Nuovo materiale per il packaging alimentare

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Acido polilattico con nanocristalli di cellulosa e ossido di grafene. Negli ultimi anni, i materiali biodegradabili hanno suscitato un notevole interesse sia in campo industriale sia nella ricerca di base, per la produzione di compositi eco-compatibili che, oltre a ridurre il problema dello smaltimento dei rifiuti, siano a basso costo rispetto ai compositi tradizionali. Il PLA si è subito rivelato un buon candidato per formare questo tipo di materiali perché è un poliestere biodegradabile ottenuto dall’acido lattico, che a sua volta viene ottenuto per fermentazione di risorse rinnovabili come il mais, l’amido e le patate. La caratteristica più interessante del PLA è quella di poter formare prodotti ad alto valore aggiunto ad un basso prezzo. E infatti, grazie alla sua elevata resistenza meccanica, alla sua facile lavorabilità e alla sua biocompatibilità, il PLA è già ampiamente usato per gli imballaggi alimentari. Purtroppo però il PLA ha anche alcuni svantaggi, come ad esempio proprietà barriera all’ossigeno relativamente basse, una fragilità eccessiva e una bassa resistenza meccanica. Per superare questi problemi, si cerca di preparare nuovi materiali a base di PLA, ad esempio sotto forma di nanocompositi, cioè materiali multifase, in cui almeno una delle fasi ha una, due o tre dimensioni minori di 100 nanometri. In quest’ambito, N. Pal et al. hanno pubblicato un articolo sull’International Journal of Biological Macromolecules (95, 2017, 94) in cui hanno mostrato che si possono migliorare in modo significativo le proprietà del PLA inserendoli in compositi assieme a “nanofillers”, cioè nanoriempitivi di dimensione nanometrica, con funzioni di rinforzo. Nello specifico, sono stati usati come nanofillers i nanocristalli di cellulosa (cellulose nanocrystals, CNC) e l’ossido di grafene ridotto (reduced graphene oxide, RGO). I nanocompositi sono stati preparati in forma di pellicola per colata di una soluzione; oltre ai nanocompositi PLA/CNC/RGO, per confronto sono stati preparati anche pellicole di PLA/CNC e di PLA/RGO. I CNC sono un componente ideale per la produzione di nanocompositi, perché hanno elevata resistenza specifica, biocompatibilità, biodegradabilità, peso ridotto, abbondanza, proprietà barriera ed inoltre hanno una grande capacità rinforzante. I CNC sono già usati da tempo in compositi di PLA, anche per applicazioni legate all’imballaggio; per esempio, materiali a base di PLA con incorporate delle nanoparticelle di argento (Ag) e CNC vengono apprezzati per le loro proprietà antimicrobiche. Tuttavia, il CNC presenta un grosso svantaggio legato alla sua idrofilia. Per questo motivo, N. Pal et al. hanno studiato un nuovo materiale a base di PLA, in cui, oltre ai CNC, è stato aggiunto un secondo riempitivo nanometrico, l’RGO.

Il materiale è stato preparato attraverso le seguenti fasi:

preparazione dei CNC a partire dalla cellulosa microcristallina (MCC), che è una polvere disponibile in commercio. Inizialmente, si preparano delle sospensioni di MCC in acqua deionizzata. Poi, si aggiunge goccia a goccia dell’acido solforico a 45 °C, sotto costante agitazione. Dopo 3-4 h, la sospensione viene centrifugata per rimuovere l’acido e concentrare la sospensione di cellulosa. Il precipitato che si ottiene viene risciacquato con acqua e ricentrifugato con acqua deionizzata diverse volte, finché il pH non diventa neutro. Il precipitato viene poi dializzato con una opportuna membrana ed infine la sospensione viene sottoposta ad un trattamento prolungato agli ultrasuoni per ottenere dei nanocristalli;

preparazione di RGO a partire da grafite in polvere. La grafite viene trasformata in ossido di grafene secondo un procedimento ben noto, quindi l’ossido di grafene viene fatto reagire con idrato di idrazina a dare l’ossido di grafene ridotto. La riduzione con idrato di idrazina avviene per riscaldamento a 100 °C per 24 ore. Al termine di questo trattamento, si ottiene una soluzione bianca contenente dei fiocchi di RGO. La soluzione ottenuta viene lavata con metanolo e poi con acqua i fino a pH neutro. L’RGO viene recuperato per filtrazione ed essiccato in stufa a 50°C;

preparazione di pellicole di nanocomposito PLA/CNC. Queste pellicole sono state preparate per colata di una soluzione e contengono CNC in diversi rapporti percentuali (1, 2 e 3%). Per la preparazione delle pellicole, inizialmente il PLA commerciale e i CNC sono stati sciolti separatamente in cloroformio. Successivamente, la soluzione di CNC è stata aggiunta alla soluzione di PLA sotto costante agitazione; la soluzione risultante è stata colata su un disco di Petri, di vetro e dalla forma circolare, quindi è stata lasciata asciugare a temperatura ambiente per circa 24 ore. In questo modo, si è ottenuta una pellicola avente uno spessore medio di circa 70 micrometri;

preparazione di pellicole di nanocomposito PLA/RGO. Queste pellicole sono state preparate mediante la stessa procedura seguita per la preparazione dei nanocompositi PLA/CNC. Anche in questo caso sono state preparate pellicole a contenuto variabile di RGO (0.5, 0.6, 0.7%);

preparazione di pellicole di nanocomposito PLA/CNC/RGO. Queste pellicole sono state preparate incorporando il CNC e l’RGO nell’acido poli-lattico (PLA), utilizzando il metodo di colata di una soluzione. Per ottenere la migliore compatibilità tra i nanoriempitivi e la matrice polimerica di PLA, i singoli componenti (CNC, RGO e PLA) sono stati dapprima sospesi separatamente in cloroformio, poi aggiunti uno nell’altro ed infine la soluzione è stata colata per formare la pellicola.

Per quanto riguarda il nanocomposito finale PLA/CNC/RGO, le migliori proprietà in termini di biocompatibilità, proprietà termiche e meccaniche sono state ottenute con l’1 % di CNC e lo 0,5% di RGO. In particolare, le proprietà meccaniche del nanocomposito mostrano un notevole miglioramento rispetto al PLA puro, con un aumento fino al 23% della resistenza alla trazione ed un aumento dell’allungamento a rottura, il che mostra una maggior duttilità del materiale. Oltre ad essere biocompatibili, le pellicole preparate mostrano anche proprietà antimicrobiche, con una particolare attività nei confronti di sia Gram-positivi, come ad esempio lo Staphylococcus aureus, sia Gram-negativi, come l’Escherichia coli. Inoltre, test in vitro hanno mostrato una citotossicità trascurabile per la linea cellulare fibroblastica NIH-373, dopo trattamento con la pellicola del nanocomposito. Per riassumere, questo lavoro ha dimostrato gli effetti positivi dell’incorporazione in PLA di nanoriempitivi di rinforzo come CNC e RGO, dispersi omogeneamente nella matrice. Il nanocomposito ottenuto presenta un’elevata resistenza alla trazione e una buona stabilità termica, in aggiunta ad attività antibatterica e ad una buona biocompatibilità. Questi risultati suggeriscono che le pellicole di nanocompositi PLA/CNC/RGO sono un materiale promettente per l’imballaggio alimentare.

Bibliografia. Pal et al., International Journal of Biological Macromolecules (95, 2017, 94)

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