Multilayer biodegradable active films based on PHBV for food packaging

Abstract

Se desarrollaron películas biodegradables activas a base de PHBV, combinadas con otros biopolímeros (PLA y almidón) y diferentes compuestos antimicrobianos (aceites esenciales (AE)), las cuales se caracterizaron en cuanto a sus propiedades funcionales y estructurales a fin de obtener materiales que satisfagan mejor los requisitos de envasado de alimentos. La plastificación del PHBV se llevó a cabo mediante el uso de diferentes compuestos con el objetivo de mejorar el rendimiento mecánico de los films. Asimismo, se incorporaron diferentes activos (AE de orégano y clavo, así como sus respectivos compuestos mayoritarios, carvacrol (CA) y eugenol (EU)) en películas bicapa de PHBV pulverizando los activos entre dos monocapas obtenidas por termocompresión. También se analizó la potencial sinergia entre diferentes compuestos de AE, así como sus aplicaciones a diferentes alimentos cuando se incorporan en películas bicapa de PHBV. Se desarrollaron películas antimicrobianas multicapa donde se combinaron láminas polares (almidón), apolares (poliéster) y CA, ya sea pulverizado entre ambas capas o incorporado en la solución filmogénica de poliésteres, a fin de optimizar la funcionalidad del material. El proceso de valorización de la cascarilla de arroz, basado en extracción con agua subcrítica, permitió obtener xilanos bioactivos y fracciones celulósicas con potenciales aplicaciones en el envasado de alimentos. Pese a que la adición de polietilenglicol (PEG) de diferente peso molecular o ácido láurico disminuyó significativamente la rigidez y la resistencia de las películas de PHBV, solo el PEG1000 dio lugar a películas más extensibles. No obstante, estrategias adicionales fueron necesarias a fin de adaptar las propiedades mecánicas de los films de PHBV a ciertos requisitos de envasado. La pulverización de activos en la interfaz de ambas monocapas de PHBV generó películas antimicrobianas con propiedades físicas adecuadas. Además, la liberación de los activos desde las películas permitió controlar el crecimiento de Escherichia coli y Listeria innocua en condiciones in vitro. Ambos activos, CA y EU, se liberaron de manera efectiva en diferentes simulantes alimentarios. En este sentido, la tasa de liberación mejoró cuando disminuyó la polaridad de los simulantes. El efecto sinérgico más notable para los compuestos de AE se observó para las mezclas CA/cinnamaldehído para ambas bacterias, pero usando diferentes proporciones de compuestos. De esta forma, los resultados obtenidos permitieron la optimización de la dosis de activos utilizados para la aplicación de alimentos, minimizando así su impacto sensorial. Las películas de PHBV con compuestos activos de AE fueron altamente efectivas contra L. innocua y E. coli in vitro, pero mucho menos activas en alimentos. Asimismo, no se observó ninguna correlación entre la cantidad de activo migrada al alimento y el efecto antibacteriano en las diferentes matrices, lo que refleja que existen numerosos factores composicionales que afectan a la disponibilidad de los activos a la hora de ejercer su acción antibacteriana sobre un alimento determinado. La formulación 75:25 PLA-PHBV con PEG1000 exhibió las mejores propiedades físicas y, por lo tanto, se utilizó como soporte del CA mediante casting, así como para desarrollar bicapas con almidón. La incorporación de CA pulverizarlo entre las láminas de poliéster y almidón no fue eficaz a la hora de retener el compuesto activo en las bicapas. Sin embargo, la incorporación de CA en películas de poliésteres mediante casting dio lugar a una retención de CA prácticamente total, lo que condujo a una notable actividad antimicrobiana. Además, estas bicapas exhibieron propiedades físicas altamente mejoradas con respecto a la monocapa de almidón. La valorización de la cáscara de arroz mediante extracción con agua subcrítica, permitió obtener hemicelulosas mejor conservadas, con actividad antioxi

Biodegradable active films based on PHBV, combined with other biopolymers (PLA and starch) and different antimicrobial compounds (essential oils (EO)), were developed and characterized as to their functional and structural properties to obtain materials that better meet food packaging requirements. Plasticization of PHBV was analysed by using different compounds to enhance the PHBV mechanical performance. Likewise, different active compounds (oregano and clove EO, as well as their respective main compounds, carvacrol (CA) and eugenol (EU)) were incorporated into PHBV bilayer films by spraying the actives between two thermo-compressed monolayers. The potential synergy between different EO compounds and their applications to different food when incorporated into PHBV films was also analysed. Multilayer antimicrobial films combining polar (starch) and non-polar (polyester) sheets, incorporating CA, either by spraying it between both layers or incorporating it in the polyester casting solution, were developed to optimise the material functionality. Bioactive xylans and cellulosic fractions from rice husk, which are useful for food packaging applications, were obtained by using an eco-friendlier valorization process based on subcritical water extraction. Although the addition of polyethylene glycol (PEG) of different molecular weight and lauric acid significantly decreased the stiffness and the resistance to break of PHBV films, only PEG1000 yielded more extensible films. Nonetheless, additional strategies would be required to adapt PHBV mechanical properties to certain packaging requirements. Spraying actives at the interface of both PHBV monolayers produced antimicrobial films with appropriate physical properties. The release of the actives from the films was adequate to control the growth of E. coli and L. innocua in vitro. Both actives, CA and EU were effectively released into different food simulants. The release rate was enhanced when the polarity of the simulants decreased, but it fell markedly in fatty systems. The most remarkable synergistic effect for the EO compounds was observed for CA/cinnamaldehyde blends for both bacteria but using different compound ratios. Thus, the results allowed for the optimization of the dose of actives used for food application, thus minimizing their sensory impact. PHBV films with active EO compounds were highly effective against L. innocua and E. coli in the in vitro tests, but they were much less effective in foods. Likewise, no correlation between the amount of active that migrated to the food and the antibacterial effect was observed, which reflected that many compositional factors affect the availability of the antimicrobials to exert their action on a specific food. The 75:25 PLA-PHBV formulation with PEG1000 exhibited the best properties in terms of physical properties and, thus it was used to be the carrier of CA by casting and to develop bilayers with starch. Incorporating CA by spraying it between the polyester and starch sheets was not effective at retaining this active in the bilayers. However, the incorporation of CA into casted polyester films was highly effective at providing practically total CA retention, which led to a notable antimicrobial activity. Moreover, these bilayers exhibited highly improved tensile and water vapour barrier capacity with respect to the starch monolayer. The rice husk valorization, based on subcritical water extraction, allowed for obtaining better preserved hemicelluloses, with antioxidant and antibacterial activity, useful as additives for food or food packaging applications, and cellulosic reinforcing agents to develop biocomposites with enhanced mechanical performance.

Es van desenvolupar pel·lícules biodegradables actives a base de PHBV, combinades amb altres biopolímers (PLA i midó) i diferents compostos antimicrobians (olis essencials (OE)), les quals es van caracteritzar quant a les seues propietats funcionals i estructurals a fi d'obtindre materials que complisquen millor els requisits d'envasament d'aliments. La plastificació del PHBV es va dur a terme per mitjà de diferents compostos amb l'objectiu de millorar el rendiment mecànic dels films. Així mateix, es van incorporar diferents actius (OE d'orenga i clau, així com els seus respectius compostos majoritaris, carvacrol (CA) i eugenol (EU)) en pel·lícules bicapa de PHBV polvoritzant els actius entre dos monocapas, obtingudes per termocompressió. També es va analitzar la potencial sinergia entre diferents compostos d'OE, així com les seues aplicacions a diferents aliments quan s'incorporen en pel·lícules bicapa de PHBV. Es van desenvolupar pel·lícules antimicrobianes multicapa on es combinaren làmines polars (midó) i apolars (polièsters) i carvacrol, ja siga polvoritzat entre ambdós capes o incorporat en la solució filmogénica de polièsters, a fi d'optimitzar la funcionalitat del material. El procés de valoració de la corfeta d'arròs, basat en extracció amb aigua subcrítica, va permetre obtindre xilans bioactius i fraccions cel·lulòsiques amb potencials aplicacions en l'envasament d'aliments. A pesar que l'addició de polietilenglicol (PEG) de diferent pes molecular o àcid làuric va disminuir significativament la rigidesa i la resistència de les pel·lícules de PHBV, només PEG1000 va donar lloc a pel·lícules més extensibles. No obstant això, estratègies addicionals varen ser necessàries a fi d'adaptar les propietats mecàniques dels films de PHBV a certs requisits d'envasament. La polvorització d'actius a la interfase d'ambdós monocapes de PHBV va generar pel·lícules antimicrobianes amb propietats físiques adequades. L'alliberament dels actius des de les pel·lícules va permetre controlar el creixement d'Escherichia coli i Listeria innocua en assajos in vitro. Ambdós actius, CA i EU, es van alliberar de manera efectiva en els diferents simulantes alimentaris. La taxa d'alliberament va millorar quan va disminuir la polaritat dels sistemes aquosos. L'efecte sinèrgic més notable per als compostos d'OE es va observar per a les mescles de CA/cinnamaldehído per a ambdós bacteris, però utilitzant diferents proporcions. D'esta manera, els resultats van permetre l'optimització de la dosi d'actius utilitzats per a l'aplicació en aliments, minimitzant així el seu impacte sensorial. Les pel·lícules de PHBV amb actius d'OE van ser altament efectives front L. innocua i E. coli en les proves in vitro, però van ser molt menys efectives en aliments. Així mateix, no es va observar cap correlació entre la quantitat d'actiu migrada a l'aliment i l'efecte antibacterià en les diferents matrius, la qual cosa reflectix que hi ha molts factors composicionals que afecten la efectivitat del dels compostos actius per a exercir la seua acció sobre un aliment en concret. La formulació 75:25 PLA-PHBV amb PEG1000 va exhibir les millors propietats físiques i, per tant, es va utilitzar com a suport del CA per mitjà de càsting, així com per a desenvolupar bicapes amb midó. La incorporació de CA polvoritzat entre les làmines de polièsters i midó no va ser eficaç per a retindre el compost actiu en la bicapa. No obstan, la incorporació de CA en pel·lícules de polièster per càsting va permetre una retenció de CA pràcticament total, la que va conduir a una notable activitat antimicrobiana. A més, estes bicapas van exhibir una capacitat de barrera al vapor d'aigua i a la tracció altament millorades respecte a la monocapa de midó. La valoració de la corfa d'arròs, basada en l'extracció amb aigua subcrítica, va permetre obtindre fraccions hemicelulósiques millor conservades, amb activ