Nuove pellicole biodegradabili a base di cellulosa con proprietà antimicrobiche

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La cellulosa è il biopolimero più abbondante in natura e può essere estratta da moltissime fonti, tra cui il legno, il cotone e le foglie. La cellulosa è ecologica, biodegradabile ed è già utilizzata con successo come materiale da imballaggio per la conservazione degli alimenti. La cellulosa pura non ha proprietà antimicrobiche, tuttavia attualmente si possono produrre materiali da imballaggio a base di cellulosa con proprietà antimicrobiche mediante 2 tipi di processo:

  • incorporazione all’interno della cellulosa di nanoparticelle con opportune proprietà, a dare nanocompositi;
  • grafting, che si può tradurre con il termine “innesto”, di opportuni gruppi reattivi su nanofibre di cellulosa.

La differenza tra questi 2 processi è che il primo coinvolge tutta la massa di cellulosa, sia alla superficie che all’interno, mentre il secondo si applica solo sulla superficie della cellulosa.

Una ricerca svolta in Cina in collaborazione tra la Huazhong Agricultural University e lo Wuhan Institute of Technology (Y. Wu et al., 2016) ha mostrato un modo semplice per preparare pellicole sicure dal punto di vista alimentare e biodegradabili con il secondo metodo descritto, cioè innestando sulla cellulosa ossidata il chitosano, che ha proprietà antibatteriche. Le pellicole così ottenute possiedono molte proprietà utili per gli imballaggi alimentari, tra cui anche le proprietà antimicrobiche. Questo lavoro di ricerca si è sviluppato in 3 parti:

1) preparazione delle pellicole di materiale composito attraverso le seguenti fasi: cellulosa pura ® pellicole di cellulosa rigenerata ® pellicole di cellulosa ossidata ® composito cellulosa / chitosano;

2) caratterizzazione delle pellicole di materiale composito in termini di resistenza a trazione, trasparenza ottica, stabilità termica e proprietà barriera;

3) valutazione delle prestazioni antibatteriche nella conservazione di salsicce acquistate in un supermercato locale.

Questi tre punti verranno ora sviluppati in modo più dettagliato.

  • La preparazione delle pellicole di materiale composito inizia con la dissoluzione completa della cellulosa pura, sotto forma di carta da filtro polverizzata, in una soluzione acquosa di idrossido di litio / urea. Quindi, la soluzione di cellulosa trasparente viene colata su una piastra di vetro dello spessore di circa 1 mm e immersa in un bagno contenente acido solforico, al fine di rigenerare la cellulosa sotto forma di polimero lineare con macromolecole molto ravvicinate. La cellulosa rigenerata è anche nota con il nome commerciale di Cellophane ed è un materiale sottile e trasparente. Le pellicole di cellulosa rigenerata così ottenute sono quindi lavate con acqua deionizzata ed immerse in una soluzione di periodato di sodio per ottenere pellicole di cellulosa ossidata. Il periodato è una sostanza in grado di provocare l’ossidazione della cellulosa, che sotto questa forma ha un’alta reattività nei confronti del chitosano. Il trattamento ossidante con periodato di sodio è stato fatto avvenire con tempi variabili, al fine di verificare l’influenza del tempo di trattamento sul grado di ossidazione della cellulosa. Ed effettivamente il grado di ossidazione delle pellicole di cellulosa aumenta con il tempo, e precisamente dopo 0.5, 1, 2 e 3 ore è risultato rispettivamente pari al 3.43%, 5.05%, 13.92% e 18.94%. Successivamente, le pellicole di cellulosa ossidata sono state immerse in una soluzione contenente chitosano, quindi lavate con acqua deionizzata ed asciugate a temperatura e pressione ambiente. Al termine di questo processo si sono ottenute le pellicole desiderate di materiale composito contenenti cellulosa e chitosano.
  • Le proprietà delle pellicole ottenute al punto 1) sono:
  • una resistenza alla trazione molto superiore alle pellicole di cellulosa rigenerata. Questa proprietà è importante per l’uso delle pellicole come materiali da imballaggio per alimenti e indica che fortunatamente le loro proprietà meccaniche non risentono del processo di ossidazione della cellulosa;
  • un’elevata trasparenza, indicata da una trasmittanza della luce superiore all’80%;
  • una buona stabilità termica, nonostante una piccola perdita di peso al di sotto dei 100°C, dovuta al rilascio di umidità dai campioni;
  • un’eccellente proprietà barriera all’ossigeno, che quindi passa molto poco attraverso le pellicole. Questa elevata proprietà barriera rappresenta un grande risultato, perché la cellulosa pura ha una scarsa proprietà barriera all’ossigeno. Il chitosano ha una grande attività antibatterica e la pellicola di materiale composito contenente il chitosano ha mostrato lo stesso comportamento quando è stata usata per il confezionamento delle salsicce, mentre invece la pellicola di cellulosa rigenerata non ha attività antimicrobica e i batteri sono proliferati rapidamente sulle salsicce. L’attività antimicrobica è stata valutata sia per l’Escherichia coli sia per lo Staphylococcus aureus, che sono stati selezionati come batteri rappresentativi dei gram-negativi e dei gram-positivi, rispettivamente. Per avere risultati del test più sicuri, è stata usata una concentrazione di batteri molto più elevata rispetto a quella solitamente presente nei cibi freschi o nell’aria. In particolare, le pellicole ottenute dopo un tempo di ossidazione di 2 ore possono prolungare il tempo di conservazione delle salsicce di almeno 6 giorni rispetto alle pellicole di polietilene. Infatti, dopo dieci giorni il numero totale di batteri sulle salsicce ricoperte con pellicole ossidate per 2 ore era simile a quello ottenuto con pellicole di polietilene dopo quattro giorni.

Questi risultati hanno un elevato grado di affidabilità perché sono stati confermati dai bassi valori dell’azoto basico totale volatile, che com’è noto è un indice di attività batterica nei prodotti insaccati. Quindi si può affermare che le pellicole di materiale composito preparate hanno elevate potenzialità come materiali da imballaggio antibatterici. Riassumendo, è stato descritto un modo semplice per ottenere pellicole altamente trasparenti con il chitosano innestato sulla cellulosa ossidata.

Il processo di ossidazione cambia la microstruttura della cellulosa rigenerata e migliora notevolmente le proprietà barriera all’ossigeno delle pellicole. I materiali così ottenuti hanno mostrato proprietà antimicrobiche sulle salsicce molto migliori dei comuni imballaggi commerciali in polietilene. Questi risultati aggiungono nuove informazioni sulle potenzialità del processo di grafting per la preparazione di imballaggi alimentari biodegradabili.

Bibliografia

Wu et al., Food Chemistry 197, 2016, 250

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