Pellicole antimicrobiche a base di amido, polivinil alcol e acido citrico

Con lo sviluppo delle biotecnologie, le pellicole biodegradabili sono state identificate come parte integrante di uno sviluppo economico globale sostenibile e come tali sono diventate l’oggetto di una crescente attenzione in ambito sia accademico sia industriale.

Un esempio è rappresentato dallo studio realizzato in collaborazione tra la Cina e gli Stati Uniti (Zhijun Wu et al., 2017), in cui è stata messa a punto la preparazione di un composito a base di amido e alcol polivinilico (PVA), modificato con acido citrico per ottenere film biodegradabili con adeguate proprietà antibatteriche, meccaniche e termiche, in grado quindi di migliorare la conservazione degli alimenti freschi.

Vediamo ora una panoramica delle caratteristiche dei singoli componenti del composito.

• L’amido è un materiale polimerico naturale, biodegradabile, ottenuto da risorse rinnovabili e a basso costo. Purtroppo il suo utilizzo come imballaggio alimentare è pesantemente limitato dalle scarse proprietà barriera e meccaniche, oltre che dalla bassa lavorabilità rispetto alle materie plastiche derivate dal petrolio. Per estendere le applicazioni dell’amido, spesso lo si fonde con altri polimeri sintetici, anche in forma di nanomateriali.
• Il PVA è un polimero di sintesi, biodegradabile, con eccellenti prestazioni e ampie applicazioni nel campo dell’imballaggio. Spesso forma pellicole in unione ad un’ampia varietà di materiali, inclusi gli oli essenziali, ecc.
• L’acido citrico è una sostanza incolore e solubile in acqua. E’ uno degli acidi più diffusi nei vegetali ed è presente in quasi tutta la frutta: il succo di limone ne contiene il 5-7% e l’arancia l’1% circa. Può essere prodotto attraverso fermentazioni su scala industriale.

Vediamo ora le fasi della preparazione delle pellicole composite a base di amido, PVA e acido citrico (starch/poly (vinyl alcohol)/citric acid, S/P/C). Le pellicole sono state preparate con il metodo della solution casting, cioè della colata della soluzione, generalmente utilizzata per realizzare componenti in plastica flessibili.

In essa un mandrino o uno stampo viene immerso in un serbatoio contenente una soluzione del polimero, di composizione adeguata per il tipo di processo e di materiale che si vuole ottenere. Grazie alla combinazione del riscaldamento e dell’attrito, la soluzione polimerica forma una pellicola sottile attorno allo stampo, che dopo un certo tempo viene estratto dal serbatoio in modo controllato.

Segue quindi un processo di essiccazione, durante il quale si completa la polimerizzazione del materiale e al termine del quale la pellicola viene rimossa dallo stampo. Le caratteristiche più importanti di questa tecnologia sono:

• i costi di produzione sono spesso inferiori alle tecnologie convenzionali;
• la possibilità di includere più sostanze, anche con diverse proprietà (meccaniche, di colore, ecc.), a dare materiali finali con un’ampia gamma di funzionalità.

In particolare, per la preparazione del composito S/P/C, il PVA è stato dapprima sciolto in acqua distillata a 95 °C e successivamente è stato aggiunto l’acido citrico. L’amido di mais è stato trasformato in gel per riscaldamento a 90 °C, quindi è stato aggiunto sotto agitazione alla soluzione di PVA ed acido citrico, assieme alla glicerina con funzione di plastificante.

Si ottiene così un fluido trasparente e uniforme che viene colato su una lastra di vetro livellata (25 cm x 25 cm), quindi essiccato a temperatura ambiente prima di essere staccato dalla lastra in forma di pellicola. Tutti i campioni di pellicola sono stati precondizionati in una camera a temperatura costante e con umidità relativa dapprima al 25%, poi al 50% per almeno 48 ore prima di ulteriori test.

Gli autori hanno preparato il materiale usando diversi rapporti tra amido / alcol polivinilico (PVA) / acido citrico (S/P/C = 1:1:0 come materiale di controllo in quanto privo di acido citrico, S/P/C = 3:1:0,08 e S/P/C = 3:3:0,08) e tempi di asciugatura diversi (120, 270 e 300 minuti). L’influenza di queste variabili è stata valutata considerando numerose proprietà finali del materiale, tra cui la trasparenza, il colore, la resistenza alla trazione, la permeabilità al vapore acqueo, la solubilità in acqua e l’attività antimicrobica.

Inoltre, sono stati effettuati test di confezionamento avvolgendo dei fichi freschi con la pellicola ottenuta e misurando i previsti indici fisiologici durante il confezionamento, come il contenuto di acido titolabile, acido ascorbico, zucchero riducente e polifenoli, oltre all’attività dell’enzima catalasi. I risultati più importanti di queste prove sono i seguenti:

* il tempo di asciugatura ottimale per tutte le pellicole studiate è risultato essere di 270 min. Questo va inteso come tempo limite di asciugatura; infatti prolungando il tempo a 300 minuti, nelle pellicole si sono formate delle fratture, con conseguente brusco calo della resistenza a trazione;

* tutte le pellicole preparate sono risultate altamente trasparenti;

* rispetto al controllo S/P/C = 1:1:0, la resistenza a trazione delle pellicole composite contenenti acido citrico è aumentata in modo significativo. In particolare, la resistenza a trazione della pellicola S/P/C 3:3:0,08 è di 46 MPa, quindi maggiore di quella del polietilene ad alta densità (22-23 MPa) e paragonabile al polietilene a bassa densità (19-44 MPa) e al polipropilene (31-38 MPa);

* la flessibilità della pellicola di S/P/C = 3:3:0,08 è leggermente minore rispetto al controllo, mentre la flessibilità della pellicola S/P/C = 3:1:0,08 è leggermente maggiore;

* la permeabilità al vapore acqueo della pellicola di S/P/C = 3:1:0,08 non è significativamente diversa da quella del controllo, mentre la permeabilità al vapore acqueo della pellicola di S/P/C = 3:3:0,08 diminuisce significativamente rispetto al controllo. In particolare, S/P/C = 3:3:0,08 ha una capacità di trattenere l’acqua pari a 54,31 volte il suo peso e la sua superficie ha una buona uniformità e compattezza;

* i risultati del test di confezionamento dei fichi freschi hanno dimostrato che tutte le miscele inibiscono la formazione di acqua condensata sulla superficie della pellicola, ma le miscele S/P/C = 3:1:0,08 e S/P/C = 3:3:0,08 inibiscono il deterioramento dei fichi durante la conservazione. Infatti, mentre la pellicola di controllo S/P/C = 1:1:0 non mostra alcuna attività antimicrobica contro i batteri patogeni utilizzati, sia Gram-positivi (come la Listeria monocitogenes) sia Gram-negativi (come l’Escherichia coli), le pellicole di S/P/C = 3:1:0,08 e di S/P/C = 3:3:0,08 hanno mostrato una forte attività antimicrobica.

In sintesi, il composito S/P/C = 3:3:0,08 è un materiale promettente per il confezionamento alimentare grazie alle sue buone proprietà meccaniche e al forte effetto antibatterico ed è particolarmente adatto per formare pellicole antiappannanti e altamente traspiranti per il confezionamento di prodotti freschi.

Riferimenti. Zhijun Wu et al., Polymers 9, 2017, 102