Characterization of acid-free chitosan films incorporating antioxidants and probiotic simulants

The goal of this work is to functionalize a stable, acid-free chitosan film platform to develop advanced, sustainable packaging solutions for perishable foods like dairy products. This research was structured into two parallel objectives: first, the development of an active packaging by incorporating grape pomace extract to leverage its natural antioxidant properties ; second, a study to assess the physical impact of incorporating inert probiotic simulants (starch and maltodextrin), for future probiotic incorporation. The functionalized films were produced via solvent casting and were systematically characterized for their rheological , mechanical, optical , and barrier properties. The results for the active packaging films showed that the addition of grape pomace extract increased solution viscosity without negatively impacting the film’s water vapor permeability (WVP), though it significantly increased the film’s brittleness at higher concentrations. For the probiotic simulant films, a complex, non-linear relationship between excipient concentration and film properties was observed. A low concentration (2% w/w of dry film) of the simulant was found to be optimal , improving the water vapor barrier. Conversely, higher concentrations lead to a worsening in the film’s structural integrity, making it weaker and more brittle, and barrier function, leading to a significant decrease in transparency and a worsening of WVP. Following an essential optimization of the solution to ensure processability and film integrity, this work validates two key functionalization pathways. It demonstrates that incorporating grape pomace extract is a successful strategy for creating an active packaging film also with valuable UV-blocking properties. Furthermore, this study establishes a critical baseline for developing probiotic-loaded materials, identifying an optimal excipient concentration (2% w/w) that maintains and even enhances the film’s barrier function. Ultimately, this research confirms that the acid-free chitosan platform is a versatile foundation for engineering tailored, next-generation biodegradable packaging, while highlighting that managing the trade-off between new functionalities and the material’s mechanical fragility is a critical challenge for practicalm applications.

L’obiettivo di questo lavoro è funzionalizzare una piattaforma di film di chitosano stabile e priva di acidi per sviluppare soluzioni di packaging avanzate e sostenibili per alimenti deperibili come i prodotti lattiero-caseari. Questa ricerca è stata strutturata su due obiettivi paralleli: primo, lo sviluppo di un packaging attivo tramite l’incorporazione di estratto di vinaccia per sfruttarne le naturali proprietà antiossidanti; secondo, uno studio per valutare l’impatto fisico dell’incorporazione di simulanti inerti di probiotici (amido e maltodestrine), in vista di una futura incorporazione di probiotici. I film funzionalizzati sono stati prodotti tramite solvent casting e sistematicamente caratterizzati per le loro proprietà reologiche, meccaniche, ottiche e di barriera. I risultati per i film destinati al packaging attivo hanno mostrato che l’aggiunta di estratto di vinaccia ha aumentato la viscosità della soluzione senza influire negativamente sulla permeabilità al vapore d’acqua (WVP) del film, sebbene ne abbia aumentato significativamente la fragilità a concentrazioni più elevate. Per i film con simulanti di probiotici, è stata osservata una relazione complessa e non lineare tra la concentrazione di eccipienti e le proprietà del film. Una bassa concentrazione (2% p/p del film secco) di simulante è risultata ottimale, migliorando la barriera al vapore acqueo. Al contrario, concentrazioni più elevate hanno portato a un peggioramento dell’integrità strutturale del film, rendendolo più debole e fragile, e della sua funzione barriera, causando una significativa diminuzione della trasparenza e un peggioramento della WVP. A seguito di un’essenziale ottimizzazione della soluzione per garantire processabilità e integrità del film, questo lavoro convalida due percorsi chiave di funzionalizzazione. Dimostra che l’incorporazione di estratto di vinaccia è una strategia di successo per la creazione di un film per packaging attivo, dotato anche di preziose proprietà di blocco dei raggi UV. Inoltre, questo studio stabilisce una base di partenza critica per lo sviluppo di materiali caricati con probiotici, identificando una concentrazione ottimale di eccipienti (2% p/p) che mantiene e persino migliora la funzione di barriera del film. In definitiva, questa ricerca conferma che la piattaforma di chitosano priva di acidi è una base versatile per la progettazione di imballaggi biodegradabili su misura e di nuova generazione, evidenziando al contempo come la gestione del compromesso tra nuove funzionalità e fragilità meccanica del materiale rappresenti una sfida cruciale per le applicazioni pratiche.