Carvacrol encapsulation by electrospinning or solvent casting to obtain biodegradable multilayer active films for food packaging applications

Abstract

[ES] El uso masivo de plásticos sintéticos y su impacto medioambiental obliga a buscar alternativas biodegradables para el envasado de los alimentos,etapa necesaria para su adecuada conservación.Así mismo,la necesidad de incrementar la vida útil de los alimentos ha despertado gran interés en el desarrollo de materiales activos(antimicrobianos y antioxidantes)que mantengan su calidad y seguridad por más tiempo,mediante el uso de compuestos de origen natural,seguros para el consumidor.En este sentido,el desarrollo de materiales biodegradables activos para el envasado de alimentos constituye hoy en día un reto importante para la industria alimentaria.En la presente Tesis Doctoral,se ha estudiado la encapsulación de carvacrol mediante el electroestirado o extensión y secado de diferentes disoluciones poliméricas con carvacrol.Se han utilizado polímeros biodegradables portadores de diferente polaridad(almidón termoplástico:TPS,polivinil-alcohol:PVA, policaprolactona:PCL o ácido poliláctico:PLA)disueltos en el solvente adecuado,con el fin de obtener capas activas.Estas capas se han combinado con otras de polímeros con propiedades complementarias,para obtener laminados activos adecuados para el envasado de alimentos.Los laminados combinaron polímeros polares(TPS o PVA)y poliésteres no polares(PCL o PLA)incorporando el carvacrol en una de las capas.Se evaluó la cinética de liberación del activo,así como la acción antimicrobiana de los materiales obtenidos.Los laminados se caracterizaron en su funcionalidad como material de envase(prop. de barrera,mecánicas u ópticas)así como en su estructura y comportamiento térmico.Los estudios de encapsulación revelaron un mayor potencial encapsulante del carvacrol para los polímeros no polares(PCL;PLA),aunque el PVA mostró también una buena afinidad con el compuesto activo.La matriz de PVA mostró una mayor retención de carvacrol mediante electroestirado de sus disoluciones acuosas que por extensión y secado,sin necesidad de adición de tensoactivos como el Tween85.Para la encapsulación en PLA,se usaron mezclas binarias de solventes aptos para contacto con los alimentos(acetato de etilo y DMSO).En este caso,se obtuvo una mayor eficiencia encapsulante del PLA en los materiales obtenidos por extensión y secado que en los electroestirados.La cinética de liberación del carvacrol de las fibras de PCL explicó el mayor efecto antibacteriano contra E.coli,y el escaso efecto antilisteria.La velocidad de liberación del activo aumentó cuando disminuyó la polaridad de los simulantes alimentarios, mostrando una liberación completa en los sistemas apolares,pero solo hasta 75% en los sistemas acuosos,que requerirían una mayor proporción del activo en el envase para potenciar su efectividad.La combinación de láminas de TPS con fibras de PCL cargadas con carvacrol dio lugar a materiales con una permeabilidad al vapor de agua mejorada,en comparación con los films de almidón,sin efectos relevantes sobre las otras propiedades funcionales estudiadas.Cuando los laminados se probaron in vitro contra cepas G(+) y G(-) mostraron un efecto antibacteriano similar al de las fibras de PCL con carvacrol,pero retrasado en el tiempo.Los estudios de desintegración-biodegradación de los laminados almidón-PCL revelaron que las películas con carvacrol afectaron la actividad del inóculo del compost,disminuyendo ligeramente la biodegradabilidad de las películas,pero alcanzando valores de desintegración similares(75-80%)a las muestras libres de carvacrol.Se obtuvieron también laminados de PLA y PVA mediante la extensión y secado de disoluciones acuosas de PVA con carvacrol.La superficie del PLA fue sometida a aminolización a fin de mejorar la extensibilidad de las disoluciones acuosas.A pesar del incremento de la componente polar de la energía superficial del PLA y su mejorada humectabilidad con las soluciones de PVA,estas bicapas no mostraron una mejora significativa en las propied

[CA] L'ús massiu de plàstics sintètics i el seu impacte mediambiental obliga a buscar alternatives biodegradables per a l'envasament dels aliments necessari per a la seua conservació.Així mateix,la necessitat d'incrementar la vida útil dels aliments ha despertat gran interés en el desenvolupament de materials actius(antimicrobians i antioxidants)que mantinguen la seua qualitat i seguretat per més temps,per mitjà de l'ús de compostos d'origen natural,segurs per al consumidor.En este sentit,el desenvolupament de materials biodegradables actius per a l'envasament d'aliments constituïx un repte important per a la indústria alimentària.En la present Tesi Doctoral,s'ha estudiat l'encapsulació de carvacrol per mitjà de l'electroestirat o extensió i assecat de diferents dissolucions polimèriques amb carvacrol.S'han utilitzat polímers biodegradables portadors de diferent polaritat(midó termoplàstic:TPS, polivinil-alcohol:PVA, policaprolactona:PCL o àcid poliláctic:PLA)dissolts en el solvent adequat,a fi d'obtindre capes actives.Estes s'han combinat amb altres de polímers amb propietats complementàries,per a obtindre laminats actius adequats per a l'envasament d'aliments.Els laminats van combinar polímers polars(TPS o PVA)i poliésters no polars(PCL o PLA)incorporant el carvacrol en una de les capes.Es va avaluar la cinètica d'alliberament de l'actiu,així com l'acció antimicrobiana dels materials obtinguts.Els laminats es van caracteritzar en la seua funcionalitat com a material d'envàs(propietats de barrera, mecàniques o òptiques),així com en la seua estructura i comportament tèrmic.Els estudis d'encapsulació van revelar un major potencial encapsulant del carvacrol per als polímers no polars(PCL i PLA),encara que el PVA va mostrar també una bona afinitat amb el compost actiu.La matriu de PVA va mostrar una major retenció de carvacrol per mitjà d'electroestirat de les seues dissolucions aquoses que per extensió i assecat,sense necessitat d'addició de tensioactius com el Tween 85.Per a l'encapsulació en PLA,es van usar mescles binàries de solvents aptes per a contacte amb els aliments(acetat d'etil i DMSO).Es va obtindre una major eficiència encapsulant del PLA en els materials obtinguts per extensió i assecat que en els electroestirats.La cinètica d'alliberament del carvacrol de les fibres de PCL va explicar el major efecte antibacterià contra Escherichia coli,i l'escàs efecte antilisteria.La velocitat d'alliberament de l'actiu va augmentar quan va disminuir la polaritat dels simulants alimentaris,mostrant un alliberament complet en els sistemes no polars, però només fins a un 75% en els sistemes aquosos,que requeririen una major proporció de l'actiu en l'envàs per a potenciar la seua efectivitat.La combinació de làmines de TPS amb fibres de PCL carregades amb carvacrol va donar lloc a materials amb una permeabilitat al vapor d'aigua millorada,en comparació amb els films de midó, sense efectes rellevants sobre les altres propietats funcionals.Quan els laminats es van provar in vitro contra ceps Gram(+) i Gram(-) van mostrar un efecte antibacterià semblant al de les fibres de PCL amb carvacrol,però retardat en el temps.Els estudis de desintegració-biodegradació dels laminats midó-PCL van revelar que les pel·lícules amb carvacrol van afectar l'activitat de l'inocule del compost,disminuint lleugerament la biodegradabilitat,però aconseguint valors de desintegració semblants(75-80%)a les mostres lliures de carvacrol.Es van obtindre també laminats de PLA i PVA per mitjà de l'extensió i assecat de dissolucions aquoses de PVA amb carvacrol.La superfície del PLA va ser sotmesa a aminolizatció a fi de millorar l'extensibilitat de les dissolucions aquoses.A pesar de l'increment de la component polar de l'energia superficial del PLA i la seua millorada mullabilitat amb les solucions de PVA,estes bicapes no van mostrar una millora significativa en les propietats mecàniques i de barrera

[EN] The massive use of synthetic plastics and their environmental impact makes necessary the search for biodegradable alternatives for food packaging. Likewise, the need to increase the shelf life of food has aroused great interest in the development of active materials (antimicrobial and antioxidant) that maintain food quality and safety for longer periods of time through the use of compounds of natural origin, safe for the consumer. In this sense, the development of active biodegradable materials for food packaging is both a major imperative and challenge for the food industry today. In the present Doctoral Thesis, the encapsulation of carvacrol has been studied by means of the electrospinning or casting of different polymeric solutions with carvacrol. Biodegradable polymers with different polarities (thermoplastic starch: TPS, poly(vinyl-alcohol): PVA, poly-(¿-caprolactone): PCL or poly(lactic acid): PLA) dissolved in the appropriate solvent have been used to obtain active layers. These have been combined with other polymers with complementary properties, to obtain active laminates suitable for food packaging. The laminates combined polar polymers (TPS or PVA) and non-polar polyesters (PCL or PLA) incorporating carvacrol in one of the layers. The release kinetics of the active ingredient was evaluated, as well as the antimicrobial action of the materials obtained. The laminates were characterized in their functionality as a packaging material (barrier, mechanical or optical properties), as well as in their structure and thermal behaviour. Encapsulation studies revealed a higher encapsulating potential of carvacrol for non-polar polymers (PCL and PLA), although PVA also showed a good affinity with the active compound. The PVA matrix showed a higher retention of carvacrol by electrospinning of its aqueous solutions than by casting, without the need for addition of surfactants such as Tween 85. For the encapsulation in PLA, binary mixtures of solvents suitable for food contact (ethyl acetate and DMSO) were used. A higher encapsulation efficiency of PLA was obtained in the materials produced by casting than by electrospinning. The carvacrol release kinetics of PCL fibres explained the higher antibacterial effect against Escherichia coli and the lower antilisterial effect. The release ratio of the active ingredient increased when the polarity of the food simulants decreased, showing a complete release in non-polar systems and only up to 75% in aqueous systems that would require a higher proportion of the active ingredient in the packaging material to enhance its effectiveness. The combination of TPS films with carvacrol loaded PCL fibres resulted in materials with improved water vapour permeabilities, compared to starch films, with no relevant effects on the other functional properties. When the laminates were tested in vitro against Gram (+) and Gram (-) strains, they showed a similar antibacterial effect to that of PCL fibres with carvacrol, but delayed in time. Disintegration-biodegradation studies of PCL-starch laminates revealed that carvacrol films affected the activity of the compost inoculum, slightly decreasing the biodegradability of the laminates, but reaching similar disintegration values (75-80%) to the carvacrol-free samples. PLA and PVA laminates were also obtained by casting aqueous PVA solutions with carvacrol. The surface of PLA was submitted to aminolization in order to improve the extensibility of the aqueous solutions. Despite the increase in the polar component of the PLA surface energy and its improved wettability with PVA solutions, these bilayers did not show significant improvement in mechanical and barrier properties over the PLA monolayers.