L’utilizzo dei nano-compositi per il rinforzo degli imballaggi alimentari

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Le proprietà meccaniche e di barriera dei materiali per il confezionamento degli alimenti possono essere migliorate con l’aggiunta di composti rinforzanti, ottenendo così nuovi materiali compositi. Purtroppo la maggior parte dei materiali rinforzati presenta interazioni deboli tra le singole componenti, che però migliorano al diminuire delle dimensioni dei composti aggiunti. Ad esempio, l’aggiunta di composti di dimensioni nanometriche, ad esempio in forma di nanoparticelle, produce dei nanocompositi aventi proprietà molto interessanti. Le nanoparticelle hanno dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri, laddove 1 nanometro corrisponde a 1 miliardesimo di metro, e rispetto alle particelle aventi dimensioni maggiori presentano proprietà ottiche e di reattività molto diverse. Più precisamente, a causa delle loro dimensioni, le nanoparticelle hanno un’area superficiale molto elevata e di conseguenza un maggior numero di atomi in superficie, il che rende più forti le loro interazioni con la matrice, con conseguente miglioramento delle prestazioni del materiale risultante. Inoltre, la diminuzione delle dimensioni delle nanoparticelle favorisce la loro dispersione uniforme nella matrice, e questo porta ad un aumento dell’area di interfaccia tra le 2 componenti del nanocomposito, il che cambia la mobilità delle sostanze all’interno della matrice e fa migliorare le proprietà termiche e meccaniche. In particolare, sono interessanti i componenti nanometrici che hanno un elevato “aspect ratio”, cioè un rapporto elevato tra la dimensione maggiore e quella minore, come ad esempio i nanofili, perché hanno una elevata area superficiale specifica e forniscono un rinforzo migliore. I principali tipi di nanoparticelle che sono stati studiati come rinforzo negli imballaggi alimentari sono stati passati in rassegna da H. M. C. de Azeredo (2009, 1240). In questo articolo, si mostra che l’industria del packaging ha focalizzato la sua attenzione principalmente sulle argille e sui silicati, a causa della loro disponibilità a basso costo e della loro semplice lavorabilità. La loro presenza nelle formulazioni polimeriche aumenta la tortuosità del percorso che deve seguire una molecola che è penetrata e che diffonde al loro interno, e pertanto impartisce eccellenti proprietà di barriera ai gas e all’acqua. Infatti, molti studi hanno riportato l’efficacia delle nanoargille nel diminuire la permeabilità dei polimeri all’ossigeno e al vapore acqueo. In generale, i nanocompositi possono anche aiutare a sviluppare materiali per l’imballaggio alimentare più compatibili con l’ambiente, nel senso che consentono di espandere l’uso delle pellicole commestibili e biodegradabili, che fino ad ora è stato limitato a causa delle loro scarse proprietà meccaniche e di barriera. Ad esempio, è stato dimostrato che l’introduzione delle nanoargille nei biopolimeri migliora notevolmente le loro proprietà barriera. Anche le nanoparticelle di silice consentono di migliorare le proprietà meccaniche e / o di barriera di diverse matrici polimeriche; ad esempio è stato osservato che l’aggiunta di silice al polipropilene migliora le proprietà a trazione del materiale, come la resistenza e l’allungamento. Anche l’amido sta ricevendo una considerevole attenzione in quanto è in grado di aumentare la biodegradabilità di molte materie plastiche. Va detto che la fragilità dell’amido richiede l’uso di plastificanti, come i polioli, che migliorano la sua flessibilità, ma che purtroppo ne riducono le proprietà termomeccaniche. Diversi studi hanno focalizzato l’attenzione sull’amido nanocristallino come una possibilità per migliorare le proprietà dell’alcool polivinilico: il composito con l’amido nanocristallino ha proprietà migliori rispetto all’utilizzo dell’amido nativo, il che suggerisce che l’amido nanocristallino è disperso più omogeneamente ed ha interazioni più forti con l’alcol polivinilico rispetto ai granuli di amido nativo. La cellulosa è un altro polimero naturale a basso costo, largamente disponibile, ecologico, facile da riciclare e che richiede un basso consumo energetico per la produzione e il trattamento. Tutto ciò rende le nanofibre di cellulosa una classe interessante di nanomateriali per la produzione di nanocompositi a basso costo, leggeri e ad alta resistenza. E’ stato dimostrato che il rinforzo con le nanofibre di cellulosa consente di migliorare efficacemente le proprietà sia meccaniche che di barriera all’umidità dei polimeri. Anche la stabilità termica dei polimeri compositi con nano-cellulosa risulta essere migliore rispetto a quella dei corrispondenti polimeri tradizionali. Un gruppo particolarmente interessante di compositi è formato interamente da cellulosa, in essi cioè sia la fibra di rinforzo sia la matrice sono a base di cellulosa. Questi compositi hanno il vantaggio di avere un’ottima interazione tra le 2 componenti del materiale, il che è fondamentale per avere un buon grado di mescolamento e per le prestazioni meccaniche dei compositi. In questa rassegna sono anche citati i nanotubi di carbonio, che sono costituiti da una “parete” che ha lo spessore di un singolo atomo e hanno un “aspect ratio” straordinariamente elevato. Si è visto che l’aggiunta di nanotubi di carbonio ad alcuni polimeri, come l’alcool polivinilico, il polipropilene e la poliammide, ne ha fatto migliorare la resistenza a trazione. Inoltre, i nanocompositi formati da nanotubi di carbonio ed acido polilattico hanno mostrato una velocità di trasmissione del vapore acqueo del 200 % migliore rispetto all’acido polilattico puro. In un altro ambito, le nanoparticelle di chitina e di chitosano sono state aggiunte alle proteine della soia, e questa aggiunta migliora notevolmente non solo le proprietà meccaniche della matrice, ma anche la sua resistenza all’acqua. Nanoparticelle a base di chitosano sono state anche inserite in pellicole a base di metilcellulosa; questa aggiunta ha migliorato significativamente le proprietà meccaniche e di barriera delle pellicole di cellulosa e questo effetto è stato attribuito alla presenza delle nanoparticelle che riempiono le “discontinuità” presenti all’interno del materiale. Concludendo, si può dire che l’applicazione delle nanotecnologie all’industria dei polimeri può aprire nuove possibilità per migliorare non solo le proprietà, ma anche il loro rapporto costo-efficienza. Inoltre, alcuni tipi di nanoparticelle possono impartire ai materiali di confezionamento alimentari proprietà aggiuntive, ad esempio antimicrobiche, di assorbimento di ossigeno, di immobilizzazione di enzimi, oppure possono dare indicazione del grado di esposizione del prodotto ad un determinato fattore di degradazione. Quindi, i nanocompositi possono impartire nuove proprietà interessanti al materiale di confezionamento, anche se non bisogna dimenticare che ci sono problemi ancora aperti riguardanti la loro sicurezza per la salute.

Bibliografia
H. M. C. de Azeredo, Food Research International 42, 2009, 1240