbant physiquement l'éthylène et du KMnO4 oxydant chimiquement l'éthylène. De plus, le mélange de pierre ponce et de KMnO4 a été appliqué comme piégeur d'éthylène pour conserver des avocats. Les résultats ont révélé que le piégeur d'éthylène éliminait efficacement l'éthylène produit par les avocats et inhibait la production de dioxyde de carbone (CO2). Enfin, la durée de conservation des avocats a été prolongée d'environ une semaine à 25 °C par rapport au groupe témoin sans absorbeurs d'éthylène.

Abstract

In active food packaging, ethylene scavengers play an essential role in extending the shelf life of fruits and vegetables by removing the ethylene produced in the packaging headspace. Potassium permanganate (KMnO4) is widely applied to prepare ethylene scavengers, and it is usually supported by inert porous materials to increase the surface area in contact with ethylene. Pumice is a potential gas sorbent with a porous structure and gas adsorption property, however its combination with KMnO4 as ethylene scavengers has not been developed. Sachets and films are two forms of ethylene scavengers, but no complete studies on the application of KMnO4 and pumice in active food packaging have been performed. Therefore, this thesis aims to develop an ethylene scavenging system containing KMnO4 and pumice, including sachets and films, to preserve fruits and vegetables. The first part of this thesis was to develop an ethylene scavenger made up of pumice and KMnO4. Pumice was chosen as supporting material mainly owing to its low cost, good adsorption property, and easy availability. First of all, the size of pumice particles was studied to determine that the smaller size was favorable to ethylene adsorption. Then, pumice and KMnO4 were ground to uniformity to investigate the influence of their weight ratio on ethylene adsorption. A weight ratio of 10 to 1 (pumice to KMnO4) was confirmed to be the optimal choice. In addition, a high relative humidity was not beneficial to ethylene adsorption because moisture would compete with ethylene for the adsorption sites on the pumice surface. More importantly, it was discovered that the combination of pumice and KMnO4 significantly improved the ethylene scavenging capacity compared to pumice or KMnO4 alone. This is due to the synergistic effect combining pumice physically adsorbing ethylene and KMnO4 chemically oxidizing ethylene. Further, the mixture of pumice and KMnO4 was applied as an ethylene scavenger to preserve avocados. The results revealed that the ethylene scavenger efficiently removed the ethylene produced by avocados and inhibited the production of carbon dioxide (CO2). Finally, the shelf life of avocados was extended by approximately one week at 25 °C compared to the control group without ethylene scavengers.