Preparation of biodegradable CNTs-ZnO/cellulose membrane with photothermal antibacterial activity for food packaging application

Il confezionamento degli alimenti è un guardiano silenzioso dei nostri pasti quotidiani, incaricato del difficile compito di mantenere freschi i prodotti evitando al contempo gli sprechi. Per decenni, la soluzione è stata in gran parte la plastica, un materiale apprezzato per la sua durata e leggerezza, ma criticato per la sua persistenza nell'ambiente e per la sua incapacità di fermare attivamente i batteri microscopici che causano il deterioramento del cibo. Mentre gli scienziati cercavano da tempo di sostituire la plastica con alternative naturali e biodegradabili come le fibre vegetali, questi materiali ecologici spesso mancano della forza necessaria per combattere proprio i microbi che dovrebbero contenere. La sfida consiste nel creare un materiale da imballaggio che sia non solo sicuro per la terra, ma anche capace di difendere attivamente il cibo all'interno, magari utilizzando l'energia della luce per generare calore che uccida i batteri, il tutto senza fare affidamento su sostanze chimiche tossiche che potrebbero migrare nel cibo.

In uno studio recente, i ricercatori della Jiangsu University in Cina hanno sviluppato un nuovo tipo di membrana per imballaggi che tenta di risolvere questo problema combinando una fibra vegetale naturale con una miscela specializzata di nanoparticelle. Il team è partito dalla cellulosa, il principale componente strutturale delle piante, che hanno estratto dalla paglia di riso. A questa base naturale, hanno aggiunto un materiale composito costituito da nanotubi di carbonio e particelle di ossido di zinco. I nanotubi di carbonio sono strutture tubolari incredibilmente sottili composte da atomi di carbonio che sono eccellenti nell'assorbire la luce, mentre l'ossido di zinco è un minerale noto per la sua capacità di uccidere i batteri. Mescolando questi componenti e depositandoli sulla cellulosa, i ricercatori hanno creato una pellicola sottile e flessibile che funge da scudo contro il deterioramento.

La caratteristica più sorprendente di questa nuova membrana è la sua capacità di trasformare la luce in calore. Quando i ricercatori hanno esposto la pellicola alla luce solare simulata, la temperatura superficiale è aumentata rapidamente. In soli due minuti di esposizione a un'intensità luminosa di 1,8 watt per centimetto quadrato, la superficie della membrana si è scaldata da una confortevole temperatura di 22,0 gradi Celsius a un rovente 67,2 gradi Celsius. Questo rapido picco di temperatura è fondamentale perché molti batteri non possono sopravvivere a tale calore. Lo studio ha dimostrato che, quando questa membrana riscaldata è stata posizionata vicino a comuni batteri trasmessi dagli alimenti come lo Staphylococcus aureus e l'Escherichia coli, ha inibito efficacementamente la loro crescita. La membrana è stata particolarmente efficace contro l'E. coli, inibendone la crescita per oltre il 97,85%, mostrando allo stesso tempo una forte resistenza contro lo S. aureus con un tasso di inibizione superiore al 65,66%.

Oltre alla sua capacità di uccidere i batteri con il calore, la membrana si è dimostrata una soluzione pratica per la conservazione degli alimenti nel mondo reale. I ricercatori hanno testato il materiale avvolgendo fragole fresche, un frutto che si deteriora rapidamente a causa dell'alto contenuto di acqua e della suscettibilità alle muffe. Durante un periodo di nove giorni, le fragole avvolte nella nuova membrana e mantenute in condizioni di luce sono rimaste fresche e sode, senza mostrare segni della muffa che ha coperto le fragole avvolte nella normale pellicola di plastica. Le fragole avvolte nel nuovo materiale hanno perso solo il 7% del loro peso, un miglioramento significativo che suggerisce come la membrana gestisca bene l'umidità, permettendo alla frutta di respirare senza seccarsi troppo velocemente o diventare troppo umida.

Lo studio ha affrontato anche il destino ambientale del materiale. A differenza della plastica tradizionale, che può persistere per secoli, la nuova membrana è progettata per degradarsi naturalmente. Quando sepolta nel terreno, la membrana ha iniziato a degradarsi visibilmente entro pochi giorni ed è stata in gran parte decomposta dai microrganismi entro venti giorni. Questa biodegradabilità, unita alla sua capacità di estendere la durata di conservazione dei prodotti freschi, suggerisce una strada percorribile per imballaggi che proteggano il cibo senza gravare sul pianeta. I ricercatori hanno scoperto che la membrana manteneva la sua efficacia attraverso molteplici cicli di riscaldamento e raffreddamento, indicando che è abbastanza stabile per applicazioni di imballaggio ripetute. Sfruttando il semplice potere della luce solare per generare calore e combinandolo con una base naturale e compostabile, questo lavoro offre un passo promettente verso un futuro in cui il confezionamento degli alimenti sia sostenibile quanto il cibo che protegge.