Cetegorie materiali biopolimerici utilizzabili per il confezionamento degli alimenti

I materiali biopolimerici utilizzabili per il confezionamento degli alimenti possono essere suddivisi in tre categorie in base all’origine del prodotto e alla tecnologia di produzione:

I Categoria: polimeri separati da biommasse.

Ne sono esempi l’amido, la cellulosa e proteine, quali le caseine e il glutine. Tutti questi composti sono per loro stessa natura idrofili e, in alcuni casi, cristallini. Questo fa si che essi non possono essere facilmente utilizzabili per il confezionamento di prodotti umidi. Tuttavia, essi presentano buone proprietà barriera ai gas.

Amido e derivati

L’amido, di per se, non è in grado di formare film con adeguate proprietà meccaniche. Ne consegue che il suo utilizzo prevede una fase di plasticizzazione effettuata tramite miscelamento dell’amido con altri materiali o attraverso modificazione genetica o chimica dell’amido stesso. Il mais è la fonte principale di amido, seguito da patate, frumento e riso.

I plasticizzanti maggiormente utilizzati sono il glicerolo e altri composti poliolici a basso peso molecolare, polieteri e urea. L’impiego di questi plasticizzanti consente di ottenere polimeri con bassi valori di attività dell’acqua limitando così lo sviluppo microbico. La miscelazione con materiali maggiormente idrofobici consente la produzione di formulati adatti per lo stampaggio ad iniezione.

I materiali termoplastici a base di amido sono in commercio da pochi anni ma ad oggi sono i principali prodotti del mercato dei biopolimeri e dei materiali sottoponibili a compostaggio.

Cellulosa e derivati

La cellulosa è il polimero naturare più abbondante sulla terra. Essa presenta una struttura lineare formata da glucosio anidro. Questo tipo di struttura assieme alla presenza di numerosi gruppi idrossilici consente alla cellulosa di formare microfibrille e fibre cristalline legate tramite legami idrogeno. Nel settore dell’imballaggio, essa viene utilizzata principalmente sotto forma di carta e cartone. La carta cerata o ricoperta con polietilene ha trovato infatti numerose applicazioni nel confezionamento sia di materie prima che di prodotti trasformati.
Purtroppo, anche se la cellulosa è un materiale poco costoso, essa non è adatta al confezionamento di alcune categorie di prodotti a causa della sua elevata idrofilicità e struttura cristallina. Per esempio, il cellofan, che è un derivato della cellulosa, è un materiale particolarmente idrofilico. Esso ha però come vantaggio quello di presentare buone proprietà meccaniche. Per tali mottivi, il cellofan viene spesso rivestito con cere di nitrocellulosa o con PVdC (polivinileneclorato) per aumentarne le proprietà barriera. In questa forma il cellofan vien usato per il confezionamento di prodotti da forno, carne, formaggio e canditi.

Molti altri sono i derivati della cellulosa. Tra questi ricordiamo la carbossimetilcellulosa, l’etilcellulosa, l’idrossietilcellulosa, l’idrossipropilcellulosa e l’acetato di cellulosa (CA). Ad oggi, solo l’acetato di cellulosa viene utilizzato per il confezionamento di prodotti alimentari (prodotti freschi e prodotti da forno). Va notato che questo materiale presenta scarse proprietà barriera al vapor d’acqua e ad altri gas. Tutti i derivati della cellulosa possono essere facilmente formati in film, ma sono troppo costosi per poter essere utilizzati. La ricerca si sta quindi orientando allo sviluppo di tecnologie innovative per la produzione di materiali derivati dalla cellulosa a basso prezzo.

Chitina/Chitosano

La chitina è una macromolecola naturale presente nell’esoscheletro degli invertebrati ed è, dopo la cellulosa, il polimero polisaccaridico più abbondante in natura.

Il chitosano è un polimero derivante dalla chitina che viene utilizzato come flocculante, chiarificante, addensante, membrana selettiva ai gas, promotore della resistenza alle malattie nelle piante, agente curativo delle ferite e agente antimicrobico. Il chitosano forma facilmente film con buone proprietà barriera. Per tale motivo esso è stato impiegato anche come film edibile. Il chitosano può essere utilizzato anche come materiale di rivestimento di altri bio-polimeri al fine di aumentarne le proprietà barriera. Va notato però che, come tutti i biopolimeri, anche il chitosano presenta un’elevata capacità di adsorbire l’acqua. Altre interessanti proprietà del chitosano e della chitina sono le proprietà antimicrobiche e la capacità di assorbire ioni metallici.
Nonostante ciò, l’interesse attuale verso il chitosano rimane principalmente orientato alla sua utilizzazione nella formulazione di film edibili o di laminati chiosano-cellulosa-policaprolattone da utilizzare nel confezionamento in atmosfera protettiva di prodotti freschi.

II categoria: polimeri prodotti per sintesi chimica a partire da monomeri di sostanze rinnovabili.

Un esempio è l’acido polilattico (PLA) che è un poliestere naturale ottenuto per polimerizzazione dell’acido lattico. Quest’ultimo a sua volta può essere prodotto tramite processi fermentativi. Il PLA può essere plasticizzato con i suoi stessi monomeri o, in alternative, con oligomeri dell’acido lattico. Questo nuovo materiale può essere formato in film soffiati, essere sottoposto a stampaggio per iniezione e ancora essere rivestito. L’elevata versatilità rende i polimeri dell’acido polilattico i prodotti di origine naturale maggiormente utilizzati su larga scala.

Monomeri naturali

I monomeri naturali possono essere ottenuti da materie prime alimentari per via chimica,  biotecnologica o tramite la combinazione di queste due tecniche.
Prodotti come gli acidi grassi insaturi oleico o ricinoleico, facilmente estratti da noce di cocco o semi di castagna, sono ampiamente utilizzati come precursori nella produzione di polimeri.

Anche il legno, la melassa ed il mais sono fonti di carboidrati utilizzate per la produzione, per via chimica o fermentativa, di molti materiali. In particolare, i processi fermentativi vengono operati da microrganismi che utilizzano questi carboidrati per il loro metabolismo. I prodotti che si formano sono caratterizzati dal presentare numerose funzioni acide (ad es. succinico).

Attualmente, l’utilizzo di questi monomeri è limitato. Tuttavia, ci si può attendere che i  monomeri prodotti tramite biotecnologie costituiranno in futuro una valida alternativa ai prodotti derivati dal petrolio.

Va notato che la manipolazione proteica è un settore che sta suscitando notevole interesse. Infatti, essa consente la  produzione di polimeri biodegradabili simili a quelli sintetici attualmente ottenuti dal petrolio.

III categoria: polimeri prodotti da microrganismi o da batteri geneticamente modificati.

Ad oggi questo gruppo di biopolimeri è formato prevalentemente da poliidrossialcanoati. Tuttavia, sono in via di sviluppo polimeri simili alla cellulosa ottenuti a partire dal metabolismo batterico.

Poliidrossialcanoati (PHAs)

I poliidrossialcanoati (PHAs), e tra cui il poliidrossibutirato (PHB) è il più commune, sono utilizzati da numerosi batteri come fonte di energia e riserva di atomi di carbonio.
Grazie alla loro biodegrabilità e biocompatibilità, questi poliesteri naturali hanno trovato numerose applicazioni industriali. Le proprietà dei PHAs dipendono dai monomeri che li compongono e, oltre al PHB, ne esistono altri che possono essere sintetizzati per via fermentativa. Una tra le caratteristiche dei PHAs è quella di presentare una bassa permeabilità al vapor d’acqua, simile a quella del LDPE.

Cellulosa batterica

La cellulosa batterica, attualmente poco conosciuta, è un materiale naturale che sta suscitando interesse. Diversi ceppi batterici sono in grado di produrre un forma quasi pura di cellulosa, le cui proprietà chimiche e fisiche sono del tutto simili a quelle della cellulosa vegetale.

I costi di produzione della cellulosa batterica sono molto alti in considerazione della bassa resa del processo fermentativo (circa 10%). Tuttavia, essa ha trovato applicazione per prodotti con alto valore aggiunto. Questo materiale è stato per esempio utilizzato come pelle artificiale, fibra alimentare non digeribile ed anche come membrana acustica e di separazione.

Anche i polisaccaridi prodotti da funghi e batteri (xantano, curdlano, pullulano e acido iarulonico) sono prodotti da non trascurare.