Different strategies to improve the functionality of biodegradable films based on starch and other polymers

Abstract

[EN] In the present Doctoral Thesis, different strategies to improve functional properties of starch films for food packaging applications were analysed: study of the effect of amylose:amylopectin ratio, blend with other polymers poly(vinyl alcohol) (PVA), and incorporation of different fillers (rice bran and cellulose nanocrystals-CNCs) and antimicrobial agents (neem oil-N, oregano essential oil-O and silver nanoparticles-AgNPs). Likewise, a biodegradation study of the films as affected by antimicrobials was carried out. Among different starches with distinct amylose:amylopectin ratio, pea starch was selected with higher values of this ratio. The high content of amylose gave rise to stiffer and more resistant to fracture films, with lower oxygen permeability, which decreased during storage. Pea starch-PVA (S-PVA) blend films represented a good strategy to improve film properties without a notable increase in cost. The PVA addition led to films which were less water soluble and not as sensitive to water sorption, more extensible and resistant than neat starch films, while they maintained the high oxygen barrier and provided stability to the matrix during ageing. In this sense, S-PVA ratios near to 1:1 are recommendable. When rice bran with the smallest particle size was used as filler, it improved the elastic modulus of the films, but reduced the film stretchability and barrier properties, due to the enhancement of the water binding capacity and the introduction of discontinuities in the matrix. Incorporation of CNCs into S-PVA films, as a reinforcing material, enhanced phase separation of polymers, did not imply changes in water vapour barrier of the films but improved the film mechanical performance: they became stiffer and more stretchable, while crystallization of PVA was partially inhibited. Silver loaded S-PVA films exhibited antimicrobial activity against the fungi (Aspergillus niger and Penicillium expansum) and bacteria (Listeria innocua and Escherichia coli) genera, depending on the silver concentration. Silver nanoparticles provoked notable changes in the film colour and transparency but no relevant changes in the other physical properties. Silver was completely delivered to aqueous simulants within the firsts 60 minutes of contact, but the film release capacity drastically decreased in the non-polar simulant, where the overall migration limit for food contact packaging materials (60 mg/Kg simulant) was accomplished. So, the use of the developed films as food packaging materials should be restricted to fat-rich foodstuffs. The incorporation of oregano essential oil (O), as antimicrobial agents, into the S-PVA matrix gave rise to active films against bacteria and fungi, whereas films containing neem oil (N) were not effective. Higher O concentration in the films was required to observe antifungal effect with respect to the antibacterial activity. Oils did not notably affect water sensitivity and water barrier properties of the films, but at high ratio, oils implied weaker film networks, affecting their mechanical performance. Blend of starch with PVA significantly improved PVA biodegradation and disintegration behaviour. Incorporation of silver species to S-PVA films slowed down their biodegradation kinetics while increased their degradation ratio. However, no significant effect of O was observed on the biodegradability indices despite the antimicrobial activity detected for this oil. N even promoted biodegradation of S-PVA films. Finally, a food application of biopolymer coatings was studied, using chitosan and essential oils (oregano or rosemary) to prevent weight loss and fungal development of semi-hard goat's milk cheeses. Coating were highly effective at reducing fungal growth and cheese weight loss while slightly reduced lipolytic and proteolytic activities in the cheese. Sensory evaluation revealed that the cheeses double coated with chitosan-oregano oil were the best evaluated in terms of aroma and flavour.

[ES] En la Tesis Doctoral, se han analizado diferentes estrategias para mejorar las propiedades funcionales de películas de almidón para aplicaciones de envasado de alimentos: el estudio del ratio amilosa:amilopectina, mezclas con otros polímeros (alcohol de polivinilo-PVA), y la incorporación de diferentes refuerzos (salvado de arroz y nanocristales de celulose-CNCs) y agentes antimicrobianos (aceite de neem-N, aceite esencial de orégano-O y nanopartículas de plata-AgNPs). También se realizó un estudio de biodegradación de las películas observando el efecto de los antimicrobianos. Entre los diferentes almidones con distinto ratio amilosa:amilopectina, se seleccionó el almidón de guisante con altos valores de amilosa. El alto contenido en amilosa dio lugar a películas más rígidas y resistentes a la fractura, con baja permeabilidad al oxígeno, la cual disminuyó durante el almacenamiento. Las películas de mezcla de almidón-PVA (S-PVA) representaron una buena estrategia para mejorar las propiedades de las películas sin incrementar notablemente el precio. La adición de PVA dio lugar a películas menos solubles en agua, menos sensibles a su absorción y más extensible y resistentes que las de almidón puro, mientras mantuvieron alta barrera al oxígeno y dieron estabilidad a la matriz durante el envejecimiento. Son recomendables los ratios de S-PVA cercanos a 1:1. El salvado de arroz con menor tamaño de partícula, mejoró el modulo elástico de las películas, pero su extensibilidad y propiedades barrera empeoraron debido a la mejor capacidad de retención de agua y a las discontinuidades introducidas. La incorporación de CNCs en las películas de S-PVA incrementó la separación de fases de los polímeros, sin cambios en la permeabilidad al vapor de agua, y mejoró las prestaciones mecánicas: películas más rígidas y extensibles, mientras que inhibió parcialmente la cristalización del PVA. Las películas de S-PVA con partículas de plata exhibieron actividad antimicrobiana contra dos hongos y dos bacterias, dependiendo de la concentración de plata. Las AgNPs provocaron cambios en el color de las películas así como en su transparencia. La plata fue completamente liberada en los primeros 60 minutos en contacto con simulantes acuosos, sin embargo la liberación disminuyó en simulantes no polares, donde se cumple el límite de migración global. Por lo tanto, el uso de las películas desarrolladas para envasado de alimentos debe ser restringido a productos alimenticios ricos en grasas. La incorporación de O en la matriz de S-PVA dio lugar a películas activas contra bacterias y hongos, mientras que las películas con N no fueron efectivas. Se necesitaron concentraciones más altas de O en las películas para observar un efecto antifúngico respecto a la actividad bactericida. Los aceites no afectaron notablemente la sensibilidad ni las propiedades barreras al agua de las películas, aunque la mayor proporción de aceite dio lugar a películas con una red más débil, afectando sus prestaciones mecánicas. La mezcla de S con PVA mejoró significativamente el comportamiento de biodegradación y desintegración de las películas. La incorporación de AgNPs a películas de S-PVA disminuyó su cinética de biodegradación mientras aumentó su ratio de degradación. La adición de O no presentó efecto significativo en el índice de biodegradación a pesar de la actividad antimicrobiana detectada. El N incluso mejoró la biodegradación de las películas. Finalmente, se realizó una aplicación de recubrimientos basados en biopolímeros, usando quitosano-CH y aceite esencial de orégano o romero para evitar la pérdida de peso y el desarrollo de hongos en quesos de cabra semicurados. Los recubrimientos fueron efectivos en la reducción del crecimiento fúngico y la pérdida de peso de los quesos, mientras que la actividad lipolítica y proteolítica ligeramente disminuyó. El análisis sensorial reveló q

[CA] S'han analitzat diferents estratègies per a millorar les propietats funcionals de pel·lícules de midó per a aplicacions d'envasat d'aliments: l'estudi de la ràtio amilosa:amilopectina, mescles amb altres polímers (alcohol polivinílic-PVA), i la incorporació de diferents reforços (segó d'arròs i nanocristalls de celulosa-CNCs) i agents antimicrobians (oli de neem-N, oli essencial d'orenga-O i nanopartícules de plata). També es va fer un estudi de biodegradació de les pel·lícules per observar l'efecte dels antimicrobians. Entre els diferents midons amb distint ràtio amilosa:amilopectina, es va seleccionar el midó de pèsol amb alts valors d'amilosa. L'alt contingut en amilosa va donar lloc a pel·lícules més rígides i resistents a la fractura, amb baixa permeabilitat a l'oxigen, la qual va disminuir durant l'emmagatzemament. Les pel·lícules de mescla de S-PVA van representar una bona estratègia per a millorar les propietats de les pel·lícules sense incrementar notablement el preu. L'addició de PVA va donar lloc a pel·lícules menys solubles en aigua, menys sensibles a la seua absorció i més extensible i resistents que les de midó pur. A més van mantenir l'alta barrera a l'oxigen i van donar estabilitat a la matriu durant l'envelliment. Son recomanables les ràtios de S- PVA pròxims a 1:1. El segó d'arròs amb menor tamany de partícula, va millorar el mòdul elàstic de les pel·lícules, però la seua extensibilitat i propietats barrera van empitjorar. La incorporació de CNCs en les pel·lícules de S-PVA, va incrementar la separació de fases dels polímers, sense implicar canvis en la permeabilitat al vapor d'aigua, però millorant les prestacions mecàniques: pel·lícules més rígides i extensibles, al mateix temps que es va inhibir parcialment la cristal·lització del PVA. Les pel·lícules de S-PVA amb partícules de plata van exhibir activitat antimicrobiana front a dos de fongs i dos bacteris, depenent de la concentració de plata. Les AgNPs van provocar canvis en el color de les pel·lícules així com en la seua transparència. La plata va ser completament alliberada en els primers 60 minuts en contacte amb simulants aquosos. La capacitat d'alliberament va disminuir en simulants no polars, on es complix el límit de migració global. Per tant, l'ús de les pel·lícules desenvolupades per a l'envasat d'aliments ha de ser restringit a productes alimentaris rics en greixos. La incorporació d'O en la matriu de S-PVA va donar lloc a pel·lícules actives front a bacteris i fongs. Pel contrari les pel·lícules amb N no van ser efectives. Van ser necessàries concentracions més elevades d'O en les pel·lícules per a observar un efecte antifúngic respecte a l'activitat bactericida. Els olis no van afectar la sensibilitat a l'aigua ni les propietats barrera a l'aigua de les pel·lícules, però la major proporció d'oli va donar lloc a pel·lícules amb una xarxa més dèbil, afectant les seues prestacions mecàniques. La mescla de S amb PVA va millorar significativament el comportament de biodegradació i desintegració. La incorporació de partícules de plata a pel·lícules de S-PVA va disminuir la seua cinètica de biodegradació mentre que va augmentar la seua ràtio de degradació. No obstant això, l'addició d'O no va presentar un efecte significatiu en els índexs de biodegradació a pesar de l'activitat antimicrobiana detectada. L'N fins i tot va millorar la biodegradació de les pel·lícules de S-PVA. Finalment, es va realitzar una aplicació de recobriments basats en biopolímers, fent ús de quistosà-CH i olis essencials de orenga i romer per evitar la pèrdua de pes i el desenvolupament de fongs en formatges de cabra semi-curats. Els recobriments van ser altament efectius en la reducció del creixement fúngic i la pèrdua de pes dels formatges. L'activitat lipolítica i proteolítica en els formatges va disminuir suaument. L'anàlisi sensorial va revelar que els form