Biomateriali per il packaging del settore agroalimentare

Biomateriali del packaging alimentare

biomateriale

Il 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.

bio

Il si riferisce ad 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.

bio

La parola nel settore di packaging 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).

Negli ultimi 10 anni si è spinto sui biomateriali ma adesso si sta tornando

indietro per un materiale che possa essere riciclato (problema ambientale ma

anche di legislazione vigente). bioplastiche

Esiste una classe di materie plastiche definite e si intendono le

plastiche che soddisfano uno dei due criteri (biobased o biodegradabili).

l’ecofriendly

Per 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.

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 termine di imballaggio ed anche l’operazione di

confezionamento stesso, quindi condizionamento.

Si usano erroneamente come sinonimi, ma non è così.

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

Non esiste una 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.

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 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 organici

In base ai si classificano i materiali in e

inorganici.

- Composti organici: composti del carbonio ad eccezione di CO , CO,

2

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.

metalli

I sono del tutto cristallini (cristallizzano e sono geometricamente ben

vetro

disposti, è l’unico cristallino tra i materiali di packaging), nel non c’è un

ordine randomico ben preciso (le molecole di silice sono disposte nello spazio

in maniera randomica, è amorfo).

materie plastiche

Le sono o del tutto amorfe o metà amorfe e metà

cellulosici

cristalline; quelli sono soprattutto cristallini ma contengono delle

piccole parti amorfe.

grado di cristallinità

Il 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).

Poi il comportamento all’ossidazione, comportamento alla combustione, alla

bio-compatibilità.

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.

Un lato di un provino di materiale viene esposto al contatto con un tessuto di

cotone imbevuto d’olio tenuto premuto da un peso (50 g); sulla superficie

opposta del materiale viene posto un vetro smerigliato e il tutto e condizionato

a 40 o 60 °C; periodicamente si osserva il vetro smerigliato, che diventa

trasparente nel punto raggiunto dall’olio quando questo ha attraversato lo

spessore del provino. Il tempo di diffusione dell’olio in queste condizioni

consente di capire la resistenza del materiale.

test di oleorepellenza

Per i materiali cellulosici, si utilizza anche un , indicato

Kit Test;

come 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 e 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 e il grado assegnato al materiale, tanto maggiore e 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 (es: olio in

bottiglia di acqua NO).

Proprietà chimiche

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

determina 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°), 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,

CO e metano.

2 mangia)

Se il microrganismo può attaccare il carbonio degradandolo (lo

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.

l’industrializzazione del processo naturale,

È importante 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 (C H (butano), NH , H ecc.), a opera di

4 10 3 2

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 indica invece qualsiasi modificazione apportata da

agenti biologici che rende il materiale inadeguato all’uso per il quale è

destinato. compostabile,

Per essere un materiale deve:

– deve essere biodegradabile, ovvero convertibile metabolicamente in anidride

carbonica;

– deve essere disintegrabile, ovvero frammentabile e non più visibile nel

compost finale;

– non deve avere effetti negativi sul processo di compostaggio;

– non deve 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 e 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 ponderali:

– Viene valutata la diminuzione percentuale del peso di

provini sottoposti all’azione di colture microbichi 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 consentono 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 di trasforma in compost che è il risultato intermedio del

processo di biodegradazione, che lo trasforma in una specie di terriccio (CO ).

2

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:

Un altro ambiente biologicamente attivo è il 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