L’uso delle proteine per produrre pellicole biodegradabili

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    La sintesi di nuovi biomateriali con buone prestazioni e proprietà sempre migliori è un’area di ricerca per il confezionamento alimentare in costante espansione. Un progresso significativo in questo settore si è avuto con la preparazione di miscele costituite da polimeri naturali di diversa origine. Questa classe di materiali ha suscitato grande interesse negli ultimi decenni in vista del suo utilizzo in forma di pellicole biodegradabili. Secondo la definizione dell’American Standard for Testing and Methods, i polimeri biodegradabili sono materiali in cui la degradazione deriva principalmente dall’azione di microrganismi come batteri, funghi, enzimi e alghe presenti in natura, che utilizzano il polimero come substrato. Pellicole biodegradabili possono essere prodotte da polimeri come i polisaccaridi, le proteine e i lipidi, che sono in grado di formare materiali continui e che hanno un buon grado di coesione. Però, le proteine si distinguono tra tutti questi materiali per la loro elevata capacità di formare dei legami stabili tra le diverse molecole, e questa caratteristica è di fondamentale importanza per poter preparare buone pellicole.

    Le proteine sono costituite da catene di amminoacidi e differiscono l’una dall’altra soprattutto per la sequenza di amminoacidi. Com’è ben noto, esistono sia proteine animali che proteine vegetali. Ad esempio:

    * i sottoprodotti e i residui derivanti dall’industria ittica sono eccellenti fonti di proteine. Tra questi, di particolare interesse è il nasello (Cynoscion guatacupa), che è attualmente commercializzato sotto forma di filetti, i cui scarti hanno un alto contenuto proteico. In generale, le proteine dei muscoli dei pesci e quindi anche del nasello sono molto adatte per la preparazione di pellicole perché hanno buone proprietà di barriera all’ossigeno. Purtroppo però queste pellicole offrono una bassa barriera al vapore acqueo a causa della loro natura idrofila, ed inoltre hanno un’elevata solubilità in acqua, e quindi devono essere unite ad altre sostanze per ridurre questo inconveniente;

    * la zeina è una proteina contenuta nei semi dei cereali e in particolare nel mais. E’ molto interessante perché ha un carattere idrofobo, che la rende insolubile in acqua anche a bassa concentrazione e le conferisce eccellenti proprietà barriera contro l’umidità. Le pellicole di zeina sono quindi l’ideale per essere miscelate con proteine idrofile. Inoltre, sono completamente prive di sapore, sono dure, trasparenti e sono molto stabili anche in condizioni di umidità e calore elevati. Tuttavia, le pellicole a base di zeina sono fragili e richiedono l’aggiunta di plastificanti e altri componenti come gli oli al fine di ottenere un materiale con le opportune caratteristiche di flessibilità e resistenza;

    * il glutine del grano è un sottoprodotto della produzione di amido di mais e, come tale, è disponibile ad un costo relativamente basso. Le pellicole ottenute dal glutine puro presentano un allungamento a rottura molto elevato e quindi, se unito ad altre proteine, ne può migliorare le proprietà meccaniche.

    Queste 3 proteine sono materiali promettenti per la preparazione di pellicole biodegradabili grazie alla loro facile produzione, al basso costo e alla biodegradabilità. Alla luce di tutto questo, uno studio di D. Nogueira et al. (2019) ha sviluppato e testato pellicole biodegradabili formate dalle proteine dei muscoli del nasello, dal glutine del grano e dalla zeina del mais, sia da soli che in miscela. Tutte le pellicole sono state ottenute con il metodo del casting, che si basa sulla preparazione iniziale di soluzioni colloidali di proteine, eventualmente contenenti anche additivi. Le soluzioni vengono quindi rese omogenee scaldandole in un bagno termostatato ad una temperatura opportuna e mantenute sotto agitazione con l’aiuto di un agitatore meccanico. Alla fine della dissoluzione, le soluzioni vengono versate su piastre di Petri e quindi vengono messe ad essiccare in un forno a circolazione forzata di aria. Dopo l’essiccazione, tutte le pellicole vengono conservate in un ambiente controllato, tipicamente con umidità relativa del 55 ± 2% e temperatura di 25 ± 2 °C, per almeno 48 ore prima dell’utilizzo. Per la preparazione delle miscele, i componenti vengono miscelati in proporzioni uguali (1: 1).

    I risultati hanno mostrato che le proteine provenienti da fonti animali e vegetali, sia pure che in miscela, sono un materiale promettente per ottenere pellicole da usare come imballaggi biodegradabili. Tuttavia, le pellicole ottenute dalle miscele sono migliori, perché la combinazione delle proprietà delle materie prime utilizzate consente di ottenere caratteristiche intermedie rispetto alle pellicole ottenute con i componenti puri, riducendo gli aspetti meno favorevoli dei componenti puri. In particolare:

    * la miscela prodotta con proteine del nasello e glutine ha mostrato valori più alti di resistenza a trazione e valori più bassi di permeabilità al vapore acqueo e solubilità in acqua rispetto alla proteina del nasello pura, che pure consente di ottenere le pellicole con un’alta resistenza a trazione;

    * la miscela di zeina con il glutine presenta un maggiore allungamento a rottura, ma una maggiore permeabilità al vapore acqueo rispetto alle pellicole di sola zeina. Questi cambiamenti mostrano che la miscela può essere un buon materiale per migliorare le proprietà delle pellicole di zeina pura, perché ne migliorano le proprietà meccaniche;

    * la miscela prodotta con le proteine del nasello e il glutine è risultata la più adatta per applicazioni alimentari tra tutte quelle considerate, grazie alle sue buone proprietà meccaniche e alla resistenza termica, alla bassa opacità e alla maggiore omogeneità. In questo caso, la biodegradazione completa si è avuta in meno di 10 giorni, e questo risultato conferma che questa è la miscela più promettente per lo sviluppo di materiali sostenibili per l’imballaggio alimentare.

    Ad eccezione delle pellicole di zeina pura, tutte le pellicole preparate sono state completamente degradate in 60 giorni di conservazione nel suolo, e questo è un risultato di grande importanza dal punto di vista ambientale. La miscela zeina / glutine ha mostrato una completa biodegradabilità in meno di 40 giorni, mentre le pellicole di zeina pura si degradano di circa il 75 % in 60 giorni. Pertanto, la ricerca di strategie per migliorare le proprietà meccaniche e di barriera di queste pellicole sta continuando per cercare di sostituire, parzialmente o totalmente, i polimeri sintetici derivati dal petrolio.

    Bibliografia

    D. Nogueira et al., Journal of Polymers and the Environment, 2019, 27, 2027–2039

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