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rivestimenti a base biologica

15 Febbraio 2023
Articoli Scientifici

 

RIVESTIMENTI A BASE BIOLOGICA DA SOTTOPRODOTTI
AGRO-INDUSTRIALI: I RISULTATI DEL PROGETTO DI RICERCA ECOFUNCO

Scarica il pdf dell’Articolo sui Rivestimenti a base biologica
a cura della Divisione Packaging, Area Sostenibilità e Valorizzazione SSICA

 

Si è recentemente concluso il progetto di ricerca ECOFUNCO (ECO sustainable multiFUNctional biobased COatings with enhanced performance and end of life options), che ha visto la divisione Packaging di SSICA tra i partner del consorzio. Il progetto è stato finanziato dalla Biobased Industries Joint Undertaking (BBI JU), oggi Circular Biobased Europe Joint Undertaking (CBE JU), un partenariato pubblico-privato tra l’UE e il Bio-based Industries Consortium, che ha operato nell’ambito del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.

Il progetto di ricerca triennale è stato coordinato dal Consorzio Interuniversitario Nazionale di Scienza e Tecnologia dei Materiali dell’Università di Pisa e ha visto la partecipazione di 17 partner tra cui centri di ricerca e aziende appartenenti a 8 diversi Paesi Europei.

Figura 1: Logo Progetto Ecofunco

L’obiettivo generale della ricerca è stato quello di sviluppare rivestimenti (coating) a base biologica, per substrati biopolimerici e cellulosici, con lo scopo di migliorarne le proprietà barriera, le prestazioni e il fine vita dei materiali, anche per il confezionamento alimentare. In particolare, il progetto ECOFUNCO si è posto l’obiettivo di selezionare, estrarre e funzionalizzare molecole bio-attive come proteine, cutina, polisaccaridi, polifenoli, carotenoidi e acidi grassi da fonti di biomassa facilmente disponibili e poco valorizzati.

Per l’estrazione di queste molecole bio-attive, sono stati validati su impianti pilota processi di estrazione sostenibili e a ridotto impatto ambientale. Le molecole sono state utilizzate per lo sviluppo di nuovi rivestimenti a base biologica da applicare a diversi substrati per la realizzazione di prototipi di imballaggio per il settore alimentare e della cosmesi.

Figura 2 abstract grafico

Il dipartimento Packaging di SSICA ha contribuito alla ricerca e al raggiungimento di questo importante traguardo con lo sviluppo e la messa a punto di una metodica di estrazione di cutina da differenti sottoprodotti della lavorazione agro-industriale e successivamente formulando un rivestimento funzionalizzato, con la cutina estratta, da applicare a prototipi di vaschetta e film saldanti in cellulosa e in materiali biopolimerici. La cutina è una sostanza di origine naturale che si trova come principale componente nelle cuticole di alcuni vegetali, in quantità variabile compresa fra il 40 e l’80% in peso; in questo caso sono state selezionate come biomasse le bucce di pomodoro, di mele e angurie, risorse largamente disponibili sul territorio nazionale e che possono essere valorizzate, in modo sostenibile, in un’ottica di economia circolare. Per la sua composizione chimica questa sostanza possiede proprietà idrorepellenti, caratteristica che genera grande interesse per la possibilità di essere utilizzata come coating per incrementare la barriera al vapor d’acqua dei materiali. SSICA dopo aver estratto, su impianto pilota, la cutina dai diversi sottoprodotti ha formulato un coating bio-based, in grado di incrementare le proprietà barriera e quindi le prestazioni dei materiali a cui è stato applicato.

La barriera al vapor d’acqua non è però l’unica proprietà che deve essere implementata per garantire le lunghe shelf life richieste dal mercato; la ricerca si è quindi orientata verso lo sviluppo di un coating, di natura proteica, da applicare alle vaschette per conferire al materiale una elevata barriera all’ossigeno. Come la cutina, anche le proteine sono molecole di origine naturale che possono essere estratte da sottoprodotti agro-industriali. Nel caso specifico del progetto ECOFUNCO, le proteine sono state estratte da legumi, in particolare lupini, e da semi di girasole esausti.

Rivestimenti a base biologica

Figura 3 vaschette ECOFUNCO cellulosa

Nell’ambito del progetto, sono stati quindi realizzati due prototipi di vaschetta biodegradabili e compostabili, in materiale biopolimerico e in cellulosa per il confezionamento di alcuni prodotto alimentari come formaggio e salumi pre-affettati. Per raggiugere buone proprietà barriera, entrambi i substrati sono stati rivestiti con coating funzionali sviluppati a partire da cutina e proteine.

Rivestimenti a base biologica

Figura 4 vaschette ECOFUNCO plastica

Attualmente il materiale di confezionamento più utilizzato per formaggi e salumi pre-affettati, confezionati in atmosfera protettiva, è costituito da un imballaggio plastico multistrato di Polietilentereftalato (PET) barrierato con Etilene-alcool polivinilico (EVOH) e polietilene (PE); il multistrato è in grado di garantire una eccellente barriera ai gas e al vapore acqueo e consente shelf life commerciali prolungate, ma pone seri problemi di riciclo a causa della complessità ed eterogeneità dei materiali utilizzati. Il confezionamento di salumi pre-affettati in atmosfera protettiva, con vaschette realizzate in materiale biopolimerico ad elevata barriera, non consente di raggiungere le shelf life richieste dal mercato per le limitate proprietà barriera. I prodotti confezionati presentavano, infatti, nelle normali applicazioni d’uso, problemi dovuti a fenomeni ossidativi .

Nell’ambito del progetto ECOFUNCO, sono stati quindi formulati e ottimizzati diversi coating sia a base di cutina, che di proteine e loro miscele attraverso modifiche e funzionalizzazione delle molecole; sono stati effettuati studi di applicazione ai substrati con diverse tecnologie. L’esito di questi studi ha portato allo sviluppo di una differente formulazione per ciascun substrato. I rivestimenti a base biologica ottimizzati per i substrati cellulosici e plastici sono stati quindi prodotti e applicati su scala pilota, sulle normali linee di lavorazione dei materiali tradizionali.

Nell’ultima fase del progetto, le vaschette in bioplastica e i vassoi in carta, con i rispettivi film saldanti, sono stati utilizzati per il confezionamento di salumi e formaggio pre-affettati. Il confezionamento è stato effettuato presso gli impianti pilota della SSICA, dove è stato anche condotto lo studio di shelf life per definire le caratteristiche prestazionali degli imballaggi ECOFUNCO rispetto ai materiali tradizionali. I controlli eseguiti, ad ogni scadenza, hanno verificato l’efficacia dei coating applicati sui biomateriali in termini di barriera al vapor d’acqua e all’ossigeno.

Da questi test, è emerso che i coating applicati influivano positivamente sulle prestazioni del materiale, andando ad incrementare le proprietà barriera e quindi preservando per tempi maggiori la qualità dei prodotti confezionati.

I materiali sviluppati sono stati inoltre testati in diversi scenari corrispondenti ai tradizionali processi di disintegrazione delle matrici organiche, come la biodegradazione in condizioni aerobiche ed anaerobiche e il compostaggio industriale e domestico. Questo studio ha permesso di verificare la conformità dei materiali, bioplastiche e cellulosa, ai requisiti di legge e di valutare l’impatto dei coating sulla degradazione del materiale.

Con i risultati della ricerca del progetto ECOFUNCO è stato fatto un importante passo avanti verso la valorizzazione sostenibile delle biomasse residue e lo sviluppo di biomateriali ad elevata barriera da utilizzare in diversi settori tra i quali quello del packaging alimentare.