Valorisation of rice straw by obtaining active compounds and cellulosic materials for the development of biodegradable food packaging systems

Abstract

[ES] En esta tesis se obtuvieron fracciones celulósicas y extractos activos de paja de arroz mediante diferentes técnicas de extracción y purificación, utilizando agua como disolvente. Estas fracciones se incorporaron en películas de almidón y PLA, y en bicapas de almidón-PLA, para obtener materiales de envasado activos para extender la vida útil de diferentes alimentos. Los extractos obtenidos por combinación de ultrasonidos y calentamiento a reflujo (USHT) y con agua subcrítica (SWE) (a 160 °C (SWE-160) y 180 °C (SWE-180)) presentaron un alto contenido fenólico (37, 51 y 83 mg GAE.g-1 de extracto seco, respectivamente) y actividad antioxidante (6,3, 2,0 y 1,2 mg de extracto seco.mg-1 DPPH, respectivamente). Los extractos SWE fueron activos contra L. innocua y E. coli. Se aislaron fibras de celulosa (FC) del residuo insoluble de las diferentes extracciones. A pesar de las ligeras diferencias en el grado de purificación, los nuevos métodos dieron lugar a FCs con rendimientos más elevados que el método alcalino (35-39 % frente al 29 %), con cristalinidad (60-69 %), comportamiento térmico y relación de aspecto (20-60) similares. Se incorporaron fibras USHT al 1, 3 y 5 % (p/p) en películas termoprocesadas de almidón de maíz, y de almidón de maíz modificado térmicamente. La incorporación al 3 % dio lugar a películas con mejores propiedades funcionales. Los extractos activos (al 4, 6 y 8 % en peso) en la matriz de almidón, con o sin CF (3 %), dieron lugar a películas más extensibles y menos resistentes, con mayor capacidad de barrera al oxígeno. Las bolsas monodosis de aceite de girasol con estas películas activas y reforzadas redujeron eficazmente la oxidación. Las películas activas de PLA termoprocesado, con diferentes proporciones (2, 4 y 6 % p/p) del extracto USHT, presentaron color y propiedades mecánicas ligeramente peores, pero con mayor barrera al oxígeno. La cinética de liberación de los antioxidantes incorporados en simulantes alimentarios de diferente polaridad (A: productos acuosos; y D1: sistemas de aceite en agua), mostró que las películas con un 6% de extracto, tuvieron una capacidad antioxidante similar en simulantes con distinta polaridad. Se obtuvieron bicapas biodegradables laminando PLA, con y sin extracto USHT (6 %), y almidón termoplástico, con o sin FC USHT (3 %). Las bicapas mostraron mejor capacidad de barrera global que las monocapas. Sin embargo, la migración de compuestos entre capas dio lugar a películas menos rígidas y resistentes de lo esperado de la contribución del film de PLA. Las bicapas activas y reforzadas alargaron la vida útil de carne de cerdo refrigerada. Las películas de PLA con un 6 % (p/p) de los diferentes extractos (USHT, SWE-160 y SWE-180) presentaron menor resistencia mecánica y capacidad de barrera al vapor de agua, pero una mayor capacidad de barrera al oxígeno y a la luz UV. Además, estas películas, especialmente con el extracto SWE-180, alargaron la vida útil de la carne de cerdo refrigerada. Las FCs obtenidas con los diferentes métodos de purificación también se utilizaron para producir aerogeles de celulosa. Las diferencias composicionales afectaron a la microestructura de los aerogeles. La capacidad de absorción y de retención de agua de los aerogeles estuvo dentro de los rangos descritos para este tipo de materiales. Por tanto, fue posible obtener fracciones valorizadas de la paja de arroz, extractos activos y fibras celulósicas, útiles en el desarrollo de materiales biodegradables activos a base de almidón y PLA. Son necesarios más estudios para validar la seguridad alimentaria de los materiales, así como para el desarrollo de otras aplicaciones en el campo de la industria alimentaria o farmacéutica.

[CA] En aquesta tesi doctoral es van obtenir fraccions cel·lulòsiques i extractes actius de palla d' arròs mitjançant l'aplicació de diferents tècniques d'extracció i purificació, utilitzant aigua com a dissolvent. Aquestes fraccions es van incorporar a pel·lícules de midó i PLA, i bicapes de midó-PLA, per obtenir materials d'envasament actius útils per allargar la vida útil de diferents aliments. Els extractes combinant ultrasons i escalfament a reflux (USHT) i amb aigua subcrítica (SWE) (a 160 °C (SWE-160) i 180 °C (SWE-180)) van mostrar un alt contingut fenòlic (37, 51 i 83 mg GAE.g-1 d'extracte sec, respectivament) i activitat antioxidant (6,3, 2,0 i 1,2 mg d'extracte sec.mg-1 DPPH, respectivament). Els extractes SWE van mostrar activitat antibacteriana contra L. innocua i E. coli. Es van aïllar fibres de cel·lulosa (FC) de les fraccions insolubles de l'extracció. Malgrat les lleugeres diferències en el grau de purificació, els nous mètodes van donar lloc a FCs amb rendiments més elevats que el mètode alcalí (35-39 % enfront del 29 %), amb cristal·linitat (60-69 %), comportament tèrmic i relació d'aspecte (20-60) similars. Es van incorporar fibres USHT a l'1, 3 i 5 % (p/p) en pel·lícules de midó de dacsa, i de midó de dacsa modificat per tractament tèrmic. La incorporació al 3 % va donar lloc a pel·lícules amb les millors propietats funcionals. Els extractes actius (al 4, 6 i 8 % en pes) a la matriu de midó, amb o sense CF (3 %), proporcionaren pel·lícules més extensibles i menys resistents, però amb més capacitat de barrera a l'oxigen. Les bosses monodosi de l'oli de gira-sol amb aquestes pel·lícules actives i reforçades van reduir eficaçment l'oxidació. Les pel·lícules actives de PLA amb diferents proporcions (2, 4 i 6 % p/p) de l'extracte USHT, presentaren color i propietats mecániques lleugerament pitjors, però amb major capacitat de barrera a l'oxigen. La cinètica d'alliberament dels antioxidants incorporats, en simulants alimentaris de diferent polaritat (A: productes aquosos; i D1: sistemes d'oli en aigua), va mostrar que les pel·lícules amb un 6% d'extracte, tenien una capacitat antioxidant similar en simulants amb diferent polaritat. Es van obtenir bicapes biodegradables laminant PLA, amb i sense extracte USHT (6 %), i midó termoplàstic, amb o sense FC USHT (3 %). Les bicapes van mostrar millor capacitat de barrera global que les monocapes. No obstant això, la migració de compostos entre capes va donar lloc a pel·lícules menys rígides i resistents respecte a l'esperat de la contribució de la pel·lícula de PLA. Les bicapes actives i reforçades van allargar la vida útil de carn de porc refrigerada. Les pel·lícules de PLA amb un 6 % (p/p) dels diferents extractes (USHT, SWE-160 i SWE-180) van presentar menor resistència mecànica i capacitat de barrera al vapor d'aigua, però una major capacitat de barrera a l'oxigen i a la llum UV. A més, aquestes pel·lícules, especialment amb l'extracte SWE-180, van allargar la vida útil de la carn de porc refrigerada. Les FCs obtingudes amb els diferents mètodes de purificació també es van utilitzar per produir aerogels de cel·lulosa. Les diferències composicionals van afectar la microestructura dels aerogels. La capacitat d' absorció i de retenció d'aigua dels aerogels va estar dins dels rangs descrits per a aquest tipus de materials. Per tant, va ser possible obtenir fraccions valoritzades de la palla d' arròs, extractes actius i fibres cel·lulòsiques, útils en el desenvolupament de materials biodegradables actius a base de midó i PLA. Són necessaris més estudis per validar la seguretat alimentària dels materials, així com per al desenvolupament d' altres aplicacions en el camp de la indústria alimentària o farmacèutica.

[EN] This Doctoral thesis focused on obtaining cellulosic fractions and bioactive extracts from rice straw (RS) by applying different extraction and purification techniques, using water as a green solvent. These fractions were incorporated into starch and poly (lactic acid) (PLA)-based films, as well as into starch-PLA bilayers, to obtain active packaging materials useful for extending the shelf life of different food matrices. The extracts obtained by applying a combined ultrasound-reflux heating method (USHT) and subcritical water extraction (SWE) (at 160 °C (SWE-160) and 180 °C (SWE-180)) exhibited high phenolic content (37, 51, 83 mg GAE.g-1 dry extract, respectively) and antioxidant activity (6.3, 2.0, and 1.2 mg dry extract.mg-1 DPPH, respectively). The SWE extracts showed antibacterial activity against L. innocua and E. coli. Cellulose fibres (CF) were isolated from the extraction insoluble fractions and compared with those obtained from the traditional alkaline method. Despite slight differences in the degree of purification, the new methods gave rise to CFs with higher yields than the alkaline method (35-39% vs. 29%), with similar crystallinity (60-69%), thermal behaviour, and aspect ratios. USHT fibres were incorporated into corn starch (1, 3, and 5% wt.), and corn starch-modified by heat treatment, obtained by thermoprocessing. The incorporation of CF at 3% gave rise to films with the best functional properties. When active extracts were incorporated at different ratios (4, 6, and 8% wt.) into the starch matrix, with or without CF (3%), the films were more stretchable and less resistant, but with higher oxygen barrier capacity. Likewise, mono-dose bags of these active and reinforced films effectively reduced the oxidation of packed sunflower oil. Active, plasticised PLA films were produced, incorporating USHT extract (2, 4, and 6% wt.) by thermoprocessing, which exhibited colour and slightly worsened tensile behaviour, but with higher oxygen barrier capacity. The release kinetics of the incorporated antioxidant compounds in food simulants of different polarity (A: aqueous products; and D1: oil-in-water systems) showed that films containing 6% of extract delivered similar antioxidant capacity regardless of the food simulant polarity. Biodegradable bilayers were obtained by laminating plasticised PLA, with and without USHT extract (6%), and thermoplastic starch, with or without USHT CFs (3%). The bilayers exhibited improved overall barrier capacity with respect to the monolayers. However, the interlayer compound migration led to less stiff and resistant films with respect to that expected from the PLA film contribution. The active and reinforced bilayers were able to extend the shelf life of the packed pork meat during cold storage. PLA films with 6% wt. of the different extracts (USHT, SWE-160, and SWE-180) were produced, which exhibited lower mechanical resistance and water vapour barrier capacity, but improved oxygen barrier capacity and intense UV light-blocking effect. Furthermore, the active PLA films, especially with SWE-180 extract, extended the shelf life of cold storage pork meat. The CFs obtained with the different purification methods were also used to produce cellulose aerogels. The differences in the chemical composition of the CFs affected the aerogels' microstructure. The water absorption and retention capacity of the aerogels were within the previously reported ranges for this type of material. Thus, it was possible to obtain valorised fractions of rice straw, active extracts and cellulosic fibres, useful in developing active biodegradable materials based on starch and PLA. Further studies are needed to validate the food safety of the materials, as well as for developing other applications in the food or pharmaceutical industry.