Application of Nanocellulose-Based Functional Films and Colorimetric Indicator for Food Packaging : 나노셀룰로오스 기반의 기능성 필름과 비색 지시계를 이용한 식품 포장 적용 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 목재 유래의 나노셀룰로오스를 활용하여 스마트 식품 포장재로의 적용 가
능성을 검토하고자 하였다. Chapter 1에서는 crystal형인 cellulose nanocrystal (CNC)를
보강제로 첨가하여 PBAT, PLA, CNC를 블랜딩한 생분해성 식품 포장 필름을 개발하였다.
제조된 필름은 매끄럽고 결함이 없었으며, 형태학적, 광학적, 색상, 기계적, 투과도 등 특성을
비교 평가하였다. 그 결과, CNC 함량 증가에 따라 자외선 차단 성능이 향상되었으며, 인장
강도와 신율은 0.5% 첨가 시 가장 우수한 값을 나타냈다. 또한 필름의 생분해성 검토를 위
해 토양에 매몰시켜 실험한 결과, 가속 조건과 실온 조건 2가지 환경에서 모든 필름이 우수
한 생분해성을 보였다. 따라서 CNC를 함유하는 생분해성 필름이 환경 친화적인 식품 포장재
로서 높은 가능성을 확인할 수 있었다. Chapter 2에서는 개발된 필름 중 우수한 성능을 보
인 0.5%와 1.0% 함량의 CNC 필름을 선정하여 실제 돼지고기 포장에 적용하였다. 저장 중
포장된 시료의 외관, 무게 손실, 색 변화, 물성 변화, pH, TVB-N, TVC, TBARS 등을 측정
하여 포장재에 따른 부패정도와 저장성을 비교 평가 하였다. 그 결과, 1.0% CNC 필름은 부
패와 산화가 가속화된 반면, 0.5% CNC 필름은 대조구와 유사한 수준으로 품질이 안정적으
로 유지되었다. 이를 통해 적정 농도의 CNC 첨가가 신선도 유지에 효과적이며, 지속 가능한
포장재 개발에 적합한 조성임을 확인하였다. Chapter 3에서는 공동연구를 통해 Neutral
Red (NR)와 공유결합된 CNF 기반의 PVA/PAA/NR@TOCNF indicator film 센서를 제공받
아, 돼지고기 포장 시 함께 동봉하여, 식품 부패 인자를 감지하는 센서로서의 가능성을 검토
하였다. 그 결과, 비열처리(NHT)와 열처리(HT) 필름 모두 빛과 온도 조건에서도 우수한 염
료 안정성을 보였으며, 돼지고기 포장 실험 결과, 부패 진행에 따라 필름 센서 색상이 검붉
은색에서 주황색으로 변화하였다. 특히 열처리형(HT-CIF)이 더 높은 안정성과 감지 민감도
를 보여, 친환경 스마트 부패 감지 센서로 활용 가능한 잠재력을 확인하였다. 본 연구는 나
노셀룰로오스의 기능적 활용을 통해 생분해성과 지능형 감지 기능을 동시에 구현한 포장 기
술의 가능성을 제시하였으며, 향후 친환경 스마트 패키징 분야의 발전에 기여할 것으로 기대
된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Chapter 1. Development and characterization of biodegradable food packaging film based on eco-friendly PBAT/PLA blends reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) 10
• 1. Introduction 10
• 2. Materials and methods 12
• 2.1. Materials 12
• 2.2. Preparation of masterbatch pellets for PBAT/PLA blending film containing CNC 12
• 2.3. Preparation of the PBAT/PLA/CNC films using masterbatch pellets 14
• 2.4. Measurement of PBAT/PLA/CNC film characterization 16
• 2.4.1. Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) 16
• 2.4.2. UV-visible spectrophotometry 16
• 2.4.3. Color parameters 16
• 2.4.4. Mechanical properties 17
• 2.4.5. Oxygen transmission rate (OTR) 17
• 2.4.6. Water vapor transmission rate (WVTR) 17
• 2.5. Biodegradation test in soil 18
• 2.6. Statistical analysis 20
• 3. Results and discussion 21
• 3.1. Development of PBAT/PLA blended films with various CNC concentrations 21
• 3.2. Characterization of PBAT/PLA/CNC films 23
• 3.2.1. Morphological analysis by FE-SEM 23
• 3.2.2. Optical properties 26
• 3.2.3. Color properties 30
• 3.2.4. Mechanical properties 31
• 3.2.5. OTR and WVTR 34
• 3.3. Biodegradability of PBAT/PLA/CNC films 36
• 3.3.1. Degradation under accelerated conditions 36
• 3.3.2. Degradation uambient conditions 40
• 4. Conclusion 44
• 5. References 46
• Ⅲ. Chapter 2. Effects of PBAT/PLA/CNC-based biodegradable food packaging films on the quality characteristics of pork during refrigerated storage 50
• 1. Introduction 50
• 2. Materials and methods 52
• 2.1. Preparation of PBAT/PLA/CNC films 52
• 2.2. Sample storage conditions 53
• 2.3. Measurement of morphological changes in pork packaged with PBAT/PLA/CNC films during refrigerated storage 54
• 2.3.1. Visual appearance and weight loss 54
• 2.3.2. Color parameters 54
• 2.4. Measurement of physicochemical changes in pork packaged with PBAT/PLA/CNC films during refrigerated storage 55
• 2.4.1. Texture profile analysis 55
• 2.4.2. pH 55
• 2.4.3. Total volatile basic nitrogen (TVB-N) 56
• 2.4.4. Total viable count (TVC) 57
• 2.4.5. Thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) 57
• 2.5. Statistical analysis 58
• 3. Results and discussion 59
• 3.1. Morphological changes in pork packaged with PBAT/PLA/CNC films during refrigerated storage 59
• 3.1.1. Changes in visual appearance 59
• 3.1.2. Changes in weight and weight loss rate 61
• 3.1.3. Changes in color parameters 63
• 3.2. Physicochemical changes in pork packaged with PBAT/PLA/CNC films during refrigerated storage 66
• 3.2.1. Changes in texture characteristics 66
• 3.2.2. Changes in pH 67
• 3.2.3. Changes in TVB-N 70
• 3.2.4. Changes in TVC 72
• 3.2.5. Changes in TBARS values 74
• 4. Conclusion 76
• 5. References 78
• Ⅳ. Chapter 3. Evaluation of cellulose nanofibrils (CNF) based colorimetric indicator film (CIF) smart packaging sensor for pork spoilage detection during storage 81
• 1. Introduction 81
• 2. Materials and methods 83
• 2.1. Preparation of colorimetric indicator film (CIF) sensor 83
• 2.1.1 CIF preparation 83
• 2.1.2 Evaluation of dye immobilization stability 84
• 2.2. Sample storage conditions 85
• 2.3. Measurement of morphological changes in pork with CIF sensor during storage 86
• 2.3.1. Visual appearance 86
• 2.3.2. Color parameters 86
• 2.4. Measurement of physicochemical changes in pork with CIF sensor during storage 87
• 2.4.1. pH 87
• 2.4.2. TVB-N 87
• 2.4.3. TVC 88
• 2.5. Statistical analysis 88
• 3. Results and discussion 89
• 3.1. Stability of dye immobilization in CIF sensor during storage 89
• 3.2. Morphological changes in pork packaged with CIF sensor during storage 93
• 3.2.1. Changes in the visual appearance of CIF and pork 93
• 3.2.2. Changes in the color of CIF and pork 97
• 3.3. Physicochemical changes in pork packaged with CIF sensor during storage 100
• 3.3.1. Changes in pH 100
• 3.3.2. Changes in TVB-N 102
• 3.3.3. Changes in TVC 103
• 4. Conclusion 105
• 5. References 106
• Ⅴ. Summary 109
• Abstract in Korean 111