Propiedades de films de almidón de maíz. Influencia de la incorporación de lípidos, biopolímeros y compuestos bioactivos

Abstract

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Biodegradable starch-glycerol based films were obtained. The influence of lipid compounds (palmitic, stearic and oleic acid), other polymers (hydroxypropylmethylcellulose and sodium caseinate) and bioactive compounds (¿-tocoferol, D-limonene and orange essential oil) on film properties (oxygen and water vapour barrier, optical, mechanical, nano- and microstructural). Furthermore the effect of storage time on films¿ properties was also considered. Fatty acids addition did not improve the water vapour ability of films except for non-stored saturated fatty acids containing films. X-ray diffraction results showed that cristallinity of films increased with storage time, thus increasing the stiffness and decreasing the gloss of films. Furthermore, crystallinity affected the water sorption capacity of films as function of relative humidity and temperature. Glass transition temperature of starch films varied with saturated fatty acids addition. However, oleic acid did not affect this parameter. The presence of fatty acids promoted the formation of V-type structures, thus indicatin the formation of amylose-lipid complexes that inhibited the developmet of other crystalline structures. The effect of the incorporation of other biopolymers to improve the functionality of starch films was also studied. Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) addition inhibited starch retrogradation. However, obtained films were more permeable, specially in case of oxygen. HPMC addition produced phase separation as it was observed by scanning electron microscopy. On the contrary, sodium caseinate incorporation (NaCas) allowed to obtain homogeneous films and less permeable to oxygen. Obtained films showed less mechanical resistance in comparison with pure starch films but a greater flexibility without increasing the water vapour permeability. Rearrangement of polymers chains during storage reduced the mechanical resistance, the extensibility and the gloss of composite films. Regarding the obtained results, the film including a starch:protein ratio of 50:50 was choosen as the film with the most adequate properties. Composite film (starch:Nacas ratio = 50:50) was studied as a matrix for the incorporation o active compounds (¿-tocopherol, D-limonene and orange essential oil). The effect of ¿-tocopherol addition was compared with the incorporation of oleic acid and their mixture. Lipids addition promoted phase separation between starch and NaCas due to the different interactions between each polymer and the lipids. Furthermore, oleic acid addition increased significantly the oxygen permeability whereas ¿-tocopherol greatly improved the antioxidant capacity of films without affecting the oxygen permeability. D-limonene and orange essential oil incorporation was carried out by forming rapeseed and soy nanoliposomes, which acted as carriers of bioactive components. Nanoliposomes incorporation was performed directly in starch-NaCas dispersions without any homogenization, to avoid nanoliposomes damages. Bioactive compounds addition did not confer antimicrobial capacity to the films (except for soy-orange oil nanoliposomes containing film) probably due to the high stability of nanoliposomes and the low antibacterial activity of D-limonene and orange essential oil.

Se han desarrollado y caracterizado films biodegradables a base de almidón de maíz y glicerol como plastificante, evaluando al mismo tiempo el efecto de la adición de componentes lipídicos (ácido palmítico, esteárico y oleico), otros polímeros (hidroxipropilmetilcelulosa y caseinato de sodio) y compuestos bioactivos (¿-tocoferol, aceite esencial de naranja y D-limoneno) sobre las propiedades de los films (propiedades barrera al vapor de agua y al oxígeno, ópticas, mecánicas, micro y nanoestructurales). Asimismo se evaluó la influencia del tiempo de almacenamiento en las propiedades de los films. La adición de ácidos grasos no mejoró notablemente la permeabilidad al vapor de agua excepto en el caso de los films con ácidos grasos saturados y solo en films no almacenados. Los resultados de difracción de rayos X mostraron que la cristalinidad aumentó con el tiempo de almacenamiento, incrementándose la rigidez, y disminuyendo el brillo de los films. Del mismo modo, la cristalinidad afectó a la capacidad de sorción de agua de los films en función de la humedad relativa y la temperatura. La temperatura de transición vítrea de los films de almidón se vio afectada por la adición de ácidos grasos saturados pero no por la adición de ácido oleico. La presencia de dichos componentes promovió la formación de estructuras cristalinas tipo V, indicando la formación de complejos entre los lípidos y las cadenas de amilosa e inhibiendo la formación de otros tipos de formas cristalinas. Se analizó también el efecto de la incorporación de otros biopolímeros en la posible mejora de la funcionalidad de los films de almidón. En las mezclas con hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC), se inhibió la retrogradación del almidón en los films composite, pero se observó un efecto negativo en las propiedades barrera de los mismos, que fueron más permeables, principalmente al oxígeno. La adición de HPMC produjo separación de fases en los films (observada por microscopía electrónica de barrido). Por el contrario, la incorporación de caseinato de sodio (NaCas) permitió formar films homogéneos y menos permeables al oxígeno. Los films presentaron una resistencia mecánica algo menor que los films de almidón puro pero una mayor flexibilidad sin incrementar los valores de permeabilidad al vapor de agua. La reorganización de las cadenas de los polímeros con el tiempo de almacenamiento provocó la disminución de la resistencia mecánica, la deformabilidad y el brillo de los films composite. Atendiendo a los efectos observados, se eligió como formulación más adecuada el film composite formado por almidón y NaCas con un ratio de polímeros del 50:50. El film composite de almidón y NaCas (50:50) se estudió como matriz para la incorporación de compuestos bioactivos como son el ¿-tocoferol y el aceite esencial de naranja o su principal componente, el D-limoneno. El efecto de la adición de ¿-tocoferol se comparó con la influencia de la adición de ácido oleico y también con la adición de ambos compuestos. La adición de lípidos provocó una separación de fases entre el almidón y el NaCas debido a la diferente interacción entre cada polímero y los lípidos. Asimismo la adición de ácido oleico incrementó significativamente la permeabilidad al oxígeno, al contrario que el ¿-tocoferol, que además impartió a los films una elevada capacidad antioxidante. La incorporación de aceite esencial de naranja y D-limoneno se realizó utilizando nanoliposomas de lecitina de soja y lecitina de colza que encapsularon los compuestos activos. La incorporación de nanoliposomas en los films se realizó directamente en las dispersiones acuosas sin posterior homogeneización para evitar su ruptura. La adición de los compuestos bioactivos en forma de nanoliposomas no confirió capacidad antimicrobiana a los films, salvo en el caso de los nanoliposomas de lecitina de soja con aceite esencial, debido probablemente a la dificultad de los compuestos encapsulados para difundir en el film por la gran estabilidad de los liposomas y a la baja actividad antilisteria del D-limoneno y el aceite esencial de naranja.