Anidride carbonica nel confezionamento in atmosfera protettiva

Confezionamento in atmosfera protettiva

Per “confezionamento in atmosfera protettiva” si intendono diverse tecniche che hanno in comune la sostituzione della atmosfera interna delle confezioni con una miscela di gas idonea alla conservazione del prodotto alimentare. La messa a punto del packaging in MAP consiste nello studio delle combinazioni di prodotto-confezione ideali per prolungare il più possibile l’igienicità e la conservabilità. Il prodotto viene confezionato in vaschette o sacchetti con una pellicola plastica dotata di adeguata permeabilità ai gas e al vapore acqueo, a seconda del tipo di prodotto, sostituendo nel contempo la normale aria contenuta nella confezione (formata per il 78% di azoto, il 20% circa di ossigeno e il restante da vapore acqueo, anidride carbonica e altri gas) con uno o più tipi di gas (da soli o in miscela tra di loro) in concentrazioni appositamente studiate per tenere sotto controllo lo sviluppo della flora microbica nell’alimento, limitare determinate reazioni e stabilizzare al massimo le caratteristiche sensoriali.

Gas vietati per il confezionamento in atmosfera protettiva

In base alla attuale legislazione italiana non è vietato alcun tipo di gas per effettuare il confezionamento in atmosfera protettiva. Si stanno compiendo studi approfonditi sui gas di nuova generazione (argon, elio e soprattutto monossido di carbonio CO) per verificarne vantaggi e controindicazioni. Nella pratica vanno studiate miscele di gas in concentrazioni opportune praticamente per ogni tipo di prodotto che si vuole condizionare in atmosfera protettiva. L’atmosfera protettiva non è di per se, da sola, sufficiente a garantire la conservabilità degli alimenti per cui viene associata ad altri trattamenti volti a incrementare l’effetto sulla durata.

Figura 1 – Modello sfera e bastoncini e modello 3D della molecola di CO2 (https://it.wikipedia.org/wiki/Anidride_carbonica)
Figura 1 – Modello sfera e bastoncini e modello 3D della molecola di CO2 (https://it.wikipedia.org/wiki/Anidride_carbonica)

L’anidride carbonica e la sua azione batteriostatica/battericida

L’anidride carbonica è il gas che ha il maggior numero di effetti positivi e può, per questo, essere considerato il vero elemento attivo delle atmosfere protettive: è il componente più reattivo, anche se non l’unico dotato di specifiche azioni. Molti degli effetti chimici e biochimici segnalati corrispondono a un’efficace azione batteriostatica e/o battericida, a seconda della sua concentrazione e della flora microbica su cui è chiamata ad agire.

Prendendo in considerazione l’azione della CO2 sull’attività microbica, si osserva il suo duplice effetto: quando i microrganismi si trovano in ambienti sfavorevoli alla loro crescita, basse concentrazioni sono necessarie affinché avvengano le reazioni di rifornimento di intermedi metabolici (reazioni anaplerotiche); alte pressioni parziali di CO2, invece, sono inibenti per molte specie batteriche. Da numerosi lavori sperimentali risulta che questo gas inibisce in modo particolare i microrganismi Gram negativi; per esempio batteri aerobi appartenenti al genere Pseudomonas sono di norma inibiti da livelli di CO2 del 10-20%.

L’anidride carbonica esplica, invece, un’azione minore sulla crescita dei Gram positivi, che – essendo in gran parte anaerobi o microaerofili – non risentono di una bassa pressione parziale di ossigeno. La crescita di numerosi batterici lattici e microrganismi patogeni quali C. perfrigens, C. botulinum e L. monocytogenes può essere addirittura stimolata dalla presenza di CO2. Una delle possibili ipotesi circa l’azione antimicrobica dell’anidride carbonica è legata alla sua solubilità nei liquidi extra ed intracellulari; questa solubilità che, negli alimenti acquosi, è direttamente proporzionale all’aumentare del contenuto in acqua e al diminuire della temperatura.

Pertanto, al diminuire della temperatura, la CO2 penetra nelle cellule batteriche abbassandone il pH e provocando modificazioni dell’equilibrio enzimatico, con conseguenza di un rallentamento delle funzioni vitali dei microrganismi, la cui fase “lag” (periodo di latenza che procede la fase esponenziale nella curva di crescita) viene enormemente allungata. Una seconda ipotesi si riferisce all’inibizione diretta di alcuni sistemi enzimatici: per esempio l’isocitratodeidrogenasi e la malatodeidrogenasi di P. aeruginosa vengono direttamente inibite dalla CO2.

Figura 2 – Curva di crescita batterica
Figura 2 – Curva di crescita batterica

Secondo una terza ipotesi, la CO2 modificherebbe le proprietà di membrana dei batteri. Dissolvendosi nelle membrane verrebbe a trovarsi tra i due strati di lipidi polari, e interagendo con le catene polari degli acidi grassi, impedirebbe il controllo dell’ingresso e l’uscita dei soluti dalla cellula. Ciò comporterebbe l’inibizione dei meccanismi metabolici vitali. Tale ipotesi non è completamente accettata, in quanto i microrganismi risentono dell’azione della CO2 solamente nella fase di latenza, mentre una modificazione del trasporto di membrana influenzerebbe tutte le fasi della crescita. Globalmente, nelle applicazioni di atmosfere protettive si parla di “effetto anestetico” della CO2 in quanto l’azione del gas è di tipo inibente/batteriostatica e non sterilizzante. L’effetto più evidente è l’allungamento della fase di ritardo nella crescita dei microrganismi.

L’anidride carbonica esplica anche un effetto che viene definito “residuo”, per cui l’inibizione dello sviluppo microbico persiste per un certo tempo dopo l’apertura delle confezioni e l’esposizione del prodotto all’aria. Questo effetto può essere spiegato dall’assorbimento del gas da parte dei tessuti: quando si introduce un alimento in un’atmosfera contenete alte percentuali di CO2, la massima parte di questa rimane allo stato libero nello spazio di testa, una parte si dissolve nei liquidi a dare acido carbonico, ione bicarbonato e ioni idrogeno e una parte si lega ai gruppi amminici delle proteine.

Tale reazione è reversibile, ma molto lentamente a basse temperature. Si crea così una “riserva” di CO2 ed è probabile che l’effetto residuo sia dovuto proprio al lento desorbimento del gas. 

Effetto dell’anidride carbonica sui fenomeni biochimici

Sebbene l’azione dell’anidride carbonica sia considerata proporzionale alla sua concentrazione, in realtà essa dipende anche dal numero e dallo stato dei microrganismi presenti (se lo sviluppo microbico è già in fase esponenziale, l’effetto è molto ridotto) e dalla temperatura. Oltre agli effetti esercitati sui microrganismi, si deve tenere conto dell’effetto della CO2 sui fenomeni biochimici ed enzimatici degli alimenti. La modificazione dell’atmosfera influenza direttamente il quoziente respiratorio di un tessuto, sia esso animale o vegetale; quando nella miscela è contenuta un’elevata concentrazione di CO2 e questa si solubilizza all’interno delle cellule, le reazioni di decarbossilazione del sistema respiratorio che può risentire di alte percentuali di CO2. Ciò comporta una modificazione delle concentrazioni dei composti che entrano direttamente nel ciclo di Krebs o che sono a esso correlati. Il blocco del ciclo di Krebs determina l’attivazione della respirazione anaerobica; di conseguenza il metabolismo energetico predominante diventa la glicolisi: l’acido piruvico non viene più ossidato, ma decarbossilato a dare acetaldeide ed etanolo, che possono arrecare ai prodotti un notevole danno sensoriale.

La produzione di etilene da parte dei vegetali è correlata alla loro respirazione: questo idrocarburo influenza il processo di maturazione della frutta e, oltre ad attivare la scissione delle pectine, provoca la perdita del colore verde. Impedendo la respirazione, viene inibita anche la produzione di etilene e i processi di cui esso è responsabile.

La concentrazione di auxine e gibberelline diminuisce rapidamente in atmosfere arricchite da CO2 e ciò comporta un ritardo nella crescita e nello sviluppo dei vegetali. Tra i gas utilizzati nelle modificazioni di atmosfera, la CO2 è l’unico ad avere valori di solubilità rilevanti, fondamentali per l’esplicazione dell’effetto antimicrobico, ma spesso tali da causare alcuni inconvenienti. La solubilità dell’anidride carbonica è largamente influenzata dalla temperatura e cresce esponenzialmente al diminuire  di questa. Ciò sottolinea l’importanza di mantenere  la catena del freddo nelle applicazioni di atmosfera modificata per i prodotti umidi, in quanto la CO2 esplicherà i suoi effetti antimicrobici più efficacemente alle basse temperature, alle quali mostra la più alta sensibilità.

Sebbene l’inibizione della crescita microbica in alimenti confezionati in atmosfera protettiva sia strettamente funzione delle concentrazione di CO2 dissolta, occorre comunque ricordare che la CO2 dissolta dipende direttamente dalla quantità di CO2 gassosa, presente nello spazio di testa della confezione, secondo la legge di Henry: C CO2 = k CO2 P CO2

dove: 

  • C CO2 = concentrazione di anidride carbonica disciolta nella fase acquosa (mg ml-1);
  • P CO2 = pressione parziale di CO2 nello spazio di testa (bar);
  • k CO2  = costante di Henry mg ml-1 bar -1).

La k CO2  per l’acqua è dipendente dalla temperatura, dalla pressione parziale della CO2 e dall’ossigeno disciolto. Proprio in virtù di queste caratteristiche chimiche, la solubilità della CO2 differisce da prodotto a prodotto. Quando viene introdotta in una confezione, la CO2 si dissolve parzialmente nella fase acquosa e nella fase grassa dell’alimento in essa contenuta. Nella fase acquosa, il raggiungimento dell’equilibrio porta a una distribuzione delle diverse forme di CO2 nel prodotto, secondo le seguente reazioni:

CO2 dissolta + H2O → H2CO3

H2CO3 ↔ HCO3 + H+

HCO3 ↔ CO32- + H+

Le frazioni di anidride carbonica, acido carbonico, bicarbonato e carbonato in soluzione variano in funzione del pH. Test sperimentali hanno dimostrato che a pH 8 la specie maggiormente presente è HCO3 e che al diminuire del pH aumenta la frazione di CO2 dissolta; in particolare, a pH 3-5 più del 99% dell’anidride carbonica in soluzione è nella forma di CO2 dissolta e meno dell’1% è presente come H2CO3 e HCO3.

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Francesco Centorrino

Sono Francesco Centorrino, creatore ed amministratore di Microbiologia Italia, primo sito di divulgazione microbiologica in Italia. Sono laureato in biologia e molto appassionato di tecnologia, cinema, scienza e fantascienza. Sono Siciliano ma vivo e lavoro in Basilicata come analista di laboratorio microbiologico presso una nota azienda farmaceutica. Ho creato il portale di Microbiologia Italia per condividere conoscenza ed informazioni a chiunque fosse interessato a questa bellissima scienza. Potete trovare tutti i miei contatti al seguente link: https://linktr.ee/fcentorrino.

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