Elettrofilatura, per la preparazione di sostanze bioattive

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Schema tipico di un sistema per elettrofilatura

Com’è noto, le sostanze bioattive sono quelle che hanno effetti benefici sulla salute umana. Rientrano in questa categoria tutte le vitamine, gli antiossidanti e i probiotici. Da qualche tempo le sostanze bioattive possono essere prodotte per elettrofilatura, una tecnica che consente di preparare sostanze in forma di nanofibre oppure di nanoparticelle fino a mille volte più piccole rispetto ai metodi convenzionali. Questo consente d’incorporare in modo efficace le sostanze bioattive negli alimenti e nei materiali da imballaggio, dando così luogo a nuove tipologie di prodotti e quindi a nuove opportunità commerciali

Francesca De Carlo

Recentemente nuove attività di ricerca si sono focalizzate sulla preparazione di sostanze bioattive mediante la tecnica dell’elettrofilatura. In generale, le sostanze bioattive possono essere definite come quelle che hanno effetti benefici sulla salute umana, come ad esempio le vitamine, gli antiossidanti e i probiotici. In quest’ambito, c’è grande interesse per l’incorporazione, o incapsulazione, di queste sostanze negli alimenti o nei materiali a contatto con gli alimenti, con particolare attenzione all’incapsulazione su scala nanometrica, perché in questo caso l’incorporazione è facilitata e si dà origine ad alimenti con un impatto minimo sulle qualità sensoriali e organolettiche oppure a materiali molto omogenei. S. Torres-Giner (2016) ha descritto per la prima volta la preparazione di sostanze bioattive mediante electrospinning o elettrofilatura. Questa tecnica offre la possibilità di preparare sostanze in forma di nano-fibre oppure di nano-particelle. Le dimensioni particolarmente ridotte comportano un elevato rapporto superficie-volume e questo fornisce loro proprietà straordinarie che non potrebbero essere ottenute in altri modi. Ad esempio, le dimensioni ridotte consentono di avere un intimo contatto tra le fibre e la matrice in cui sono inserite. Pertanto, le fibre e le particelle prodotte per elettrofilatura possono essere incorporate negli alimenti e nei materiali in modo molto efficace.

Il processo

L’electrospinning si basa sull’azione di campi elettrici ad alta tensione che consentono di produrre nanostrutture a partire dalle sostanze in soluzione. Si possono ottenere sia fibre continue sia strutture agglomerate, anche se nel secondo caso il processo è più propriamente chiamato “electrospraying”. La morfologia, cioè la forma a livello microscopico, delle strutture elettrofilate (sia fibrillari sia sferiche) ha un ruolo importante sulle proprietà del materiale ed è influenzata dalle condizioni di processo, come ad esempio la viscosità della soluzione iniziale, la tensione superficiale, la conducibilità della soluzione, la tensione elettrica applicata, la velocità di aggiunta della soluzione ed infine la distanza tra la punta e il collettore.

  • Le nanofibre elettrofilate hanno un diametro molto inferiore rispetto alle fibre prodotte utilizzando i processi di filatura classica. Più precisamente, il diametro delle singole fibre può essere anche 10-1000 volte più piccolo sia delle fibre sintetiche prodotte tramite estrusione da fuso sia delle fibre naturali come cotone, lana e seta. Questa caratteristica è dovuta al fatto che l’allungamento si realizza mediante un sistema “contactless”.
  • Gli aggregati prodotti per electrospraying sono anch’essi notevolmente più piccoli degli aggregati ottenuti attraverso altre tecniche convenzionali, come ad esempio l’essiccamento a spruzzo (“spray drying”) e il rivestimento su letto fluidizzato (“fluidized bed coating”).

Per la preparazione di strutture mediante electrospinning ed electrospraying, vanno molto bene sostanze con pesi molecolari sufficientemente elevati da fornire adeguate proprietà viscoelastiche. Tuttavia, recentemente sono stati ottenuti fibre e aggregati per electrospinning partendo anche da sostanze a basso peso molecolare, cui sono state aggiunte sostanze addensanti come gomme o tensioattivi. Nel processo, la sostanza deve innanzitutto essere solubilizzata, sia come fuso sia in soluzione. Nel processo di elettrofilatura basato sulla soluzione, anche le proprietà dei solventi come il punto di ebollizione e la conducibilità hanno un’influenza significativa sulla formazione delle fibre e sulle morfologie che si ottengono. Lo schema tipico di un sistema per elettrofilatura è indicato in Figura ed è costituito da una siringa, riempita con la soluzione della sostanza, che viene flussata ad una velocità relativamente bassa e costante (generalmente a 0.1 – 1 ml / h). La siringa termina con un ago in acciaio inossidabile.  Si ha quindi un generatore ad alto voltaggio (operante tra 5 e 30 kV), due elettrodi, ed un collettore metallico collegato a terra. Quando il campo elettrico applicato è sufficientemente elevato per superare la tensione superficiale delle gocce di soluzione, il solvente evapora e il getto di sostanza elettricamente carico viene filato sul collettore. Lo studio di S. Torres-Giner è diviso in due parti:

  • la prima parte è focalizzata sull’elettrofilatura di sostanze con una bioattività intrinseca;
  • la seconda parte riguarda l’uso dell’elettrofilatura e dell’electrospraying per l’incorporazione di sostanze bioattive negli alimenti e nei materiali da imballaggio.

Parte I. Elettrofilatura di sostanze bioattive

In questa sezione vengono prese in considerazione sostanze naturali, di sintesi, sia pure che in miscela e vengono riassunti i risultati più recenti.

Le sostanze bioattive di origine naturale sono di grande interesse per l’industria alimentare e del packaging, perché sono atossiche, commestibili, biocompatibili, biodegradabili, rinnovabili e sostenibili. Le sostanze bioattive più diffuse sono i polisaccaridi e le proteine. Un gran numero di queste sostanze possono essere elettrofilate senza comprometterne né l’integrità strutturale né la bioattività. Però va detto che un problema importante da superare in futuro, ancora in fase di studio, è l’uso di solventi organici, che possono limitare l’utilizzo delle strutture elettrofilate in questo campo. Tra gli esempi più diffusi di sostanze bioattive sottoposte con successo ad elettrofilatura, si trovano:

  • le fibre di chitosano, come antimicrobico per uso alimentare;
  • le nanofibre di zeina, che combinano l’alto valore biologico con buone proprietà, come l’alta resistenza termica e l’aumento di intrappolamento dell’acqua. Le nanofibre di zeina sono già state incorporate a valori relativamente bassi nelle bioplastiche e hanno dato una notevole riduzione della permeabilità all’ossigeno, fino al 71 %, il che è utile per conservare ingredienti sensibili all’ossigeno.

Le sostanze di sintesi prodotte per elettrofilatura per il packaging alimentare comprendono il polimetilmetacrilato (PMMA), che ha un’elevatissima idrofobicità, tant’è che si parla anche di materiali superidrofobici.

La miscelazione di sostanze è, in generale, un modo semplice per creare sistemi con proprietà uniche e nuove che i singoli componenti non possiedono. Esempi interessanti in questo campo sono:

  • il polietilenossido (PEO), usato nel settore dell’imballaggio in combinazione con la poliacrilamide (PAM) per dare superfici superidrofobiche;
  • il poli(vinilpirrolidone) (PVP), sostanza di sintesi, è molto interessante perché può essere lavorato molto bene per elettrospinning e ha proprietà meccaniche simili al PEO. Mescolato con il chitosano forma rivestimenti antibatterici, e con acido polilattico e caprolattone (PLCL) fornisce materiali con un adeguato equilibrio tra idrofilia e idrofobicità.

Parte II. L’incorporazione di nanostrutture elettrofilate

Nel campo della tecnologia alimentare, l’elettrofilatura può essere usata per incorporare alcuni ingredienti funzionali negli alimenti, come ad esempio le sostanze bioattive purificate e i concentrati di sostanze bioattive provenienti da fonti naturali, dando così luogo a nuove tipologie di prodotti alimentari con benefici effetti sulla salute. I principi bioattivi possono essere inseriti per elettrofilatura anche in materiali e anche in questo caso ci sono diversi vantaggi, tra cui i seguenti:

  • le sostanze bioattive si conservano in condizioni ottimali fino al momento del loro rilascio nei prodotti alimentari perché, essendo incorporate, non subiscono fenomeni di ossidazione;
  • vengono superate tutte le difficoltà che comunemente s’incontrano nella preparazione di prodotti alimentari addizionati, dovute all’incompatibilità tra la matrice e gli ingredienti funzionali oppure alla perdita di funzionalità durante i processi cui è sottoposto l’alimento;
  • l’incorporazione di sostanze avviene con un impatto minimo su tutte le proprietà del cibo, come le sue qualità sensoriali, il sapore e la consistenza.

La matrice selezionata come portatrice degli ingredienti bioattivi dovrebbe essere non tossica e commestibile. Quindi le proteine e i polisaccaridi, sia naturali che modificati, possono essere dei portatori molto promettenti per la nano e la micro-incapsulazione di ingredienti alimentari prodotti con la tecnica dell’elettrofilatura, tra cui i più promettenti sono:

  • tutte le vitamine, che in questo modo migliorano la loro stabilità all’ossidazione, il tempo di conservazione e la biodisponibilità, consentendo il loro rilascio controllato. Ad esempio, fibre contenenti vitamina D possono essere aggiunte ai succhi di frutta. Inoltre, particolare attenzione viene posta all’acido folico (vitamina B), che in assenza di rivestimenti viene degradato quando è esposto alla luce e ad un ambiente acido, mentre invece risulta molto stabile quando viene prodotta in forma di capsule elettrofilate ed incorporata nelle proteine concentrate del siero di latte (whey protein concentrate, WPC). Un’elevatissima efficienza di incapsulamento (> 95%) è stata ottenuta per l’acido folico in forma di nanofibre elettrofilate, inserite nelle proteine isolate dell’amaranto e questo ha consentito di inibire la degradazione dell’acido folico dopo 2 ore di esposizione alla radiazione ultravioletta;
  • le proteine del latte bovino e il licopene, che sono stati incapsulati con successo nelle proteine concentrate del siero di latte e questo ha consentito di proteggere questi ingredienti alimentari dall’umidità e dalla degradazione termica;
  • il beta-carotene, che incapsulato nella zeina, ha ridotto la sua tendenza all’ossidazione;
  • l’acido gallico derivato dal tè e la curcumina, che sono stati incorporati nelle proteine di zeina e hanno mantenuto a lungo inalterate le loro proprietà antiossidanti;
  • gli acidi grassi omega-3, che sono contenuti nell’olio di pesce, oltre che in alcuni oli vegetali e di semi, sono come si sa molto importanti per la riduzione del rischio cardiovascolare. Il tempo di conservazione degli acidi grassi può essere prolungato incorporandoli in capsule di zeina elettrofilate. Ad esempio l’acido docosaesaenoico (DHA), un importante acido grasso omega-3, conservato all’interno delle nanocapsule di zeina, ha una velocità di ossidazione e quindi di degradazione 2,5 volte inferiore rispetto al corrispondente prodotto convenzionale.

Attualmente i processi descritti sono disponibili su scala di laboratorio; tuttavia si sta già pensando di sviluppare nuove configurazioni ad alte prestazioni basate su più aghi per aumentare la capacità di produzione e dare sbocchi commerciali a questi prodotti.

Bibliografia: Torres-Giner, Polymer Engineering and Science, 2016, DOI 10.1002, pag.500

 

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