Desarrollo y caracterización de films halocrómicos derivados de proteína de zeína con enocianinas para monitorización del deterioro de alimentos frescos envasados

Abstract

[ES] En las últimas décadas, el uso de materiales poliméricos ha experimentado un crecimiento exponencial. El mayor volumen de polímeros se destina al sector de envase/embalaje de alimentos. Considerando la relevancia que han adquirido los objetivos de desarrollo sostenible (ODS), incidir en el desarrollo de polímeros de bajo impacto medioambiental representa una alternativa viable que puede contribuir de forma positiva a la transición de las economías lineales a circulares. En este sentido, los biopolímeros han ganado gran interés en los últimos años. El sector del envasado de alimentos también ha evolucionado, ofreciendo soluciones más allá del propio envase. Es el caso de los envases activos o los envases inteligentes. Los envases inteligentes proporcionan al consumidor y, en general, a toda la cadena, información sobre el estado del producto envasado, permitiendo identificar, de forma sencilla, el estado del producto y si se ha mantenido de forma apropiada desde la producción hasta que llega al consumidor.

El objetivo central de este trabajo es el desarrollo de films inteligentes para el sector del envase/embalaje. Considerando la relevancia de los biopolímeros y su bajo impacto medioambiental, se han desarrollado nuevos materiales capaces de actuar como sensores de pH (materiales halocrómicos) en productos frescos, ya que los procesos de deterioro de los alimentos frescos generan compuestos ácidos o básicos, que pueden modificar el pH del entorno. El trabajo aborda la fabricación de films o películas con base de proteína de zeína plastificada con glicerol, y la incorporación de enocianinas, o antocianinas derivadas de la piel de la uva morada, que presentan un comportamiento halocrómico. Con ello, se pretende ofrecer una solución técnica que pueda implementarse como control de calidad en pescado fresco, ya que el cambio de color producido en los films desarrollados, debido a los productos de la descomposición de los alimentos frescos, en este caso, aminas, permite una fácil identificación del estado real del alimento envasado.

En este trabajo se aborda una caracterización inicial del comportamiento halocrómico de las enocianinas en un rango de pH comprendido entre 2 y 13, que incluye una valoración visual de los cambios de color, así como una cuantificación mediante espectroscopía UV-Vis. Una vez cuantificado el comportamiento halocrómico, se han desarrollado formulaciones de films con proteína de zeína, plastificada con glicerol (20 % en peso), con diferentes contenidos en enocianinas en el rango 1,5 6,0 % en peso en relación con el contenido de zeína. Para la fabricación de los films halocrómicos, se ha empleado la técnica de solvent casting dada la facilidad que ofrece en la obtención de películas finas. El trabajo incluye una completa caracterización de los materiales desarrollados que abarca sus propiedades mecánicas, térmicas, absorción de humedad, humectabilidad superficial, color, entre otras, así como el estudio del efecto del contenido de enocianinas en el conjunto de propiedades descrito. En la fase final se aborda la aplicación de estos sensores/indicadores de pH mediante la realización de una caracterización in vitro del cambio de color derivado de la exposición a los vapores de una disolución de amoniaco, y en condiciones in vivo, con los cambios de color derivados de la descomposición de pescado fresco, ya que las aminas resultado de la descomposición, contribuyen a un incremento de PH, que lleva asociado un cambio de color fácilmente detectable por el sensor de base zeína con enocianinas. Este trabajo, pone de manifiesto la relevancia que pueden tener los films con aditivos de enocianinas, en el control de calidad de producto fresco, como el pescado. Además, se trata de materiales que ofrecen una total biodegradación (desintegración en compost) en un período relativamente corto, inferior a 30 días.

[EN] In recent decades, the use of polymeric materials has experienced exponential growth. The largest volume of polymers is used to the food packaging sector. Considering the significance of the sustainable development goals (SDGs), focusing on the development of low environmental impact polymers represents a viable alternative that can positively contribute to the transition from linear to circular economies. In this regard, biopolymers have gained significant interest in recent years. The food packaging sector has also evolved, offering solutions beyond mere packaging. This is the case with active packaging or smart packaging. Smart packaging provides consumers and, generally, the entire supply chain with information about the condition of the packaged product, allowing easy identification of the product's state and whether it has been properly maintained from production until it reaches the consumer. The main objective of this work is the development of smart films for the packaging sector. Considering the relevance of biopolymers and their low environmental impact, new materials capable of acting as pH sensors (halochromic materials) in fresh products have been developed, since the deterioration processes of fresh foods generate acidic or basic compounds that can modify the surrounding pH. The work addresses the fabrication of films based on zein protein plasticized with glycerol, and the incorporation of enocyanins, or anthocyanins derived from the skin of purple grapes, which exhibit halochromic behavior. This aims to offer a technical solution that can be implemented as a quality control measure in fresh fish, as the color change produced in the developed films due to the decomposition products of fresh foods, in this case, amines, allows easy identification of the actual state of the packaged food. This work provides an initial characterization of the halochromic behavior of enocyanins over a pH range of 2 to 13, including a visual assessment of color changes and quantification through UV-Vis spectroscopy. Once the halochromic behavior was quantified, formulations of films with zein protein plasticized with glycerol (20 % by weight) were developed, with different enocyanin contents in the range of 1.5 - 6.0% by weight relative to the zein content. The solvent casting technique was employed for the fabrication of the halochromic films, given its ease in obtaining thin films. The work includes a comprehensive characterization of the developed materials, covering their mechanical, thermal properties, moisture absorption, surface wettability, color, among others, as well as the study of the effect of enocyanin content on the described set of properties. In the final phase, the application of these pH sensors/indicators is addressed through an in vitro characterization of the color change derived from exposure to ammonia solution vapors, and in vivo conditions, with the color changes resulting from the decomposition of fresh fish, since the amines resulting from decomposition contribute to a pH increase, leading to a color change easily detectable by the zein-based sensor with enocyanins. This work highlights the relevance that films with enocyanin additives can have in the quality control of fresh products, such as fish. Moreover, these materials offer complete biodegradation (disintegration in compost) within a relatively short period, less than 30 days.