È noto che gli imballaggi attivi prolungano il tempo di conservazione degli alimenti grazie alle proprietà antimicrobiche e antiossidanti dei loro componenti, che tipicamente sono gli oli essenziali e i nanomateriali (argento, ossido di zinco e biossido di titanio). Recentemente, l’attenzione si sta spostando dai nanomateriali convenzionali ai “carbon quantum dots” (CQDs), termine che si può tradurre come “punti quantici di carbonio” e che indica nanoparticelle di carbonio con dimensioni inferiori ai 10 nanometri, laddove un nanometro corrisponde a un millesimo di millimetro. Si tratta di particelle così piccole che sarebbe possibile allinearne migliaia sulla larghezza di un capello umano. I CQD sono già usati in diversi campi, dal biomedicale per il rilascio di farmaci alle celle solari. Attualmente i CQD sono meno studiati dei quantum dots di silicio o altri semiconduttori, usati nei transistor, nelle celle solari, nelle tecniche di rilevazione oncologica e nelle luci a LED. Recentemente è stata messa a punto la preparazione dei CQD a partire dagli scarti della frutta, che sono biomasse rinnovabili. Una rassegna di D. Gupta et al. (2025) ha descritto i relativi processi di preparazione, le proprietà dei CQD e le loro applicazioni negli imballaggi alimentari.

Preparazione dei CQD dagli scarti della frutta

L’industria della lavorazione della frutta genera una grande quantità di scarti non commestibili (bucce, gusci e semi) che rappresentano il 30-40% del peso totale del frutto e possono essere valorizzati come materie prime economiche e sostenibili per la preparazione dei CQD:

⦁ bucce di arance, limoni, ananas, melograni, angurie, mango, banane, papaya e kiwi;

⦁ gusci di arachidi, litchi, noci e frutto della passione;

⦁ semi di papaya, avocado e mele.

A partire da questi scarti, la sintesi dei CQD può essere ottenuta tramite approcci di tipo sia top-down che bottom-up. In particolare, gli approcci top-down prevedono la decomposizione di carboidrati e fibre di carbonio in CQD tramite i seguenti processi:

⦁ ablazione laser, che è rapida e produce CQD altamente puri, ma necessita di attrezzature speciali per essere realizzata;

⦁ ossidazione elettrochimica, che produce CQD con alte rese, ma anch’essa necessita di attrezzature speciali per essere realizzata;

⦁ combustione, che è un processo semplice, ma dà un basso rendimento e produce particelle di dimensioni non uniformi, che quindi non assicurano prestazioni ottimali.

Imballaggi alimentari attivi prodotti dagli scarti della frutta

Invece, gli approcci bottom-up producono CQD da unità di carbonio più piccole attraverso i seguenti processi e sono solitamente preferiti ai processi top-down per la loro eco-compatibilità e convenienza:

⦁ sintesi a microonde, che è semplice, veloce e eco-compatibile, ma consente un controllo limitato sulle dimensioni dei CQD, che quindi difficilmente risulteranno uniformi;

⦁ pirolisi, che è un metodo semplice e ad alto rendimento;

⦁ sintesi idrotermale, che è semplice, economica, ad alto rendimento, consente il controllo sulle dimensioni ed è eco-compatibile, ma è lenta e richiede condizioni di alte temperature e pressioni.

Questo tipo di sintesi è tra le più usate per preparare i CQD dagli scarti della frutta perché può essere condotta anche su larga scala.

Proprietà dei CQD per gli imballaggi alimentari

I CQD prodotti dagli scarti della frutta hanno le seguenti proprietà importanti per il confezionamento alimentare:

• non tossicità e sicurezza;
• eccellenti proprietà antimicrobiche, importanti per ritardare il deterioramento degli alimenti confezionati e garantire la sicurezza alimentare. Le proprietà antimicrobiche dei CQD derivano sia dalle loro ridotte dimensioni, che permettono di superare le membrane cellulari microbiche e di raggiungere l’interno della cellula, sia dalla possibilità di essere ingegnerizzati in maniera opportuna per interagire con microrganismi bersaglio;
• eccellente attività antiossidante, che deriva dal fatto che gli scarti della frutta sono ricchi di polifenoli. Questi ultimi sono dei potenti antiossidanti in grado di neutralizzare l’azione dei radicali liberi che, com’è noto, sono i responsabili dell’ossidazione di tutte le molecole organiche;
• blocco dei raggi ultravioletti (UV): l’incorporazione dei CQD nelle confezioni alimentari crea una barriera protettiva ai raggi UV che protegge gli alimenti dalle radiazioni UV dannose per le sostanze, conservando così le proprietà organolettiche, il contenuto nutrizionale e la stabilità del colore dei prodotti alimentari.