Nuove strategie per lo sviluppo di materiali per il Food Packaging

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1 Nuove strategie per lo sviluppo di materiali per il Food Packaging Incoronata Tritto Istituto per lo Studio delle Macromolecole (ISMAC) CNR Via E. Bassini 15, Milano

2 La produzione di Imballaggi e materiali da confezionamento è cresciuta enormemente negli ultimi anni insieme alle aspettative di loro specifiche funzioni e prestazioni Gli imballaggi in plastica sono in grado di rispondere alle aspettative POLIOLEFINE: basso costo, buone proprietà meccaniche, facile saldabilità, buone proprietà ottiche, atossicità, inerzia chimica ideali come «food contact materials»

3 Le materie plastiche per settore di applicazione e polimero impiegato La domanda di materie plastiche dei trasformatori europei, cresciuta del 1.1% dal 2010, è stata di 47 milioni di tonnellate nel Domanda di materie plastiche in Europa per settore di applicazione Domanda di materie plastiche in Europa per settore di applicazione e polimero Fonte: Plastic Europe Market Research Group 2012

4 Il punto di vista si è spostato dalla semplice conservazione alla salvaguardia nel tempo della qualità originale e della garanzia di sicurezza degli alimenti La dimensione della produzione e dell uso di imballaggi rende urgente il problema della riciclabilità o della biodegradabilità dei materiali da imballaggio Infine un packaging attraente e comunicativo accresce la visibilità e la notorietà del prodotto e ne aumenta le vendite. Diversi tipi di approccio Shelf-life Prestazioni Riciclo Tracciabilità Design Sicurezza

5 Negli ultimi 10 anni l esperienza nel campo della sintesi e caratterizzazione di polimeri e copolimeri e nel compounding presente in ISMAC è stata indirizzata verso la ricerca di strategie per il miglioramento delle prestazioni di: Film flessibili a base di poliolefine Principali interessi di ISMAC: Shelf-life Sicurezza

6 Shelf life: modulazione della permeabilità e rilascio controllato di antimicrobici. Progetti Regione Lombardia Dispositivo azioni di sistema per il miglioramento delle risorse umane nel settore della ricerca e sviluppo tecnologico - Fondo Sociale Europeo Materiali poliolefinici per imballaggi flessibili con prestazioni modulabili ed alta riciclabilità Milano 2006 Dispositivo azioni integrate per il miglioramento delle risorse umane nel settore della ricerca e sviluppo tecnologico INOPACK Film polimerici innovativi con proprietà modulate, funzionali al mantenimento della qualità dei prodotti alimentari Meta-distretti della Lombardia MOD-IM-PACK Nuovi film plastici con prestazioni modulate di permeabilità e trasmissione luminosa, caratteristiche antifog e antimicrobiche per il confezionamento alimentare: applicazioni su vegetali di IV gamma Progetto regionale di ricerca in campo agricolo VEGAPACK Qualità e sicurezza dei prodotti vegetali minimamente trattati (IV gamma) attraverso imballaggi plastici funzionali

7 Milano Pavia Genova RETE DI COLLABORAZIONI Sintesi di omo- e copolimeri Dr.ssa Tritto tritto@ismac.cnr.it Dott.ssa Sacchi e Dott.ssa Losio Produzione di blends e films Dr.ssa Stagnaro stagnaro@ge.ismac.cnr.it Sviluppo dei materiali Dr.ssa Lanati lanati@itp.it Valutazione della stabilità e della sicurezza alimentare Dr.ssa Limbo sara.limbo@unimi.it

8 Modulazione della permeabilità di film poliolefinici: via miscelazione di polimeri commerciali Estrusione in bivite Filmatura in testa piana Produzione di granuli

9 P (cm 3 * m/m 2 *d*bar) Aumento della barriera: es. per prodotti da forno POLIETILENE commerciale in miscela con a b alta densità alta trasparenza eccellenti proprietà barriera COC P (cm 3 * m/m 2 *d*bar) KP CO KP O2 0 Mix Base 5% COC 10% COC 15% COC 20% COC 0 Mix Base 5% COC 10% COC 15% COC 20% COC KPCO 2 and KPO 2 diminuiscono di oltre il 50% già al 5 p% di COC

10 Aumento della permeabilità : es. per vegetali freschi, con attività respiratoria (IV gamma) POLIPROPILENE commerciale in miscela con P [cm 3 /(m 2 24h atm)] Mix Base 5% 4M1P 10% 4M1P 20% 4M1P bassa densità alta trasparenza elevata permeabilità ai gas PO PCO 2 P [cm 3 /(m 2 24h atm)] Mix Base 5% 4M1P 10% 4M1P20% 4M1P La permeabilità ai gas aumenta sensibilmente con l aggiunta di 4M1P (incrementi del 40 e 50 % anche solo con il 5 p% di 4M1P)

11 Polimeri commerciali per imballaggio Copolimeri a base etilenica Modulazione della permeabilità di film poliolefinici: via sintetica EXACT 1-butene Copolimeri a base propilenica 1-esene FINACENE 1-butene MOPLEN etilene

12 Permeability, cm 3 O2 cm/24h m2 atm Via sintetica per l aumento della permeabilità: uso di un comonomero non tradizionale ramificato Copolimero etilene/4-metil-1-pentene (4-metil-1-pentene) Copolimero propilene/4-metil-1-pentene Obiettivi - aumento del volume libero del polimero - minore densità P/1-esene P/4M1P PP 30 - aumentata permeabilità del materiale Moplen RP340H % comonomero

13 Shelf life: incorporazione di antimicrobici La shelf life dei vegetali di IV gamma è limitata dalla crescita di microrganismi alteranti Un obiettivo è stato l individuazione di nuove sostanze naturali con caratteristiche antimicrobiche e lo studio delle tecniche di incorporazione nei materiali di confezionamento carvacrolo Composti fenolici, idrofobici timolo Interferiscono con il doppio strato fosfolipidico della membrana citoplasmatica dei microorganismi

14 Incorporazione di sostanze volatili antimicrobiche in ciclodestrine Le Ciclodestrine (CD) sono oligosaccaridi ciclici composti da 6, 7, 8 unità di glucosio non assorbiti nel tratto gastro-intestinale superiore e completamente metabolizzati dalla microflora del colon La β-cd è riconosciuta GRAS (US FDA), veicolante per additivi alimentari (< 1 g kg -1 ) in Europa e prodotto naturale in Giappone.

15 Incorporazione di sostanze volatili antimicrobiche in ciclodestrine β-cd pura Addotto molecola attiva β-cd SEM dell addotto ciclodestrina/molecola attiva (carvacrolo) L addotto β-ciclodestrina-molecola attiva è stato inserito in matrici proteiche e applicato sulla superficie di un FILM plastico o bioplastico sottoforma di coating

16 Rilascio controllato di sostanze volatili antimicrobiche in ciclodestrine Utilizzo al 95% UR Il contatto con ALTE UMIDITA (come nell ambiente interno della confezione contenente vegetali) aumenta la mobilità delle molecole, permettendo quindi il rilascio di principi attivi Gelatina Isolati di soia Isolati di soia Glutine Glutine 25 C 4 C Cinetica di rilascio di carvacrolo incapsulato in b-ciclodestrina ed inserito in coating La natura del coating influenza la cinetica di rilascio della molecola attiva

17 Sicurezza: additivi stabilizzanti macromolecolari non releasing Progetti PROGETTO Fondazione CARIPLO Imballaggi plastici per alimenti: additivi macromolecolari a basso coefficiente di diffusione e basso rischio di contaminazione PROGETTO Fondazione CARIPLO Polymeric Additives with Covalently Bonded Stabilizers: Design and preparation of lasting polyolefin films with no risk of food contamination and degradation (PACk-BOSs) PROGETTO MIUR-PRIN Processi ossidativi e radicalici: aspetti innovativi ed applicazioni allo sviluppo di biopolimeri melanici e antiossidanti di rilevanza biomedica e tecnologica (PROxi) PROGETTO MISE - Made in Italy Bando Industria 2015 Servizio Integrato di Logistica e Packaging Innovativi per il Settore Agroalimentare

18 Genova Milano Firenze Questo progetto è il frutto di una collaborazione interdisciplinare che si sviluppa in quattro fasi Sintesi di comonomeri o molecole funzionalizzate Prof. Menichetti stefano.menichetti@unifi.it Sintesi di omo- e copolimeri Dr.ssa Tritto tritto@ismac.cnr.it Dott.ssa Sacchi e Dott.ssa Losio Produzione di blends e films Dr.ssa Stagnaro stagnaro@ge.ismac.cnr.it Valutazione della stabilità e della sicurezza alimentare Dr.ssa Limbo sara.limbo@unimi.it

19 Un limite delle poliolefine è il fatto che vanno incontro a fenomeni di degradazione termo- e foto-ossidativa Al fine di evitare tali fenomeni di degradazione dei cosiddetti food contact materials vengono aggiunti degli additivi stabilizzanti (in particolare fenoli ed ammine ingombrate) con funzione antiossidante e anti-uv). BHA Antiossidante HALS Anti-UV

20 Si tratta di derivati a basso peso molecolare di natura polare dispersi nella matrice polimerica e quindi con una elevata potenzialità di migrazione negli alimenti a contatto Imballaggio Alimento Obiettivo di questo lavoro di ricerca è stato quello di preparare degli additivi polimerici in cui la funzione stabilizzante è legata covalentemente alla struttura macromolecolare poliolefinica

21 Strategia 1 1. Sintesi di olefine portanti una unità antiossidante con un doppio legame facilmente polimerizzabile 2. Copolimerizzazione dei comonomeri sintetizzati con etilene

22 Laboratorio di sintesi

23 Strategia 2 1. Sintesi di molecole portanti una Unità Funzionale antiossidante (FU) e gruppi amminici, idrossilici o carbossilici come Funzionalità Reattiva (Y) 2. Reazione delle molecole funzionalizzate con matrici commerciali a base di politene maleinizzato o epossidizzato per reactive blending I processi messi a punto in laboratorio, possono essere riprodotti in scala più elevata da una ditta trasformatrice (nel settore del compounding).

24 Antiossidanti molecolari di uso comune Nuovi antiossidanti polimerici

25 Miscelazione Polimero commerciale Additivo polimerico Miscelatore Brabender Estrusore bivite Brabender 40D Filmatura / Stampaggio Estrusore monovite Brabender con unità di filmatura a testa piana e unità di stiro

26 Differenziazione degli additivi a seconda dei diversi materiali a cui sono destinati Analisi termo-ossidativa: confronto fra additivi polimerici e additivo commerciale Polietilene Copolimeri E/N Polipropilene Tutti i campioni che contengono l additivo polimerico mostrano un tempo di induzione prima di cominciare a reagire con l ossigeno (OIT) superiore a quello mostrato dall additivio molecolare tradizionale

27 Sviluppi futuri: Creare un pacchetto di additivi polimerici non-releasing portanti tutte le funzionalità stabilizzanti richieste: i) gruppi antiossidanti primari, ii) secondari e iii) fotostabilizzanti Anti-ox primario Anti-UV Anti-ox secondario

28 Grazie Dott.ssa Maria Carmela Sacchi Dott.ssa Simona Losio Dott.ssa Paola Stagnaro