Nanotecnologie e confezionamento alimentare, un futuro che sarà presto realtà

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Nonostante le restrizioni normative, le problematiche legate ai costi, alla tecnologia, alle incognite sulla salute dei consumatorie e dell’ambiente, sono sempre di più gli studi sui nanomateriali e gli imballaggi che sfruttano le proprietà delle nanocariche. Tanto che si stima che l’uso di nanomateriali nel packaging alimentare nel mondo raggiungerà i 20 miliardi di dollari entro il 2020

Stefania Milanello

Negli ultimi 20 anni, le nanotecnologie si stanno imponendo nel settore dei materiali, migliorando le prestazioni e la funzionalità di questi ultimi, aprendo la strada a nuove applicazioni. In particolare, nell’imballaggio alimentare, le nanotecnologie sono utilizzate sia per migliorare le prestazioni meccaniche e di barriera, sia per gli imballaggi funzionali, attivi e intelligenti.  L’introduzione di nanoparticelle nei polimeri ha portato alla realizzazione di nanocompositi, con prestazioni superiori a quelle del polimero tradizionale. Le nanotecnologie sono utilizzate nel settore del packaging alimentare anche per la realizzazione di nanocoating, sia a singolo che a multistrato. In Europa, il Regolamento 10/2011 e i suoi successivi aggiornamenti ha imposto limiti sull’uso di nanoparticelle, approvandone l’utilizzo in campo alimentare di un numero esiguo. Il Regolamento precisa che per le nanoparticelle dovrà essere richiesta un’autorizzazione di nuovo prodotto alimentare prima di essere utilizzate a contato con gli alimenti o negli alimenti stessi. La loro sicurezza, come quella degli altri novel food dovrà essere valutata dall’Efsa. I richiedenti devono inoltre dimostrare che per testare i nanomateriali ingegnerizzati per cui si richiede l’autorizzazione sono stati utilizzati i metodi di prova più aggiornati.

Nanocomposti

Le nanotecnologie sono le tecniche utilizzate per produrre o manipolare oggetti con dimensioni da 0,1 a 100 nanometri. Nel settore dell’imballaggio alimentare possono riguardare la dispersione di nanocariche (nanodispersione) all’interno di una matrice polimerica e in questo caso si parla di nanocompositi, o il coating superficiale, quindi il deposito di nanoparticelle sulla superficie di contenitori, detto nanocoating.  In un nanocomposto polimerico, la carica all’interno del polimero ha almeno una dimensione nell’ordine dei nanometri. Particelle metalliche, come nano-argento, particelle ceramiche hanno tutte le dimensioni nell’ordine dei nanometri. Cariche con due dimensioni nell’ordine dei nanometri sono nanotubi e nanofibre di carbonio, nanocristalli e nanofibre di cellulosa. Le cariche con solo una dimensione nell’ordine dei nanometri sono tutte la argille lamellari (fillosilicati, idrotalciti…) e i grafeni.

Benefici delle nanotecnologie nell’imballaggio alimentare

La funzione primaria dell’imballaggio alimentare è di contenimento del cibo. Funzione che non può svolgere senza un’adeguata resistenza meccanica, una sufficiente barriera ai gas alle condizioni di temperatura e umidità cui l’alimento è mantenuto durante la sua shelf life. Le nanotecnologie possono migliorare queste proprietà dell’imballaggio. Alcune nanocariche aumentano la rigidità, la resistenza e la duttilità del materiale tradizionale, oppure, come ad esempio quelle lamellari, migliorano la barriera ai gas. Altre aumentano la stabilità termica. Altre ancora migliorano il ruolo più attivo dell’imballaggio nella conservazione dell’alimento. Si parla quindi di funzione antimicrobica, quando l’imballaggio è in grado di limitare la proliferazione microbica causata dalla degradazione dell’alimento; di funzione di oxygen scavenging, quando l’imballaggio consente di catturare l’ossigeno che penetra dall’ambiente esterno; di ethylene scavenging, quando riesce a catturare l’etilene prodotto dalla degradazione della frutta. Anche gli imballaggi intelligenti possono beneficiare delle nanotecnologie. Infatti la presenza di nanoparticelle nel polimero può permettere di monitorare la condizione del cibo imballato o l’ambiente intorno ad esso ed agire da rilevatore di imitazioni. Le nanocariche sono attrattive per l’industria del packaging alimentare anche perché possono essere impiegate su matrici tradizionali, senza necessitare di sintesi polimeriche nuove. Inoltre esplicano le loro funzioni in bassi quantitativi percentuali.

Problematiche

Fatte queste premesse, c’è da dire che lo sviluppo industriale è ancora inferiore a quanto si potrebbe pensare, per svariati motivi. I nanocomposti sono in competizione con altre soluzioni tecnologiche, in grado di soddisfare le richieste dell’industria alimentare in termini di imballaggio. Ovvero, ci sono diversi tipi di materiali che senza l’aggiunta di nanocariche soddisfano le proprietà barriera richieste, ad esempio i film multistrato o attraverso l’utilizzo di diversi polimeri. Vi sono poi delle problematiche economiche e tecniche. Le nanocariche hanno un costo superiore a quello delle cariche tradizionali, non sempre compensato dai benefici. Altra questione riguarda la difficoltà di adeguare il processo tradizionale a quello di formazione dei nanocomposti e di dotarsi di personale specializzato. Anche la normativa europea particolarmente restrittiva non aiuta lo sviluppo dei nanocomposti nell’imballaggio alimentare. Così come ci sono ancora troppe incertezze sull’effetto reale delle nanocariche su ambiente e salute. Dubbi riguardano il facile assorbimento nell’organismo umano, delle nanocariche dovuto alle loro dimensioni e i possibili effetti negativi sulla salute. Fino a quando non saranno chiariti i dubbi sui possibili effetti sulla salute e sull’ambiente sarà difficile convincere i consumatori all’acquisto. Un po’ come avviene per la questione Ogm. Ciò nonostante, secondo lo studio “Global Market Study on Nano-Enabled Packaging For Food and Beverages: Intelligent Packaging to Witness Highest Growth by 2020”, della società di analisi di mercato Persistence Market Research, risulta che le nanotecnologie faranno crescere il mercato del packaging per alimenti e bevande in questo settore. Lo studio stima che il tasso di crescita passerà dai 6,5 miliardi di dollari del 2013 ai 15,0 miliardi di dollari del2020. L’istituto europeo per la salute e tutela dei consumatori stima che l’uso di nanomateriali nel packaging alimentare nel mondo raggiunga 20 miliardi di dollari entro il 2020.

Nanocariche e imballaggi: alcuni casi

Gli studi sui nanomateriali e gli imballaggi che sfruttano le proprietà delle nanocariche aumentano. Uno studio relativo all’impiego delle nanotecnologie nel packaging alimentare è stato realizzato dal Consorzio per la promozione della cultura plastica Proplast, nell’ambito del Progetto Nanocoat gestito dal Consorzio Innova FVG. Molti i casi presi in esame dai ricercatori Proplast. Di seguito i più rappresentativi. Sono, ad esempio, una realtà le bottiglie in PET rivestite di silice. Una soluzione che ha permesso di ridurre la permeabilità ai gas del materiale tradizionale (PET), consentendo di prolungare la shelf life della bibita contenuta. L’ossido di silicio, infatti, è un elemento costitutivo del vetro, che funziona come ulteriore barriera alla fuoriuscita di anidride carbonica e permette così alla bottiglia di mantenere e trattenere più a lungo nel tempo la gasatura. Il rivestimento in silice è posto sulla superficie interna, ultrasottile, trasparente, impermeabile e inerte nei confronti dell’alimento. In Giappone è commercializzato un materiale per imballaggio, per la precisione EVOH caricato con nanoargille, con proprietà barriera anche ad alti livelli di umidità, senza compromettere la stabilità termomeccanica, la trasparenza e la resistenza adesiva. E’ stato sviluppato un nanocomposto a matrice polietilene a bassa densità (LDPE) caricato con nanoargille, che ha consentito al nuovo materiale di migliorare la barriera all’ossigeno e all’anidride carbonica, scarse nel PE tradizionale. Anche le prestazioni meccaniche risultano migliorate dall’introduzione della nanoargilla. Sono stati sviluppati dei film nanocompositi a matrice PE caricati con nanoparticelle di permanganato di potassio (KMnO4), ottenendo un miglioramento della barriera all’ossigeno del 24% rispetto alla matrice tal quale.  Molti sono gli studi in cui le nanocariche sono dispese in un biopolimero, per coniugare il vantaggio offerto dalle nanotecnologie con quello ambientale dell’uso di polimeri da fonte rinnovabile o biodegradabili. Allo scopo, sono state aggiunte nanoargille modificate al PLA (acido polilattico), migliorandone le proprietà di barriera all’ossigeno e alla CO2. Il problema di molte delle soluzioni presentate finora è legato alla trasparenza: molte cariche, ad esempio le argille, rendono la matrice polimerica opaca e spesso di una colorazione marroncina poco adatta all’imballaggio di alimenti, per i quali spesso la trasparenza è fondamentale per il controllo dall’esterno. Per ovviare a questo problema, sono stati sviluppati film nanocompositi a matrice PLA caricati con nanocristalli di cellulosa, che hanno dato buoni risultati sia sul fronte della resistenza meccaniche sia della trasparenza. Come già accennato precedentemente, le nanotecnologie possono contribuire al miglioramento delle prestazioni di un imballaggio anche sotto forma di coating superficiale.  Nello studio Proplast, si legge che, alcuni ricercatori hanno dimostrato che uno strato di ossido di alluminio spesso 25 nm aumenta notevolmente le proprietà barriera all’ossigeno e al vapore d’acqua.  Sono stati studiati anche film di carbonio amorfo, che hanno dimostrato un netto miglioramento delle proprietà barriera a ossigeno e vapore d’acqua. Nell’ambito degli imballaggi attivi, un ruolo importante è giocato dalle nanoparticelle di argento, dalle note proprietà antimicrobiche. E’ stato sviluppato un nanocomposito cellulosico contenente nanoparticelle di argento di differenti dimensioni, ottenendo sia un effetto sulle prestazioni (barriera e resistenza meccanica), sia sulle proprietà antimicrobiche. Allo studio anche la possibilità di ottenere un effetto sinergico tra cariche nanometriche di natura diversa. Allo scopo sono stati prodotti dei film di PLA caricati con nanocristalli di cellulosa e nanoargento, con i primi che favorivano il lavoro dei secondi, migliorando ulteriormente l’effetto antimicrobico. Negli ultimi anni sono state verificate, con successo, le proprietà antimicrobiche anche dell’ossido di zinco, di magnesio e di titanio in forma nanometrica. Sono state provate anche soluzioni di nanocoating per migliorare le proprietà antimicrobiche. E’ il caso del rivestimento di ossido di zinco (ZnO) su un film di PVC o coating basati su nanoparticelle di biossido di titanio. Anche la proprietà di catturare le molecole d’ossigeno presenti all’interno dell’imballaggio (oxygen scavenging) può essere migliorata dalle nanocariche, come nel caso della caolinite modificata con nanoparticelle di ferro aggiunta al PE. Le nanotecnologie posso migliorare la conservazione del cibo anche sottraendo i vapori di etilene nell’imballaggio di prodotti ortofrutticoli, tramite ad esempio un coating di biossido di titanio su film di polipropilene, che a differenza dei ethylene scavenger convenzionali, ha una funzionalità illimitata.  Anche gli imballaggi intelligenti possono trarre beneficio dalle nanotecnologie. E’ stato sviluppato un indicatore colorimetrico di ossigeno attivato dagli UV, che usa nanoparticelle di biossido di titanio. Il sensore, in origine colorato, diventa trasparente per effetto dell’irraggiamento UV in fase di realizzazione, e tende a tornare colorato per effetto dell’esposizione all’ossigeno. La velocità con cui torna colorato è proporzionale al livello di esposizione. E’ stato utilizzato anche ossido di stagno nanocristallino per fotoattivare un indicatore colorimetrico di ossigeno. Inoltre recentemente sono stati anche sviluppati degli indicatori di pH basati su argille lamellari. Gli indicatori della freschezza del cibo funzionano reagendo con i metaboliti microbici che si formano man mano che il cibo degrada. Anche in questo caso questa reazione porta ad un cambiamento di colore, informando il consumatore sullo stato di freschezza del prodotto. Sono stati sviluppati dei sensori basati su nanocompositi conduttivi che sono in grado di rilevare batteri patogeni prodotti dalla decomposizione del cibo, quali Salmonella spp., Bacillus cereus e Vibrio parahaemolyticus. Un’altra tipologia di sensori che interessano l’imballaggio intelligente sono quelli termocromici, che cambiano cioè colore al variare della temperatura. I sensori termocromici trovano applicazione ad esempio nei prodotti che vanno serviti caldi, come bevande o cibi pronti. Sono state studiate delle nanoparticelle di argento tiolato in grado produrre un viraggio cromatico al di sopra di una certa temperatura, causato dalla parziale cristallizzazione delle catene di tiolo.  Lo studio Proplast evidenzia, inoltre, che il nanocoating non migliora solo le caratteristiche delle plastiche tradizionali, ma anche quelle dell’imballaggio in carta o cartone, sia in termini di prestazione meccaniche sia di effetto barriera. Per quanto riguarda invece l’imballaggio metallico, un’applicazione nanotecnologica è rappresentata dai fogli di alluminio contenenti nanoparticelle di silicati con migliorate prestazioni di leggerezza, resistenza al calore e con comportamento alla permeazione modificata rispetto alle altre tipologie di fogli.

Dalle nanotecnologie nuovi materiali per il food packaging

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