ITVI20130285A1 - Procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici - Google Patents

Description

Descrizione

Campo di applicazione

La presente invenzione trova applicazione nel settore tecnico dei sistemi e dispositivi per la sterilizzazione e la disinfezione ed ha per oggetto un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici, applicabile particolarmente per la preservazione di alimenti attraverso la riduzione della carica batterica.

L’invenzione ha altresì per oggetto una membrana porosa caricata con principi antimicrobici ottenibile con tale procedimento.

Stato della tecnica

Sono noti imballaggi attivi con proprietà antimicrobiche aventi la funzione di estendere la shelf-life di un alimento mediante riduzione, inibizione o ritardo della crescita dei microrganismi che potrebbero essere presenti nell’alimento o nel materiale dell’imballaggio [1].

Tali imballaggi evitano il ricorso a tecniche tradizionali che prevedono l’aggiunta di agenti attivi antimicrobici direttamente nell’alimento e che causano generalmente una riduzione della concentrazione dell’agente antimicrobico sulla superficie dell’alimento per la diffusione dello stesso verso l’interno dell’alimento.

Pertanto, la concentrazione minima richiesta per l’inibizione della crescita microbica potrebbe non essere raggiunta, rendendo inefficace l’azione dell’agente antimicrobico [2]. Inoltre, la miscelazione dell’agente attivo nell’alimento, potrebbe portare alla neutralizzazione dello stesso per possibili interazioni con i componenti dell’alimento [1].

Per queste ragioni, la proprietà più importante che deve possedere un imballaggio attivo è la capacità di controllare il rilascio dell’antimicrobico verso la superficie dell’alimento [3].

Alcuni autori hanno provato a controllare il rilascio dell’agente attivo impiegando un film con tre strati. Il primo strato rappresenta la barriera esterna, la cui funzione è evitare la migrazione dell’agente attivo verso l’ambiente; il secondo strato contiene l’agente attivo; il terzo strato controlla il rilascio dell’agente attivo verso l’alimento

[4].

Mastromatteo et al. [5] e Buonocore et al. [6] hanno sviluppato film multistrato costituiti da due strati esterni, che hanno la funzione di controllare il rilascio, e uno strato interno che contiene l’agente attivo. Altri autori hanno provato a controllare la cinetica di rilascio dell’agente attivo cambiando il grado di reticolazione del polimero [7].

Gemili et al. [8] hanno prodotto film di acetato di cellulosa, porosi ed asimmetrici, mediante inversione di fase, per applicazioni in imballaggi attivi. Gli autori hanno cercato di controllare la velocità di rilascio del lisozima, impiegato come agente antimicrobico, cambiando il grado di asimmetria e porosità dei film.

Tuttavia, le tecniche sopra riportate sono sensibilmente limitate dal fatto che il tempo di rilascio dell’agente attivo è breve (circa un giorno) anche quando è adottata la configurazione del film multistrato.

Inoltre, la reticolazione del polimero influenza sia la cinetica di rilascio dell’agente attivo sia l’ammontare di agente attivo rilasciato all’equilibrio; questo fenomeno può essere spiegato considerando che durante la reazione di reticolazione anche parte dell’antimicrobico caricato nel film viene chimicamente legato al polimero [6].

Da CN1723803 è noto l'utilizzo di un film antimicrobico realizzato a partire da una soluzione acquosa contenente una miscela di acido acetico anidro e chitosano unito a collagene, successivamente addizionata con agenti antimicrobici quali nisina, in percentuale tra 0.025% e 0.05% della soluzione finale, polifenoli, con percentuale tra 0.5% e 1.0%, e lisozima in percentuale tra 0.5% e 1.0%.

La soluzione così ottenuta è spruzzata sul prodotto da trattare in modo da definire uno strato di protezione esterno e successivamente avvolto con un film di rivestimento.

Appare chiaro che questa soluzione, anche se a detta dei suoi autori consente di incrementare la shel-life del prodotto fino a 35 giorni, non è facilmente attuabile in quanto richiede che la soluzione sia applicata direttamente al prodotto.

Inoltre, l’applicazione di particolari componenti, in particolare acido acetico, per quanto legalmente consentita in determinante quantità, non è tuttavia consigliata in quanto va ad alterare le caratteristiche organolettiche del prodotto alimentare.

CN102772828 descrive a sua volta una membrana a lento rilascio a base di cellulosa caricata con un farmaco in cui la membrana comprende un polimero biodegradabile, polietilenglicole a struttura CNC ed un agente attivo. Tuttavia per questa membrana non esistono riscontri in termini di aumento della shel-life dei prodotti trattati con la stessa.

CN102363534 descrive un metodo per il trattamento di una membrana biologica destinata a rivestire tubazioni per il passaggio di liquidi alimentari, il quel metodo prevede di trattare una membrana con un liposoma contenente lisozima trattato con un processo di evaporazione a bassa pressione di fluidi. Tale soluzione tuttavia non permette di controllare il rilascio dell'agente biocida (il lisozima) e pertanto non è adatta ad essere utilizzata come imballaggio per alimenti.

Un’ulteriore soluzione che prevede l'utilizzo di una composizione chimica contenente enzimi aventi funzione di agente biocida da distribuire su una membrana destinata ad essere utilizzata come rivestimento in una molteplicità di settori tecnici è nota anche da US2010233146.

E' pertanto sentita l'esigenza di un nuovo prodotto che possa essere adoperato come imballaggio, particolarmente per prodotti alimentari, rivestimento o come elemento da applicare su qualsiasi oggetto o anche su parti del corpo umano che garantisca un rilascio lento e controllato dell'agente antimicrobico.

In particolare, nel caso di una membrana per la conservazione di alimenti si richiede che la stessa possa incrementare in maniera sensibile la shel-life del prodotto trattato, senza modificarne in maniera apprezzabile le caratteristiche organolettiche.

Presentazione dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti sopra indicati, mettendo a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici adatte ad essere utilizzate come rivestimento o imballaggio, in particolare per prodotti alimentari, che consenta di realizzare membrane aventi una struttura idonea a trattenere e rilasciare una o più sostanze o principi antimicrobici in maniera lenta e controllata.

Uno scopo particolare è quello di mettere a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che permetta di incrementare in maniera sensibile la shel-life media dei prodotti alimentari a cui è applicata.

Uno scopo ulteriore è quello di mettere a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che permetta di modulare la morfologia delle strutture generate semplicemente variando le condizioni operative di processo.

Ancora altro scopo è quello di mettere a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che permetta di distribuire in maniera sostanzialmente uniforme l'agente antimicrobico nella struttura polimerica.

Ancora altro scopo è quello di mettere a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che sia relativamente semplice e rapido ed in particolare non richieda trattamenti finali di rimozione di solventi dal prodotto finito.

Ancora altro scopo è quello di mettere a disposizione un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che permetta di recuperare tutti i solventi alla fine del processo con un unico stadio di separazione. Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare una membrana caricata con principi antimicrobici che ne permetta un rilascio lento e controllato oltre che sostanzialmente uniforme.

Tali scopi, nonché altri che appariranno più chiari inseguito, sono raggiunti da un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici che, in accordo alla rivendicazione 1, comprende una fase di predisposizione di una prima soluzione contenente uno o più solventi ed uno o più polimeri con rispettive percentuali ponderali predeterminate, una fase successiva di aggiunta a detta prima soluzione di almeno un agente attivo avente proprietà antimicrobiche per ottenere una miscela contenente detto almeno un polimero e detto almeno un agente attivo ed una fase di trattamento di detta miscela con un fluido di lavoro o miscela di fluidi costituito o contenente un gas denso con pressione e temperature controllate.

La fase di trattamento sarà eseguita in modo da eliminare in maniera almeno parziale i solventi ed ancor più preferibilmente in maniera sostanzialmente completa, a meno di eventuali tracce residue in quantità non apprezzabili.

La possibilità di rimuovere in maniera pressoché completa i solventi, grazie all’utilizzo dei suddetti fluidi, permetterà di realizzare un processo relativamente breve ma soprattutto di ottenere una membrana avente una struttura a celle aperte caricata con uno o più agenti attivi aventi proprietà antimicrobiche.

La particolare configurazione della membrana permetterà alla stessa di contenere l’agente attivo in maniera sostanzialmente uniforme e di rilasciarlo in maniera lenta e controllata, permettendo di incrementare sensibilmente la shelf-life del prodotto alimentare trattato con la membrana.

Inoltre, la possibilità di controllare e regolare i parametri di temperatura e pressione del fluido di lavoro permetteranno anche di controllare la morfologia e le proprietà della membrana.

Nel presente testo con l’espressione “predisposizione di una prima soluzione” si vuole intendere che la prima soluzione potrà essere preparata in maniera estemporanea all’atto dell’esecuzione del processo, oppure potrà essere già pronta o predisposta in qualsiasi altro modo.

Secondo una prima modalità operativa, l’agente attivo potrà essere solubile in almeno uno di detti uno o più solventi di detta prima soluzione per ottenere una miscela definente una seconda soluzione comprendente almeno tre elementi.

Secondo una modalità operativa alternativa, l’agente attivo potrà essere insolubile in detti uno o più solventi di detta prima soluzione per ottenere una miscela definente una sospensione di detto almeno un agente attivo in detta prima soluzione.

Opportunamente, detta miscela potrà essere inserita in un contenitore per alte pressioni in cui sarà successivamente inserito detto fluido o miscela di fluidi di lavoro ad alta pressione.

In maniera esemplificativa, il gas denso potrà essere introdotto nel contenitore attraverso una pompa idonea o altri opportuni mezzi di pompaggio, senza particolari limitazioni.

Opportunamente, la seconda soluzione ovvero la sospensione potrà essere sottoposta ad uno o più fasi di raffreddamento/congelamento ad una temperatura compresa tra -4°C e -40°C, per un tempo compreso tra 1h e 48 h.

Preferibilmente, detto fluido o miscela di fluidi potrà essere inserito in detto contenitore ad una pressione compresa tra 60bar e 350bar e ad una temperatura compresa tra 25°C e 70°C.

Inoltre, il tempo complessivo dell’intero processo, che potrà essere sia continuo che discontinuo, potrà essere compreso tra 5min e 500min.

In particolare, controllando il tempo del processo, e più specificamente controllando il tempo di azione del gas denso, sarà anche possibile controllare la simmetria della membrana che sarà maggiore quanto minore saranno i tempi di processo.

Il gas denso sarà preferibilmente ma non esclusivamente un fluido scelto nel gruppo comprendente anidride carbonica (CO2) in condizioni supercritiche, vapor d’acqua, etanolo, liquidi espansi.

Questi ultimi saranno preferibilmente ma non esclusivamente scelti tra le miscele di CO2 con uno o più solventi organici o similari, quali acetone, acqua, diclorometano, dimetilsolfossido, cloroformio, N-metilpirrolidone, dicloroetano, diossano, tricloroetano, tetraidrofurano, metanolo, propanolo, etanolo, butanolo.

I solventi saranno scelti preferibilmente ma non esclusivamente nel gruppo comprendente acetone, acqua, diclorometano, dimetilsolfossido, cloroformio, N-metilpirrolidone, dicloroetano, diossano, tricloroetano, tetraidrofurano, metanolo, propanolo, etanolo, butanolo e similari.

I polimeri di detta prima soluzione saranno scelti preferibilmente ma non esclusivamente nel gruppo comprendente nylon, polimetilmetacrilato, etilcellulosa, acetato di cellulosa, polilattide, polivinilalcol, polisulfone, polietilenglicole, policaprolattone, destrano, chitosano, inulina, polivinildifluoride, polivinilpirrolidone, polietersulfone, policarbonato, poliacrilonitrile, poliammide, polietilene, polieterimmide, alginati, gelatina e similari.

Secondo una prima modalità di applicazione della membrana, l’agente attivo potrà essere un agente antimicrobico, enzima, olio essenziale, acido organico, batteriocina, fungicida, metallo, proteina, efficace contro microrganismi e batteri di tipo Gram . Secondo un’ulteriore modalità di applicazione, l’agente attivo potrà essere invece un agente antimicrobico, enzima, olio essenziale, acido organico, batteriocina, fungicida, metallo, proteina, efficace contro microrganismi e batteri di tipo Gram -. La miscela (seconda soluzione o sospensione) potrà comprendere una percentuale complessiva di detti uno o più polimeri compresa tra 1% e 60% del peso complessivo di detta miscela.

La percentuale complessiva di detti uno o più solventi sarà preferibilmente compresa tra il 20% e il 99% del peso complessivo di detta miscela mentre la percentuale complessiva di detto almeno un agente attivo potrà essere compresa tra lo 0.001% e il 50% del peso complessivo di detta miscela.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione è prevista una membrana porosa caricata con almeno un agente attivo antimicrobico ottenibile con un processo secondo la presente invenzione e che, in accordo alla rivendicazione 10, è caratterizzata dal fatto di comprendere una struttura a pori aperti di tipo simmetrico o asimmetrico, con superfici porose o non porose, con morfologia interna di tipo finger-like, di tipo leafy-like, di tipo nanofibroso con fibre di dimensioni comprese tra 20nm e 5µm, o con morfologia cellulare con celle aventi diametro compreso tra 0.1µm e 500µm.

Descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione A scopo illustrativo e non limitativo, vengono descritti di seguito tre esempi di esecuzione del processo secondo la presente invenzione.

Esempio 1

Produzione di una membrana avente una struttura a pori aperti di acetato di cellulosa (AC) caricata con lisozima quale agente attivo (efficace contro microrganismi Gram ).

La soluzione di partenza viene preparata utilizzando come solvente acetone in cui solo l’AC è solubile. Si parte, quindi, da una soluzione contenente dal 5% al 50% in peso di AC in acetone, preferibilmente tra il 10% ed il 30% in peso in AC. In essa viene disciolta una soluzione intermedia di lisozima in acqua, variabile tra lo 0.1% e il 20% in peso di lisozima per ottenere la miscela finale che sarà anch’essa una soluzione.

Preferibilemnte, la soluzione intermedia sarà introdotta nella prima soluzione con una percentuale in peso compresa tra l’1% ed il 15% del peso complessivo della miscela finale, che definirà una seconda soluzione.

La miscelas finale o seconda soluzione è caricata nel recipiente per alte pressioni e messa in contatto con un gas denso, nel caso specifico con CO2 supercritica, ad una temperatura compresa tra 30°C e 60°C ed una pressione compresa tra 80bar e 300bar, per un tempo complessivo compreso tra 30min e 300min.

Al termine del processo, si ottiene una struttura a pori aperti di AC, contenente lisozima, con morfologia simmetrica di tipo cellulare e con un diametro medio delle celle compreso tra 3µm e 100µm. Il lisozima risulta omogeneamente distribuito all’interno della matrice polimerica.

Sono stati condotti test di rilascio, i quali hanno evidenziato che la cinetica di rilascio del lisozima è regolare nel tempo e la durata del rilascio è maggiore nel caso di strutture polimeriche generate a partire da soluzioni più concentrate.

Infine, sono stati effettuati test di attività antimicrobica che hanno dimostrato l’efficacia delle strutture generate contro un microrganismo target (Micrococcus lysodeikticus).

Esempio 2

Produzione di una membrana avente struttura a pori aperti di polivinilalcol (PVA) caricata con argento quale agente attivo (efficace contro microrganismi Gram -). La soluzione di partenza viene preparata utilizzando come solvente acqua in cui solo il PVA è solubile. Si parte, quindi, da una prima soluzione contenente dal 5% al 45% in peso di PVA in Acqua, preferibilmente tra il 7% ed il 35% in peso in PVA.

In essa viene sospesa una quantità di argento variabile tra lo 0.01% e il 15% in peso della quantità di polimero di partenza.

Tale sospensione viene sottoposta ad una fase di congelamento ad una temperatura compresa tra -4°C e -30°C per un tempo compreso tra 2h e 24 h e successivamente caricata nel recipiente per alte pressioni e messa in contatto con un liquido espanso, nel caso specifico costituito da una miscela di CO2 supercritica ed etanolo, ad una temperatura compresa tra 30°C e 50°C ed una pressione compresa tra 90 e 350 bar, per un tempo complessivo compreso tra 50 min e 420 min.

Al termine del processo, si ottiene una struttura a pori aperti di PVA, contenente argento, con morfologia asimmetrica di tipo finger-like e con un diametro medio delle celle compreso tra 1 µm e 80µm. L’argento risulta omogeneamente distribuito all’interno della matrice polimerica.

Sono stati effettuati test di attività antimicrobica che hanno dimostrato l’efficacia delle strutture generate contro un microrganismo target (Escherichia Coli), monitorando la cinetica di morte del microrganismo.

Esempio 3

Formazione di una membrana avente struttura a pori aperti costituita da due polimeri, polilattide (PLA) e polietilenglicole (PEG), caricata con nisina.

La prima soluzione è preparata sciogliendo PLA e PEG in diclorometano (DCM), e ad essa è successivamente unita una soluzione intermedia di nisina disciolta in acqua per ottenere la seconda soluzione.

Quest’ultima avrà una concentrazione compresa tra il 40% e il 90% in peso di DCM, preferibilmente tra il 60% e l’85% in peso, PLA tra il 40 e il 90% in peso, PEG tra il 2 e il 30% e Nisina compresa tra il 5 e il 25% in peso.

Tale seconda soluzione viene, quindi, caricata nel recipiente per alte pressioni e messa in contatto con un gas denso, nel caso specifico CO2 supercritica, ad una temperatura compresa tra 35°C e 60°C, pressione compresa tra 90bar e 250 bar e per un tempo complessivo di processo compreso tra 25min e 250 min.

Si ottiene una struttura a pori aperti con morfologia omogenea di tipo nanofibroso, con dimensione media delle fibre compresa tra 200nm e 500nm, in cui la sostanza bioattiva è omogeneamente incorporata.

Sono stati condotti test di rilascio che hanno evidenziato che la cinetica di rilascio della nisina è regolare nel tempo. Infine, sono stati effettuati test di attività antimicrobica che hanno dimostrato l’efficacia delle strutture generate contro un microrganismo target (Micrococcus lysodeikticus).

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Claims (10)

1. Rivendicazioni 1. Un procedimento per la produzione di membrane porose caricate con principi antimicrobici, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: a) predisposizione di una prima soluzione contenente uno o più solventi ed uno o più polimeri con rispettive percentuali ponderali predeterminate; b) aggiunta a detta prima soluzione di almeno un agente attivo avente proprietà antimicrobiche per ottenere una miscela contenente detti uno o più polimeri e detto almeno un agente attivo; c) trattamento di detta miscela con un fluido di lavoro o miscela di fluidi costituito da o contenente un gas denso o un fluido espanso con pressione e temperature controllate per rimuovere almeno parzialmente, preferibilmente completamente detti uno o più solventi ed ottenere una membrana avente una struttura a celle aperte.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un agente attivo è solubile in almeno uno di detti uno o più solventi di detta prima soluzione per ottenere una miscela definente una seconda soluzione comprendente almeno tre elementi.
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un agente attivo è insolubile in detti uno o più solventi di detta prima soluzione per ottenere una miscela definente una sospensione di detto almeno un agente attivo in detta prima soluzione.
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, prima di detta fase c) di trattamento, detta miscela è inserita in un contenitore per alte pressioni in cui è successivamente inserito detto fluido o miscela di fluidi di lavoro ad alta pressione.
5. 5. Procedimento secondo una la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto fluido o miscela di fluidi è inserito in detto contenitore ad una pressione compresa tra 60 e 350 bar e ad una temperatura compresa tra 25 e 70°C per un tempo compreso tra 20min e 500min.
6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto gas denso è scelto nel gruppo comprendente anidride carbonica (CO2) in condizioni supercritiche, vapor d’acqua, etanolo, liquidi espansi quali una miscela di CO2 con uno o più solventi organici o similari, quali acetone, acqua, diclorometano, dimetilsolfossido, cloroformio, N-metilpirrolidone, dicloroetano, diossano, tricloroetano, tetraidrofurano, metanolo, propanolo, etanolo, butanolo.
7. 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti uno o più solventi di detta prima soluzione sono scelti nel gruppo comprendente acetone, acqua, diclorometano, dimetilsolfossido, cloroformio, N-metilpirrolidone, dicloroetano, diossano, tricloroetano, tetraidrofurano, metanolo, propanolo, etanolo, butanolo e similari e dal fatto che detti uno o più polimeri di detta prima soluzione sono scelti nel gruppo comprendente nylon, polimetilmetacrilato, etilcellulosa, acetato di cellulosa, polilattide, polivinilalcol, polisulfone, polietilenglicole, policaprolattone, destrano, chitosano, inulina, polivinildifluoride, polivinilpirrolidone, polietersulfone, policarbonato, poliacrilonitrile, poliammide, polietilene, polieterimmide, alginati, gelatina e similari.
8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto agente attivo è un agente antimicrobico, enzima, olio essenziale, acido organico, batteriocina, fungicida, metallo, proteina, efficace contro microrganismi Gram , rispettivamente contro microrganismi Gram -.
9. 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta miscela comprende una percentuale complessiva di detti uno o più polimeri compresa tra 1% e 60% del peso complessivo di detta miscela, una percentuale complessiva di detti uno o più solvente compresa tra il 20% e il 99% del peso complessivo di detta miscela ed una percentuale complessiva di detto almeno un agente attivo compresa tra lo 0.001 e il 50% del peso complessivo di detta miscela.
10. 10. Una membrana porosa caricata con almeno un agente attivo antimicrobico ottenibile con processo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere una struttura a pori aperti di tipo simmetrico o asimmetrico, con superfici porose o non porose, con morfologia interna di tipo finger-like, di tipo leafy-like, di tipo nanofibroso con fibre di dimensioni comprese tra 20nm e 5µm, o con morfologia cellulare con celle di diametro compreso tra 0.1µm e 500µm.