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Secondo la Commissione Europea si definiscono materiali di imballaggio intelligenti “materiali e articoli che monitorano le condizioni degli alimenti confezionati o dell’ambiente circostante l’alimento”. Essi combinano funzionalità intelligenti con soluzioni sostenibili, indicando lo stato dei prodotti alimentari per dar modo ai consumatori di valutare qualità e freschezza degli alimenti confezionati in tempo reale, fornendo informazioni visive sulle condizioni di conservazione. Attualmente sono basati su tecnologie in grado di svolgere funzioni specifiche per misurare e comunicare informazioni sulla qualità e sulla sicurezza degli alimenti, quindi potrebbero essere sistemi validi per prevenire una grande porzione di spreco alimentare associato all’errata interpretazione da parte dei consumatori della data di scadenza dei prodotti. Gli imballaggi intelligenti sono in grado di riconoscere e registrare i cambiamenti nell’ambiente interno e/o esterno all’imballaggio durante la conservazione in base all’interazione del materiale di imballaggio con l’alimento e/o il suo ambiente diretto. Tali dispositivi sono stati studiati e sviluppati, ottenendo indicatori di pH, indicatori di temperatura, indicatori di tempo-temperatura, biosensori, identificatori a radiofrequenza, indicatori di freschezza e altri. In particolare, un nuovo tipo di imballaggio intelligente è quello con indicatore di pH colorimetrico, che risponde al cambiamento di pH causato dal decadimento degli alimenti e/o dal cambiamento dell’ambiente esterno. In molti casi, il deterioramento degli alimenti come pesce, frutti di mare e carne è associato a cambiamenti di pH negli alimenti e il principio dei sistemi di indicazione della freschezza si basa sul rilascio di composti volatili di ammoniaca durante il deterioramento di alimenti ricchi di proteine, che possono essere rilevati dal cambiamento di colore dei pigmenti naturali nel sistema.

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Imballaggi intelligenti: verso la sostenibilità

Per queste ragioni, i coloranti naturali, come la curcumina e le antocianine, hanno attirato l’interesse come validi sostituti di indicatori sintetici come il blu di bromotimolo, il rosso metile o i polimeri di polidiacetilene. Se incorporati in film di biopolimeri, quando si verifica il deterioramento degli alimenti, sono in grado di mostrare cambiamenti di colore visibili all’occhio umano, indicando così il grado di freschezza degli alimenti in tempo reale. La migrazione di composti pericolosi dai sistemi di imballaggio intelligenti convenzionali e il post-consumo dallo smaltimento improprio di materiali da imballaggio in plastica provenienti da fonte non rinnovabile hanno sollevato gravi preoccupazioni per la salute del consumatore e dell’ambiente. Per superare questo scenario l’uso di composti naturali nell’imballaggio alimentare è diventato un’area di interesse emergente sia per la ricerca di base che applicata. Gli alimenti confezionati subiscono diversi cambiamenti durante lo stoccaggio (che riflettono la loro perdita di qualità) che si traducono in alterazioni nella composizione dell’ambiente di imballaggio. Questi includono cambiamenti nel pH, nella composizione gassosa e nella produzione di composti da deterioramento chimico e microbico come ammine, ammoniaca, H2S, ecc. Per rilevare e indicare la presenza di questi composti chiave, composti intelligenti (sostanze sensibili alla presenza di un composto specifico o di una classe di composti) vengono aggiunti ai biopolimeri durante la produzione del materiale di imballaggio. Ad esempio, è stato segnalato che diversi coloranti naturali cambiano colore in risposta a cambiamenti nell’ambiente di imballaggio. Il cambiamento di colore può essere facilmente rilevato dal consumatore e indica l’idoneità del prodotto confezionato al consumo. 

Tecnologie a supporto: indicatori, RFID e sensori

Si indicano di seguito i principali dispositivi visti come imballaggi intelligenti per monitorare le condizioni degli alimenti.

Indicatori di dati

Indicatori che trasmettono al consumatore informazioni collegate alla presenza o all’assenza di una sostanza, all’entità di una reazione tra due o più sostanze o alla concentrazione di una sostanza specifica o di una classe di sostanze. Molto spesso, tali informazioni vengono visualizzate tramite cambiamenti visivi immediati, ad esempio diverse intensità di colore o la diffusione di un colorante lungo la geometria dell’indicatore. Esiste un’ampia varietà di indicatori, che possono essere ridotti a tre categorie, vale a dire indicatori di tempo-temperatura, indicatori di freschezza e indicatori di gas. 

Indicatori di supporti dati

I dispositivi di supporto dati, noti anche come dispositivi di identificazione automatica, rendono più efficiente il flusso di informazioni all’interno della filiera alimentare, a vantaggio della qualità e della sicurezza degli alimenti. Più specificamente, i dispositivi di supporto dati non forniscono alcun tipo di informazione sullo stato di qualità degli alimenti, ma sono piuttosto destinati all’automazione, alla tracciabilità, alla prevenzione dei furti o alla protezione dalla contraffazione. Inoltre, i supporti dati sono più spesso posizionati su imballaggi terziari (ad esempio, contenitori multi-box, casse di spedizione, pallet, grandi imballaggi in cartone). I dispositivi di supporto dati più importanti nel settore degli imballaggi alimentari sono di seguito riportati.

• Codici a barre: questi dispositivi, che eseguono l’identificazione automatica, non solo forniscono un flusso di informazioni all’interno della filiera alimentare, ma aumentano anche l’efficienza in termini di qualità e sicurezza degli alimenti. Il compito è quello di fornire automazione, tracciabilità, protezione da furti o contraffazioni, piuttosto che dare informazioni sulle condizioni degli alimenti. Di solito sono posizionati su un imballaggio esterno (scatola, pacco, pallet, ecc.) diverso dall’imballaggio del prodotto. I codici a barre sono ampiamente utilizzati nei rivenditori e nei negozi per il controllo dell’inventario e il monitoraggio delle scorte grazie al loro basso costo e alla facilità d’uso. Un codice a barre è composto da spazi paralleli e barre disposte per rappresentare dati a 12 cifre. Le informazioni codificate vengono lette da uno scanner ottico di codici a barre, che invia le informazioni a un sistema in cui vengono archiviate ed elaborate.
• Sistemi di identificazione a radiofrequenza (RFID): includono tre elementi principali 1) un tag formato da un microchip collegato a una piccola antenna; 2) un lettore che emette segnali radio e riceve risposte dal tag in cambio; 3) un middleware (una rete locale, un server web, ecc.) che collega l’hardware RFID e le applicazioni aziendali. Due caratteristiche distinte della tecnologia RFID sono l’elevato numero di codici diversi che possono essere archiviati nel tag e la possibilità di trasferire e comunicare informazioni anche a lunga distanza, migliorando così le operazioni di identificazione automatica del prodotto e di tracciabilità. La tecnologia RFID era ben nota da molto tempo, ma la penetrazione di mercato di questi dispositivi è rimasta indietro rispetto ai codici a barre, principalmente per motivi di costo. Tuttavia, la tecnologia RFID non dovrebbe essere considerata come un sostituto dei codici a barre. Le attuali applicazioni dei tag RFID, oltre al controllo del traffico, all’identificazione dei pallet, alla sicurezza degli edifici, alla guida al parcheggio e alla tracciabilità e identificazione degli animali, hanno anche diverse applicazioni nell’industria alimentare, come l’identificazione e la tracciabilità dei prodotti, il monitoraggio della catena del freddo, la gestione del prodotto e la previsione della durata di conservazione
  

Sensori

Un sensore è un dispositivo o un sistema con elettronica di controllo ed elaborazione, rete di interconnessione e software. Viene utilizzato per rilevare, localizzare o quantificare energia o materia, fornendo un segnale per il rilevamento o la misurazione di una proprietà fisica o chimica a cui il dispositivo risponde. In pratica, un sensore risponde a una quantità chimica o fisica per produrre un output quantificabile proporzionale alla misura. Le tecnologie di sensori più avanzate che possono incorporare dispositivi intelligenti nel packaging appartengono a due gruppi principali.

• Biosensori: la principale differenza tra sensori chimici e biosensori risiede nello strato di riconoscimento. Mentre nei sensori chimici il recettore è un composto chimico, nei biosensori lo strato di riconoscimento è costituito da materiali biologici come enzimi, anticorpi, antigeni, fagi e acidi nucleici. I biosensori sono sensori con analita biologico in cui il cambiamento nel prodotto viene rilevato e quindi convertito in un segnale elettrico utilizzando un trasduttore.
• Sensori di gas: sono progettati per rilevare composti gassosi o volatili come anidride carbonica, ossigeno, ammine volatili e alcuni altri gas. Ad esempio, un sensore di anidride carbonica viene utilizzato per rilevarne livelli accurati utilizzando vernice indicatrice e α-naftolftaleina. Questi sensori sono anche caratterizzati dalla tossicità causata dallo spostamento dei coloranti. Il rilevatore optochimico del sensore di gas, il sensore di gas basato su sol gel, il sensore di gas basato sul rilevamento colorimetrico, il sensore di gas basato sulla fotoluminescenza e il sensore di gas basato sul rilevamento colorimetrico sono sensori di gas comuni.

Applicazioni sperimentali: smart packaging da scarti alimentari

Presso il Laboratorio di Fondamenti Chimici delle Tecnologie del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Salerno sono stati progettati e sviluppati nuovi dispositivi che rientrano nella categoria degli smart packaging, ottenuti a partire da materiali di scarto dell’industria alimentare. La fase attiva è composta da estratti naturali di Curcuma longa e vinacce di vino Lambrusco, un sottoprodotto della lavorazione del vino nella regione pugliese. Il supporto, invece, è costituito da strips a base di amido di riso, pectina di mela e alginato di sodio. È interessante sottolineare il riutilizzo di materiali di scarto da diverse fonti per dare nuova vita agli stessi e produrre nuovi materiali intelligenti ad alto valore aggiunto. 

Nel lavoro di ricerca sperimentale in oggetto è stato studiato l’effetto dei due composti naturali e la loro combinazione sinergica sulle proprietà e le prestazioni dei biofilm dal punto di vista morfologico, meccanico, termico e barriera. L’idea di utilizzare una combinazione di estratti naturali risiede nella loro capacità di reagire velocemente a repentini cambiamenti di pH che si verificano in seguito a deterioramento di prodotti alimentari. Inoltre, la variazione di pH indica una variazione colorimetrica che può essere sfruttata per il rilevamento visivo rapido e semplice della qualità degli alimenti durante lo stoccaggio, il trasporto e il confezionamento. Gli utenti possono quindi discriminare tra cibo fresco e avariato impedendo l’apertura della confezione, portando a un miglioramento della qualità del cibo e a una diminuzione degli sprechi alimentari. Tale tecnologia favorisce il design di dispositivi intelligenti che in tempo reale rispondono ai cambiamenti nella qualità del cibo offrendo una risposta di tipo colorimetrico.

Applicazione pratica degli smart packaging nei prodotti ittici

In particolare, ci si è focalizzati sulla capacità degli smart packaging di rilevare diverse concentrazioni di vapori ammoniacali che, di solito, vengono prodotti in seguito al deterioramento di cibi proteici (per esempio prodotti ittici) a seguito della proteolisi. I sistemi prodotti con estratti naturali di vino Lambrusco e curcumina rispondono velocemente alle variazioni di pH nel sistema packaging mostrando un’elevata “sensitivity”. Al fine di dimostrare la potenziale applicazione dei sistemi ottenuti nel monitoraggio del deterioramento di prodotti proteici, gli stessi sono stati impiegati per tracciare la qualità di un prodotto ittico, i gamberetti, al variare del tempo e della temperatura di stoccaggio. Nel tempo, il pH dei gamberetti tende ad aumentare con conseguente rilascio di sostanze volatili ammoniacali, facilmente rilevabili utilizzando gli indicatori di pH che rispondono offrendo una traccia di tipo visiva (da rosa a verde/blu per il sistema con l’estratto di Lambrusco e da arancione a rosso/marrone per il sistema con la curcumina) rilevabile facilmente dall’occhio umano dopo pochi giorni, permettendo al consumatore finale di valutare real time la qualità del prodotto che si accinge ad acquistare. In conclusione, l’incorporazione di antociani e curcumina e la sinergia degli stessi in film ottenuti da materiali di scarto apre la strada allo sviluppo di nuovi imballaggi intelligenti che non interferiscono con la qualità e le proprietà organolettiche del prodotto confezionato. Pertanto, i sistemi oggetto della ricerca sperimentale possono essere applicati come imballaggi intelligenti e non distruttivi che monitorano in modo sicuro il deterioramento di un prodotto proteico (gamberetto) in tempo reale e consigliano gli utenti finali circa il verificarsi di deterioramento del cibo al fine di evitare lo spreco alimentare e il rischio di intossicazione alimentare (Figura 1).

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A cura di: Giuliana Gorrasi* e Gianluca Viscusi
Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Salerno
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