La progettazione di un packaging, in grado di garantire a un prodotto alimentare una shelf life adeguata, non può prescindere da un oculato impiego di tecnologie e materiali, in particolar modo se, in quest’ultimo caso, di tratta di materiali alternativi. Ma vediamo più in dettaglio.

Il ruolo principale del packaging alimentare è senz’altro quello di protezione del prodotto, tuttavia altre funzioni, riassumibili nelle sfere comunicativa e logistica, contribuiscono ad accrescere il valore irrinunciabile di questo strumento. Proteggere il prodotto significa, in particolare, limitare gli effetti dell’ambiente esterno sulle cinetiche di perdita di qualità e garantire una shelf life adeguata al tipo di prodotto e al suo canale distributivo.

Due sono gli elementi che concorrono a definire il ruolo strategico del packaging nella determinazione della shelf life degli alimenti: i materiali e le tecnologie di confezionamento. Né la sola scelta di materiali d’imballaggio performanti, né l’adozione di prestanti tecnologie di confezionamento sono sufficienti a garantire il mantenimento di uno standard qualitativo; un risultato ottimale, piuttosto, è conseguenza di scelte oculate nell’ambito dei materiali e delle tecnologie.

D’altra parte, se la shelf life può essere definita come “il periodo di tempo che corrisponde, in definite condizioni, a una tollerabile diminuzione della qualità”, il sistema di confezionamento concorre sostanzialmente a determinare tali “condizioni”, rappresentando uno strumento fondamentale in mano all’industria alimentare per realizzare gli obiettivi di shelf life.

Di conseguenza, ogni volta che si intenda valutare materiali di confezionamento alternativi (per ragioni di costo, di sostenibilità ambientale, etc.) è necessario verificare la loro idoneità funzionale attraverso studi comparativi di shelf life: una nuova soluzione di packaging potrà essere candidata come alternativa solo se garantirà il raggiungimento degli standard di shelf life.

Permeabilità alle sostanze a basso peso molecolare

I materiali di confezionamento si caratterizzano per varie proprietà fisiche e chimiche: molte di queste non sono direttamente correlate con il mantenimento qualitativo degli alimenti, ma piuttosto con aspetti di macchinabilità (cioè, la compatibilità con le linee di confezionamento) o di idoneità all’impiego in determinate condizioni. Altre caratteristiche fisiche sono invece fortemente legate al mantenimento qualitativo dei prodotti confezionati: si pensi, ad esempio, alla permeabilità ai gas e al vapore acqueo, e alla barriera alla luce e agli UV.

La permeabilità alle sostanze a basso peso molecolare (O₂, CO₂, vapore acqueo) è una delle proprietà riportate sulle schede tecniche dei film plastici per il confezionamento alimentare, e rappresenta un parametro di scelta fondamentale. La permeabilità è connaturata alla natura reticolare (network polimerico) dei materiali plastici e consiste nell’attraversamento dello spessore del materiale da parte delle molecole di aeriforme, in presenza di un gradiente di pressione parziale: il flusso di gas e aeriformi procede dal lato a maggiore pressione parziale, e fino al raggiungimento di un equilibrio.

La natura del polimero e la sua struttura determinano la propensione di un materiale a lasciarsi attraversare dai gas e dai vapori: tuttavia, la struttura può essere opportunamente modificata, inducendo, ad esempio, un maggior grado di cristallinità al polimero, ottenendo un miglioramento nelle prestazioni di barriera. La richiesta di proprietà di barriera ai gas si è tradotta, negli ultimi decenni, nello sviluppo di materiali compositi, laminati e coestrusi, in grado di combinare le diverse caratteristiche di film di natura differente in strutture con alte prestazioni.

Il fenomeno di permeazione dell’O₂ e della CO₂ è di interesse per tutti i packaging polimerici ma solo nei casi in cui si verifichi una differenza di pressione parziale tra le due facce del materiale (cioè, tra interno ed esterno della confezione): tipici esempi sono il confezionamento in atmosfera modificata(MAP) e quello sottovuoto, in cui la composizione gassosa dell’interno della confezione è differente, qualitativamente o quantitativamente, rispetto all’atmosfera esterna (composta, come è noto, per il 78% da N₂, per il 21% da O₂ e 0,03% da CO₂).

Confezionamento in atmosfera modificata

La tecnica MAP consiste nella sostituzione dell’aria con miscele di gas studiate appositamente per inibire lo sviluppo dei microrganismi alteranti e le reazioni ossidative indesiderate: nella maggior parte delle applicazioni, l’obiettivo principale è l’eliminazione dell’ossigeno, e la sua sostituzione con azoto e anidride carbonica. Per molti prodotti, il confezionamento MAP è in grado di inibire lo sviluppo di microrganismi alteranti: si pensi alle muffe su pasta fresca e prodotti da forno, o ai batteri alteranti nei formaggi freschi e nei salumi affettati in vaschetta.

Per altre tipologie di prodotto, l’obiettivo principale è il rallentamento delle ossidazioni, al fine di salvaguardare le proprietà sensoriali e nutrizionali: la tecnica MAP è largamente impiegata, per esempio, nelle capsule di caffè, negli snack e nella frutta secca ricchi di acidi grassi insaturi, facilmente ossidabili. L’adozione di materiali di confezionamento con proprietà di barriera ai gas è imprescindibile per il mantenimento della condizione favorevole e, di conseguenza, della shelf life.

Una tipica miscela gassosa in un sistema MAP è costituita per il 70% da N₂ e per il 30% da CO₂: quest’ultimo gas può permeare, in virtù dell’elevato gradiente di pressione parziale (è infatti 1000 volte più concentrato nello spazio di testa della confezione MAP rispetto all’aria), se non si prevede un’adeguata barriera. Allo stesso modo, ma nel verso opposto, si creano le condizioni perché l’O₂ possa permeare dall’esterno: questo gas, che, salvo poche eccezioni, si preferisce escludere dallo spazio di testa, tende a permeare dal lato (esterno) in cui si trova alla pressione parziale di 0,21 atm, verso l’interno della confezione, dove è virtualmente assente.

Risulta, pertanto, assolutamente necessario prevedere l’impiego di materiali con barriera a CO₂ e O₂ nei casi di confezionamento MAP. Si pensi anche alle bevande gasate imbottigliate in PET: l’aggiunta di CO₂ a queste bevande determina la gasatura del prodotto per parziale dissoluzione del gas nel liquido, e la sovrapressione delle bottiglie: per questi prodotti, la shelf life è essenzialmente dipendente dalla capacità dell’imballaggio di trattenere la CO₂, che tende a diminuire per effetto, appunto, della permeazione attraverso il materiale. Non a caso, le industrie delle bevande sono continuamente alla ricerca di soluzioni di packaging alternative in grado di rallentare la permeazione della CO₂, possibilmente garantendo anche una riduzione di pesi e spessori.

Confezionamento di prodotti secchi e umidi

Un altro caso in cui il fenomeno della permeabilità dei materiali non può essere trascurato è quello del confezionamento di prodotti con un metabolismo respiratorio (vegetali): in questi casi la composizione dello spazio di testa è modificata da biochimismi propri del prodotto, con produzione di CO₂ e consumo dell’O₂, determinando così l’instaurarsi di una differenza di concentrazione rispetto all’esterno.

In presenza di imballaggi semipermeabili ai gas è possibile ottenere nello spazio di testa concentrazioni all’equilibrio favorevoli per il mantenimento qualitativo del prodotto vegetale: generalmente, una riduzione del livello di O₂ (entro specifici limiti di tolleranza per ciascun prodotto) risulta utile per rallentare la respirazione vegetale, così come il parziale accumulo di CO₂. Dall’altra parte, materiali non sufficientemente permeabili all’ossigeno potrebbero causare condizioni anossiche, per effetto del consumo del gas da parte del vegetale, con conseguente instaurarsi di un metabolismo anaerobico e rapida perdita di qualità.

Il caso del confezionamento di prodotti secchi in imballaggi polimerici è esemplificativo del ruolo della permeazione del vapore acqueo sulla shelf life: l’umidità può permeare, in funzione delle proprietà diffusive del packaging, dall’ambiente esterno verso l’interno della confezione, e la velocità di permeazione sarà maggiore da un ambiente ad alta umidità relativa e verso prodotti molto secchi; in altre parole, in presenza di un’elevata differenza di tensione del vapore, che rappresenta la forza motrice del fenomeno.

Va da sé che il mantenimento qualitativo di prodotti secchi si basa sulla scelta di materiali dotati di barriera al vapore acqueo, più che ai gas. Discorso analogo, ma con un verso di permeazione opposto, vale per prodotti umidi (per esempio, pane e altri prodotti da forno non secchi), per i quali la ritenzione dell’umidità è un importante parametro qualitativo: in questi casi, la barriera al vapore acqueo rallenta la perdita di umidità dal prodotto verso l’ambiente esterno e ne prolunga la shelf life.

É da tenere a mente che il comportamento dei materiali plastici verso i gas e l’umidità può essere anche molto differente: è noto, ad esempio, come il polietilene a bassa densità (LDPE) offra ottima barriera all’umidità, ma sia molto permeabile ai gas; viceversa, l’etilenvinilalcool (EVOH) viene impiegato diffusamente come barriera all’ossigeno, ma può essere utilizzato solo se provvisto di adeguata barriera all’umidità, cui è molto sensibile.

La permeabilità ai gas di un materiale di confezionamento di un dato spessore è espressa di solito come il volume di gas che attraversa un’unità di superficie in 24 h sotto una differenza di pressione parziale unitaria: cm³ m^-2 24h^-1 bar^-1. Il range di permeabilità all’ossigeno dei film plastici più utilizzati in ambito alimentare (Tabella 1) va da valori molto elevati per il polietilene (9500 cm³ m^-2 24h^-1 bar^-1) a valori bassi (alte barriere al gas) per EVOH e PVDC (1-16,5 cm³ m^-2 24h^-1 bar^-1) passando per valori intermedi di PET e Nylon (rispettivamente, 110-190 e 125 cm³ m^-2 24h^-1 bar^-1).

La permeabilità al vapore acqueo (Water Vapor Transmission Rate, WVTR) si esprime come la massa di vapore acqueo che attraversa un’unità di superficie, di un dato spessore, in 24 h: g m^-2 24h^-1. Il range di permeabilità al vapore acqueo dei film plastici più utilizzati in ambito alimentare va dai valori molto bassi del polietilene e del polipropilene (circa 10-20 g m^-2 24h^-1), che offrono dunque buone barriere all’umidità, a quelli più elevati del Nylon (circa 230 g m^-2 24h^-1). Per molti prodotti alimentari, la scelta di idonei materiali e tecnologie di confezionamento si riflette in una determinata shelf life, in specifiche condizioni di conservazione.

Sistemi di chiusura e imballaggi intelligenti

Solo in assenza di difetti e di idonee condizioni di conservazione, dunque, il sistema può garantire la shelf life desiderata; pertanto, la progettazione di un sistema di confezionamento non può fermarsi alla scelta di materiali e tecnologie, ma deve spingersi fino alla verifica delle operazioni di chiusura. Questo aspetto è di fondamentale importanza, dal momento che un difetto di saldatura può vanificare tutte le operazioni svolte a monte, e determinare la perdita (spreco) di risorse ed energia.

Una saldatura non corretta può infatti causare flussi indifferenziati di gas e vapori, responsabili di un’accelerazione del decadimento qualitativo rispetto al previsto. Problemi di saldatura sono eventi accidentali, non prevedibili, il cui rischio deve essere minimizzato mediante opportuni piani di controllo e verifica. Difetti di saldatura sono generalmente macroscopici, e possono essere causati dalla presenza di polveri e/o frammenti di prodotto nella zona della saldatura, che determinano capillari attraverso quest’ultima.

Potrebbe accadere, in un frigorifero della grande distribuzione, di notare che due vaschette di salume affettato hanno un colore differente, pur appartenendo allo stesso lotto di produzione: è probabile che la vaschetta “non conforme” mostri, a un’attenta ispezione visiva, un difetto di saldatura anche minimo, che ha determinato la perdita della modificazione d’atmosfera, con ingresso di O₂ e fuoriuscita di CO₂.

Gli innovativi materiali attivi e intelligenti (Reg. CE 450/2009), seppur ancora non diffusamente adottati, rafforzano ulteriormente il legame tra packaging e shelf life degli alimenti: gli imballaggi attivi, infatti, contribuiscono a prolungare la conservabilità in quanto sono “concepiti in modo da incorporare deliberatamente componenti che rilasciano sostanze nel prodotto alimentare imballato o nel suo ambiente, o le assorbono dagli stessi”; gli imballaggi intelligenti, invece, forniscono informazioni sullo stato qualitativo del prodotto poiché “controllano le condizioni del prodotto alimentare imballato o del suo ambiente”.

Sistemi di packaging attivo come gli assorbitori di ossigeno e gli emettitori di sostanze antimicrobiche e/o antiossidanti possono offrire un ulteriore contributo al mantenimento qualitativo e al prolungamento della shelf life. Tra i sistemi intelligenti, gli integratori tempo-temperatura (TTI) forniscono informazioni sulla storia termica del prodotto, che è possibile correlare al livello qualitativo specialmente per alimenti deperibili, la cui shelf life è strettamente dipendente dal mantenimento della catena del freddo.