INCORPORATION OF ACTIVE COMPONENTS IN BIOPOLYMER-BASED FILMS FOR FOOD USE

Abstract

En la presente Tesis Doctoral se han usado diferentes estrategias para incorporar compuestos activos no volátiles y volátiles en películas biodegradables a base de almidón (S) procedente de diferentes fuentes, quitosano (CH) y mezclas CH:S. Se evaluaron las propiedades funcionales de las películas y las cinéticas de liberación del compuesto activo debido a la incorporación de los polifenoles del tomillo (TE) y del ácido tánico (TA). Además, las propiedades funcionales y cinéticas de liberación de películas de almidón obtenidos por casting o por termoconformado también fueron evaluados en función de la adición de eugenol (E) en forma libre o previamente encapsulado con diferentes materiales (proteína de suero de leche (WP) o lecitinas (LE) junto con maltodextrinas como agente coadyuvante). Los productos microencapsulados en polvo fueron obtenidos por atomización. El efecto de la incorporación de ácido oleico (OA) en los encapsulados, como soporte para el E, y CH, como estabilizador potencial de las capsulas también fue estudiado. Las diferentes formulaciones fueron caracterizadas antes y después del secado en términos de eficiencia de encapsulación (EE), estabilidad térmica, cinéticas de liberación y capacidad antioxidante y antimicrobiana. Los resultados mostraron que TE confirió a las películas de S y CH actividad antioxidante. Los polifenoles (TE y TA) interaccionaron con las cadenas de CH y actuaron como agentes de entrecruzamiento, mejorando el comportamiento mecánico de las películas y reduciendo la velocidad de liberación y la cantidad de polifenol liberado de las películas en agua y en disoluciones acuosas de etanol. El efecto opuesto fue observado cuando el TE fue incorporado en la matriz de S pura. Todas las películas con TE fueron más oscuras, más rojizas y menos transparentes, especialmente las matrices de S:TE, lo que sugiere que los compuestos de TE fueron escasamente encapsulados. Éstas películas mostraron la liberación más rápida y la mayor proporción de TE liberado. Se observó una buena EE en los polvos sin CH (87-98%). Sin embargo, el empleo de CH provocó una disminución de la EE en los polvos formulados con WP y con LE (22% y 46%, respectivamente). Las formulaciones mostraron un comportamiento similar en cuanto a la liberación de E en simulantes alimentarios de diferente polaridad, donde prácticamente el contenido de E fue liberado a una velocidad similar. El efecto antibacteriano de polvos sin CH contra E. coli fue coherente con su contenido de eugenol. Un efecto adicional positivo de OA se detectó en la actividad antilisteria de este polvo. El proceso de moldeo por termocompresión de las películas provocó importantes pérdidas de E (80-65%), minimizadas cuando se utilizó OA en las microcápsulas. En las películas con E no encapsulado, se promovió la retención de E debido a la formación de complejos S-E. La presencia de E microencapsulado aumentó las discontinuidades en la matriz polimérica, produciendo películas menos resistentes y elásticas. Las propiedades barrera se mejoraron al agregar microencapsulados a las películas, a excepción de las microcápsulas con OA. La liberación de E de las películas se vio afectada por la microcápsula, su composición y el simulante alimentario. En la película de S obtenida por casting, la adición de polvo E microencapsulado en las dispersiones formadoras de película modificó la microestructura de las películas, que fueron menos resistentes y menos elásticas con un contenido reducido de humedad, y una menor transparencia y permeabilidad al oxígeno en comparación con las películas formuladas con E no encapsulado. La adición de E microencapsulado con OA promovió la actividad antioxidante de las películas, especialmente en los simulantes alimenticios menos polares. Las películas S-EOA-LE fueron efectivas para prevenir la oxidación del aceite de girasol durante 53 días de almacenamiento a 30°C.

In the present Doctoral Thesis, different strategies have been used to incorporate non-volatile (polyphenols from thyme extract) and a volatile active compound (eugenol) into biodegradable films prepared with starch (S) of different sources or chitosan (CH) or with mixtures of CH:S. The functional properties and release kinetics of casted films prepared with pea starch or CH or CH:S blends were evaluated as affected by the incorporation of polyphenols from an aqueous thyme extract (TE) and tannic acid (TA), a polyphenol which was used as a cross-linking agent. Moreover, the functional properties and release kinetics of corn starch films, obtained by casting or by thermo-compression moulding, were evaluated as a function of the addition of eugenol (E) in free form or pre-encapsulated with different wall materials. In order to encapsulate E, whey protein isolate (WP) or soy lecithin (LE), as wall material, and maltodextrin (MD), as drying coadjuvant, were selected. Microencapsulate powders were obtained by spray-drying. The effect of the addition of oleic acid (OA), as eugenol carrier, and CH, as a potential capsule stabilizer, was also analysed. The different formulations were characterized before and after drying, in terms of encapsulation efficiency, thermal stability, release kinetics and antioxidant capacity and antimicrobial activity. Results showed that TE provided pea starch and chitosan films with antioxidant activity. Polyphenols (TE and TA) interacted with CH chains and acted as cross-linkers, thus improving the tensile behaviour of films and reducing the release rate and the amount of polyphenol released from the films in water and ethanol aqueous solutions. The opposite effect was observed when TE was incorporated into the pure S matrix. All the films became darker, more reddish and less transparent when TE was incorporated, and this effect was more marked in pure S matrices, which suggests that the TE compounds were poorly encapsulated. Thus, S:TE films showed the fastest delivery rate and the highest delivery ratio of TE. A good encapsulation efficiency (EE) of E was observed in the CH-free powders (87-98%). However, the use of CH provoked a marked EE decrease in both WP and LE powders (22% and 46%, respectively). The formulations exhibited similar E release behaviour in food simulants of different polarity, where practically the total E content was delivered at a similar rate. The antibacterial effect of CH-free powders against E. coli was also coherent with their eugenol content. An additional positive effect of OA was detected in terms of the antilisterial action of this powder. The process of thermo-compression moulding of the films led to important E losses (80-65%), which were minimised when using OA in the microcapsules (EOA-WP or EOA-LE). In the films containing non-encapsulated E, the retention of E was promoted due to the formation of E-starch complexes. The presence of microencapsulated eugenol increased the presence of discontinuities in the polymeric matrix, thus yielding films that were mechanically less resistant and stretchable, except for E-LE-S films, which became more resistant to break. The barrier properties were improved when adding microencapsulates to the films, except for OA-based microcapsules. Eugenol release from the films was affected by microcapsule, their composition and the food simulant. In starch film obtained by casting, the addition of microencapsulated eugenol powder in starch film-forming dispersions modified film microstructure, yielding less resistant and less elastic films with reduced moisture content, transparency and oxygen permeability as compared to casted films formulated with non-encapsulated eugenol. The addition of eugenol microencapsulated with OA promoted the preservation of the antioxidant activity of the films, especially in less polar food simulants. S-EOA-LE films were effective in preventing sunflower oil oxidation during 53 days of storage at 30¿C.

En la present Tesi Doctoral s'han usat diferents estratègies per a incorporar compostos actius no volàtils i volàtils en pel·lícules biodegradables a base de midó (S) procedent de diferents fonts, quitosano (CH) i mescles CH:S. Es van avaluar les propietats funcionals de les pel·lícules i les cinètiques d'alliberament del compost actiu a causa de la incorporació dels polifenoles del timó (TE) i de l'àcid tànnic (TA). A més, les propietats funcionals i cinètiques d'alliberament de pel·lícules de midó obtinguts per càsting o per termoconformat també van ser avaluats en funció de l'addició d'eugenol (E) en forma lliure o prèviament encapsulat amb diversos materials (proteïna de sèrum de llet (WP) o lecitines (LE) junt amb maltodextrines com a agent coadjuvant). Els productes microencapsulats en pols van ser obtinguts per atomització. L'efecte de la incorporació d'àcid oleic (OA) en els encapsulats, com a suport per al E, i CH, com estabilitzador potencial de les càpsules també va ser estudiat. Les diferents formulacions van ser caracteritzades abans i després de l'assecat en termes d'eficiència d'encapsulació (EE), estabilitat tèrmica, cinètiques d'alliberament i capacitat antioxidant i antimicrobiana. Els resultats van mostrar que es va conferir a les pel·lícules de S i CH activitat antioxidant. Els polifenols (TE i TA) van interaccionar amb les cadenes de CH i van actuar com a agents d'entrecreuament, millorant el comportament mecànic de les pel·lícules i reduint la velocitat d'alliberament i la quantitat de polifenol alliberat de les pel·lícules en aigua i en dissolucions aquoses d'etanol. L'efecte oposat va ser observat quan el TE va ser incorporat en la matriu de S pura. Totes les pel·lícules amb TE van ser més fosques, més rogenques i menys transparents, especialment les matrius de S:TE, la qual cosa suggerix que els compostos de TE van ser escassament encapsulats. Estes pel·lícules van mostrar l'alliberament més ràpid i la major proporció de TE alliberat. Es va observar una bona EE en les pols sense CH (87-98%). No obstant, la incorporació de CH va provocar una disminució de l'EE en les pols formulats amb WP i amb LE (22% i 46%, respectivament). Les formulacions van mostrar un comportament semblant quant a l'alliberament de E en simulants alimentaris de diferent polaritat, on pràcticament el contingut de E va ser alliberat a una velocitat semblant. L'efecte antibacterià de pols sense CH contra E. coli va ser coherent amb el seu contingut d'eugenol. Un efecte addicional positiu d'OA es va detectar en l'activitat antilisteria d'esta pols. El procés de modelat per termocompresió de les pel·lícules va provocar importants pèrdues de E (80-65%) , minimitzades quan es va utilitzar OA en les microcàpsules. En les pel·lícules amb E no encapsulat, es va promoure la retenció de E a causa de la formació de complexos S-E. La presència de E microencapsulat va augmentar les discontinuïtats en la matriu polimérica, produint pel·lícules menys resistents i elàstiques. Les propietats barrera es van millorar a l'agregar microencapsulats a les pel·lícules, a excepció de les microcàpsules amb OA. L'alliberament de E de les pel·lícules es va veure afectada per la microcàpsula, la seua composició i el simulant alimentari. En la pel·lícula de S obtinguda per càsting, l'addició de pols E microencapsulat en les dispersions formadores de pel·lícula va modificar la microestructura de les pel·lícules, que van ser menys resistents i menys elàstiques amb un contingut reduït d'humitat, i una menor transparència i permeabilitat a l'oxigen en comparació amb les pel·lícules formulades amb E no encapsulat. L'addició de E microencapsulat amb OA va promoure l'activitat antioxidant de les pel·lícules, especialment en els simulants alimentaris menys polars. Les pel·lícules S-EOA-LE van ser efectives per a previndre l'oxidació de l'oli de gira-sol durant 53 dies d'em