Encapsulación de carvacrol en matrices de Poli(vinil) alcohol (PVA), mediante electrospinning

Abstract

[ES] El Carvacrol (CA) presenta propiedades antioxidantes y antimicrobianas y tiene potencial para ser incorporado en matrices biopoliméricas para la obtención de materiales activos biodegradables. Para su incorporación, se requiere la obtención de una emulsión del compuesto en la disolución del polímero y la posterior eliminación del solvente, por el método de extensión en placa y secado (casting) obteniendo un film o mediante la técnica de electrospinning (ES), obteniendo una matriz de fibras o partículas de tamaño nano o micrométrico, que pueden depositarse sobre un film soporte. En este estudio se ha evaluado la encapsulación de CA en matrices de Poli(vinil) alcohol (PVA) mediante la técnica de ES, en comparación con el casting, utilizando o no Tween 85 (T85) como compuesto emulsionante. Se ha determinado la concentración óptima de polímero en la disolución acuosa, así como la relación CA:PVA, que permiten un adecuado electro-estirado de las fibras en el equipo de ES. Se identificó una concentración de PVA del 15% (p/p), con 15% de CA respecto al polímero, como concentraciones aptas para el buen funcionamiento del proceso. Así, se obtuvieron 3 formulaciones de fibras: un blanco con solo PVA, PVA con CA y PVA con CA y T85. Las emulsiones fueron electrodepositadas por ES, y también se sometieron, para comparación, a un proceso de casting en placa de teflón. Las emulsiones se caracterizaron en cuanto a su tamaño de partícula, tensión superficial, conductividad y potencial ζ. La adición del tensoactivo supuso el descenso esperado de la tensión superficial, mientras que no afectó notablemente a la conductividad. A pesar de que el potencial ζ determinado para las emulsiones fue muy bajo para su estabilización por carga, se mantuvieron estables por efecto viscoso, debido a la alta viscosidad presentada por las formulaciones y por interacciones específicas con las cadenas de PVA. Las emulsiones presentaron una distribución de tamaño de partículas en el rango sub-micro y micrométrico, siendo menores en presencia de T85. El material seco obtenido por ES y casting se analizó en cuanto a su eficiencia encapsulante (EE), mediante extracción del activo con etanol absoluto, su microestructura por FESEM y su comportamiento termogravimétrico (TGA) entre 25o a 700 o C. La EE obtenida por los dos métodos demostró una buena retención del activo (70-83%), sin que la presencia del tensoactivo mejorara notablemente este parámetro. El análisis termogravimétrico reveló la existencia de una fracción del CA fuertemente retenido y otra termo-liberable, independientemente del método de encapsulación. La electrodeposición de las emulsiones conllevó una menor temperatura de degradación del polímero que el proceso de casting. En base a los resultados obtenidos, es posible obtener fibras de PVA con CA encapsulado con buena eficacia encapsulante que pueden utilizarse para el recubrimiento de materiales de envase, confiriéndoles capacidad antioxidante y antimicrobiana.

[EN] Carvacrol (CA) has antioxidant and antimicrobial properties and it shows potential to be incorporated into biopolymeric matrices to obtain biodegradable active materials. For its incorporation, the preparation of an emulsion of the compound in the polymer solution and the subsequent elimination of the solvent are required and this is achieved by the extension-anddrying method (casting) or by the electrospinning (ES) technique, obtaining a matrix of fibres or particles of nano or micrometric size, which can be deposited on a supporting film. In the present study, the encapsulation of CA in Poly(vinyl) alcohol (PVA) was evaluated by means of the ES technique, in comparison with the casting, using or not Tween 85 (T85) as an emulsifier compound. The optimum polymer concentration in the aqueous solution has been determined, as well as the CA:PVA ratio, which allows a suitable electro-stretching of the fibres in the ES apparatus. A concentration of 15% of PVA (w/w) with 15% of CA with respect to the polymer were identified as appropriate concentrations for the proper development of the process. Thus, 3 formulations were obtained: a blank with only PVA, PVA with CA and PVA with CA and T85. The emulsions were electrodeposited by ES, and were also compared with a Teflon plate casting process. Emulsions were characterized in terms of their particle size, surface tension, conductivity and ζ potential. The addition of the surfactant caused the expected decrease in surface tension, while not significantly affected the conductivity. Although the ζ potential for the emulsions was very low for their charge stabilization, they remained stable by viscous effect due to the high viscosity shown by the formulations and specific interactions with the PVA chains. The emulsions presented a particle size distribution in the sub-micro and micrometric range, being lower in the presence of T85. The dry material obtained by ES and casting was analysed in terms of its encapsulating efficiency (EE), by extraction of the active with absolute ethanol, its microstructure by FESEM and its thermogravimetric behaviour (TGA) between 25o to 700 o C. The EE obtained by both methods showed a good retention of the active (70-83%) but the presence of the surfactant didn’t improve remarkably this parameter. The thermogravimetric analysis revealed the existence of one part of the CA strongly retained to the matrix and another thermo-releasable, independent of the encapsulation method. The electrodeposition of the emulsions entailed a lower polymer degradation temperature than the casting process. Based on the results, it is possible to obtain PVA fibres with encapsulated CA with good encapsulating efficiency that could be used for the coating of packaging materials, conferring them antioxidant and antimicrobial capacity.