Desarrollo de materiales nanocompuestos biodegradables con aplicación en envases activos

• Autores: Estevez Areco, Santiago Roberto
• Año de publicación: 2021
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Goyanes, Silvia Nair; Candal, Roberto Jorge
• Materia: ENVASE ACTIVO; POLIMERO BIODEGRADABLE; NANOCOMPUESTO; POLI(ALCOHOL VINILICO); ALMIDON TERMOPLASTICO; ELECTROHILADO; EXTRUSION; ACTIVE PACKAGING; BIODEGRADABLE POLYMER; NANOCOMPOSITE; POLY(VINYL ALCOHOL); THERMOPLASTIC STARCH; ELECTROSPINNING; EXTRUSION
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La utilización de envases plásticos para alimentos ha crecido de manera exponencial en las últimas décadas, y con ello también se ha incrementado la acumulación de basura plástica y el perjuicio sobre los ecosistemas. En este contexto, el desarrollo de materia-les amigables con el medio ambiente representa una alternativa para disminuir la acumulación de residuos y reducir el impacto ambiental. Empleando conceptos de nanotecnología, pueden obtenerse materiales con morfologías novedosas y con propiedades específicas que contribuyan, por ejemplo, a la preservación de los alimentos a través del desarrollo de envases activos. Estos últimos constituyen sistemas que aíslan al producto de su exterior a la vez que interactúan con él de alguna forma que permite extender su vida útil. El objetivo del presente trabajo de tesis fue el desarrollo de materiales nanocompuestos basados en polímeros biodegradables con capacidad de formar envases activos. En particular, se estudiaron diferentes posibilidades para obtenerlos, la fisicoquímica de los materiales y procesos involucrados y la influencia de la morfología del material del envase sobre las propiedades de transporte. Los materiales desarrollados incorporan compuestos antimicrobianos y/o antioxidantes y fueron obtenidos mediante técnicas esca-ables (extrusión y electrohilado). En particular, se estudiaron mallados constituidos por nanofibras de poli(alcohol vinílico) (PVA), películas nanocompuestas de almidón termoplástico y un sistema bicapa formado por una película nanocompuesta de almidón y un mallado de PVA. Los mallados de PVA fueron fabricados por electrohilado e incorporaron ácido cítrico para esterificar/entrecruzar las cadenas poliméricas y volver insoluble al material en agua. En primer lugar, se buscó encapsular un principio activo natural y volátil (d-limoneno) con conocidas propiedades antimicrobianas. Se estudiaron sistemas donde se incorporó al d-limoneno directamente en el material o previamente encapsulado en β-ciclodextrina, como forma de incrementar su estabilidad térmica. En segundo lugar, se incorporó un extracto natural rico en polifenoles (extracto de romero) como agente antioxidante. Se estudiaron las características fisicoquímicas de los mallados obtenidos, los efectos de la incorporación de cada principio activo y la capacidad de los mallados de incorporar y estabilizar térmicamente dichos compuestos. Adicionalmente, para el sistema conteniendo extracto de romero, se estudió la cinética de liberación de polifenoles hacia diferentes medios simulantes de alimentos. Se desarrollaron películas de almidón por extrusión y posterior calandrado/termoprensado que incorporaron un extracto de romero, capaz de formar nanopartículas, como compuesto antioxidante o nanobarras de ZnO como compuesto antimicrobiano. Se estudiaron las propiedades físico-químicas de los materiales resultantes, con especial interés en la dispersión de las nanopartícu-las/nanobarras dentro de la matriz polimérica, las interacciones resultantes entre ambas fases, el desempeño mecánico de los ma-teriales, los cambios en la susceptibilidad al agua y las propiedades activas de cada material. Finalmente, se desarrolló un sistema bicapa consistente en una película de almidón conteniendo nanobarras de ZnO y un mallado de PVA conteniendo extracto de romero. En este nuevo sistema, cada capa contiene un principio activo distinto con el propósito de obtener diferente actividad de cada lado. Se caracterizó al nuevo sistema considerando las interacciones entre las capas, la adhesión entre ellas y la posible migración de compuestos entre ambas. Además se estudiaron las propiedades mecánicas, de barrera al vapor de agua y tanto la actividad antimicrobiana sobre la superficie externa del bicapa como la actividad antioxidante producto de la liberación de polifenoles desde la capa interna hacia un simulante de alimentos. Los materiales desarrollados a lo largo de esta tesis presentan características adecuadas para su aplicación en envases biodegra-dables activos. Asimismo, los conceptos y fenómenos estudiados contribuyen al conocimiento científico de nuevos materiales poli-méricos nanocompuestos y nanoestructurados.
The demand of plastic packaging has grown exponentially in the last decades, which has led to an unprecedented accumulation of plastic waste with several harmful effects on ecosystems. In this context, the development of ecofriendly materials constitutes an unpostponable task to diminish waste accumulation and to decrease the related environmental impact. Nanotechnology offers se-veral opportunities for the development of biodegradable materials with novel morphologies and specific properties which could contribute, for example, to the preservation of food products through the development of active packagings. These systems are specially designed to isolate the product from the outside interacting with it at the same time, in such a way that extends its shelf life. The aim of this thesis was the development and study of nanocomposite materials based on biodegradable polymers with the potentiality to form an active packaging. Particularly, different manufacturing possibilities were studied, as well as the physicoche-mistry of materials and processes, and the influence of packaging morphology on transport properties. Systems incorporating antimicrobial or antioxidants compounds were developed using scalable techniques such as electrospinning and extrusion. Poly (vinyl alcohol) (PVA) mats constituted by nanofibers, starch nanocomposite films, and a bilayer film formed by a PVA mat and a starch based film were developed and studied. PVA mats were fabricated using electrospinning technique. Citric acid was included in all formulations to sterify/crosslink the polymeric chains in order to turn the materials insoluble in water. Firstly, a volatile natural compound with known antimicrobial properties (d-limonene) was incorporated into PVA electrospun mats. Systems containing free d-limonene or β-cyclodextrin encapsulated d-limonene were developed. Secondly, PVA mats incorporating a polyphenol rich extract (rosemary extract) as antioxidant agent were fabricated. The physicochemical characteristics of the mats, the effect of the incorporation of each active principle and the ability of electrospun nanofibers to incorporate and thermally stabilize such compounds were studied. Additionally, release kinetic of polyphenols to several food simulants was studied in the PVA mats incorporating rosemary extract. Nanocomposite starch films containing rosemary extract, with the capability to form nanoparticles, as an antioxidant agent or ZnO nanorods as an antimicrobial agent were obtained by extrusion followed by calandering/thermo-pressing. The physicochemical properties of the materials were studied, with a special focus on the dispersion of nanofillers within the polymeric matrix, interac-tions between the components, mechanical response, water susceptibility and active properties of each material. Finally, a bilayer system consisting of a starch film incorporating ZnO nanorods and a PVA electrospun mat incorporating rosemary extract was developed. In this system, each layer of the material aims to have a specific functionality by incorporating different active principles. The bilayer film was studied considering interactions between layers, their adhesion, and the possible migration of the active principles between layers. Moreover, mechanical properties, water vapor barrier, antimicrobial activity over the external surface of the bilayer film, and antioxidant activity associated to the release of polyphenols from the inner layer were studied. The materials developed in this thesis show suitable characteristics for its implementation in biodegradable active packaging. Likewise, the physicochemical concepts and the phenomena studied throughout the document contribute to the scientific knowledge about novel nanocomposite and nanostructured polymeric materials.
Fil: Estevez Areco, Santiago Roberto. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.