I problemi legati al trattamento dei biopolimeri per imballaggio alimentare

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Burger and fries portion in takeout food box
L’uso dei polimeri provenienti da fonti rinnovabili, detti anche biopolimeri, è in costante aumento nel campo alimentare. Questi polimeri hanno proprietà molto interessanti; per esempio, molti sono biodegradabili o compostabili in condizioni ambientali specifiche; tuttavia, rispetto ai polimeri sintetici, presentano dei problemi quando vengono trattati con le tecnologie tradizionali dell’industria dei polimeri e mostrano spesso prestazioni inferiori per quanto riguarda alcune proprietà funzionali e strutturali. In un articolo pubblicato sulla rivista Trends in Food Science & Technology (22, 2011, 72), G. Mensitieri et al. hanno esposto i problemi relativi alla lavorazione dell’amido e delle proteine, tra cui alcuni aspetti critici legati all’uso delle tecniche di estrusione per la produzione di pellicole e di schiume a partire da questi materiali. L’amido è il polisaccaride più abbondante in natura e più usato, dal momento che è relativamente poco costoso. L’amido naturale esiste in forma granulare; la sua natura idrofila ne impedisce la lavorazione e ovviamente anche l’utilizzo negli ambienti ad elevata umidità. Per quanto riguarda le proteine, diverse tipologie sono state proposte per la preparazione di nuovi materiali, come ad esempio le proteine di cereali, che sono disponibili in grandi quantità come sottoprodotti derivanti dal trattamento di prodotti agricoli e dalla produzione di biocarburanti, primo fra tutti l’etanolo. Una delle proteine che è stata oggetto di approfonditi studi e che è anche di grande interesse industriale è la zeina, presente nel mais. In generale le pellicole a base di proteine hanno elevate proprietà barriera contro l’ossigeno, l’anidride carbonica, l’olio e i grassi, ma purtroppo le loro proprietà meccaniche e di barriera al vapore acqueo sono inferiori a quelle delle plastiche di origine sintetica. Attualmente l’amido e le proteine sono ancora in una fase di sviluppo per le applicazioni nel settore dell’imballaggio alimentare, che è ancora in gran parte dominato dalle materie plastiche derivate dal petrolio, che vengono facilmente prodotte in grandi impianti industriali e quindi, come tali, sono relativamente poco costose. Dal punto di vista tecnologico, questo è dovuto al fatto che i polimeri sintetici termoplastici fondono applicando calore e sollecitazioni meccaniche. La definizione di materiale termoplastico è proprio quella di un materiale plastico che diventa malleabile o modellabile al di sopra di una temperatura specifica e ritorna allo stato solido per raffreddamento. Purtroppo i biopolimeri estratti dalle biomasse come i prodotti ricchi di amido e le proteine sono di difficile lavorazione perché hanno scarse proprietà di scorrimento; questo è dovuto al fatto che questi biopolimeri sono altamente cristallini e quindi durante i trattamenti termici degradano prima del raggiungimento della fluidità richiesta. E’ tuttavia possibile aumentare le proprietà di scorrimento di queste macromolecole naturali con un processo di termo-plastificazione (in inglese “thermoplasticization”), che si basa sull’aggiunta di opportuni plastificanti.

Hamburger and sandwich in boxQueste sostanze agiscono come un lubrificante interno, portando ad un aumento della mobilità a livello molecolare, che migliora lo scorrimento prima che si verifichino fenomeni di degrado. In questo modo, si possono utilizzare anche per i biopolimeri i metodi di lavorazione tradizionali, tra i quali vi sono:
•l’estrusione, in cui il materiale viene spinto grazie ad una vite attraverso un’apertura, dalla cui geometria dipende la forma finale del polimero;
• lo stampaggio per compressione, in cui il polimero viene sottoposto ad elevate pressioni in uno stampo, e in questa maniera si realizza il processo di reticolazione e di conferimento di una forma definitiva;
• lo stampaggio ad iniezione, in cui un materiale plastico viene fuso ed iniettato ad elevata pressione e velocità all’interno di uno stampo chiuso in cui il polimero, raffreddandosi, assume la geometria voluta;
• la termoformatura, l’estrusione di film o di lastre che vengono fatte passare, a temperatura adeguata, in uno stampo nel quale l’oggetto voluto viene stampato a caldo sotto pressione o sotto vuoto;
•il soffiaggio, utilizzato per produrre corpi cavi (come bottiglie, ecc.), che consiste nel dilatare una certa porzione di resina con un getto d’aria sotto pressione, fino a farla aderire alle pareti di uno stampo;
• la calandratura, un processo che consente di produrre fogli o lastre di materiale dello spessore voluto che si effettua in macchine, chiamate calandre, composte da rulli ad assi paralleli, aventi distanza regolabile.
Tutte le variabili di processo e le formulazioni che migliorano la diffusione del plastificante all’interno del materiale inducono un miglioramento delle proprietà finali e un accorciamento di tutto il processo. I risultati di queste modifiche sembrano molto incoraggianti: gli amidi termoplastici sono stati già applicati con successo a livello industriale in miscela con altri polimeri sintetici. L’aumento della deformabilità a fusione del materiale sono risultati importanti soprattutto nel processo di soffiaggio degli amidi termoplastici, utile per ottenere materiali con spessori adeguati in un ampio campo di applicazioni, dagli imballaggi per alimenti ai sacchetti, alle pellicole per coperture agricole. Un’altra tecnologia innovativa per la lavorazione di questi materiali è quella del “foaming”, che si può tradurre con il termine “schiumatura”. Il foaming dei polimeri naturali è stato finora principalmente usato per il trattamento dei cibi, come ad esempio per la preparazione di pane, di snack cotti e di gelati. Le tecnologie utilizzate per i cibi sono diverse dalle tecnologie utilizzate per la produzione di schiume di proteine termoplastificate. Infatti, in questo secondo caso si usa il foaming dei gas: i biopolimeri vengono “foamizzati” utilizzando azoto e anidride carbonica come agenti espandenti. Per quanto riguarda le proteine, la loro termoplastificazione è stata studiata solo di recente ed è stata utilizzata per produrre pellicole mediante estrusione. In particolare, sono state preparate delle pellicole di zeina plastificate con acidi grassi per estrusione di una resina pastosa e modellabile. Ulteriori sviluppi scientifici e tecnologici sono ancora necessari per aprire la strada alla massiccia diffusione di questi materiali in campo alimentare. In altri termini, dovranno essere risolti molti dei problemi legati alla lavorabilità e alle prestazioni di questi materiali prima di affrontare la loro produzione su larga scala, che sarà sicuramente interessante perché porterà ad un minore impatto ambientale rispetto ai polimeri derivati dal petrolio.

Bibliografia
G. Mensitieri et al., Trends in Food Science & Technology (22, 2011, 72)