Biomateriali per il packaging del settore agroalimentare

Biomateriali del packaging alimentare

Il biomateriale è un materiale concepito per interfacciarsi con i sistemi biologici al fine di valutare, dare supporto o sostituire un qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo.

Definizione di biomateriale

"Bio" si riferisce a uno specifico campo di applicazione non legato alle proprietà e origini del materiale ma dell’applicazione. Il polietilene non è un biomateriale quando si utilizza per fare la busta della spesa, ma lo diventa per fare i cuscini nelle protesi di anca; così come il titanio non lo è quando si fa l’orologio, lo è quando si fa una protesi.

Biomateriali nel packaging

Nel settore del packaging, "bio" si identifica come biodegradabile o biobased, quindi provenienti da fonti rinnovabili. Metalli, vetro, cellulosici e plastica sono i materiali utilizzati come packaging. Sia metalli che vetro non sono biomateriali in modo classico (non dal punto di vista ecologico).

Bioplastiche

Esiste una classe di materie plastiche definite bioplastiche e si intendono le plastiche che soddisfano uno dei due criteri: biobased o biodegradabili. Per l’ecofriendly dal punto di vista del post-vita è importante la compostabilità, mentre per il punto di vista del non utilizzo del petrolio si intende utilizzare fonti rinnovabili e non fossili.

Imballaggio vs packaging

C’è differenza tra imballaggio e packaging. L’imballaggio è la confezione, busta, flacone, vaschetta. Il packaging invece racchiude tutto ciò che ruota attorno al confezionamento dell’alimento in termini di imballaggio ed anche l’operazione di confezionamento stesso, quindi condizionamento. Si usano erroneamente come sinonimi, ma non è così.

Ruolo dell'imballaggio

Scegliere l’imballaggio è importante perché deve essere sicuro per l’alimento ma anche per la tecnologia. Se deve essere riscaldato, deve resistere al calore. Bisogna dividere l’imballaggio in base al ruolo:

• Primario: Se avviene in contatto diretto con l’alimento, quindi deve avere una particolarità, cioè l’idoneità a stare a contatto. È detto anche imballaggio di vendita ma non è sempre così (confezione di merendine, perché è la busta che racchiude le merendine); deriva da un altro modo di definire che riguarda la logistica.
• Secondario: Contenitore che contiene più imballaggi, imballaggio multiplo, molto diffuso; es: il cartone del gelato Algida.
• Terziario: Riguarda di più la logistica ed il trasporto, come il pallet di tante confezioni di acqua (bottiglia primario, film esterno da 6 bottiglie secondario); infatti è chiamato imballaggio di trasporto.

Funzioni dell'imballaggio alimentare

Non esiste un packaging ideale o perfetto, ma idoneo a quell’alimento. Le principali funzioni dell’imballaggio alimentare sono:

• Contenimento: L’imballaggio deve contenere in modo adeguato il prodotto alimentare.
• Protezione: Deve proteggere l’alimento dalle possibili sollecitazioni meccaniche e dalle contaminazioni esterne.
• Logistica: Deve facilitare il trasporto ed il magazzinaggio (forma).
• Comunicazione: Deve presentare il prodotto in forma attraente e deve rappresentare un’opportunità di informazione per identificarle; è molto importante per presentare il prodotto.
• Ecologica: Deve essere degradabile o facilmente riciclabile; molto spesso viene imposta per avvicinarsi all’idea del consumatore.
• Funzionale o interattivo: Deve limitare o monitorare il deterioramento microbiologico, fisico e chimico degli alimenti confezionati (aumentare la shelf-life); sono imballaggi in grado di interagire con l’alimento.

Il contenimento e la protezione sono le funzioni principali, le altre invece si sono aggiunte dopo, per soddisfare le richieste del mercato e del consumatore. L’imballaggio è il venditore silente del supermercato.

Norme legislative e materiali

Le norme legislative hanno imposto l’utilizzo di un materiale, come quello ecologico (sacchetti di plastica in mais), non per sostituire per esempio la plastica, ma solo perché è stato imposto. Gli stimoli per la progettazione dell’imballaggio vengono da molte parti. Dalla produzione (a monte), se un materiale viene imposto per legge o se non è più disponibile, viene anche dalla distribuzione e poi dal consumatore non solo come finale ma per tutto il percorso della filiera (dalla produzione all’utilizzo e al post-vita).

Proprietà dei materiali di packaging

I materiali utilizzati per produrre oggetti destinati al contatto con gli alimenti costituiscono una famiglia poco numerosa ma molto eterogenea di solidi con caratteristiche differenti. Inoltre, la conoscenza delle proprietà e delle prestazioni dei materiali utilizzati per realizzare gli imballaggi è importante per fare la corretta scelta in termini di protezione da offrire al prodotto. Queste proprietà sono classificate in proprietà chimiche e proprietà fisiche.

Proprietà chimiche

Le proprietà chimiche dipendono dalla natura chimica del materiale (molecolare, atomica), eventuali modifiche causano dei cambiamenti anche in molte proprietà fisiche dei materiali (come sono legati gli atomi).

Costituenti atomici

In base ai costituenti atomici, si classificano i materiali in organici e inorganici.

• Composti organici: Composti del carbonio ad eccezione di CO₂, CO₂ e carbonati; vengono fatti le materie plastiche e cellulosici.
• Composti inorganici: Composti chimici che non contengono carbonio; vetro e metalli.

Legami chimici

• Legame covalente: Compartecipazione di elettroni da parte degli atomi che si legano (omopolare e eteropolare).
• Legame ionico: Attrazione elettrostatica fra due ioni con carica opposta.
• Legame metallico: Delocalizzazione di elettroni condivisi da tutti gli atomi del reticolo cristallino.

Organizzazione molecolare

• Solido cristallino: Solido composto da atomi, ioni o molecole disposti in un modello geometricamente regolare che si ripete nelle tre dimensioni (reticolo ordinato che si ripete in maniera indefinita). Ha una bassa trasparenza e migliori proprietà meccaniche.
• Solido amorfo: Solido in cui non c’è ordine a lungo raggio nelle posizioni degli atomi o delle molecole che lo costituiscono (reticolo non ordinato). Ha un’alta trasparenza e ha maggiore immobilità chimica.

I metalli sono del tutto cristallini, nel vetro non c’è un ordine randomico ben preciso (le molecole di silice sono disposte nello spazio in maniera randomica, è amorfo). Le materie plastiche sono o del tutto amorfe o metà amorfe e metà cristalline; i cellulosici sono soprattutto cristallini ma contengono delle piccole parti amorfe.

Grado di cristallinità

Il grado di cristallinità è una percentuale che fa capire quanta parte cristallina c’è e quanta parte amorfa è presente. Minore è il grado di cristallinità più è trasparente il materiale, più è maggiore e più è opaco il materiale (i translucidi sono metà e metà).

Tra le proprietà chimiche rientrano tutte quelle proprietà utilizzate per valutare l’idoneità dell’imballaggio ma anche per l’identificazione, come la resistenza alla corrosione, agli agenti aggressivi (pH acido), se il materiale non è resistente a quel pH non è idoneo (es: foglio di alluminio con il limone si corrode e rilascia nell’alimento particelle di alluminio).

Resistenza agli oli e grassi

Sono coinvolti i materiali polimerici e gli oli e grassi una volta penetrati possono danneggiare la stampa, provocando il distacco di materiali accoppiati (multistrato) o rendere poco gradevole l’immagine del prodotto, perché sono di natura lipofila. La resistenza si determina con un vetro smerigliato, sopra si mette il provino che si vuole testare, poi un cotone imbevuto d’olio e sopra un peso con peso conosciuto. Dopo un certo tempo, se spunta un alone nel vetro smerigliato significa che l’olio è penetrato. Maggiore è il tempo che ci ha impiegato maggiore sarà la resistenza del materiale ad olio e grassi.

Test di oleorepellenza

Per i materiali cellulosici, si utilizza anche un test di oleorepellenza, indicato come Kit Test; prevede l’utilizzo di una serie di 16 miscele di tre idrocarburi non polari rappresentati da olio di ricino, toluene ed eptano, in rapporti diversi tra loro. Ogni miscela è espressa da un numero compreso tra 1 e 16, definito “grado”: i valori più alti corrispondono a miscele a maggior contenuto di solventi. La prova viene svolta a temperatura ambiente, ponendo diverse gocce delle varie miscele sulla superficie del provino, lasciandole 15 secondi e valutando l’aspetto del materiale (alone, macchia, nessuna modifica) dopo la rimozione della miscela con carta assorbente. Si assegna quindi al campione il grado più elevato della soluzione che non altera la superficie. Quanto più elevato è il grado assegnato al materiale, tanto maggiore è la sua oleorepellenza. Per verificare l’omogeneità si deve effettuare l’analisi in diverse zone del provino. I polimeri sono idrorepellenti, ma non nei confronti di grassi e olio.

Resistenza allo stress cracking

Quando un materiale polimerico è molto sollecitato meccanicamente e si trova in un luogo tensioattivo, insieme portano ad una prematura frattura del materiale. Questa proprietà è necessaria nei contenitori di detergenti, detersivi e saponi, perché è una condizione molto particolare, perché contengono acidi grassi, alcoli e alcuni oli essenziali. Per valutarlo si prende un provino e si immerge in un liquido tensioattivo per vedere se si formano incrinature. Ogni prova si basa su delle normative che determinano la geometria del campione; il provino deve essere intagliato (linea su una parte del campione che prende tutto lo spessore), poi si poggia in un portacampioni dentro i campioni flessi e questo si infila in un liquido tensioattivo. Per accelerare il tutto si pone la T più alta dell’ambiente (50-100°C), questo è un parametro che accelera la cinetica di ogni esperimento. Si valuta ispezionando il campione dopo quanto tempo si forma una cricca in corrispondenza dell’intaglio. La formazione della cricca dipende da molti fattori come la finitura superficiale del manufatto, quindi tutte queste prove testano i provini intagliati in modo che ciò che viene valutato è la loro propagazione.

Biodegradabilità

Dipende dalla natura chimica del materiale ed è la capacità di sostanze e materiali organici di essere degradati in sostanze più semplici tramite l’attività enzimatiche dei microrganismi. Quando il processo biologico è completo il materiale si trasforma del tutto in sostanze organiche di partenza cioè in molecole inorganiche semplici: acqua, CO₂ e metano. Se il microrganismo può attaccare il carbonio degradandolo (lo "mangia") significa che quel materiale è biodegradabile. Il materiale dipende dalla struttura chimica, dai legami chimici, dai microrganismi (non tutti sono in grado).

Il fenomeno della biodegradazione è molto naturale e fa parte del ciclo naturale della vita sulla terra, incentrato sul carbonio. Grazie all’attività di fotosintesi di piante ed alghe e all’energia solare, l’anidride carbonica viene sottratta all’atmosfera per produrre zuccheri e altre sostanze, utilizzate dai vegetali per crescere e svilupparsi. Tramite la catena alimentare, il flusso di materia e di energia passa dalle piante agli erbivori e da questi ai carnivori. È importante l’industrializzazione del processo naturale, valorizzando i rifiuti organici delle attività umane ma bisogna anche trovare il luogo adatto per massimizzare il fenomeno (cinetica di biodegradazione, cioè tempo per avvenire). Vi sono diversi fattori che influenzano anche in modo naturale i processi di biodegradazione (in estate è più veloce), la T ha un ruolo fondamentale nell’influenzare la cinetica della reazione. La biodegradazione completa si ha quando un materiale viene degradato fino ad anidride carbonica, acqua, sali minerali e, eventualmente, altre molecole di basso peso molecolare (C₄H₁₀ (butano), NH₃, H₂ ecc.), a opera di microrganismi o comunque per azione di un agente biologico; tale degradazione deve avvenire, o almeno completarsi, in condizioni di aerobiosi.

Secondo la norma EN 13432, sono considerati compostabili i materiali che “biodegradano” per almeno il 90% in 6 mesi (per cui si ottiene una frammentazione e una riduzione delle dimensioni dei residui del materiale tale da determinare la perdita di visibilità nel compost finale).

Biodeterioramento

Il biodeterioramento indica invece qualsiasi modificazione apportata da agenti biologici che rende il materiale inadeguato all’uso per il quale è destinato. Per essere un materiale compostabile, deve:

• Essere biodegradabile, ovvero convertibile metabolicamente in anidride carbonica.
• Essere disintegrabile, ovvero frammentabile e non più visibile nel compost finale.
• Non avere effetti negativi sul processo di compostaggio.
• Non avere effetti negativi sul compost finale.

La biodegradabilità dei materiali riguarda i materiali di natura cellulosica e plastica. In linea teorica e generale, tutti i materiali biosintetici (come quelli cellulosici) sono biodeteriorabili e biodegradabili, mentre quelli ottenuti per sintesi chimica (come quelli plastici) non lo sono, mostrano la cosiddetta recalcitranza all’attacco microbico. Le cause di tale inerzia biochimica sono da ricercare nell’elevato peso molecolare (il massimo peso molecolare metabolizzabile da organismi viventi è dell’ordine dei 500 Da), nella presenza di gruppi terminali non idonei all’attacco enzimatico, nell’idrofobicità che impedisce l’assorbimento di acqua. La valutazione accurata della biodegradabilità e della biodeteriorabilità per poter confrontare, in termini oggettivi, l’ecocompatibilità dei differenti imballaggi. Esistono numerose procedure, alcune standardizzate in norme ufficiali, ma tutte caratterizzate da empirismo.

Metodi per valutare la biodegradabilità

• Metodi ponderali: Viene valutata la diminuzione percentuale del peso di provini sottoposti all’azione di colture microbiche a interramento o al condizionamento in specifici ambienti. Per l’elevata variabilità delle condizioni adottate, i risultati ottenuti con questi sistemi sono difficilmente confrontabili (misurabili).
• Prove di crescita microbica: La degradabilità viene misurata in termini di accrescimento di una coltura microbica alla quale viene fornita, come unica fonte di carbonio, un provino del materiale in esame.
• Metodi di osservazione diretta: In queste procedure l’osservazione a occhio nudo o microscopica consente di evidenziare l’estensione e l’intensità dello sviluppo di muffe oppure il grado di deterioramento del materiale posto in condizioni standardizzate.
• Metodi respirometrici: Sono diversi e numerosi e si basano sul fatto che, se i microrganismi riescono a utilizzare per il loro metabolismo il materiale da valutare, l’ossigeno consumato e/o l’anidride carbonica prodotta.

Un materiale biodegradabile è diverso da uno compostabile. Il compostabile deve essere biodegradabile, ma non il contrario, almeno non tutti. La biodegradazione è termodinamica, mentre la compostabilità dipende dalla cinetica. Compostabile significa che sotto determinate condizioni di T ed umidità il materiale di partenza si trasforma in compost che è il risultato intermedio del processo di biodegradazione, che lo trasforma in una specie di terriccio (CO₂). È un materiale che ha proprietà specifiche e che può essere rimesso nell’ambiente come fertilizzante.

La compostabilità è legata anche ad una questione normativa (caratteristiche che deve avere per differenziarlo dalla frazione umida), che devono essere equiparati. La biodegradabilità è necessaria proprio dal punto di vista industriale sia per trasformare il materiale in compost o in digestione anaerobica (biomasse), come biocombustibile. Anche la composizione del compost è importante perché bisogna capire cosa rilascia, non devono essere sostanze indesiderate (cambio di qualità del compost). Le limitazioni sono quindi sia per la cinetica sia per la qualità del compost.

Suolo e biodegradazione

Un altro ambiente biologicamente attivo è il suolo: alcuni materiali si possono biodegradare del tutto nel suolo, come alcune reti di pacciamatura. Biodegradabile non è sempre compostabile. Compostabile è sicuramente biodegradabile. Biodegradabilità come compostabilità: aspetti legislativi (UNI EN).