Biodegradable materials based on poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) with antioxidant and antimicrobial activity for food packaging applications

Abstract

[ES] El uso masivo de plásticos y su impacto medioambiental, así como la necesidad de mejorar la conservación de los alimentos, hace necesario el desarrollo de alternativas biodegradables para el envasado activo de alimentos. La presente Tesis Doctoral, se ha centrado en el desarrollo de películas activas, basados en polímeros biodegradables con propiedades complementarias, con el fin de obtener materiales con propiedades mecánicas y de barrera adecuadas para cumplir con los requisitos del envasado alimentario. Para ello, se consideraron el poli (vinil alcohol) (PVA) y el poli (ácido láctico) PLA. Asimismo, el carvacrol y los ácidos ferúlico y cinámico fueron elegidos como compuestos activos naturales. Se estudió la encapsulación del carvacrol en liposomas de diferentes tipos de lecitina para mejorar su retención durante la etapa de formación del film. La lecitina de soja enriquecida en fosfatidilcolina fue la más eficaz para mantener la estabilidad de la emulsión de carvacrol, resultando en films con mayor retención. La incorporación de carvacrol (encapsulado o no), modificó ligeramente la microestructura y las propiedades físicas de los films, así como la cristalinidad y el comportamiento térmico del polímero. El PVA totalmente hidrolizado proporcionó films con un mejor desempeño mecánico y capacidad de barrera al oxígeno, pero con menor retención de carvacrol. Por el contrario, el PVA parcialmente hidrolizado dio lugar a films más homogéneos, con mayor contenido de carvacrol. Mientras que los grupos acetilos protegieron al polímero de la termodegradación, permitiendo la obtención de films mediante las técnicas habituales del procesado industrial. Por lo tanto, el PVA parcialmente hidrolizado tiene un gran potencial para la producción de films activos, con más posibilidades de procesamiento que el PVA totalmente hidrolizado. Se incorporaron también ácido cinámico y ferúlico, con menor impacto sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial y totalmente hidrolizado, mediante casting de las soluciones acuosas con glicerol para mejorar la solubilidad de los ácidos. Los films de PVA plastificados con glicerol mostraron una menor capacidad de barrera que los no plastificados. La incorporación del ácido ferúlico promovió mayores cambios en las propiedades de los films que el ácido cinámico, debido a un efecto de reticulación, que promovió la cristalinidad, la rigidez y la capacidad de barrera del material. También se obtuvieron películas plastificadas a base de PVA parcialmente hidrolizado con ácidos fenólicos, mediante mezclado en fundido y moldeo por compresión. Los films termoprocesados fueron menos extensibles y resistentes a la rotura y más permeables al oxígeno y al vapor de agua. Estudios in vitro demostraron que los films con ácidos fenólicos obtenidos por casting o termoprocesado presentaron actividad antioxidante y antimicrobiana, especialmente con ácido ferúlico. Con el objetivo de cumplir los requisitos de envasado de alimentos, se obtuvieron films tricapa por termocompresión, compuestos por una capa central de PVA, cargada con compuestos activos (carvacrol o ácido ferúlico), y dos capas externas de PLA. La termocompresión fue eficaz para la adhesión interlaminar. Las multicapas mostraron un rendimiento mecánico próximo al de los films de PLA y una elevada capacidad de barrera al oxígeno y al vapor de agua. Todos los laminados con compuestos activos incorporados a la capa de PVA fueron eficaces para controlar el crecimiento microbiano en filetes de carne de vacuno envasada. Por tanto, el laminado de films de PVA y PLA parcialmente hidrolizado representa una estrategia adecuada para obtener materiales de envasado con propiedades funcionales más próximas a las de algunos plásticos convencionales utilizados en el envasado alimentario. Asimismo, estos materiales con carvacrol o ácido ferúlico incorporados podrían utilizarse para el envasado de alimentos altamente susceptibles a procesos oxidativos o de degradación microbiológica para alargar su vida útil.

[CA] L'ús massiu de plàstics i el seu impacte mediambiental, així com la necessitat de millorar la conservació dels aliments, fa necessari el desenvolupament d'alternatives biodegradables per a l'envasament actiu d'aliments. La present Tesi Doctoral, s'ha centrat en el desenvolupament de pel·lícules actives, basats en polímers biodegradables amb propietats complementàries, amb la finalitat d'obtindre materials amb propietats mecàniques i de barrera adequades per a complir amb els requisits de l'envasament alimentari. Per a això, es van considerar el poli (vinil alcohol) (PVA) i el poli (àcid làctic) PLA. Així mateix, es van triar el carvacrol i els àcids ferúlic i cinàmic, com a compostos actius. Es va estudiar l'encapsulació del carvacrol en liposomes de diferents tipus de lecitina per a millorar la seua retenció durant l'etapa de formació del film. La lecitina de soja enriquida en fosfatidilcolina va ser la més eficaç per a mantindre l'estabilitat de l'emulsió de carvacrol, resultant en films amb major retenció. La incorporació de carvacrol (encapsulat o no), va modificar lleugerament la microestructura i les propietats físiques dels films, així com la cristalinitat i el comportament tèrmic del polímer. El PVA totalment hidrolitzat va proporcionar films amb un millor exercisc mecànic i capacitat de barrera a l'oxigen, però amb menor retenció de carvacrol. Per contra, el PVA parcialment hidrolitzat va donar lloc a films més homogenis, amb major contingut de carvacrol. Mentre que els grups acetils van protegir el polímer de la termodegradació, permetent l'obtenció de films mitjançant les tècniques habituals del processament industrial. Per tant, el PVA parcialment hidrolitzat té un gran potencial per a la producció de films actius, amb una més àmplia gamma de possibilitats de processament que el PVA totalment hidrolitzat. Es van incorporar també àcid cinàmic i ferúlic, amb menor impacte sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial i totalment hidrolitzat, mitjançant càsting de les solucions aquoses amb glicerol per a millorar la solubilitat dels àcids. Els films de PVA plastificats amb glicerol van mostrar una menor capacitat de barrera que els no plastificats. La incorporació de l'àcid ferúlic va promoure majors canvis en les propietats dels films que l'àcid cinàmic, a causa d'un efecte de reticulació, que va promoure la cristalinitad, la rigidesa i la capacitat de barrera del material. També es van obtindre pel·lícules plastificades a base de PVA parcialment hidrolitzat amb àcids fenòlics, mitjançant barrejat en fos i emotlament per compressió. Els films termoprocessats van ser menys extensibles i resistents al trencament i més permeables a l'oxigen i al vapor d'aigua. Estudis in vitro van demostrar que els films amb àcids fenòlics obtinguts per càsting o termoprocessat van presentar activitat antioxidant i antimicrobiana, especialment amb àcid ferúlic. Amb l'objectiu de complir els requisits d'envasament d'aliments, es van obtindre films tricapa per termocompressió, compostos per una capa central de *PVA, carregada amb compostos actius (carvacrol o àcid ferúlic), i dues capes externes de PLA. La termocompressió va ser eficaç per a l'adhesió interlaminar. Les multicapes van mostrar un rendiment mecànic pròxim al dels films de PLA i una elevada capacitat de barrera a l'oxigen i al vapor d'aigua. Tots els laminatges amb compostos actius incorporats a la capa de PVA van ser eficaces per a controlar el creixement microbià en filets de carn de boví envasada. Per tant, el laminatge de films de PVA i PLA parcialment hidrolitzat representa una estratègia adequada per a obtindre materials d'envasament amb propietats funcionals més pròximes a les d'alguns plàstics sintètics utilitzats en l'envasament alimentari. Així mateix, aquests materials amb carvacrol o àcid ferúlic incorporats podrien utilitzar-se per a l'envasament d'aliments altament susceptibles a processos oxidatius o de degradació microbiològica per a allargar la seua vida útil.

[EN] The massive use of synthetic plastics and their environmental impact, as well as the need of improving food preservation, makes necessary the development of biodegradable alternatives for food active packaging. The use of active compounds from natural origin to obtain this kind of materials is a new trend based of the consumer demand for safer and healthier products. The present Doctoral Thesis, has been focused on the development of active packaging films, based on biodegradable polymers with complementary properties, in order to obtain materials with adequate mechanical and barrier properties to meet food packaging requirements. To this end, poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) were considered. Likewise, carvacrol and ferulic and cinnamic acid, were chosen as active natural compounds. The liposomal encapsulation of carvacrol, using different kinds of lecithin was evaluated in order to improve the carvacrol retention in the polymer matrix during the film formation step. Soy lecithin enriched in phosphatidylcholine was the most effective at maintaining the stability of the carvacrol emulsion, leading to its highest retention in the PVA films. Incorporation of carvacrol (lecithin encapsulated or not) slightly modified the film microstructure and physical properties and polymer crystallinity and thermal behaviour. The fully hydrolysed PVA provided films with a better mechanical performance and oxygen barrier capacity, but with less carvacrol retention. In contrast, partially hydrolysed PVA gave rise to more homogenous films with a higher carvacrol content. Acetyl groups protect the polymer for thermodegradation, allowing the film production using the common industrial thermoplastic processing techniques. Therefore, partially hydrolysed PVA has a great potential for the production of active films, with a wider range of processing possibilities than fully hydrolysed PVA. Cinnamic and ferulic acids, with lower potential sensory impact than of carvacrol, were also incorporated into partially and fully hydrolysed PVA by casting of aqueous solutions containing glycerol to improve the acid solubility. Glycerol plasticized PVA films exhibited poorer barrier capacity than those non-plasticized. The incorporation of ferulic acid promoted greater changes in the film properties than cinnamic acid, due to a crosslinking effect, which promoted crystallinity, stiffness and barrier capacity of the material. Glycerol plasticized films based on partially hydrolysed PVA with phenolic acids were also obtained by melt blending and compression moulding. Termoprocessed films were less stretchable and resistant to break and more permeable to oxygen and water vapor. In vitro studies demonstrated that cast and termoprocessed films containing phenolic acids exhibited antioxidant and antimicrobial activity, especially with ferulic acid. Three-layer films composed of a central layer of PVA loaded with active compounds (carvacrol lecithin encapsulated or not, or ferulic acid) and two external PLA layers were obtained by thermo-compression, aimed to meet food packaging requirements. Thermocompression was effective for the interlaminar adhesion. Multilayers exhibited mechanical performance close to the PLA sheets and high oxygen and water vapour barrier capacity. All laminates with active compounds incorporated into the PVA sheet were effective at controlling microbial growth in packaged beef meet. Therefore, lamination of partially hydrolysed PVA and PLA films represents a successful strategy to obtain packaging materials with functional properties closer to those of some conventional plastics commonly used in food packaging. Likewise, these materials incorporating carvacrol or ferulic acid could be used for packaging of foods highly susceptible to oxidative or microbiological degradative process to extend their shelf life.