La notevole riduzione di risorse combustibili fossili, le recenti politiche di protezione ambientale e l'idea di sostenibilità hanno spinto la ricerca verso lo sviluppo di nuovi materiali plastici derivati da fonti rinnovabili e/o biodegradabili per diversi settori di applicazione. [1,2] I polisaccaridi come la cellulosa, i derivati dell'emicellulosa, l' amido, la chitina, etc. [3,4] sono stati studiati, per esempio, come possibili materiali per applicazioni nel settore dell'imballaggio alimentare e in quello biomedicale. Recentemente, tra i polisaccaridi, i ?-glucani hanno attirato notevolmente l'attenzione grazie alle loro importanti proprietà. I ?-glucani vengono sintetizzati dalle piante, alghe, lieviti, funghi e batteri. Nei lieviti e nei funghi, le unità monomeriche di glucosio sono collegate attraverso legami glicosidici 1-3, ed occasionalmente da legami 1-6, mentre nei cereali, i ?-glucani contengono legami misti 1-3 e 1-4. [5] L' avena e l' orzo sono fonti con elevato contenuto di ?-glucani, mentre il grano e la segale presentano contenuti inferiori. In particolare in letteratura sono riportati valori del 5-11% per l'orzo, 3-7% per l'avena e 1% per il frumento. [6] Nonostante il contenuto non superi quasi mai 11%, i ?-glucani hanno un impatto notevole sul valore nutrizionale dei cereali. [7] Essi, hanno effetti benefici sulla salute umana, e sono ampiamente utilizzati nell'industria alimentare per le loro proprietà fisiche uniche. Fibre solubili di ?-glucani possono ridurre il colesterolo e il livello di glucosio nel sangue. [8] Inoltre, le loro proprietà reologiche insieme alla biocompatibilità e biodegradabilità, li rendono molecole di interesse in diversi settori ed in particolare in quello dell'imballaggio alimentare. [9] Le proprietà chimico-fisiche e le potenzialità applicative di ?-glucani sono fortemente legati al loro peso molecolare, struttura fine e associazioni tra le catene polimeriche, e queste a loro volta dipendono dal processo di estrazione. [10] La resa, la purezza e la distribuzione dei loro pesi molecolari possono variare a seconda della tecnica di estrazione applicata. [11] Purtroppo, mentre la materia prima, e cioè i grani, è ragionevolmente poco costosa, i processi di estrazione e purificazione di solito richiedono costi elevati. Questo inconveniente rappresenta uno dei principali fattori limitanti per l'applicazione industriale dei ?-glucani. [12] Inoltre, i componenti principali del grano, come le proteine solubili, che si evolvono durante l'estrazione e purificazione di ?-glucani sono solitamente rimosse e scartate mediante una sequenza di fasi di lavaggio in quasi tutti i metodi riportati in letteratura. Il contenuto di proteine nei chicchi di orzo raggiunge il 8-15% e qualche volta anche il 20%. [13] In poche parole, l'utilizzo di ?-glucani per imballaggio alimentare è economicamente irrealizzabile. Con lo scopo di favorire l'applicazione di ?-glucani mediante approcci ecosostenibili, si potrebbe pensare di non spingere il processo di estrazione fino a gradi di purificazione estreme. Questo implicherebbe che alcune sostanze, come le proteine si conservino all'interno della miscela idrosolubile congiuntamente con i ?-glucani. Una quantità significativa di proteine solubili potrebbe quindi rimanere nella soluzione di estrazione, e, insieme con la frazione polisaccaridica, costituire il film biodegradabile. È un dato di fatto che miscele fisiche di ?-glucani e proteine possano dar vita a forti interazioni chimico-fisiche che si instaurano tra i residui polimerici polari, quali i gruppi ossidrile, amminici e carbossilici. [14] Rispetto alle proteine, i polisaccaridi generalmente soffrono di un numero limitato di gruppi funzionali lungo la catena polimerica che ne limita la reattività. Per superare questo inconveniente, è stata spesso eseguita la modifica chimica dei gruppi funzionali polisaccaridici. Un esempio tipico è l'ossidazione che viene utilizzata per modificare e attivare l'amido. [15] L' amido ossidato è stato reticolato, per esempio, con collagene, proteine del mais, proteine di soia e albume d'uovo. [16] L'ossidazione dell'amido è però un processo lungo, induce la depolimerizzazione delle catene macromolecolari e porta alla formazione di sottoprodotti acidi che devono essere opportunamente rimossi. [17] Inoltre l'uso di agenti ossidanti per preparare materiali per imballaggio alimentare potrebbe essere in conflitto con le norme di sicurezza alimentari. E' un dato di fatto che un metodo economico e più ecologico per promuovere e valorizzare l'associazione polisaccaridi-proteine deve essere ancora trovato. Come ampiamente riportato in letteratura, soluzioni alcaline vengono comunemente usate per estrarre ?-glucani da cereali. [18] La resa percentuale e il peso molecolare dei polisaccaridi ottenuti può variare con le condizioni sperimentali alle quali viene condotta l'estrazione, ed in particolare dipende dalla temperatura e dal pH. [19] Inoltre, dati di letteratura confermano che le interazioni polisaccaridi-proteine aumentano in ambiente alcalino. [16] Quest'ultimo, infatti, consente lo sviluppo di siti reattivi sulle catene polisaccaridiche, facilita l' "unfolding" delle catene proteiche, [20] e facilita la rottura dei legami ad idrogeno intermolecolari dei ?-glucani. [21] Le reazioni chimiche che coinvolgono gruppi reattivi sia dei polisaccaridi che delle proteine danno origine a materiali con strutture reticolate complesse con specifiche proprietà. [22] L'obiettivo di questo lavoro, è dunque quello di utilizzare l'orzo come fonte sostenibile ed economica di materiali polimerici per la produzione di film biodegradabili. In particolare, una nuova generazione di film a base di ?-glucani e proteinesono stati preparati con potenziali applicazioni come materiali per imballaggio alimentare. Sono stati realizzati film mediante due diverse procedure estrattive e sono state determinate le loro caratteristiche chimico-fisiche, meccaniche, termiche e proprietà di barriera.
Modifica "in-situ" delle proprietà chimico-fisiche di film biodegradabili estratti dall'orzo
D Duraccio;M Pezzuto;G Santagata;C Silvestre;S Cimmino;
2014
Abstract
La notevole riduzione di risorse combustibili fossili, le recenti politiche di protezione ambientale e l'idea di sostenibilità hanno spinto la ricerca verso lo sviluppo di nuovi materiali plastici derivati da fonti rinnovabili e/o biodegradabili per diversi settori di applicazione. [1,2] I polisaccaridi come la cellulosa, i derivati dell'emicellulosa, l' amido, la chitina, etc. [3,4] sono stati studiati, per esempio, come possibili materiali per applicazioni nel settore dell'imballaggio alimentare e in quello biomedicale. Recentemente, tra i polisaccaridi, i ?-glucani hanno attirato notevolmente l'attenzione grazie alle loro importanti proprietà. I ?-glucani vengono sintetizzati dalle piante, alghe, lieviti, funghi e batteri. Nei lieviti e nei funghi, le unità monomeriche di glucosio sono collegate attraverso legami glicosidici 1-3, ed occasionalmente da legami 1-6, mentre nei cereali, i ?-glucani contengono legami misti 1-3 e 1-4. [5] L' avena e l' orzo sono fonti con elevato contenuto di ?-glucani, mentre il grano e la segale presentano contenuti inferiori. In particolare in letteratura sono riportati valori del 5-11% per l'orzo, 3-7% per l'avena e 1% per il frumento. [6] Nonostante il contenuto non superi quasi mai 11%, i ?-glucani hanno un impatto notevole sul valore nutrizionale dei cereali. [7] Essi, hanno effetti benefici sulla salute umana, e sono ampiamente utilizzati nell'industria alimentare per le loro proprietà fisiche uniche. Fibre solubili di ?-glucani possono ridurre il colesterolo e il livello di glucosio nel sangue. [8] Inoltre, le loro proprietà reologiche insieme alla biocompatibilità e biodegradabilità, li rendono molecole di interesse in diversi settori ed in particolare in quello dell'imballaggio alimentare. [9] Le proprietà chimico-fisiche e le potenzialità applicative di ?-glucani sono fortemente legati al loro peso molecolare, struttura fine e associazioni tra le catene polimeriche, e queste a loro volta dipendono dal processo di estrazione. [10] La resa, la purezza e la distribuzione dei loro pesi molecolari possono variare a seconda della tecnica di estrazione applicata. [11] Purtroppo, mentre la materia prima, e cioè i grani, è ragionevolmente poco costosa, i processi di estrazione e purificazione di solito richiedono costi elevati. Questo inconveniente rappresenta uno dei principali fattori limitanti per l'applicazione industriale dei ?-glucani. [12] Inoltre, i componenti principali del grano, come le proteine solubili, che si evolvono durante l'estrazione e purificazione di ?-glucani sono solitamente rimosse e scartate mediante una sequenza di fasi di lavaggio in quasi tutti i metodi riportati in letteratura. Il contenuto di proteine nei chicchi di orzo raggiunge il 8-15% e qualche volta anche il 20%. [13] In poche parole, l'utilizzo di ?-glucani per imballaggio alimentare è economicamente irrealizzabile. Con lo scopo di favorire l'applicazione di ?-glucani mediante approcci ecosostenibili, si potrebbe pensare di non spingere il processo di estrazione fino a gradi di purificazione estreme. Questo implicherebbe che alcune sostanze, come le proteine si conservino all'interno della miscela idrosolubile congiuntamente con i ?-glucani. Una quantità significativa di proteine solubili potrebbe quindi rimanere nella soluzione di estrazione, e, insieme con la frazione polisaccaridica, costituire il film biodegradabile. È un dato di fatto che miscele fisiche di ?-glucani e proteine possano dar vita a forti interazioni chimico-fisiche che si instaurano tra i residui polimerici polari, quali i gruppi ossidrile, amminici e carbossilici. [14] Rispetto alle proteine, i polisaccaridi generalmente soffrono di un numero limitato di gruppi funzionali lungo la catena polimerica che ne limita la reattività. Per superare questo inconveniente, è stata spesso eseguita la modifica chimica dei gruppi funzionali polisaccaridici. Un esempio tipico è l'ossidazione che viene utilizzata per modificare e attivare l'amido. [15] L' amido ossidato è stato reticolato, per esempio, con collagene, proteine del mais, proteine di soia e albume d'uovo. [16] L'ossidazione dell'amido è però un processo lungo, induce la depolimerizzazione delle catene macromolecolari e porta alla formazione di sottoprodotti acidi che devono essere opportunamente rimossi. [17] Inoltre l'uso di agenti ossidanti per preparare materiali per imballaggio alimentare potrebbe essere in conflitto con le norme di sicurezza alimentari. E' un dato di fatto che un metodo economico e più ecologico per promuovere e valorizzare l'associazione polisaccaridi-proteine deve essere ancora trovato. Come ampiamente riportato in letteratura, soluzioni alcaline vengono comunemente usate per estrarre ?-glucani da cereali. [18] La resa percentuale e il peso molecolare dei polisaccaridi ottenuti può variare con le condizioni sperimentali alle quali viene condotta l'estrazione, ed in particolare dipende dalla temperatura e dal pH. [19] Inoltre, dati di letteratura confermano che le interazioni polisaccaridi-proteine aumentano in ambiente alcalino. [16] Quest'ultimo, infatti, consente lo sviluppo di siti reattivi sulle catene polisaccaridiche, facilita l' "unfolding" delle catene proteiche, [20] e facilita la rottura dei legami ad idrogeno intermolecolari dei ?-glucani. [21] Le reazioni chimiche che coinvolgono gruppi reattivi sia dei polisaccaridi che delle proteine danno origine a materiali con strutture reticolate complesse con specifiche proprietà. [22] L'obiettivo di questo lavoro, è dunque quello di utilizzare l'orzo come fonte sostenibile ed economica di materiali polimerici per la produzione di film biodegradabili. In particolare, una nuova generazione di film a base di ?-glucani e proteinesono stati preparati con potenziali applicazioni come materiali per imballaggio alimentare. Sono stati realizzati film mediante due diverse procedure estrattive e sono state determinate le loro caratteristiche chimico-fisiche, meccaniche, termiche e proprietà di barriera.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
