Modena – 6 marzo 2007

I materiali e i contenitori per il condizionamento asettico

Patrizia Fava

Dipartimento di Scienze Agrarie e degli Alimenti

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Un po’ di storia…….

Premesso che la vera innovazione nel packaging del condizionamento asettico è rappresentata dall’ormai nota e sperimentata introduzione del CARTONCINO POLIACCOPPIATO, vale comunque la pena di ricordare che la tecnologia ha trovato applicazione fin dagli inizi del 1900, con i contenitori e i materiali di cui si disponeva all’epoca, vale a dire quelli metallici e quindi le classiche scatole o lattine.

ASEPTIC CANNING (1920-1930)

CONTINENTAL CAN COMPANY (1940)

MARTIN-DOLE aseptic canning system (1948)

SMITH-BALL process-FLASH 18 (1955) scatole metalliche

DRUM filling system (1958)

CONTENITORI FLESSIBILI E SEMIRIGIDI

Il più significativo sviluppo della tecnologia del condizionamento asettico si ebbe tuttavia con l’introduzione, a partire dagli anni ‘50-’60 di contenitori realizzati con materiali flessibili: materie plastiche, accoppiati di materiali cellulosici e polimerici di sintesi.

TETRAPAK e TETRABRIK (1950-1960……..)

COMBIBLOK della PKL (1970)

BAG-IN-BOX PACKAGING SYSTEMS (1970)

BAG-IN-DRUMS (1980)

Coppette in materiale plastico……

Sacchetti, buste

Sistema ACHILLES (Alfa Laval)

CONCETTO FONDAMENTALE

• PRODOTTO COMMERCIALMENTE STERILE

• CONTENITORE STERILE

• AMBIENTE CONFINATO ESENTE DA CONTAMINAZIONI

materiale sterile ambiente sterile

prodotto confezionato asetticamente

prodotto sterile

Focus on…..

Sistemi di confezionamento disponibli

Contenitori rigidi

Contenitori semi rigidi

Scatole – metallo

Bottigli e vasi - vetro

Contenitori flessibili

Scatole – materiale plastico

Bottiglie, vassoi e coppette – materiale plastico

“Cartons” – cartoncino laminato

Buste – materiale plastico

Sacchi – materiale plastico in scatole di supporto

La scelta del sistema “contenitore” dipende da

• prodotto da confezionare

• vita di scaffale (shelf-life) richiesta

• apprezzamento estetico

• costo

Il contenitore, una volta chiuso (saldato) esercita una BARRIERA tra l’alimento e l’ambiente esterno; controlla la shelf-life in termini di contaminazioni microbiche e deterioramento chimico. L’integrità del prodotto è garantita dall’assenza di fori, lacerazioni, discontinuità nella zona di chiusura del contenitore.

Criteri per selezione del materiale

Geometria Dimensioni e forma - per mantenere la rigidità

Proprietà meccaniche Resistenza della saldatura – per mantenere l’integrità

Proprietà barriera Permeabilità a gas e vapor d’acqua – la più bassa possibile

Trasmissione di luce – la più bassa possibile

Condizioni di sterilizzazione

Temperatura di trattamento o natura del trattamento dipendono dal materiale

Alimento a contatto Compatibilità

Requisiti legali Corrispondenza ai requisiti di idoneità alimentare (liste positive – limiti di migrazione…..)

Condizioni di conservazione

Temperatura e umidità relativa durante il trasporto e il luogo finale di stoccaggio

Costi bassi

Ecocompatibilità Facilmente eliminabile o riciclabile

Criteri per selezione del materiale

BARRIERA RESISTENZA MECCANICA

ALTRO

OSS

IGEN

O

VAPO

R D

’ACQ

UA

LUCE

TAG

LIO

PUN

TURAZ

ION

E

RIG

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PABI

LIT À

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RA

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Alluminio (foglio) X X X X X Carta/cartoncino X X X X Film metallizzato x x X

ionomeri X X Etilen vinil alcool

(EVOH) X

Polietilene (PE) X X X X Polietilene

tereftalato (PET) X x X X

Polipropilene (PP) X X X Polistirene (PS) X X Poli vinil alcool

(PVAL) X

Polivinilcloruro (PVC)

X X

Polivinilidencloruro (PVDC)

X X

Copolimero PVC/PVDC

X X

Cartoncino poliaccoppiatoSono indicati così quegli imballaggi, destinati prevalentemente alcondizionamento dei liquidi alimentari, in formati che variano da 150 ml fino a 2 L. Realizzati in diverse forme e tipologie, possono essere prodotti con due tipi di accoppiati diversi a seconda del tempo di vita commerciale previsto.

per brevi shelf-lives, il materiale è untriplo accoppiato costituitoda LDPE/Carta/LDPE

per prodotti a lunga conservazione si impiega invece un materiale piùcomplesso, con l'interposizione di unfoglio sottile di alluminio (oggi anchedi soli 7 µm) tra il polietilene interno e la carta

Contenitori in cartoncino poliaccoppiatoLa classificazione più opportuna fa riferimento a prestazioni fondamentali dell'imballaggio ed alle macchine di formatura eriempimento utilizzate, è quella che li distingue in contenitori da bobina e preformati.

DA BOBINAVengono prodotti in macchine tipo FFSverticali, a partire da materiale inbobina, già stampato e cordonato perfavorire l'assunzione della forma definitiva. La forma più classica (del 1951) è quella a tetraedro (Tetra Standard della TETRA PAK), oggi quasi completamente sostituita da quella aparallelepipedo a sezione rettangolarela cui versione più nota è rappresentata dal Tetra Brik (TETRA PAK)

PREFORMATIVengono prodotti, in generale, con strutture più rigide e pesanti di quelle dei contenitori da bobina, attraversola tipica lavorazione cartotecnica che porta alla realizzazione di un astuccio preincollato. Il preformato (detto anche blank o mantello) giunge sulle macchine di riempimento cordonato e con la saldatura longitudinale giàrealizzata.

Perdita di sostanze aromatiche

La perdita della componente aromatica (in toto o solo di alcuni componenti) di un alimento avviene con le stesse modalità con cui avviene la permeazione di gas permanenti e di vapor d’acqua: soluzione, diffusione, desorbimento.

Tuttavia, il fenomeno che maggiormente è implicato nella perdita di aromi è lo SCALPING, termine che indica la solubilizzazione di molecole organiche sulla superficie dei materiali plastici, seguita o no dalla permeazione.

Alimentocomponente aromaticamolto diversificata: aldeidichetoni, esteri, terpeni,alcoli………

ambienteambientescalping

permeazione

sinergismo antagonismo

SCALPING

La rimozione è il risultato di due fenomeni in serie:

• adsorbimento sulla superficie del materiale

• assorbimento nello spessore del materiale

CA Al PE succo di arancia

limonene

50% “perso” per scalping da parte del polietilene (PE)

Limonene loss

tempo

SCALPING

Molecole odorose

• limonene

Polimeri studiati

polietilene bassa densità (PE-LD) : alto

PE alta densità (HD-PE): medio

polipropilene (PP): medio

etilenvinilalcool (EVOH): basso

polietilen glicol tereftalato (PET): trascurabile

poliamide (PA): basso

SCALPING – fattori che lo influenzano

natura chimica del polimero e del “permeante”

condizioni ambientali: temperatura e umidità relativa

cristallinità dei polimeri: se aumenta, diminuiscono i fenomeni di assorbimento

lunghezza della catena carboniosa dei composti volatili: per serie omologhe di esteri, aldeidi e benzoati l’assorbimento in PE triplica per ogni gruppo metilenico aggiunto. Ma per composti con 11 o più atomi di carbonio si registra talvolta una diminuzione del fenomeno

assorbimento di esteri, chetoni e aldeidi in PP aumenta con l’aumentare del numero di atomi di carbonio

il tipo di gruppi funzionali presenti nelle molecole odorose e il grado di insaturazione possono giocare un ruolo fondamentale

OPA : poliamide orientata

OPP : polipropilene orientato

SCALPING

Materiali Unità di area (bergamotto)

Unità di area (cannella)

Unità di area

(vanillina) OPP con laccatura acrilica 1837421 3125 2030

OPP 2036029 ( +10.8%)

1438 (-54%)

641 (-68.4%)

PE 665024 (-63.8%)

1429 (-54.3%)

1298 (-36.1%)

PET 78662 (-95.7%)

1625 (-48.0%)

725 (-64.3%)

OPA 41753 (-97.7%)

1155 (-63.0%)

544 (-73.2%)

Ad/assorbimento di aromi da parte di diversi materiali plastici

Decontaminazione dei materiali e dei contenitori

I decontaminanti microbici devono possedere

• ottimo effetto sporicida

• compatibilità chimica con il materiale

• facile rimovibilità

• alta capacità coprente le superfici

• bassa o nulla tossicità dei residui eventuali

• facile determinabilità analitica

Livelli di contaminazione

In genere il livello di contaminazione di un materiale varia tra 1-10 organismi per 100 cm2, per materiali non manipolati dagli operatori

Microrganismi trovati su un materiale laminato immediatamente dopo la produzione (von Bockelmann, 1973)

Classe Numero (µ/m2)

%totale

funghi 33 20.6

lieviti 17 10.6

batteri 110 68.8

Numero medio di microrganismi trovati su coperchietti di alluminio (Sturm e Gilliand, 1974)

Batteri Numero (µ/m2)

Stafilococchi 47

Muffe 5

Streptococchi 58

Bacilli Gram - 5

Bacilli 9

Cocchi Gram - 22

TOTALE 146

Livelli di contaminazione determinati su differenti materiali per il condizionamento

organismo Numero (µ/m2) Packaging system

Spore 400 Tetra Pak

Tetra Pak

Spore 200-500 Tetra Brik

Batteri 262 Foglio alluminio

Batteri 40-1000 Cartoncino multistrato

Batteri 100-200 Foglio alluminio

Pure Pak

Spore 200-500

Batteri 50

mezzi di decontaminazione di materiali e contenitori

DECONTAMINANTI TERMICI:

Calore di produzione - Per quanto riguarda le materie plastiche, vi è da notare che il calore generato durante l’estrusione o lacalandratura /tecniche di produzione di film e foglie) è di norma sufficiente alla sterilizzazione della superficie, mentre il calore dellatermoformatura non è in genere sufficiente per considerare sterile la superficie. In ogni caso, esiste il problema di proteggere dalla ricontaminazione il materiale prodotto.

Vapore saturo – E’ efficace solo ad elevate pressioni e per questo èscarsamente impiegato; una marginale applicazione riguarda lasterilizzazione di “lids” di alluminio, utilizzandolo a 165 °C e 6 bar.

mezzi di decontaminazione di materiali e contenitori

DECONTAMINANTI TERMICI:

a 165 °C e 6 bar.

Vapore surriscaldato – Il vapore acqueo a pressione atmosferica,surriscaldato a 315°C viene utilizzato per sterilizzare scatole metalliche in riempimenti asettici.

Gas surriscaldati - Aria, azoto, elio, argon, ossigeno, anidride carbonica surriscaldati possono, in teoria, essere impiegati comeagenti decontaminanti; l’aria surriscaldata è impiegata commercialmente per la sterilizzazione di vasi di vetro.

mezzi di decontaminazione di materiali e contenitori

DECONTAMINANTI CHIMICI:

Acqua ossigenata - Viene utilizzata immergendo il contenitore o spruzzandolo “sprayzzazione” a concentrazioni tra il 15-35%; gli effetti sono però modesti a temperatura ambiente ed è necessarioun agente bagnante per favorire il contatto se la superficie è diplastica.

Acqua ossigenata + UV – Abbinando l’rraggiamento per UV algermicida chimico si ottiene un effetto sinergico che consente diutilizzare l’acqua ossigenata a concentrazioni tra l’1 ed il 3%. Vienelargamente impiegato per il cartoncino poliaccoppiato.

mezzi di decontaminazione di materiali e contenitori

DECONTAMINANTI CHIMICI:

Acqua ossigenata + acido peracetico - L’aggiunta di ac. peracetico allo 0.1% ad acqua ossigenata 20-30% consente un effetto sporicida anche a temperature sotto i 65°C.

Acido peracetico – L’effetto sporicida è superiore (e a temperatureinferiori) a quello dell’acqua ossigenata.

Acido peracetico + alcoli – L’effetto sinergico che cresce all’aumentare della catena alifatica dell’alcool.

Alcool + UV; Iodofori; Ossido di etilene; Ozono; Cloro

mezzi di decontaminazione di materiali e contenitori

DECONTAMINANTI FISICI:

UV (253.7 nm) – L’effetto è piuttosto modesto e viene facilmente attenuato da fenomeni di riflessione o assorbimento. L’azione delle radiazioni UV è legata allo specifico assorbimento manifestato dagli acidi nucleici che, denaturandosi parzialmente, portano alla mortele cellule microbiche.

Radiazioni ionizzanti – Si utilizzano radiazioni “gamma”, da elementi radioattivi (Co 60), radiazioni “beta” (elettroni accelerati) e radiazioni “x”, ottenute da lamine metalliche investite da elettroni accelerati. Le prime largamente usate per sterilizzare imballaggiflessibili. In questo caso l’effetto sterilizzante, otre all’assorbimentoed alla denaturazione di importanti biomolecole, è dovuto alla tossicità di alcuni prodotti della radiolisi dell’acqua