Packaging Materials and Processing for Food, Pharmaceuticals and Cosmetics

381 Pages·2021·22.986 MB·English

by  Kata Galic, Mia Kurek, Nasreddine Benbettaieb, Frederic Debeaufort, Mario Scetar

Packaging Materials and Processing for
Food, Pharmaceuticals and Cosmetics
SCIENCES
Agronomy and Food Science, Field Directors –
Jack Legrand and Gilles Trystram
Packaging and Recycling, Subject Head – Frédéric Debeaufort
Packaging Materials and
Processing for Food,
Pharmaceuticals and Cosmetics

Coordinated by
Frédéric Debeaufort
Kata Galić
Mia Kurek
Nasreddine Benbettaieb
Mario Ščetar
First published 2021 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as
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© ISTE Ltd 2021
The rights of Frédéric Debeaufort, Kata Galić, Mia Kurek, Nasreddine Benbettaieb and Mario Ščetar to
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Library of Congress Control Number: 2020951536

British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-78945-039-2
ERC code:
LS9 Applied Life Sciences, Biotechnology, and Molecular and Biosystems Engineering
LS9_5 Food sciences (including food technology, food safety, nutrition)
Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Frédéric DEBEAUFORT, Kata GALIĆ, Mia KUREK, Nasreddine BENBETTAIEB and
Mario ŠČETAR
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Frédéric DEBEAUFORT, Kata GALIĆ, Mia KUREK, Nasreddine BENBETTAIEB and
Mario ŠČETAR
Introduction to Food Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Frédéric DEBEAUFORT and Kata GALIĆ
Chapter 1. Wood-based Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Frédéric DEBEAUFORT
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Wood as a raw material for food packaging: characteristics,
requirements, limitations and regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Pallets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4. Boxes, crates and trays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5. Barrels and casks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6. Wood package–food interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
vi Packaging Materials and Processing for Food, Pharmaceuticals and Cosmetics
Chapter 2. Papers and Boards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Frédéric DEBEAUFORT
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Pulp and cellulose extraction for paper-based materials . . . . . . . . . . 21
2.2.1. Mechanical and thermomechanical pulping . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2. Chemi-mechanical pulping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.3. Chemical pulping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4. Recycled paper pulping and non-wood pulping . . . . . . . . . . . . 25
2.2.5. Pulp bleaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.6. Pulp properties and uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3. Paper production and properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1. Paper sheet processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2. Types of paper for packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3. Paper-based bags, sacks and spiral wound containers . . . . . . . . 32
2.4. Paperboards and containerboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.1. Paperboard processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.2. Paperboard types and properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5. Corrugated paperboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.1. Corrugated board history and economy . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.2. Corrugated board processing and characteristics . . . . . . . . . . . 40
2.5.3. Corrugated board sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6. Regulations and safety concerns of papers and boards . . . . . . . . . . 43
2.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Chapter 3. Glass Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Frédéric DEBEAUFORT
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2. Composition and properties of glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.1. Glass composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.2. Chemical and functional properties of glass . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3. Glass manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1. Collection of raw materials and mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.2. Melting in furnace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.3. Shaping/molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.4. Annealing and surface treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4. Bottle design and terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5. Lifecycle, recycling and safety concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Contents vii
Chapter 4. Metal Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Frédéric DEBEAUFORT
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2. Metal packaging types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3. Composition and properties: metals and alloys . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.1. Steel-based (iron-based) and tin-plated steel materials . . . . . . . . 79
4.3.2. Tin-free steel or ECCS (electrolytic chromium
oxide-coated steel) materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3. Stainless steel for food packaging materials . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.4. Aluminum-based materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4. Can manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1. Three-piece can-making process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.2. Two-piece can manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.3. Can end making and seaming onto can bodies . . . . . . . . . . . . . 91
4.5. Can surface treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6. Food–can interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Chapter 5. Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Mario ŠČETAR
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2. Plastic materials and processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3. Plastic films for packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.1. Plastic classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2. Plastic packaging shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4. Properties of plastic packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.4.1. General properties of plastic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.4.2. Barrier properties of plastic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.4.3. Food packaging interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.5. Plastic packaging innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.6. Plastic waste management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.7. Legislation for food contact materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.8. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Chapter 6. Multilayer Packaging Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Mario ŠČETAR
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2. Multilayer materials and their production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.1. Adhesive lamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2. Extrusion and coextrusion lamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
viii Packaging Materials and Processing for Food, Pharmaceuticals and Cosmetics
6.2.3. Thermal lamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.4. Metallized films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3. Properties of laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.1. Barrier properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.3.2. Interaction between packaging material and food . . . . . . . . . . . 140
6.4. Packaging application of laminates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.5. Environmental and waste management issues . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Chapter 7. Bio-based Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Mia KUREK and Nasreddine BENBETTAIEB
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2.1. Bio-based plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2.2. Biodegradable plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.2.3. Compostable materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.3. Classification of bio-based materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.3.1. Polymers directly extracted from biomass . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.3.2. Polymers produced by chemical synthesis from biomass
monomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.3.3. Polymers produced directly by natural or genetically
modified organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.3.4. Petrochemical-based polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.4. Industrial relevance and future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.5. List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.6. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Chapter 8. Active and Intelligent Packaging . . . . . . . . . . . . . . . 183
Nasreddine BENBETTAIEB
8.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2. Active packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.2.1. Scavenger systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.2.2. Releaser/emitter systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.2.3. Other active packaging systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.3. Intelligent packaging: concepts and commercial applications . . . . . . 202
8.3.1. Indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.3.2. Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.3.3. Data carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.3.4. Providing more convenience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.3.5. Controlling theft, counterfeiting and tampering . . . . . . . . . . . . 216
Contents ix
8.4. Consumer safety and related regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Chapter 9. Packaging Caps and Closures . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Kata GALIĆ
9.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.2. Closure types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.2.1. Closures to retain internal pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.2.2. Closures to contain and protect contents . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.2.3. Closures to maintain a vacuum inside the container . . . . . . . . . 228
9.2.4. Closures to secure contents inside a container . . . . . . . . . . . . . 229
9.3. Specialized types of closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.3.1. Dispensing and metering closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
9.3.2. Tamper-evident closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.3.3. Child-resistant closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.3.4. Easy-open closures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.4. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Chapter 10. Auxiliary Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Mia KUREK and Mario ŠČETAR
10.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.2. Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.2.1. Coatings on metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.2.2. Coatings on plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.2.3. Coatings on paper and glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.2.4. Surface treatments and coating application . . . . . . . . . . . . . . 241
10.3. Adhesives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.4. Printing inks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
10.5. Interaction between packaging and contents . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.5.1. Permeation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
10.5.2. Migration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10.6. Future trends and challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Chapter 11. Food Packaging Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Kata GALIĆ
11.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.2. Packaging operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.2.1. Food wrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
11.2.2. Food bagging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
x Packaging Materials and Processing for Food, Pharmaceuticals and Cosmetics
11.2.3. Form-fill-seal packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
11.2.4. Blister packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
11.3. Packaging for thermally processed food . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.3.1. Canning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
11.3.2. Retortable pouches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
11.3.3. Aseptic packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11.3.4. Ohmic heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
11.3.5. Infrared treated pre-packaged food . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
11.3.6. Radiofrequency treated pre-packaged food . . . . . . . . . . . . . . 273
11.3.7. Microwavable packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.4. Packaging for non-thermally processed food . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.4.1. High hydrostatic pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
11.4.2. Pulsed electric fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.4.3. Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.4.4. Pulsed light technology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.5. Packaging with atmosphere modification . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.5.1. Vacuum and vacuum skin packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.5.2. Inert atmosphere packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.5.3. Controlled atmosphere packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.5.4. Modified atmosphere packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.6. List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.7. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Chapter 12. Packaging Marking and Labeling . . . . . . . . . . . . . . 301
Mia KUREK
12.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
12.2. Labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
12.3. Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
12.3.1. Food labeling requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
12.3.2. Food packaging symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
12.4. Material and label production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
12.4.1. Self-adhesive (pressure-sensitive) labels . . . . . . . . . . . . . . . 312
12.4.2. In-mold labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.4.3. Sleeves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.4.4. “Smart” and digital labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12.5. References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315