Packaging e polimeri antimicrobici: uno sguardo d’insieme

L’industria degli imballaggi ha oggi una rilevanza globale in termini di produzioni e fatturato delle aziende coinvolte. Essa infatti svolge un ruolo significativo per gli articoli essenziali associati ai beni di consumo, che vanno dai prodotti chimici di base ai prodotti per la cura della casa e della persona, coinvolgendo alimenti e bevande, dispositivi medici e molto altro. Tutt’ora, il valore dell’industria degli imballaggi è in forte espansione grazie alla competitività in ambito di lavorazione delle materie prime e quindi nel settore produttivo; in particolare, le applicazioni della plastica nei settori dell’imballaggio sono in rapido aumento, in virtù dei vantaggi in termini di costi e caratteristiche intrinseche dei relativi film ottenibili. La drasticità dei trattamenti a cui vengono sottoposti i predetti beni di consumo (pastorizzazioni, utilizzo di coadiuvanti o additivi antimicrobici, catena del freddo) per la riduzione della carica microbica di prodotti alterabili, attualmente muovono i passi della ricerca nella direzione dello sviluppo di packaging antimicrobici che sappiano contenere i costi di matrice energetica e ambientale.

svolta green
Figura 1 – la svolta green è al centro della maggioranza delle agende politiche internazionali

Aspetti tecnologici

Lo sviluppo di nuove tecnologie passa inderogabilmente dalla corretta informazione nei confronti dei consumatori riguardo la scelta e le tipologie di particolari tecnologie di confezionamento dei prodotti di consumo. A scopo esemplificativo, nel settore del food packaging è fondamentale comprendere i meccanismi di alterazione degli alimenti e quali proprietà barriera contraddistinguono un materiale da un altro: in particolare, nel caso di frutta e ortaggi è indispensabile garantire una buona traspirazione, in particolare nel caso di frutti climaterici, al contrario nei prodotti trasformati con una importante componente lipidica si tende a ridurre al minimo il contatto con l’ossigeno per evitare l’insorgere di ossidazione (irrancidimento ossidativo).

La riduzione degli sprechi, in particolare nel settore agroalimentare, assieme allo sviluppo di nuovi prodotti, costituiscono il fulcro delle attuali ricerche inerenti la produzione di imballaggi a base di polimeri e biopolimeri che associno la comodità e il basso costo alla creazione di ambienti ostili alla vita microbica. Il confezionamento con caratteristiche antimicrobiche è stato quindi introdotto allo scopo di prolungare la vita da scaffale (shelf life) e quindi la durata di conservazione principalmente degli alimenti, in ottica quindi di riduzione degli sprechi. Inizialmente, gli agenti antimicrobici sono stati concepiti per essere incorporati nei materiali di imballaggio: si nota infatti che queste molecole sono adatte ad essere incorporate negli imballaggi alimentari, presentano infatti grande efficacia nel ridurre al minimo la crescita di agenti patogeni contaminanti che si presentano nella fase successiva all’elaborazione, prolungando la durata di conservazione degli alimenti e migliorandone la protezione.

Film plastici

I film plastici più utilizzati nello sviluppo dell’industria dell’imballaggio includono infatti polipropilene (PP), polietilene a bassa densità (LDPE), polietilene lineare a bassa densità (LLDPE), polivinilcloruro (PVC) e polietilene tereftalato (PET), utilizzati in particolare nel confezionamento di acqua minerale in bottiglia, vaschette per ristorazione collettiva e prodotti sfusi o preincartati. Le proprietà uniche di questi materiali sono da ricercare nei bassi costi di produzioni, nell’alta lavorabilità in connubio con eccellenti proprietà meccaniche, unite ad elevata trasparenza e buon potere di barriera a gas, particelle e microrganismi, per cui si rendono particolarmente adatti all’ingegnerizzazione di imballaggi intelligenti con funzioni antimicrobiche. Attualmente, nella sfera agroalimentare, questi materiali rientrano nella più ampia categoria dei MOCA (Materiali e Oggetti a Contatto con Alimenti), normati dal Regolamento (CE) n. 1935/2004 che armonizza la legislazione in materia. Oltre al Regolamento che detta la linea generale, alcuni MOCA, come ad esempio la plastica (compresi materiali riciclati) e i materiali attivi e intelligenti di cui appunto packaging antimicrobici, sono trattati in specifiche misure dell’UE. Gli sviluppi della situazione globale riguardanti l’uso delle plastiche sintetiche e i cambiamenti della gestione in materia politica, hanno inevitabilmente portato alla realizzazione di imballaggi compatibili con le esigenze delle aziende che hanno deciso di mettere in opera una svolta green. Nello specifico, l’utilizzo di sostanze antimicrobiche riguarda chiaramente anche l’utilizzo dei biopolimeri, dunque i vantaggi in termini di shelf life possono andare a sommarsi al minore impatto ambientale desiderato coinvolgendo vantaggi e svantaggi di seguito riassunti in tabella.

PolimeriVantaggiSvantaggi
Sintetici  
Elevata produzione industrialeIn gran parte limitati alle materie plastiche
EconomiciA base di petrolio
Di facile realizzazioneTempi di smaltimento lunghi (anni)
LeggerezzaProblemi ambientali
Biopolimeri  
Risorse rinnovabiliPolimeri idrofilici con scarso potere di barriera
EdibiliCosti elevati
Biodegradabili e biocompatibili
Riduzione di volume finale
Rilascio controllato di agenti attivi
Shelf life controllabile
Eccellenti proprietà meccaniche
Basso impatto ambientale
Non tossici
Tabella 1 – vantaggi e svantaggi nell’impiego di polimeri sintetici e biopolimeri

Meccanismi d’azione

A seconda della specifica tipologia di imballaggio in relazione al prodotto, sono stati studiati diversi metodi per sviluppare sistemi di confezionamento antimicrobici efficienti, tra cui:

  • l’inserimento nella confezione di componenti (es. tamponi) che rilasciano composti antimicrobici volatili;
  • l’incorporazione, in relazione alle proprietà fisico-meccaniche, di composti antimicrobici volatili e non volatili direttamente nella struttura dei polimeri;
  • l’applicazione di un rivestimento (film) o di un composto antimicrobico con proprietà adsorbenti sulle superfici dei polimeri a contatto con cosmetici o alimenti;
  • l’inclusione di agenti antimicrobici nei polimeri sfruttando legami ionici o covalenti;
  • l’applicazione di polimeri, come il chitosano, che possono agire intrinsecamente come composti antimicrobici.

Le recenti scoperte nel campo delle nanotecnologie, tra cui lo sviluppo di materiali biodegradabili e la migliore comprensione delle risposte dei materiali nei confronti di modifiche strutturali, hanno reso possibile le progettazioni di sistemi di confezionamento che offrono numerosi vantaggi nel campo dei packaging antimicrobici. Sebbene l’incorporazione di determinate sostanze nei materiali di imballaggio sia stata ampiamente studiata, restano discrepanze tra risultati di prove su scala di laboratorio e lavorazioni industriali o preindustriali per quanto riguarda le prestazioni dei materiali e la loro reale efficacia antimicrobica. Inoltre, la concentrazione dell’agente antimicrobico rilasciato non deve essere essere elevata o al di sotto della soglia di efficacia, al fine di evitare effetti negativi sulle proprietà sensoriali e tossicologiche.

biopolimeri antimicrobici
Figura 2- i biopolimeri e le sostanze antimicrobiche costituiscono i moderni requisiti della progettazione di nuovi imballaggi

Sostanze antimicrobiche

Lo sviluppo di packaging antimicrobici e di nuove tecniche di prolungamento della shelf life devono tener conto anche della resistenza sviluppata nel corso delle generazioni da parte dei microrganismi alle molecole tradizionalmente impiegate nei trattamenti nei confronti di batteri Gram-positivi, costituendo un serio ostacolo ad esempio nell’industria alimentare a causa delle contaminazioni che si verificano durante le fasi di trasporto e stoccaggio. Pertanto, l’applicazione di nuovi agenti antimicrobici in combinazione con tecniche di imballaggi antimicrobici efficienti diventa oggetto principale di studio. Tuttavia, va specificato che ogni sostanza svolge un effetto diverso a seconda della tipologia di microrganismo; ciò rende sempre più centrale e di estrema importanza lo studio della chimica e delle interazioni tra prodotto e processi, imballaggi e utilizzo finale. In genere, l’effetto antimicrobico di una singola sostanza può non essere sufficiente in termini di azione. Pertanto, si rendono necessari sistemi elaborati, quindi anche costosi come nanoemulsioni, ben note nel campo dei cosmetici, che apportano migliorie nel trasporto dell’agente antimicrobico attraverso la membrana cellulare dei microrganismi bersaglio. Una volta che una sostanza antimicrobica entra nella cellula ospite, in genere sono interessati i meccanismi di sintesi proteica.

Tra i principali composti utilizzati, buoni risultati sono stati ottenuti impiegando acidi organici, i quali riducono la crescita delle cellule fungine e batteriche; è noto che, a titolo esemplificativo, l’acido sorbico inibisce la germinazione delle spore batteriche. Il meccanismo inibitorio degli acidi organici si deve principalmente al passaggio della molecola nella forma protonata inficiando le principali funzioni vitali della membrana cellulare dell’ospite.

Altri composti con carica positiva e a carattere idrofobico, con simile meccanismo inibitorio nei confronti della membrana cellulare, sono le batteriocine, ovvero molecole organiche di natura proteica prodotte da batteri tecnologicamente utili. Questa forma di competizione nell’habitat-alimento è tipica di batteri commensali come ad esempio lattobacilli (es. Lactobacillus salivarius) con azioni inibitorie nei confronti di Salmonella spp. e Campylobacter jejuni.

Gli oli essenziali derivanti da prodotti vegetali sono ampiamente utilizzati nell’industria alimentare come agenti antimicrobici naturali e incorporati nei materiali di imballaggio. Aldeidi, fenoli e terpeni ossigenati sono i principali componenti responsabili dell’attività antimicrobica in virtù della loro natura idrofobica, che consente loro di interagire con i lipidi della membrana cellulare microbica e nei confronti dei mitocondri, rendendo le strutture meno organizzate e quindi più permeabili. Oli essenziali contenenti carvacrolo e timolo (contenuti in gran quantità in timo e origano) possono rendere disorganizzata la struttura della membrana di Escherichia coli, facilitando l’ingresso di componenti come eugenolo che interagisce con le proteine ​​prodotte dal batterio. Inoltre, è noto che l’azione degli oli essenziali si concentra in particolar modo sulla formazione di biofilm realizzati da agenti patogeni come Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis.

Il chitosano, polisaccaride lineare che costituisce l’esoscheletro dei crostacei, è un potente agente antimicrobico attivo contro batteri, funghi e persino virus. In condizioni acide, la posizione C-2 del monomero glucosamina, portando una carica positiva, rende facile l’interazione del polimero con le membrane cellulari microbiche caricate negativamente, portando alla fuoriuscita di proteine ​​e altri costituenti intracellulari. L’efficacia del suo utilizzo dipende però dalla concentrazione: quantitativi inferiori a 0,2 mg/mL possono già causare agglutinazione.


Anche alcuni polifenoli, come ad esempio antociani, sono potenti agenti antimicrobici, specialmente contro Escherichia coli. E’ risaputo che i polifenoli sono potenziali inibitori della produzione dell’aminoacido prolina in Listeria monocytogenes. L’uva, quindi il vino rosso, così come il concentrato di mirtillo rosso, sono ricchi di queste sostanze; tuttavia, similmente al chitosano, questi agenti antimicrobici sono più attivi in ​​condizioni acide.

Fonti

  • A.M. Khaneghaha et Al, Antimicrobial agents and packaging systems in antimicrobial active food packaging: An overview of approaches and interactions, Food and Bioproducts Processing, 111, 2018, pp. 1-19
  • S. Limbo et Al, Active packaging of foods and its combination with electron beam processing, Electron Beam Pasteurization and Complementary Food Processing Technologies, 2015
  • R. Shemesh et Al, LDPE/clay/carvacrol nanocomposites with prolonged antimicrobial activity, Journal of Applied Polymer Science, 132, 2015, pp. 41261-41269
  • Y. Chen et Al, Electrostatic interactions, but not the YGNGV consensus motif, govern the binding of pediocin PA-1 and its fragments to phospholipid vesicles, Applied Environmental Microbiology, 63, 1997, pp. 4770-4777
  • M. Mastromatteo et Al, Advances in controlled release devices for food packaging applications, Trends Food Science Technologies, 21, 2010, pp. 591-598

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