I materiali nanocompositi sono costituiti da una matrice polimerica incorporata con additivi su scala nanometrica come nanoparticelle o nanofibre. I nanocompositi presentano eccellenti proprietà meccaniche e fisiche rispetto alle pellicole polimeriche e altre proprietà come permeabilità al vapor d’acqua, barriera microbica o resistenza meccanica che sono altamente ottimizzate se combinate con le nanoparticelle.
L’imballaggio attivo è nato per migliorare le proprietà protettive dell’imballaggio alimentare grazie alle interazioni tra il materiale e l’alimento. La migrazione, che comporta il trasferimento di composti dal materiale di imballaggio alla superficie del cibo o allo spazio di testa, è un meccanismo di interazione. Quando i composti vengono incorporati nel materiale di imballaggio con l’intenzione di rilasciarli gradualmente per proteggere il prodotto, si parla di migrazione positiva, con l’obiettivo di avere composti antiossidanti o antimicrobici che influiscono positivamente sull’estensione della durata di conservazione dell’alimento. Studi recenti si sono concentrati sulla valutazione dei processi di migrazione con analisi sperimentali condotte per quantificare i composti rilasciati nei simulanti alimentari o negli alimenti dal polimero (ad esempio, additivi plastici, attività antiossidante o antimicrobica). Tuttavia, i processi di migrazione coinvolgono fenomeni fisici e chimici complessi che possono essere difficili da determinare sperimentalmente, e la presenza di più componenti nei prodotti alimentari richiede una tecnologia che consenta di quantificare piccole quantità.
La nanotecnologia ha consentito lo sviluppo di imballaggi alimentari che incorporano nanoparticelle, le quali presentano proprietà barriera migliorate e una maggiore protezione per i prodotti alimentari. Tuttavia, la comprensione dei meccanismi di migrazione e dell’interazione del composto con la matrice polimerica richiede l’utilizzo di approcci di modellazione su scala nanometrica. Uno di questi è l’applicazione di un metodo matematico noto come Random Walk. Questa tecnica si è rivelata precisa e di facile utilizzo, come evidenziato da numerosi studi condotti su vari sistemi nel campo del packaging.
Negli ultimi anni è stata posta maggiore attenzione alla valutazione dei processi di migrazione dei composti dal packaging agli alimenti; tuttavia, gli studi pubblicati forniscono ancora poche informazioni sulla cinetica di rilascio e sul comportamento dei composti su scala nanometrica.
Le applicazioni al packaging alimentare
L’imballaggio alimentare ha mostrato un notevole interesse per l’uso delle nanotecnologie.
L’attuale panorama delle nanotecnologie nell’imballaggio alimentare prevede l’incorporazione di nanomateriali, come nanoparticelle e nanocompositi, nei materiali di imballaggio per ottenere funzionalità specifiche. Queste funzionalità includono proprietà barriera migliorate, attività antimicrobica e capacità di rilevamento di sostanze. Nanoparticelle, come argento e biossido di titanio, sono state utilizzate per conferire proprietà antimicrobiche, riducendo così il rischio di contaminazione e prolungando la durata di conservazione degli alimenti deperibili. Pertanto, utilizzando le nanoparticelle vengono sviluppate presentazioni migliorate, imballaggi innovativi e intelligenti, che supportano la conservazione della qualità degli alimenti e la tracciabilità lungo tutta la filiera alimentare.
Un’applicazione significativa delle nanotecnologie nell’imballaggio alimentare è lo sviluppo di materiali nanocompositi. Questi materiali sono costituiti da una matrice polimerica incorporata con additivi su scala nanometrica come nanoparticelle o nanofibre. Ciò aiuta a inibire la crescita di batteri e altri microrganismi sulla superficie della confezione, migliorando così la sicurezza e la conservazione degli alimenti confezionati. L’imballaggio alimentare che in precedenza era passivo o convenzionale si sta ora spostando verso un imballaggio attivo che utilizza la nanotecnologia per creare imballaggi alimentari adattabili, dinamici e intelligenti con funzionalità migliorate. Pertanto, migliorando le loro qualità di resistenza, durata, flessibilità, barriera e riutilizzo, le nanoparticelle possono modificare le caratteristiche meccaniche e fisiche dei polimeri di imballaggio.
Per migliorare le qualità funzionali dei materiali di imballaggio a una matrice polimerica vengono spesso aggiunte nanoparticelle organiche (prodotti naturali tra cui proteine, carboidrati e grassi), inorganiche (metallo e ossido di metallo) e una miscela di queste due (nano argilla). La sicurezza e la qualità degli alimenti possono essere migliorate dalla nanotecnologia attraverso l'imballaggio in diversi modi, compreso l’uso di nanoriempitivi per aumentare le qualità di barriera al vapore e ai gas, le qualità antibatteriche delle pellicole nanocomposite e ‘'uso di nanosensori negli imballaggi intelligenti.
Le proprietà uniche delle nanoparticelle
Le nanoparticelle hanno guadagnato importanza grazie alle loro proprietà uniche: stabilità fisico-chimica, struttura cristallina e composizione chimica. I nanocompositi presentano eccellenti proprietà meccaniche e fisiche rispetto alle pellicole polimeriche e altre proprietà come permeabilità al vapor d’acqua, barriera microbica o resistenza meccanica che sono altamente ottimizzate se combinate con le nanoparticelle. Nel campo dell’imballaggio alimentare, l’integrazione di materiali bidimensionali (2D) provenienti dalla nanotecnologia è promettente per migliorare sia la sicurezza che la durata di conservazione dei prodotti alimentari. Il grafene, con le sue eccezionali proprietà barriera e resistenza meccanica, viene studiato per il suo potenziale nel creare strati impermeabili nei materiali da imballaggio. Queste barriere a base di grafene possono impedire l’ingresso di gas come ossigeno e umidità, riducendo così al minimo il rischio di deterioramento degli alimenti, soprattutto di quelli deperibili. Inoltre, la versatilità del grafene si estende alle sue proprietà antimicrobiche, rendendolo un candidato interessante per inibire la crescita di batteri e agenti patogeni sulle superfici degli alimenti. Anche i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) stanno facendo passi da gigante nello sviluppo di soluzioni avanzate per l’imballaggio alimentare. Materiali come il disolfuro di molibdeno (MoS2) e il diseleniuro di tungsteno (WSe2), noti per il loro comportamento semiconduttore, possono essere impiegati per creare imballaggi intelligenti con capacità di rilevamento. Questi TMD sono in grado di rilevare cambiamenti nell’ambiente all’interno dell’imballaggio, come variazioni di temperatura o composizione del gas, fornendo informazioni in tempo reale sulla freschezza e la sicurezza degli alimenti. Questo imballaggio intelligente può offrire ai consumatori e ai rivenditori informazioni preziose sulle condizioni che possono influenzare la qualità del prodotto alimentare. Inoltre, l’uso di materiali 2D come il nitruro di boro esagonale (h-BN) negli imballaggi alimentari aggiunge un ulteriore livello di innovazione. L’eccellente conduttività termica dell’h-BN può essere sfruttata per creare materiali di imballaggio che aiutano a regolare la temperatura, prolungando così la durata di conservazione di alcuni prodotti alimentari. Inoltre, la natura inerte dell’h-BN lo rende un materiale sicuro e non reattivo per il contatto diretto con gli alimenti.
Una risorsa per la sostenibilità?
Sebbene l’incorporazione di materiali 2D negli imballaggi alimentari sia ancora nelle fasi iniziali di ricerca e sviluppo, i potenziali vantaggi in termini di sicurezza alimentare, conservazione e monitoraggio in tempo reale sono convincenti. Con l’avanzare della tecnologia, queste soluzioni di imballaggio innovative possono svolgere un ruolo cruciale nell’affrontare le sfide legate alla qualità, alla sicurezza e alla sostenibilità degli alimenti nella moderna industria alimentare.
La sostenibilità è un fattore chiave per gli sviluppi futuri del confezionamento alimentare basato sulle nanotecnologie. I nanomateriali biodegradabili ottenuti da risorse rinnovabili si stanno mostrando promettenti nell’affrontare l’impatto ambientale dei rifiuti dovuti agli imballaggi. Le fonti primarie di nanomateriali includono materiali organici e inorganici, nonché una combinazione di entrambi su scala nanometrica. Il materiale organico sintetizzato su nanoscala rivela però una maggiore biodegradabilità rispetto al nanomateriale inorganico. I bio-nanocompositi vengono sintetizzati combinandoli con catene biodegradabili che contribuiscono al rispetto dell’ambiente. La riduzione di conservanti e additivi attraverso la nanotecnologia è in linea con la crescente preferenza dei consumatori per prodotti naturali ed ecologici.
Preoccupazioni e sfide per la sicurezza
L’imballaggio con nanomateriali solleva però problemi di sicurezza per la salute umana a causa della potenziale migrazione delle nanoparticelle negli alimenti confezionati, che potrebbe avere conseguenze sanitarie sconosciute e che richiedono valutazioni di tossicità approfondite. Inoltre, la mancanza di metodi di test standardizzati, le lacune normative e il rischio di reazioni allergiche aumentano le incertezze. C’è bisogno di studi inclusivi che valutino gli effetti sulla salute a lungo termine della migrazione delle nanoparticelle dagli imballaggi ai prodotti alimentari.
Stefania Milanello, Esperta in impianti alimentari e divulgatrice scientifica
