I biopolimeri sono ottenuti da risorse rinnovabili e materie prime naturali e sono, attualmente, di grande interesse per il confezionamento degli alimenti perché ecocompatibili. Questi materiali possono essere estratti direttamente da materie prime naturali, come le proteine, la cellulosa e l’amido, oppure prodotti da microrganismi, come l’idrossi-valerato e l’idrossi-butirrato. Infine, possono essere prodotti per sintesi chimica a partire da reagenti bio-derivati.
Nonostante la loro natura green, questi materiali hanno ancora applicazioni industriali limitate rispetto ai derivati del petrolio a causa del loro prezzo elevato e delle loro caratteristiche non completamente soddisfacenti, soprattutto per quanto riguarda le proprietà meccaniche, termiche e di barriera contro l’ossigeno, il vapore acqueo, la contaminazione microbica e la luce. Inoltre, le bio-pellicole presentano un’insufficiente resistenza al calore, che comporta una facile degradazione termica durante la lavorazione. Quindi se si vuole superare questi inconvenienti ed aumentare la commercializzazione dei biopolimeri occorre modificare la loro struttura.
Una valida strategia che va in questa direzione è rappresentata dalle nanotecnologie, che stanno rivoluzionando l’industria del confezionamento alimentare e possono consentire di superare le nuove sfide che riguardano il cibo e l’ambiente. Particolarmente promettente in quest’ambito è l’aggiunta di componenti nanometrici, cioè di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm, ai biopolimeri per ottenere dei bio-nano-compositi. Un esempio di materiale di questo tipo è rappresentato dai biopolimeri contenenti dei riempitivi (“filler”) nanometrici.
Bio-nano-compositi
I bio-nano-compositi sono materiali ecologici ma al tempo stesso più forti, più resistenti e più durevoli dei biopolimeri tradizionali e quindi possono sostituire efficacemente i materiali derivati dal petrolio come imballaggi alimentari. Nelle moderne tecnologie moltissimi materiali polimerici richiedono un riempitivo, che può reagire/interagire con la matrice polimerica per fornire una nuova formulazione con proprietà diverse e migliori. Tra le proprietà che possono essere migliorate con queste nuove formulazioni troviamo la permeabilità all’ossigeno e all’umidità, la stabilità termica, le proprietà ottiche (cioè la trasparenza), le caratteristiche antimicrobiche e le proprietà meccaniche.
Le prestazioni di questi materiali dipendono sostanzialmente dalle dimensioni dei nano-riempitivi utilizzati e dall’uniformità della loro distribuzione e dispersione nella matrice. Come detto prima, le dimensioni dei nano-riempitivi possono variare tra 1 e 100 nm; con queste dimensioni si ha una superficie molto maggiore rispetto a materiali con masse simili ma di dimensioni maggiori e questo comporta una maggiore interazione con i materiali circostanti e di conseguenza un miglioramento delle proprietà.
Ad esempio, un cubo di 1 cm di lato ha una superficie di 6 cm2, ma se questo cubo viene diviso in cubi più piccoli di 1 nm su ciascun lato, si ha un aumento notevole della superficie, che arriva a 6 m2. Grazie all’elevata area superficiale, sono sufficienti basse concentrazioni di nanomateriali per ottenere buone prestazioni.
Nella maggior parte dei casi, i riempitivi nano-dimensionati o nano-riempitivi sono di natura inorganica, come ad esempio gli ossidi metallici (biossido di titanio, ossido di zinco), i metalli (zinco, rame, argento, oro, selenio e titanio), agenti antimicrobici naturali (estratto di semi d’uva, nisina), biopolimeri naturali (chitosano) e argilla (montmorillonite). Nanotubi, nano-barre, nano-fibrille e nanoparticelle sono le forme più comuni di riempitivi di dimensioni nanometriche utilizzate per applicazioni di imballaggio alimentare.
Applicazioni nel settore del confezionamento alimentare
Finora sono stati studiati diversi tipi di biopolimeri e di riempitivi per produrre materiali bio-nanocompositi con diverse proprietà. Un paragone sistematico di tutti questi materiali è stato effettuato da S. Jafarzadeh et al. (2020), che hanno preso in considerazione i più recenti progressi ottenuti nel campo dei nanocompositi biopolimerici come alternative alla plastica nell’industria dell’imballaggio alimentare. In primo luogo, sono state fornite informazioni generali sulle nanoparticelle e quindi vengono descritti i loro effetti sulle proprietà degli imballaggi alimentari nanocompositi insieme ad alcuni esempi dell’effetto della loro aggiunta in diversi biopolimeri.
I risultati di recenti studi sono stati esaminati e rivisti per fornire una migliore comprensione dell’influenza delle nanoparticelle negli imballaggi alimentari. Sono stati anche descritti gli effetti della presenza di nanoparticelle in bio-pellicole. I nanofiller in esame includono nanoparticelle metalliche, di ossidi metallici, nanoargille e nanomateriali di carbonio come ad esempio il grafene.
Da questa rassegna risulta che le nanoparticelle possono migliorare le pellicole per quanto riguarda le loro proprietà meccaniche (resistenza alla trazione, allungamento a rottura, modulo di Young), termiche, cristallinità, proprietà ottiche (trasparenza) e di barriera (permeabilità al vapore acqueo, all’ossigeno, ai microbi, ai batteri, ecc.). Grazie al miglioramento delle proprietà barriera dei bio-nanocompositi, gli alimenti risultano più protetti e il tempo di conservazione risulta prolungato, con vantaggi per l’ambiente.
Conclusioni
Appare con sempre maggiore evidenza che le nanotecnologie rappresentano un valido mezzo per superare le attuali sfide legate ai materiali di imballaggio alimentare. I risultati ottenuti finora dimostrano che i nanocompositi possono migliorare la qualità e la sicurezza dei materiali di imballaggio alimentare migliorando le loro proprietà barriera, meccaniche, termiche, ottiche, morfologiche e strutturali anche solo a seguito dell’aggiunta di una bassa concentrazione di nanoparticelle a base di argilla, zinco, rame, argento, oro, selenio e titanio, ossidi metallici, ecc. A fronte di tutte queste proprietà positive, la sicurezza dei nanocompositi merita un approfondimento ulteriore prima della loro commercializzazione, in particolare deve essere verificata la loro assenza di migrazione nei prodotti alimentari.
Riferimenti bibliografici: S. Jafarzadeh et al., Critical reviews in food science and nutrition, 2020, https://doi.org/10.1080/10408398.2020.1783200
