Pellicole di emicellulosa per l’imballaggio alimentare

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L’emicellulosa è uno dei polisaccaridi più abbondanti in natura, che si distingue dalla cellulosa, formata solo da unità di glucosio, perché le sue molecole sono costituite da zuccheri diversi tra loro.

L’emicellulosa è biodegradabile e biocompatibile, quindi non stupisce che ci sia un crescente interesse per il suo utilizzo in un’ampia varietà di applicazioni, tra le quali però manca ancora il settore dell’imballaggio alimentare.

In quest’ambito, le applicazioni sono ancora molto poche, ma è da segnalare lo studio di F. R. S. Mendes et al. (2017, 181), che si sono concentrati sui processi di estrazione dell’emicellulosa e sulle sue proprietà, al fine di valutarne le potenzialità per lo sviluppo di imballaggi commerciali. Va detto che con il termine di emicellulosa s’intende una famiglia di polisaccaridi.

Gli autori di questo studio si sono occupati dell’emicellulosa estratta principalmente da due fonti: la Caesalpina pulcherrima e la Tamarindus indica. Inoltre, sono state studiate anche le proprietà della pellicola ottenuta dalla miscelazione di questi due tipi di emicellulosa, poiché è noto in generale che la miscelazione dei polimeri rappresenta un metodo eccellente per variarne le proprietà e generare nuovi prodotti. Le due diverse fonti di emicellulosa sono state scelte per i seguenti motivi:

  • la Caesalpinia pulcherrima inizia a produrre semi appena sei mesi dopo la semina e produce un’emicellulosa ricca di galattomannani. A causa delle loro proprietà come l’alto peso molecolare, la solubilità in acqua e l’assenza di tossicità, i galattomannani sono già usati nell’industria alimentare come stabilizzanti di emulsioni e agenti gelificanti, sotto forma di farine naturali (gomma di guar, farina di semi di carrube, ecc.);
  • i semi di Tamarindus indica sono residui dell’industria alimentare e sono ricchi di xiloglucani, per i quali esistono già importanti applicazioni commerciali nell’area alimentare.

L’emicellulosa estratta da queste due fonti forma pellicole fragili che tendono a rompersi durante la manipolazione e lo stoccaggio. Per questo motivo, alla miscela di galattomannani e xiloglucani è stato aggiunto il glicerolo, un composto non volatile a basso peso molecolare ottenuto come co-prodotto dall’industria dei biocarburanti, usato spesso come plastificante per ridurre la fragilità e aumentare la flessibilità delle pellicole senza provocare cambiamenti significativi nelle proprietà barriera dei materiali originari. Altri plastificanti comunemente usati a questo scopo nelle pellicole a base di polisaccaridi sono il sorbitolo e il polietilenglicol.

E’ importante quindi notare che tutte le materie prime usate in questo studio, dall’emicellulosa al glicerolo, provengono da fonti rinnovabili. Vediamo ora le fasi di estrazione dei polisaccaridi e di preparazione delle pellicole.

  • Per l’estrazione dei galattomannani, i semi di C. pulcherrima sono stati rimossi dai baccelli, puliti e messi in un frullatore per spezzarli meccanicamente. Quindi l’endosperma è stato separato manualmente dal guscio ed è stato sospeso in etanolo in proporzione 1:3 (semi : etanolo) a 70°C per 20 min, al fine di inattivare gli enzimi ed eliminare i composti a basso peso molecolare. Quindi l’etanolo è stato rimosso ed è stata aggiunta l’acqua distillata in proporzione 1:10 (endosperma : acqua), ottenendo così una sospensione che è stata lasciata riposare per tutta una notte. Il giorno seguente, la sospensione è stata miscelata in un frullatore per 5 minuti, a dare una soluzione viscosa, che è stata filtrata attraverso una rete di nylon. Alla soluzione passata attraverso il nylon è stato aggiunto dell’etanolo in rapporto 1: 2 per provocare la precipitazione dei galattomannani. Il precipitato è stato lavato con acetone, asciugato all’aria calda ed infine macinato. L’estrazione dei galattomannani dalla C. pulcherrima ha dato una resa del 25% rispetto al peso del seme.
  • Per l’estrazione degli xiloglucani, i semi di T. indica sono stati fatti bollire in acqua distillata per 50 minuti in un rapporto di 1:40 (peso su volume), lasciati in acqua distillata a 8°C per 12 ore ed infine macinati in acqua distillata. L’estratto viscoso ottenuto è stato filtrato attraverso una rete di nylon e centrifugato a 4°C per 20 minuti. In questo modo è stato possibile separare il precipitato dalla soluzione surnatante e a quest’ultima sono stati aggiunti due volumi di etanolo al 96% per far precipitare gli xiloglucani. Per avere una maggiore purezza, il precipitato recuperato è stato risospeso in acqua e il processo di precipitazione è stato ripetuto. Al termine, il precipitato è stato immerso in acetone in un rapporto di 1:5 (peso / volume) per 20 minuti ed infine essiccato sotto un flusso di aria fredda. L’estrazione degli xiloglucani dai semi di T. indica ha avuto una resa del 20% rispetto al peso del seme.

Quindi, l’estrazione dei galattomannani e degli xiloglucani dai semi ha avuto una resa tra il 20 e il 30%, e questo indica che le fonti utilizzate possono essere sfruttate per ottenere le emicellulose su larga scala, con livelli di proteine e ceneri inferiori rispetto alle emicellulose ottenute da altre fonti.

  • Per la preparazione delle pellicole contenenti la miscela di emicellulose, i polisaccaridi sono stati sciolti separatamente in acqua distillata usando un omogeneizzatore operante a 20,500 giri al minuto per 15 minuti. Le soluzioni quindi sono state unite e centrifugate (10,000 giri al minuto per 20 minuti a 4°C), sottoposte a deaerazione sotto vuoto per rimuovere le bolle d’aria presenti, e quindi distribuite su piastre di Petri aventi 90 mm di diametro e 15 mm di altezza, con circa 30 g di soluzione per ciascuna piastra. I campioni sono stati essiccati a 40°C in aria per circa 24 ore. Dopo la formazione, le pellicole sono state conservate in un essiccatore a 25°C e con umidità relativa del 50% fino al loro utilizzo. La caratterizzazione ha mostrato le seguenti proprietà per le pellicole ottenute:
  • la pellicola contenente solo galattomannano e priva di xiloglucano ha una maggiore permeabilità all’umidità rispetto alle pellicole con solo xiloglucano e con la miscela dei due;
  • tutte le pellicole preparate sono trasparenti, poiché hanno meno del 20% di opacità;
  • l’analisi termogravimetrica ha mostrato che il galattomannano e lo xiloglucano hanno una buona stabilità termica, e anche le pellicole formate da queste due emicellulose in presenza di glicerolo hanno una buona stabilità termica.

Pertanto, i risultati ottenuti mostrano la fattibilità della produzione di pellicole per l’imballaggio alimentare a base di emicellulose derivate da semi di C. pulcherrima e di T. indica.

Entrambe queste emicellulose hanno proprietà compatibili con applicazioni di imballaggio alimentare. L’uso delle miscele consente di ottenere pellicole con proprietà migliori rispetto a quelle ottenutte con un solo tipo di emicellulosa.

Bibliografia R. S. Mendes et al., Food Hydrocolloids 70, 2017, 181

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