DEVELOPMENT OF HIGH PERFORMANCE BIOPOLYMER COATINGS FOR FOOD PACKAGING APPLICATIONS [article]

LAURA INTROZZI
2013
INDEX Abstract (English and Italian) 1 0. Preface 3 1. State of the art 4 1.1 References 8 2. Aim of the study 9 3. ABSTRACT Development of high performance biopolymer coatings for food packaging applications This PhD project aims to the optimization of the food packaging materials currently available on the market. The purpose is to develop high performance coatings able to improve the original characteristics of the plastic substrate beneath, as a consequence of the coating deposition. In
more » ... deposition. In particular, to fulfil the increasing request for replacing synthetic polymers already used in the nowadays packaging applications as well as to reduce the overall amount of plastics, biomacromolecules, possibly combined with inorganic compounds, will be used to generate a new class of "bio-nanocomposite-hybrid-coatings". This will lead to a "greener" packaging structure with the same overall performances of the conventional ones. Some films properties will be considered, in particular the oxygen barrier performances at high relative humidity values, the surface properties and the optical properties. The overall project has been divided in three parts. In the first part, selected biomacromolecules have been used as individual coatings onto polyethylene terephthalate (PET) and polylactid acid (PLA) films and the changes induced by the coating application were investigated by different techniques. Rising from the contact angle investigation, a new potential antifog coating has been disclosed, while the barrier analysis allowed highlighting the great potential of pullulan as oxygen barrier coating even at high relative humidity values. A comparison with some commercial synthetic coatings has also been performed. Ensuing from the obtained results, the second part of the project focused on the coating barrier performance, with special focus on the nanotechnology approach adopted. Specifically, both a bottom-up and a top-down approach were used. With regards to the former, a metal alkoxides was properly treated and combined with a biopolymer (pullulan) to design a final bionanostructure to be applied on PET, and the barrier performance was analyzed; concerning the latter, an inorganic clay was exfoliated through an ultrasonication process and mixed with pullulan; the Design of Experiment technique was then used to optimize the formulation in terms of permeability coefficient (P'O 2 ) at the following condition: 23'C and 70% of relative humidity. The best coating formulation allowed decreasing P'O 2 of ~84% with respect to the bare substrate (PET), and of ~77% with respect to the film composed by PET coated with pure pullulan (i.e without clays). In addition, microscopy analyses revealed some features of these bionanocomposites and supported the indication about a good exfoliation process. The third and last part of the PhD project, that is still an ongoing project, concerns the simultaneous combination of the aforementioned approaches (i.e. bottom-up and top-down). In principle, this would allow exploiting benefits arising from each individual approach, as well as exploiting any potential synergism. Abstract 2 Sviluppo di coatings biopolimerici altamente performanti per applicazioni nel settore dell'imballaggio alimentare Il presente lavoro di dottorato ha come scopo l'ottimizzazione dei materiali di confezionamento alimentare attualmente presenti sul mercato. L'obiettivo " sviluppare sottili strati polimerici di copertura (coatings) in grado di migliorare le caratteristiche originali del substrato plastico sul quale vengono depositati. In particolare, per soddisfare la crescente richiesta di sostituzione dei polimeri sintetici e di riduzione del materiale plastico da immettere sul mercato, si " scelto di lavorare con biomacromolecole, eventualmente in combinazione con composti inorganici, per generare una nuova classe di coatings bio-nanocompositi/ibridi. Ci... pu... portare all'ottenimento di strutture di imballaggio pi † "eco-compatibili", mantenendo allo stesso tempo le prestazioni dei film tradizionali. Verranno considerate alcune propriet ‡ dei film finali (coating con substrato plastico), in particolare: la barriera all'ossigeno a condizioni di alta umidit ‡ relativa, le propriet ‡ di superficie e le propriet ‡ ottiche. L'intero progetto pu... essere suddiviso in tre parti. Nella prima, alcune biomacromolecole sono state selezionate e applicate su polietilene tereftalato (PET), oltre che su film di acido polilattico (PLA): i cambiamenti apportati dall'aggiunta dello strato di coating sono stati confrontati con i films tal quali attraverso l'utilizzo di diverse tecniche sperimentali. In particolare, le analisi di angolo di contatto hanno condotto allo sviluppo di un materiale per applicazioni antifog, mentre le analisi di permeabilit ‡ hanno evidenziato come il pullulano, polisaccaride di origine microbica, sia un biopolimero promettente per lo sviluppo di un film barriera alle alte umidit ‡ relative. E' stato inoltre effettuato un confronto delle performances rispetto a films con coatings commerciali di origine fossile. Partendo dai risultati fin qui ottenuti, la seconda parte del lavoro si " focalizzata sulle prestazioni dei films in termini di propriet ‡ barriera, ed il settore delle nanotecnologie " stato indagato. In particolare, sono stati considerati due approcci, quello "bottom-up" e quello "topdown". Per quanto riguarda il primo approccio, un alcosside di metallo " stato opportunamente sottoposto a processo sol-gel ed " stato combinato con un biopolimero (pullulano) per ottenere, dopo fase di stesura su film ed evaporazione del solvente, un coating bio-nano-strutturato. Per il secondo approccio, invece, un'argilla (montmorillonite) " stata opportunamente dispersa in soluzione acquosa attraverso un metodo di ultrasonicazione ed " poi stata miscelata con pullulano, per ottenere infine un coating bio-nano-composito. In entrambi i casi le soluzioni bicomponenti di partenza sono state depositate su PET, ottenendo coating dello spessore di ~1.6 ˆm e ~0.6 ˆm, rispettivamente. Mentre per il primo approccio sono state considerate sei diversi formulazioni in cui variava il rapporto tra componente inorganica e organica ed " stata poi valutata l'Oxygen Transmission Rate (OTR), nel secondo caso " stata applicata la tecnica del disegno sperimentale (Design of Experiment, DoE), per trovare la formulazione ottimale in grado di dare il pi † basso valore di coefficiente di permeabilit ‡ (permeability coefficient, P'O 2 ) e contemporaneamente un valore di opacit ‡ (haze) accettabile (≤ 3%). La migliore formulazione di coating ha permesso di ottenere una diminuzione del valore di P'O 2 (condizioni: 23'C e 70% di umidit ‡ relativa) di ~84% rispetto al solo substrato di PET, e di ~77% rispetto ad uno stesso PET con coating di solo pullulano (senza clays). Inoltre, sono state effettuate delle analisi di microscopia che hanno evidenziato caratteristiche molto interessanti delle strutture nano composite ed hanno confermato l'avvenuta esfoliazione dei clays utilizzati. La terza e ultima parte del progetto di dottorato, ancora in corso, riguarda la simultanea combinazione dei due approcci sopra citati, con l'obiettivo di sfruttare al meglio i benefici derivanti da ciascun singolo approccio, nonchŠ eventuali sinergie. 8 1.1 References Bordes P, Pollet E, Avérous L. 2009, Nano-biocomposites: biodegradable polyester/nanoclay systems. Prog Polym Sci 34:125-155. Farris S, Cozzolino CA, Introzzi L, Piergiovanni L. 2009a, Effects of different sealing conditions on the seal strength of polypropylene films coated with a bio-based thin layer. Packag Technol Sc. 22:359-369. Farris S, Introzzi L, Piergiovanni L. 2009b, Evaluation of a bio-coating as a solution to improve barrier, fiction and optical properties of plastic films. Packag Technol Sci 22:69-83. Farris S, Schaich KM, Liu LS, Piergiovanni L, Yam K. 2009c, Development of polyioncomplex hydrogels as an alternative approach for the production of bio-based polymers for food packaging applications: a review.
doi:10.13130/introzzi-laura_phd2013-01-30 fatcat:kztd7czqjze3dnlhwby7jc6uoe