Cold atmospheric pressure plasma pretreatment as a novel tool to tailor the functional properties of quince seed mucilage biopolymer-based edible films

Nel mondo moderno, la pellicola trasparente e i contenitori che mantengono freschi i nostri alimenti sono un'arma a doppio taglio. Sebbene proteggano i nostri pasti dal deterioramento, sono realizzati con materiali che non si degradano facilmente, lasciando un segno duraturo sull'ambiente e sollevando preoccupazioni circa la fuoriuscita di sostanze chimiche tossiche nei nostri alimenti. Gli scienziati cercano da tempo un modo migliore, rivolgendosi ai materiali della natura stessa. Un candidato promettente è una sostanza appiccicosa, simile a un gel, che si trova nei semi del frutto della cotognata, un membro della famiglia delle rose dalla forma a pera. Quando questi semi vengono immersi in acqua, rilasciano un denso mucillagine, un polimero naturale che può essere essiccato in sottili fogli edibili. Questi fogli hanno il potenziale per sostituire le plastiche sintetiche, ma affrontano un ostacolo significativo: nel loro stato naturale, sono spesso troppo fragili da maneggiare e troppo porosi per impedire efficacemente l'ingresso dell'umidità, rendendoli scarsi candidati per la protezione degli alimenti.

Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a uno strumento che sembra fantascienza ma è in realtà una tecnica industriale precisa: il plasma atmosferico freddo. Immaginate un fascio di particelle invisibili ed energetiche che possono toccare una superficie senza bruciarla. Questa tecnologia permette agli scienziati di bombardare la superficie di un materiale con atomi e molecole cariche, riorganizzando la sua struttura a livello microscopico senza utilizzare calore o sostanze chimiche aggressive. L'obiettivo è prendere il fragile film naturale fatto con i semi di cotogna e rafforzarlo, rendendolo più resistente e più efficace nel bloccare il vapore acqueo. Un team di ricercatori ha recentemente testato questa idea, trattando la miscela liquida di mucillagine di semi di cotogna con questo plasma prima di trasformarla in un film, sperando di trovare il perfetto equilibrio tra tempo ed energia per trasformare una delicata sostanza naturale in un materiale di confezionamento durevole.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo i semi di cotogna e trattandoli con il fascio di plasma freddo. Non hanno proceduto per tentativi ed errori; hanno variato sistematicamente la potenza del fascio e la durata dell'esposizione ad esso. Hanno testato tre diversi livelli di potenza e tre diverse durate, creando una griglia di possibilità per vedere quale combinazione funzionasse meglio. Una volta trattati i semi, il team ha estratto la mucillagine, l'ha mescolata con una piccola quantità di glicerolo per mantenerla flessibile e ha versato la soluzione in piatti per farla asciugare in sottili film. Hanno poi sottoposto questi nuovi film a una serie di test, misurando tutto, dallo spessore alla capacità di respingere l'acqua e alla forza che potevano sopportare prima di spezzarsi.

Una delle prime cose che il team ha scoperto è stata che il trattamento al plasma non cambiava lo spessore dei film. Che i semi fossero stati trattati o meno, i fogli risultanti mantenevano uno spessore costante di 0,70 millimetri. Questa era un'importante scoperta perché significava che il trattamento stava alterando le proprietà del materiale senza cambiarne le dimensioni fisiche di base. Tuttavia, la superficie dei film cambiava drasticamente. Quando i ricercatori hanno misurato come le gocce d'acqua si posavano sulla superficie, hanno scoperto che il trattamento rendeva i film più resistenti all'acqua. Il risultato migliore si è ottenuto trattando i semi con un livello di potenza specifico per esattamente tre minuti. In questa condizione, le gocce d'acqua si raggruppavano in gocce più grandi rispetto a qualsiasi altro campione, suggerendo che la superficie fosse diventata più idrofobica, o avversa all'acqua. Questo è un tratto cruciale per il confezionamento alimentare, poiché aiuta a evitare che il film diventi inzuppato e perda la sua resistenza in ambienti umidi.

La capacità di bloccare l'umidità, nota come permeabilità al vapore acqueo, ha mostrato un modello simile. I film trattati per tre minuti erano i migliori nel bloccare il passaggio del vapore acqueo, indipendentemente dal livello di potenza utilizzato. Questo miglioramento suggerisce che il trattamento al plasma abbia aiutato le molecole del film a compattarsi maggiormente, creando una barriera più densa che le molecole d'acqua non potevano penetrare facilmente. Tuttavia, i ricercatori hanno anche riscontrato un limite chiaro a questo processo. Quando hanno esteso il tempo di trattamento a cinque minuti, i film sono diventati effettivamente peggiori nel bloccare l'umidità rispetto a quelli non trattati. L'esposizione prolungata al fascio di plasma ha iniziato a danneggiare la struttura della mucillagine, creando piccoli percorsi per la fuga dell'acqua. Ciò indicava che, sebbene la tecnologia potesse migliorare il materiale, un eccesso di essa era distruttivo, rompendo proprio la rete che gli scienziati stavano cercando di rafforzare.

La superficie dei film è cambiata anche in termini di consistenza. Utilizzando un microscopio ad alta potenza capace di percepire la superficie a livello microscopico, il team ha scoperto che un breve trattamento di un minuto rendeva la superficie più ruvida. Questa rugosità era causata dal fascio di plasma che incideva delicatamente piccole parti della superficie. Interessantemente, quando il trattamento durava più a lungo, la superficie tornava a essere più liscia e uniforme. Ciò suggerisce che dopo l'iniziale rincrudimento, le molecole hanno avuto il tempo di riorganizzarsi in una struttura più compatta e ordinata. La forza meccanica dei film seguiva una regola simile di "meno è meglio". I film più forti e flessibili erano prodotti con un breve trattamento di un minuto a un livello di potenza inferiore. Questi film potevano allungarsi di più e sostenere più peso prima di rompersi rispetto ai campioni non trattati. Ma ancora una volta, spingere il trattamento troppo a lungo o troppo intensamente rendeva i film fragili e deboli, facendo perdere proprio quelle qualità che li rendono utili.

La resistenza al calore dei film ha raccontato una storia di equilibrio. Quando i ricercatori hanno riscaldato i film per vedere come resistevano allo stress, hanno scoperto che i campioni trattati in modo ottimale potevano sopportare temperature più elevate prima di rompersi. Ciò suggerisce che il trattamento al plasma ha aiutato le molecole a legarsi più fortemente, creando una struttura più stabile. Tuttavia, i film trattati per cinque minuti mostravano segni di instabilità, rompendosi a temperature inferiori. Questo ha confermato che la lunga esposizione aveva danneggiato le catene molecolari, rendendo il materiale meno robusto. L'analisi chimica dei film ha mostrato che la struttura di base della mucillagine del seme di cotogna rimaneva intatta, ma la chimica superficiale era stata alterata. Il fascio di plasma aveva probabilmente creato nuovi collegamenti tra le molecole e cambiato il modo in cui la superficie interagiva con l'acqua, il tutto senza distruggere il materiale principale.

Lo studio conclude che il plasma atmosferico freddo è uno strumento potente per migliorare il confezionamento alimentare naturale, ma richiede un tocco delicato. I ricercatori hanno scoperto che un'esposizione breve e attentamente controllata può trasformare un film fragile e sensibile all'acqua in un materiale più forte e resistente all'acqua. La chiave era trovare il punto di equilibrio in cui il plasma rafforzava i legami tra le molecole senza lacerarle. Trattare i semi per tre minuti a un livello di potenza moderato sembrava offrire la migliore prestazione complessiva, migliorando la capacità del film di bloccare l'umidità, la sua forza e la sua resistenza al calore. Tuttavia, estendere il trattamento a cinque minuti invertiva questi benefici, dimostrando che esiste un punto di rendimenti decrescenti in cui la tecnologia diventa dannosa. Questo lavoro evidenzia che, sebbene la natura fornisca le materie prime per un confezionamento sostenibile, tecniche avanzate come il plasma freddo possono essere utilizzate per perfezionare questi materiali, rendendoli alternative praticabili alle plastiche che attualmente dominano i nostri scaffali. Il futuro del confezionamento alimentare dipenderà probabilmente dal trovare questi momenti precisi di intervento, dove un breve tocco di energia trasforma un semplice estratto di semi in uno scudo protettivo per il nostro cibo.