Una pellicola innovativa di plastica per l’imballaggio dei prodotti sensibili all’ossigeno

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L’assenza di ossigeno, o per lo meno il controllo accurato della sua concentrazione, è importante in molti processi industriali, particolarmente nell’industria alimentare. Infatti nelle confezioni alimentari l’ossigeno è responsabile di tutta una serie di processi di degradazione, che coinvolgono la crescita microbica, l’ossidazione dei lipidi e la decomposizione delle proteine. Al fine di prolungare il tempo di conservazione, molti imballaggi alimentari sfruttano il metodo del confezionamento in atmosfera modificata (MAP), per cui il prodotto alimentare si trova immerso in un’atmosfera satura di un gas inerte come l’azoto oppure di un gas attivo, come l’anidride carbonica, al fine di ridurre la concentrazione di ossigeno dal valore che ha normalmente nell’aria (21%) a valori molto più bassi (0,5-2%). Occorre però non solo togliere l’ossigeno, ma anche confermare la sua avvenuta rimozione e quindi i metodi di analisi dell’ossigeno sono molto importanti sia durante la preparazione dell’imballaggio in MAP sia per verificare l’integrità delle confezioni alimentari in generale. Per il rilevamento dell’ossigeno ci sono già molte tecniche analitiche consolidate, come la gascromatografia, che però hanno diversi aspetti negativi a partire dal fatto che sono costose e prevedono complesse procedure di prelievo dei campioni da analizzare. Questi aspetti rendono impossibile il controllo qualità della MAP con la tecnica di gascromatografia, quindi il mondo della ricerca si sta indirizzando verso lo studio di sensori ottici come tecnica analitica per quantificare l’ossigeno presente negli imballaggi. I primi sensori ottici studiati erano luminescenti, con proprietà molto interessanti quali la reversibilità e la velocità della risposta, unita alla elevata sensibilità.

Questo tipo di sensori hanno anche visto uno sviluppo commerciale; purtroppo però sono relativamente costosi e quindi vengono attualmente usati solo nei settori industriali legati al settore della ricerca e sviluppo. Resta quindi aperto il problema della messa a punto di sensori per ossigeno poco costosi, di semplice utilizzo, anche irreversibili ma che possano rivelare l’integrità della confezione durante tutte le fasi del confezionamento e anche, successivamente, una volta arrivati al consumatore. Sotto quest’ultimo punto di vista, per essere utile anche al consumatore, un sensore ideale dovrebbe mostrare un marcato cambiamento di colore che deve essere facilmente rilevabile anche da un occhio non addestrato, cioè non richiedere alcuna attrezzatura analitica specialistica per segnalare la presenza all’interno della confezione di livelli di ossigeno superiori al valore accettabile. In quest’ambito, sono già stati brevettati indicatori di ossigeno colorimetrici, alcuni già anche in commercio, come l’Ageless Eye, che però hanno costi al dettaglio elevati; inoltre sono reversibili e come tali relativamente poco affidabili. Di conseguenza, sono stati studiati altri indicatori di ossigeno irreversibili e più efficaci, tra cui una serie di pellicole stampate con inchiostri in grado di comportarsi da indicatori di ossigeno dopo essere stati attivati dalla luce ultravioletta (UV). L’inchiostro è composto da un colorante, il blu di metilene che, dopo l’esposizione ai raggi UV, viene convertito alla sua forma incolore, leuco-blu di metilene. In assenza di ossigeno il leuco-blu di metilene rimane nella sua forma incolore, mentre in presenza di ossigeno ritorna di colore blu. Partendo da questi studi, si è passati dagli inchiostri alle confezioni alimentari, incorporando la tecnologia dei sensori nel materiale da imballaggio stesso. In quest’ambito, A. Mills e colleghi (2012) hanno studiato la preparazione di una pellicola plastica sensibile all’ossigeno da incorporare nell’imballaggio alimentare. La pellicola è fatta di polietilene a bassa densità (LDPE), rivestita nano-particelle di da biossido di titanio su cui è stato depositato un pigmento indicatore composto da blu di metilene e treitolo. Questa pellicola è stata poi termosaldata su polietilene tereftalato, tipico imballaggio per carne fresca in atmosfera modificata. Una volta preparata la confezione, si è attivato l’indicatore con luce UV-A. In queste condizioni l’indicatore di colore blu si trasforma facilmente nella sua forma incolore, leuco-blu di metilene, in un tempo inferiore a 90 secondi. Pur essendo all’interno della pellicola, anche in questo caso come nel caso dell’inchiostro la forma incolore persiste in assenza di ossigeno, ma si è visto che viene ri-ossidata alla forma blu in 2 giorni e mezzo in aria in condizioni ambiente (21°C, 65% di umidità relativa), con un tasso di recupero linearmente dipendente dal livello di ossigeno nell’atmosfera circostante.

Dal momento che le pellicole plastiche sensibili all’ossigeno qui riportate hanno un potenziale uso come indicatori di freschezza anche per la conservazione di prodotti alimentari in frigorifero, sono state monitorate le loro prestazioni anche a bassa temperatura (5°C). Quindi, la pellicola è stata trattata come descritto in precedenza per dare la forma incolore e successivamente, per studiare i tempi di recupero del colore originario, la copertura dell’imballaggio è stata parzialmente aperta e la confezione lasciata fino a 4 giorni in frigorifero a 5°C. Si è visto che la velocità di recupero del colore è ridotta a 5°C rispetto alla velocità osservata a temperatura ambiente: dopo 4 giorni in queste condizioni l’indicatore recupera l’80% del suo colore originale, quindi questo lavoro mostra che il colore di queste pellicole può essere utilizzato anche per indicare per quanto tempo una confezione viene lasciata aperta in frigorifero a 5°C. Un altro aspetto importante è rappresentato dal fatto che gli alimenti come la carne o il pesce sono spesso confezionati in condizioni di elevata umidità relativa, dato che hanno un elevato contenuto di acqua, e quindi è necessario controllare come le pellicole plastiche sensibili all’ossigeno siano in grado di recuperare il colore originario in diverse condizioni di umidità relativa. A questo riguardo, si è visto che la fase di recupero del colore dipende moderatamente dall’umidità a 21°C, mentre non dipende dall’umidità a 5°C. Queste pellicole plastiche sensibili all’ossigeno sono riutilizzabili, in quanto la foto-attivazione può essere ripetuta più volte. Tutti questi risultati mostrano che è possibile preparare una pellicola plastica sensibile all’ossigeno, impermeabile, irreversibile, riutilizzabile, contenente nano-particelle di pigmento estruse in polietilene a bassa densità, da utilizzare come indicatore di freschezza dei prodotti alimentari. Un ulteriore sviluppo di questa ricerca riguarda la possibilità di accelerare la risposta della pellicola con l’indicatore depositando nano-particelle di platino sulla superficie del biossido di titanio.

Bibliografia
A. Mills e colleghi, Analyst, 2012, 137, 106