Riassunto analitico
Riassunto analitico
La sostituzione dei polimeri a base di petrolio con soluzioni alternative che offrono proprietà protettive comparabili riducendo gli impatti ambientali è di primaria importanza nel campo dell'imballaggio alimentare. I pacchetti attivi sviluppati da polimeri biobased e biodegradabili come i poliidrossialcanoati (PHA) rappresentano una soluzione promettente a questo scopo. I sistemi di imballaggio attivo possono mantenere il loro effetto protettivo anche dopo l'apertura della confezione, a differenza del confezionamento in atmosfera modificata (MAP), offrendo così la possibilità di estendere la durata di conservazione secondaria e di ridurre lo spreco alimentare domestico.
Lo scopo di questo lavoro è stato quello di sviluppare soluzioni di packaging attivo basate sull'utilizzo di Poly (3-idrossibutirrato-co-3-idrossivalerato) (PHBV), una bioplastica biodegradabile appartenente alla famiglia dei PHAs, accoppiato con Ethyl Lauroyl Arginate (LAE), un agente antimicrobico caratterizzato da un elevato spettro antimicrobico sia contro agenti deterioranti che patogeni, elevata stabilità, oltre ad essere inodore e incolore.
Questo progetto di tesi prevedeva lo sviluppo di due tipi di dispositivi attivi: aggiunta diretta di LAE nella massa polimerica per produrre un pad attivo (I); Rivestimento a base di LAE e cloroformio disperso su film di PHBV da utilizzare come pad attivo (II). In entrambi i casi sono stati prodotti film con il 3,5% (p/p) di LAE utilizzando la formulazione commerciale MIRENAT® D.
La prima parte dello studio consiste in test in vitro, volti a determinare la Concentrazione Inibente Minima (MIC) di MIRENAT® D (55% LAE nelle fibre vegetali) nei confronti di Penicillum spp. e Micrococcus spp., considerati possibili contaminanti del formaggio spalmabile, selezionato come matrice alimentare mirata. I test di migrazione sono stati condotti secondo il Regolamento UE 10/2011. La cromatografia liquida ad altissima prestazione (UHPLC) è stata utilizzata per quantificare il LAE migrato nei simulanti dalle soluzioni di imballaggio attivo sviluppate. Tale analisi ha permesso di valutare se la concentrazione migrata di LAE raggiungeva il valore di MIC. Allo stesso tempo, ha consentito di verificare se il limite di dose giornaliera ammissibile fosse stato superato (DGA; 0,5 mg/kg di peso corporeo, EFSA 2007). Infine, sono stati condotti test in vivo su formaggio fresco spalmabile per entrambe le soluzioni attive sviluppate, con gli stessi microrganismi utilizzati per i test in vitro. Nella seconda parte dello studio, i film attivi sviluppati sono stati analizzati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) per studiare la struttura interna del film e determinare la natura delle interazioni LAE con PHBV.
Le analisi hanno restituito risultati promettenti con entrambe le soluzioni attive sviluppate. I test in vitro hanno mostrato che la MIC è compresa tra 0 e 25 mg/kg, in linea con i valori presenti in letteratura (2-128 mg/kg), confermando l'efficacia del LAE a basse concentrazioni. La quantità di LAE migrato dalle strutture sviluppate, quantificata da UHPLC, era conforme ai limiti MIC e DGA. In particolare, è stata raggiunta la MIC, garantendo così l'efficacia antimicrobica, e non è stata superata la DGA, per cui una concentrazione del 3,5% (p/p) di LAE in entrambe le soluzioni sviluppate è sicura per il consumatore. I risultati ottenuti con i test in vitro sono stati validati anche da quelli in vivo (10 giorni a 20°C). Dalle analisi condotte al SEM i film sviluppati non risultano ancora perfettamente omogenei, pertanto l'obiettivo è quello di ottimizzare le condizioni operative (estrusione e termopressatura) al fine di ottenere una migliore struttura del film.
In conclusione, entrambe le soluzioni sviluppate hanno mostrato risultati promettenti in base ai livelli di MIC e DGA.
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Abstract
Abstract
The substitution of petroleum-based polymers with alternative solutions offering comparable protective properties while reducing environmental impacts is of main relevance in the food packaging field. Active packages developed from biobased, biodegradable polymers such as polyhydroxyalkanoates (PHAs) represent a promising solution to this purpose. Active packaging systems may maintain their protective effect even after the opening of the package, unlike Modified Atmosphere Packaging (MAP), thus offering the potential to extend the secondary shelf-life and to reduce household food wastage.
The aim of this work was to develop active packaging solutions based on the use of Poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV), a biodegradable bioplastic belonging to the family of PHAs, coupled with Ethyl Lauroyl Arginate (LAE), an antimicrobial agent characterised by a high antimicrobial spectrum against both spoilage and pathogen agents, high stability, as well as being odorless and colorless.
This thesis project involved the development of two types of active devices: direct addition of LAE into polymer mass to produce an active pad (I); LAE and chloroform based coating dispersed on PHBV film to be used as active pad (II). In both cases films with 3.5% (w/w) LAE were produced with use of MIRENAT® D commercial formulation.
The first part of the study consists of in vitro tests, aimed to determine the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) of MIRENAT® D (55% LAE in vegetable fibres) against Penicillum spp. and Micrococcus spp., considered as possible contaminants of spreadable cheese, selected as targeted food matrix. Migration tests were conducted according to EU 10/2011 Regulation. Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) was used to quantify the LAE migrated into the simulants from the developed active packaging solutions. Such analysis allowed to evaluate if the migrated concentration of LAE was achieved the MIC value. At the same time, it allowed to verify whether the Acceptable Daily Intake limit was exceeded (ADI; 0.5 mg/ kg bw, EFSA 2007). Eventually, in vivo tests were conducted on fresh spreadable cheese for both developed active solutions, with the same microorganisms used for the in vitro tests. In the second part of the study, the developed active films were analysed by Scanning Electron Microscopy (SEM) to study the internal structure of the film, and to determine the nature of LAE interactions with PHBV.
The analyses returned promising results with both developed active solutions. In vitro tests showed that the MIC is between 0 and 25 mg/kg, in line with the values found in the literature (2-128 mg/kg), confirming LAE effectiveness at low concentrations. The amount of migrated LAE from developed structures, quantified by UHPLC, was compliant with MIC and ADI limits. In particular, MIC was reached, thus ensuring antimicrobial effectiveness, and ADI was not exceeded, so that a concentration of 3.5% (w/w) of LAE in both developed solutions is safe for the consumer. Results obtained with in vitro tests were also validated by the in vivo ones (10 days at 20°C). From the analyses conducted with the SEM the developed films are not yet perfectly homogeneous, therefore the objective is to optimize operating conditions (extrusion and thermopressing) in order to obtain better film structure.
In conclusion, both developed solutions showed promising results according to MIC and ADI levels. LAE-coated solutions showed faster migration, representing a better solution for high perishable products such as fresh spreadable cheese. On the other hand, solutions with direct in-mass LAE addition showed slower migration kinetics, and could therefore be implemented for food products with longer shelf-life. Future research should focus on manufacturing and conversion processes optimisation to realise more homogeneous active packaging solutions for real-life applications.
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