Food packaging. Materiali, tecnologie e qualità degli alimenti

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1 Food packaging

2 Luciano Piergiovanni Sara Limbo Food packaging Materiali, tecnologie e qualità degli alimenti 123

3 Luciano Piergiovanni Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche Università degli Studi di Milano Sara Limbo Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche Università degli Studi di Milano Si ringrazia CSI S.p.A. (Bollate, MI) per il supporto offerto alla produzione e alla diffusione di questo volume ISBN e-isbn DOI / Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore e la sua riproduzione è ammessa solo ed esclusivamente nei limiti stabiliti dalla stessa. Le fotocopie per uso personale possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto. Le riproduzioni per uso non personale e/o oltre il limite del 15% potranno avvenire solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da AIDRO, Corso di Porta Romana 108, Milano 20122, segreteria@aidro.org e sito web Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla ristampa, all utilizzo di illustrazioni e tabelle, alla citazione orale, alla trasmissione radiofonica o televisiva, alla registrazione su microfilm o in database o alla riproduzione in qualsiasi altra forma (stampata o elettronica) rimangono riservati, anche nel caso di utilizzo parziale. La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge. Springer fa parte di Springer Science+Business Media springer.com Springer-Verlag Italia 2010 L utilizzo in questa pubblicazione di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc., anche se non specificatamente identificati, non implica che tali denominazioni o marchi non siano protetti dalle relative leggi e regolamenti. Responsabilità legale per i prodotti: l editore non può garantire l esattezza delle indicazioni sull impiego e sui dosaggi dei prodotti menzionati nella presente opera. Il lettore dovrà, pertanto, verificare di volta in volta applicabilità e dosaggi, sulla base della normativa vigente e della bibliografia tecnica specifica. Realizzazione editoriale: Scienzaperta S.r.l., Novate Milanese (MI) Illustrazioni: Elena Montesi Immagine di copertina: Mario Tedeschi Copertina: Simona Colombo, Milano Stampa: Grafiche Porpora, Segrate (MI) Springer-Verlag Italia S.r.l., Via Decembrio 28, I Milano Stampato in Italia

4 Prefazione Per numerose e differenti ragioni, che sono sia sociali sia tecnologiche, la quantità di imballaggi e di materiali di confezionamento utilizzata nei Paesi più sviluppati è cresciuta enormemente negli ultimi anni e, parallelamente, è aumentata di molto l aspettativa di loro specifiche funzioni o prestazioni. Di conseguenza, esistono oggi molti modi diversi di affrontare i temi di packaging e in particolare di food packaging. A buon diritto si occupano di materiali e tecniche di confezionamento i designer, attenti alle problematiche di comunicazione e marketing. Gli esperti di legislazione devono costantemente aggiornarsi su questi temi per le sempre più numerose norme e regole che riguardano i materiali a contatto con gli alimenti. La dimensione della produzione e dell uso degli imballaggi è divenuta talmente grande che di loro si occupa chiunque abbia responsabilità nella gestione dei rifiuti e chi ha cuore lo sviluppo sostenibile delle produzioni industriali. Chi studia nuovi materiali e nuove tecnologie sa di trovare nel packaging straordinarie opportunità di applicazioni. Riconosciuto il ruolo strategico degli imballaggi nell organizzazione della supply chain, il packaging è divenuto elemento fondamentale delle competenze di logistica. Ciascuna di queste professionalità ha uno specifico punto di vista e una visione particolare delle cose di packaging e, a volte, persino un peculiare linguaggio tecnico. Questo libro propone il punto di vista di quanti si occupano di salvaguardare ed estendere nel tempo la conservazione della qualità originale e la garanzia di sicurezza degli alimenti confezionati: il punto di vista dei tecnologi alimentari che si occupano di food packaging. Il volume è infatti, in primo luogo, rivolto agli studenti universitari dei corsi di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari, Scienze e Tecnologie Agrarie e Scienze e Tecnologie della Ristorazione, che devono acquisire nel corso dei loro studi conoscenze, competenze e abilità relative all ambito multidisciplinare del confezionamento di alimenti e bevande. Lo scopo dell opera è però anche quello di rendere disponibile un testo di utilità più ampia e generale, indirizzato ai tecnici e agli operatori che nelle aziende di produzione di alimenti, o di imballaggi per alimenti, sono interessati a un approfondimento e a un aggiornamento scientifico-tecnologico nell area. Gli Autori insegnano questa materia da molti anni presso la Facoltà di Agraria dell Università degli Studi di Milano, dove svolgono anche la loro attività di ricerca scientifica. La combinazione di esperienze didattiche e scientifiche in questo specialistico campo ha consentito di affrontare il complesso e articolato tema delle tecnologie di food packaging in modo aggiornato e approfondito per garantire agli studenti e ai docenti di tecnologie alimentari, così come a chiunque sia interessato alla materia, un efficace strumento di studio e di consultazione.

5 VI Prefazione La prima parte fornisce elementi di scienze dei materiali, presentando le proprietà chimiche e fisiche che consentono una descrizione oggettiva di materiali e oggetti. Il fine è fornire competenze nelle attività di collaudo e caratterizzazione degli oggetti di packaging. La seconda parte è dedicata alla descrizione delle tecniche e delle problematiche legate alla produzione dei materiali e, a partire da questi, degli oggetti destinati al contenimento di alimenti e bevande. Questa parte, molto ricca di illustrazioni e schemi, dovrebbe consentire di operare scelte consapevoli nella selezione delle numerose opzioni di packaging oggi disponibili. Nella terza parte, dedicata alle operazioni e alle tecnologie di packaging, si descrivono sia le operazioni di riempimento sia le tecnologie più specificamente rivolte a estendere la conservazione della qualità alimentare dei prodotti alimentari confezionati. La parte quarta, dedicata al tema della shelf life, presenta gli aspetti teorici e procedurali la cui conoscenza permette di ottimizzare la conservazione degli alimenti confezionati e prevederne la durabilità. Infine, l ultima parte del volume è interamente dedicata alla verifica dell apprendimento, presentando quesiti, esercizi di calcolo e temi da svolgere per un accertamento della comprensione e delle competenze raggiunte. Parafrasando un detto antico, quello che di food packaging si trova in queste pagine lo si può trovare in molti altri testi, ma quello che qui non c è è ben difficile trovarlo altrove. A rendere questa opera ampia e aggiornata hanno indirettamente contribuito le molte persone (colleghi, professionisti, esperti e studenti) con le quali gli Autori hanno avuto l opportunità di collaborare in questi anni e ai quali va un doveroso ringraziamento. Un ringraziamento non meno riconoscente va all Editore e, in particolare, alla Dott.ssa Angela Tedesco, per il suo intelligente, paziente e attento lavoro di verifica e revisione. Luciano Piergiovanni Sara Limbo

6 Indice 1. Caratteri generali e terminologia Terminologia Finalità e caratteristiche del packaging Contenimento Protezione Comunicazione Servizio Logistica Statistiche di settore, nazionali e internazionali... 6 Bibliografia... 7 Parte I Proprietà e testing dei materiali per il packaging alimentare Proprietà chimiche dei materiali di packaging Struttura chimica e caratteristiche dei materiali Costituenti atomici Legami tra atomi Legami molecolari Organizzazione molecolare Proprietà chimiche di interesse per i materiali di packaging Resistenza agli oli e ai grassi Resistenza allo stress cracking Comportamento alla combustione Biodegradabilità, biodeterioramento, biotossicità, formazione di biofilm Bibliografia Proprietà fisiche dei materiali di packaging (I): proprietà di superficie, termiche, meccaniche ed elettromagnetiche Proprietà di superficie Tensione superficiale, bagnabilità e adesività Metodi di misura delle proprietà di superficie Relazione tra angolo di contatto ed energia superficiale Modificazione dell energia superficiale Proprietà termiche Conducibilità termica... 30

7 VIII Indice Capacità termica e calore specifico Coefficienti di dilatazione termica Intervallo utile di temperatura (intervallo di impiego) Potere calorifico e contenuto energetico Temperature di transizione Proprietà meccaniche Resistenza allo scorrimento (frizione) Resistenza meccanica Proprietà relative a sollecitazioni dinamiche Proprietà ammortizzanti (cushioning properties) Proprietà elettromagnetiche Interazioni tra radiazioni elettromagnetiche e materia Proprietà elettromagnetiche dei materiali di packaging nelle regioni dell ultravioletto e del visibile Comportamento di un materiale sottoposto a radiazione ionizzante Comportamento di un materiale irraggiato con microonde Densità e proprietà relative Densità Grammatura Bibliografia Proprietà fisiche dei materiali di packaging (II): proprietà diffusionali Permeazione di gas e vapori Descrizione fenomenologica della permeazione Descrizione quantitativa della permeazione Fattori che influenzano la permeabilità Coefficiente di permeabilità, permeabilità e velocità di trasmissione Velocità di trasmissione del vapor d acqua Tecniche di misura della permeabilità ai gas Tecniche di misura della permeabilità al vapor d acqua Permeabilità ai vapori organici dei film plastici Migrazione e altri fenomeni di trasporto di massa Fenomeni di interazione Potenziali migranti Meccanismi della migrazione Modelli di previsione della migrazione Idoneità alimentare e legislazione Conformità di composizione Migrazione globale Migrazione specifica Modalità di determinazione dei limiti OML e SML Altri aspetti del controllo di idoneità alimentare Bibliografia

8 Indice Parte II Sistematica dei materiali e degli oggetti per il packaging alimentare IX 5. Vetro e imballaggio in vetro Struttura chimica del vetro Produzione del vetro Proprietà fisiche e chimiche del vetro Proprietà meccaniche Proprietà termiche Proprietà ottiche Reattività chimica Tecnologie di produzione dei contenitori di vetro Tecnica presso-soffio Tecnica soffio-soffio Ricottura (annealing) Controllo di qualità Tecniche di rafforzamento dei contenitori di vetro Ceramiche e altre terrecotte Bibliografia Metalli e imballaggio metallico Alluminio Produzione e caratteristiche delle leghe di alluminio Tecnologie di produzione dei manufatti di alluminio Banda stagnata e altri acciai rivestiti Produzione degli acciai e loro caratteristiche Struttura, proprietà e produzione della banda stagnata Struttura, proprietà e produzione della banda cromata Altri acciai rivestiti Acciai inossidabili Contenitori di metallo Tubetti deformabili Contenitori per aerosol Kegs (barilotti) in acciaio inossidabile Fusti e barili Barattoli e scatole metalliche Aggraffatura dei fondelli (double seaming) Rivestimenti protettivi interni Corrosione dei metalli Bibliografia Materiali e imballaggi cellulosici Struttura morfologica delle fibre cellulosiche Struttura chimica delle fibre cellulosiche Lignina Emicellulose Cellulosa

9 X Indice 7.3 Carta e cartone Materie prime per la produzione di carta e cartone Tecnologie di produzione Additivi impiegati nella produzione di carte e cartoni Carte speciali Proprietà della carta Cartone ondulato Cartone teso. Cartoncino patinato Cellulosa modellata. Polpa di cellulosa Cellophane. Cellulosa rigenerata Buste e sacchetti di carta Astucci pieghevoli Fustellatura/cordonatura Piegatura/incollatura Tecniche di confezionamento Scatole di cartone ondulato Bibliografia Materiali e imballaggi plastici Generalità e dati economico-statistici Struttura e proprietà delle materie plastiche Natura delle materie prime Meccanismo di polimerizzazione Tatticità Peso molecolare Comportamento al calore Temperatura di transizione vetrosa Morfologia Organizzazione strutturale Miscele polimeriche (blends) e leghe polimeriche (alloys) Modificazioni strutturali delle materie plastiche Orientazione Termoretraibilità Principali polimeri impiegati nel packaging alimentare Polimeri più diffusi Polimeri saldanti Polimeri a elevata barriera ai gas Polimeri meno comuni Simboli e abbreviazioni dei polimeri e di alcune loro caratteristiche Materiali di confezionamento e imballaggi di plastica Additivi delle materie plastiche Film o pellicole Vaschette e corpi cavi stampati a iniezione Vaschette e corpi cavi termoformati Bottiglie e flaconi di plastica Materie plastiche espanse Bibliografia

10 Indice XI 9. Materiali e imballaggi prodotti a partire da biopolimeri Origine e definizione di biopolimero Biopolimeri direttamente estratti da fonti naturali Biopolimeri prodotti per sintesi chimica a partire da monomeri naturali Biopolimeri prodotti direttamente da microrganismi Proprietà dei materiali prodotti a partire da biopolimeri Permeabilità ai gas Proprietà termiche e meccaniche Biodegradabilità e compostabilità Processi di produzione di materiali e imballaggi biopolimerici Film ottenuti per estrusione e per colata da soluzione Contenitori ottenuti per termoformatura e per iniezione Contenitori ottenuti da schiume Aspetti legislativi per i biopolimeri Bibliografia Materiali e imballaggi flessibili compositi Tecnologie di produzione di materiali complessi e multistrato Modificazione superficiale delle pellicole Rivestimento (coating) Metallizzazione in alto vuoto Laminazione/accoppiamento Contenitori poliaccoppiati per liquidi Contenitori in cartoncino poliaccoppiato da bobina Contenitori preformati in cartoncino poliaccoppiato Permeabilità delle strutture composite Migrazione attraverso strutture multistrato Bibliografia Parte III Operazioni e tecnologie del packaging alimentare Operazioni dell imballaggio flessibile Introduzione Incarti e avvolgimenti Confezionamento a pacchetto (parcel wrapping) Confezionamento con avvolgimento a piega (bunch fold wrapping) Confezionamento a doppio fiocco (twist wrapping) Confezionamento con film estensibile (stretch wrapping) Riempimento di preformati flessibili (bagging) Produzione, riempimento e chiusura degli imballaggi flessibili ( form fill seal) Form fill seal orizzontale Form fill seal verticale Adesione e saldatura nella produzione di confezioni flessibili Sistemi di saldatura a caldo

11 XII Indice Sistemi di adesione a freddo Sistemi di apertura delle saldature Valutazione dell efficienza delle saldature Bibliografia Operazioni di riempimento Introduzione Riempimento con liquidi e prodotti alimentari umidi Riempimento a livello predeterminato Riempimento a volume predeterminato Riempimento con alimenti solidi Riempimento per conteggio Riempimento per volume Riempimento ponderale Sistemi e operazioni di chiusura per corpi cavi Tipologie di chiusure Bibliografia Tecnologie di packaging per la qualità degli alimenti Introduzione Sanitizzazione dei materiali e dei contenitori Rischio di contaminazione Possibilità di proliferazione Decontaminazione Operazioni di risanamento termico di alimenti confezionati Riempimento a caldo Pastorizzazione e sterilizzazione termica di alimenti confezionati Condizionamento asettico (aseptic packaging) Operazioni di risanamento non convenzionale di alimenti confezionati Distruzione microbica mediante microonde e radiofrequenze Distruzione microbica mediante radiazioni ionizzanti e UV Distruzione microbica mediante alte pressioni Modificazioni di atmosfera Principi e funzioni del confezionamento sottovuoto Principi e funzioni del confezionamento in atmosfera protettiva Packaging funzionale Active packaging Intelligent packaging Smart packaging Bibliografia Operazioni di stampa, etichettatura e codificazione Introduzione Tecniche di stampa Stampa per contatto Stampa senza contatto Altre tecniche di stampa Inchiostri

12 Indice XIII 14.3 Etichettatura Tipologie di etichette Operazioni di etichettatura Legislazione in materia di etichettatura dei prodotti alimentari confezionati Norme metrologiche Codificazione di prodotti alimentari confezionati Storia, enti e istituzioni Sistemi di codificazione Simboli per la rappresentazione grafica dei codici Stampa e lettura dei codici a barre Bibliografia Parte IV Shelf life degli alimenti Shelf life: aspetti generali e impostazione del problema Premesse e definizioni Fattori che influenzano la shelf life degli alimenti Variabili dell alimento Variabili dell ambiente Variabili del packaging Indici di qualità e limiti critici di accettabilità Strategie di base nello studio della shelf life Modellazione della shelf life Simulazione della shelf life Prova di shelf life accelerata Ruolo del packaging Bibliografia Shelf life prodotto-dipendente Introduzione Modelli di previsione basati sulle leggi della cinetica chimica Cinetica di ordine zero Cinetica di primo ordine Definizione dell ordine cinetico Modelli di previsione della crescita microbica Modelli di previsione del decadimento sensoriale Altri modelli di previsione e modelli non cinetici Velocità di reazione, shelf life e temperatura Test di shelf life accelerata Shelf life a temperature variabili Dipendenza non lineare della velocità di un fenomeno Bibliografia Shelf life packaging-dipendente Introduzione

13 XIV Indice 17.2 Problemi di shelf life dipendenti da scambi di ossigeno e da scambi di vapor d acqua: principali differenze Pressione parziale esterna Livello critico Materiali barriera Ruolo della geometria del packaging Ruolo dello spazio di testa Finestre di Oswin Modelli di previsione della shelf life dipendente dagli scambi di umidità Linearizzazione dell isoterma Modelli di previsione della shelf life dipendente dagli scambi di gas Velocità di ingresso dell ossigeno (V 1 ) Velocità di consumo dell ossigeno (V 2 ) Dinamica delle variazioni di V 1, V 2 e V Condizione di equilibrio V 1 = V 2 (V 3 = 0) Condizione di prevalenza: V 1 << V 2 (V 3 negativa) Condizione di prevalenza: V 1 >> V 2 (V 3 positiva) Le atmosfere protettive nel corso della shelf life Shelf life per una sostituzione di materiali Bibliografia Parte V Esercizi di autovalutazione Indice analitico