ANTIFUNGAL CHITOSAN-BASED FILMS AND COATINGS CONTAINING ESSENTIAL OILS FOR FRUIT APPLICATIONS

Abstract

[EN] Chitosan films and coatings have been obtained, by incorporating different essential oils (EO) and using different homogenization conditions of the film forming emulsions, in order to obtain antifungal materials for fruit preservation. The effect of oleic acid (OA) on the stability of the initial emulsions and on the film properties was analysed. Coatings were applied to control fungal decay in strawberries. The blending of chitosan with methylcellulose (MC) was also used in coating applications to tomato plants and fruits to prevent fungal infections. The films' functional properties as a function of their composition were analysed, as well as their antimicrobial activity through in vitro and in vivo tests. OA incorporation in the chitosan films (1:1 wt. ratio) reduced water vapour permeability (WVP) values to about 50 % of those of net chitosan films, with a small positive effect of the microfluidization process. EO (cinnamon, thyme and basil) did not notably reduced the WVP values of the chitosan films but a significant improvement in water barrier capacity was induced when OA was also added at 1:1 or 1:0.5 CH:OA ratios. In contrast, lipids slightly promoted oxygen permeability of the films. Lipid addition decreased the film stretchability and stiffness, with a lesser impact on the resistance to break, slightly depending on the droplet sizes. Essential oils also modulated the mechanical behaviour of the films, depending on their composition. Thyme and basil EO greatly promoted film stiffness and resistance to break, whereas cinnamon oil slightly reduced these mechanical attributes. Optical properties of the chitosan films were also affected by lipid incorporation. OA reduced the film transparency and gloss depending on the concentration, but provoked small changes in the colour parameters and whiteness index. EO affected transparency to a lesser extent, but had greater impact on the colour coordinates and whiteness index of the chitosan films due to the selective light absorption of their compounds. EO blend with oleic acid mitigated the colour changes in the films. Likewise, blending of OA with EO significantly reduced the losses of volatiles during the film formation due to the promotion of the stability of the film forming emulsions. Films containing cinnamon EO were effective in reducing the growth of Aspergillus niger, Botrytis cinerea and Rhizopus stolonifer, although thyme and basil EO encapsulated in the films did not exhibit antifungal action against these three fungi. When chitosan-cinnamon EO coatings were applied to strawberries inoculated with R. stolonifer, they reduced the fungal decay of the fruits during 14 days, at 10 °C, at the same time that total coliform counts were maintained at the initial levels. Chitosan coatings with lemon essential oil were also active at controlling fungal decay in strawberries. These did not significantly affect the physicochemical parameters of strawberries throughout cold storage, while they slowed down the respiration rate of the fruits and enhanced the chitosan antifungal activity against B. cinerea. The coatings, with and without lemon EO, affected the strawberry volatile profile, although it was only sensory appreciated for samples coated with chitosan-lemon oil. Blend films of CH and MC (1:1) containing oregano EO caused phytotoxic problems at "3 Leaves" stage of tomato plants, although the total biomass and crop yield was not affected. In the "Fruit" stage, the treatments had no negative effects. Coatings reduced the respiration rate of tomatoes, diminished weight loss during postharvest storage and were effective to decrease the fungal decay of tomatoes inoculated with R. stolonifer. Migration of thymol and carvacrol from CH-MC films in food simulants could overcome the stablished specific migration limit (60 mg/kg) for food contact packaging materials in aqueous and low pH systems if films contain a 1:1 polymer essential oil weight ratio.

[ES] En la presente tesis doctoral se han desarrollado diferentes materiales antifúngicos para su uso en conservación de frutas. Para ello, se han incorporado diferentes aceites esenciales (AE) en recubrimientos y películas de quitosano (Q). Se ha analizado el efecto de la adición de ácido oleico (AO) y las condiciones de homogeneización sobre la estabilidad de las emulsiones y sobre las propiedades de las películas. Se ha estudiado el efecto de los recubrimientos de Q sobre el deterioro fúngico en fresas y el efecto preventivo frente a infecciones fúngicas de las mezclas de metilcelulosa (MC) con Q en plantas de tomate. Se ha estudiado el efecto de la composición de las películas sobre las propiedades funcionales de las mismas, así como su actividad antimicrobiana in vitro e in vivo. La incorporación de AO en las películas de Q (proporción 1:1) redujo la permeabilidad al agua (PVA) en un 50% comparado con la de Q puro. La microfluidización indujo un efecto positivo sobre dicha reducción. La adición de AE (hoja de canela, tomillo o albahaca) no supuso una disminución notable de los valores de permeabilidad obtenidos para las películas de Q. Cuando se añadió AO a las formulaciones de Q y AE (proporciones 1:1 o 1:2), se promovió una mejora significativa en la PVA de las películas. En cambio, la adición de lípidos aumentó ligeramente la permeabilidad al oxígeno, disminuyó la elasticidad y la rigidez, y produjo un menor impacto sobre la resistencia a la rotura. A su vez, la adición de AE modificó el comportamiento mecánico de las películas. Los AE de tomillo y albahaca aumentaron considerablemente la rigidez y la resistencia a la rotura, mientras que el AE de hoja de canela redujo estos parámetros ligeramente. La adición de lípidos a las películas de Q afectó las propiedades ópticas de las mismas. El AO redujo la transparencia y el brillo, en función de la concentración añadida. La adición de AE tuvo un mayor impacto sobre los parámetros de color y el índice de blancura. Las mezclas de AE y AO mitigaron estos cambios de color. Además, la incorporación de las mezclas AE-OA redujo las pérdidas de volátiles del AE durante la formación de las películas. Las películas formuladas con el AE de hoja de canela fueron efectivas contra el crecimientos de A. niger, B. cinerea y R. stolonifer, aunque los AE de tomillo y albahaca encapsulados en las películas no mostraron ninguna actividad antifúngica. La aplicación de los diferentes recubrimientos de Q AE de C en fresas inoculadas con R. stolonifer dio lugar a una reducción en el deterioro fúngico de los frutos almacenados durante 14 días a 10°C. Los recubrimientos de Q-AE de limón también fueron efectivos en el control del deterioro fúngico en fresas. Estos recubrimientos no afectaron significativamente los parámetros físico-químicos de las fresas durante el almacenamiento en refrigeración, disminuyeron la tasa de respiración de los frutos y acentuaron la actividad antifúngica del Q frente a B. cinerea. Tanto los recubrimientos con AE como los de Q puro modificaron el perfil de volátiles de las fresas, aunque estos cambios solo fueron apreciados sensorialmente en el caso de los frutos recubiertos con AE. Las mezclas de Q y MC que contenían AE de orégano causaron efectos fitotóxicos en plantas de tomate en el estadio "3 hojas", aunque no afectaron a la biomasa total. En el estadio "frutos" los tratamientos no tuvieron ningún efecto negativo. Los recubrimientos redujeron la tasa de respiración de los tomates, disminuyeron la pérdida de peso durante el almacenamiento post-cosecha y fueron efectivos contra el deterioro fúngico de tomates inoculados con R. stolonifer. La migración de los compuestos fenólicos timol y carvacrol, contenidos en las películas de Q-MC, podría superar el límite de migración específica establecido (60 mg/Kg) para materiales de envase en contacto con alimentos en los casos de sistemas acuosos y d

[CA] En la present tesi doctoral s'han desenvolupat diferents materials antifúngics per al seu ús en conservació de fruites. Per a açò, s'han incorporat diferents olis essencials (OE) en recobriments i pel·lícules de quitosano (Q). S'ha analitzat l'efecte de l'addició d'àcid oleic (AO) i les condicions d'homogeneïtzació sobre l'estabilitat de les emulsions i sobre les propietats de les pel·lícules obtingudes. S'ha estudiat l'efecte dels recobriments de Q sobre la deterioració fúngica en maduixes i l'efecte preventiu enfront d'infeccions fúngiques de les mescles de metilcelulosa (MC) amb Q en plantes de tomaca. S'ha estudiat l'efecte de la composició de les pel·lícules sobre les propietats funcionals de les mateixes, així com la seua activitat antimicrobiana in vitro i in vivo. La incorporació de AO en les pel·lícules de Q (1:1) va reduir la permeabilitat al vapor d'aigua (PVA) en un 50% comparat amb la de Q pur. La microfluidització va induir un petit efecte positiu sobre aquesta reducció. L'addició de AE (fulla de canyella, C, timó, T, i alfàbrega, A) no va suposar una disminució notable dels valors de permeabilitat obtinguts per a les pel·lícules de Q. Quan es va afegir AO a les formulacions de Q i AE, es va promoure una millora significativa en la PVA de les pel·lícules. Per contra, l'addició de lípids va augmentar lleugerament la permeabilitat a l'oxigen, va disminuir l'elasticitat i la rigidesa, i va produir un menor impacte sobre la resistència al trencament. Al seu torn, l'addició de OE va modificar el comportament mecànic de les pel·lícules. Els OE de T i d'A van augmentar considerablement la rigidesa i la resistència al trencament, mentre que l'OE de C va reduir aquests paràmetres lleugerament. L'addició de lípids a les pel·lícules de Q també va afectar les propietats òptiques de les mateixes. L'AO va reduir la transparència i la lluentor, en funció de la concentració afegida. L'addició d'OE va tenir un major impacte sobre el paràmetres de color i l'índex de blancor. Les mescles d'OE i AO van mitigar aquests canvis de color. A més, la incorporació de les mescles OE-AO va reduir les pèrdues de volàtils de l'OE durant la formació de les pel·lícules. Les pel·lícules formulades amb l'OE de C van ser efectives contra el creixements d'A. niger, B. cinerea i R. stolonifer, encara que els OE de T i A encapsulats en les pel·lícules no van mostrar cap activitat antifúngica. L'aplicació dels diferents recobriments de Q OE de fulla de canyella en maduixes inoculades amb R. stolonifer va donar lloc a una reducció en la deterioració fúngica dels fruits emmagatzemats durant 14 dies a 10°C. Els recobriments de Q-OE de llimó també van ser efectius en el control de la deterioració fúngica en maduixes. Aquests recobriments no van afectar significativament els paràmetres fisicoquímics de les maduixes durant l'emmagatzematge en refrigeració, van disminuir la taxa de respiració dels fruits i van accentuar l'activitat antifúngica del Q enfront de B. cinerea. Tant els recobriments amb OE com els de Q pur van modificar el perfil de volàtils de les maduixes, encara que aquests canvis sol van ser apreciats sensorialment en el cas dels fruits recoberts amb OE. Les mescles de Q:MC que contenien OE d'orenga van causar efectes fitotòxics en plantes de tomaca en l'estadi "3 fulles", encara que no van afectar a la biomassa total. En l'estadi "fruits" els tractaments no van tenir cap efecte negatiu. Els recobriments van reduir la taxa de respiració de les tomaques, van disminuir la pèrdua de pes durant l'emmagatzematge post collita i van ser efectius contra la deterioració fúngica de tomaques inoculades amb R. stolonifer. La migració dels compostos fenòlics timol i carvacrol, continguts en les pel·lícules de Q-MC, podria superar el límit de migració específica establit (60 mg/Kg) per a materials d'envàs en contacte amb aliments en els casos de sistemes aquosos i d