Estudio de propiedades fisicoquímicas y biológicas de películas bioactivas a base de quitosano y su efecto sobre la extensión de la vida útil de vegetales mínimamente procesados

Abstract

[EN] The growing demand of consumers to reduce the environmental impact caused by the use of non-biodegradable materials had a great influence to the interest in the development of biodegradable films and coatings. This fact is added to the current trend of consuming safe, good quality and ready-to-eat products, being minimally processed (MP) fruits and vegetables that have undergone a fast increase because they provide health benefits. However, the MP products show a quick quality deterioration and shelf life reduction. In this context, the biopolymers are an alternative source for the development of materials due to their biodegradability. The chitosan (Ch) is a promising biopolymer for use as packaging. Quercetin (Q) is a known natural antioxidant that can be incorporated into the packaging material. The aim of this thesis was to obtain biodegradable films based in modified Ch with Q, and to study their physico-chemical, mechanical, microbiological, and barrier properties for use in the preservation of MP vegetables during storage. Native Ch characterization was performed at an initial stage. Ch derivatization was made by the chloroperoxidase enzyme (CPO) which reacts with the flavonoid modifying it into the related quinone. Chemical characterization of the derivatized molecule was made by determining the content of polyphenols and antioxidant capacity. Ch and Ch-Q based films were prepared according to the method proposed by Bourbon et al. 2011, with some modifications. Physicochemical properties, antioxidant capacity, mechanical properties such as stress (TS) and strain at maximum load (E), and oxygen (O2), carbon dioxide (CO2) and water vapor barrier properties. Furthermore, the antimicrobial ability against Escherichia coli and Staphylococcus aureus was investigated. Finally, the stability of coated MP carrots (Daucus carota L) was evaluated by studying the antimicrobial activity during refrigerated storage. In addition, the antioxidant capacity was evaluated by determining the ascorbic acid (AA) and beta-carotene content of samples coated with Ch and Ch-Q based film forming solution. Results indicate that the incorporation of Q in the polymeric matrix, through the Ch-Q adduct formation, modified the films properties. The use of Ch derivatized by Q, yielded coatings with better properties, especially with regard to thickness, density, optical, antimicrobial, and antioxidant properties, and capability barrier to O2 and CO2. The TS was increased due to the greatest degree of polymer crosslinking because Ch matrix-Q interactions. In addition, greater affinity with water than films had managed, increase the value of E; nevertheless, this effect was reduced because of the higher strength and stiffness of the polymeric film structure. Microbiological results of in vitro and coated carrots, indicate that biodegradable Ch-Q based films, with a concentration of 1% (w / v), are a feasible alternative in control of the microorganisms evaluated. The incorporation of Q resulted in a synergistic effect with Ch, controlling the microbiota present in the MP vegetable. The presence of Q had a positive influence on the antioxidant effect showed by functionalized molecule of Ch and film. Structural characteristics of Q had been decisive to increase the antioxidant activity. Regarding to the evaluation of the stability of MP carrots samples, a protective effect against loss of ¿-carotene was obtained; however, the content of AA was decreased at least 70%, could not be determined if any treatment had protective effect on this vitamin. According to these results, this type of coating is suitable for application to MP carrots improving quality and increasing their shelf life. However, it is possible to continue working to optimize certain properties, such as water vapor permeability.

[ES] El creciente interés por el desarrollo de películas y recubrimientos biodegradables para la conservación de los alimentos se debe, principalmente, a las exigencias cada vez mayores de los consumidores respecto de reducir el impacto ambiental ocasionado por el uso de envases no biodegradables. Este hecho se suma a la tendencia actual de consumir productos seguros, de buena calidad y listos para el consumo, siendo las frutas y verduras mínimamente procesadas (MP) las que han sufrido un rápido incremento debido a que proporcionan beneficios para la salud. Sin embargo, los productos MP presentan un rápido deterioro de la calidad y reducción de la vida útil. El quitosano (Ch) es un biopolímero muy prometedor para uso como envase. La quercetina (Q) es un reconocido antioxidante natural que puede ser incorporado en el material de envasado. El objetivo del presente trabajo fue la obtención de recubrimientos biodegradables utilizando como base el Ch modificado con Q, y el estudio de sus propiedades físico-químicas, mecánicas, de barrera y microbiológicas para su empleo en la preservación de vegetales mínimamente procesados durante su almacenamiento. En una primera etapa se realizó la caracterización del Ch nativo. La derivatización de Ch con Q se realizó a través de la reacción catalizada por la enzima cloroperoxidasa (CPO) la cual actúa sobre el flavonoide transformándolo en la correspondiente quinona altamente reactiva frente a Ch. Se realizó la caracterización química del derivatizado. Luego se prepararon las películas a base de Ch y Ch-Q según el método propuesto por Bourbon y col. 2011, con algunas modificaciones, y se evaluaron las propiedades fisicoquímicas, capacidad antioxidante, propiedades mecánicas y propiedades barrera. Se estudió la capacidad antimicrobiana frente a Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Finalmente, se evaluó la estabilidad de zanahorias (Daucus carota L) mínimamente procesadas recubiertas, estudiándose la capacidad antimicrobiana durante el almacenamiento en refrigeración y la capacidad antioxidante, evaluando el contenido de ácido ascórbico (AA) y beta-caroteno. Los resultados obtenidos indican que la incorporación de la Q en la matriz polimérica, a través de la formación del aducto Ch-Q, modificó las propiedades de los films. El empleo de Ch derivatizado con Q, permitió obtener recubrimientos con mejores propiedades, principalmente en lo que respecta a espesor, densidad, propiedades ópticas, antimicrobianas, antioxidantes y de barrera frente a O2 y CO2. El mayor grado de reticulación del polímero debido a las interacciones entre la matriz de Ch y la Q, provocó un aumento en TS. Además, la mayor afinidad con el agua que presentaron los films logró incrementar el valor de E; sin embargo, este efecto se vio reducido por la mayor resistencia y rigidez de la estructura polimérica del film. Los resultados microbiológicos in vitro y sobre las zanahorias recubiertas, indican que los films biodegradables a base Ch-Q, con una concentración del 1% (p/v), son una alternativa viable en el control de los microorganismos evaluados. La incorporación de la Q resultó en un efecto sinérgico con el Ch, logrando controlar la microbiota presente en el vegetal MP. La presencia de Q influyó de manera positiva sobre el efecto antioxidante presentado por la molécula de Ch funcionalizada y por el film. Respecto de la evaluación sobre la estabilidad de las muestras de zanahorias MP, se obtuvo un efecto protector frente a la pérdida de b-caroteno; sin embargo, el contenido de AA sufrió una disminución de al menos 70%, no pudiéndose determinar si algún tratamiento tuvo efecto protector sobre esta vitamina. Conforme a estos resultados, este tipo de recubrimiento resulta adecuado para la aplicación sobre zanahorias MP procurando la mejora de la calidad y el aumento de la vida útil de las mismas. No obstante, es posible continuar trabajando a fin de optimizar a

[CA] El creixent interès pel desenvolupament de pel·lícules i recobriments biodegradables per a la conservació dels aliments es deu, principalment, a les exigències cada vegada majors dels consumidors respecte de reduir l'impacte ambiental ocasionat per l'ús d'envasos no biodegradables. Aquest fet se suma a la tendència actual de consumir productes segurs, de bona qualitat i llestos per al consum, sent les fruites i verdures mínimament processades (MP) les que han patit un ràpid increment pel fet que proporcionen beneficis per a la salut. No obstant això, els productes MP presenten un ràpid deteriorament de la qualitat i reducció de la vida útil. El quitosan (Ch) és un biopolímer molt prometedor per a ús com a envàs. La quercetina (Q) és un reconegut antioxidant natural que pot ser incorporat en el material d'envasament. L'objectiu del present treball va ser l'obtenció de recobriments biodegradables utilitzant com a base el Ch modificat amb Q, i l'estudi de les seves propietats fisicoquímiques, mecàniques, de barrera i microbiològiques per a la seva ocupació en la preservació de vegetals mínimament processats durant l'emmagatzematge. En una primera etapa es realitza la caracterització del Ch natiu. La derivatització de Ch amb Q es va realitzar a través de la reacció catalitzada per l'enzim cloroperoxidasa (CPO) la qual actua sobre el flavonoide transformant-ho en la corresponent quinona altament reactiva enfront de Ch. Es va realitzar la caracterització química de l'derivatizado. Després es van preparar les pel·lícules a força de Ch i Ch-Q segons el mètode proposat per Bourbon i col. 2011, amb algunes modificacions, i es van avaluar les propietats fisicoquímiques, capacitat antioxidant, propietats mecàniques i barrera. A més, es va estudiar la capacitat antimicrobiana enfront de Escherichia coli i Staphylococcus aureus. Finalment, es va avaluar l'estabilitat de pastanagues (Daucus carota L) mínimament processades recobertes, estudiant-la capacitat antimicrobiana durant l'emmagatzematge en refrigeració. A més, es va determinar la capacitat antioxidant, avaluant el contingut d'àcid ascòrbic (AA) i beta-carotè. Els resultats obtinguts indiquen que la incorporació de Q en la matriu polimèrica, a través de la formació de l'adducte Ch-Q, va modificar les propietats dels films. L'ocupació de Ch derivatizado amb Q, va permetre obtenir recobriments amb millors propietats, principalment pel que fa a gruix, densitat, propietats òptiques, antimicrobianes, antioxidants i de barrera davant O2 i CO2. El major grau de reticulació del polímer causa de les interaccions entre la matriu de Ch i la Q, va provocar un augment en TS. A més, la major afinitat amb l'aigua que van presentar els films va aconseguir incrementar el valor d'E; però, aquest efecte es va veure reduït per la major resistència i rigidesa de l'estructura polimèrica del film. Els resultats microbiològics in vitro i sobre les pastanagues recobertes, indiquen que els films biodegradables a força Ch-Q, amb una concentració de l'1% (p / v), són una alternativa viable en el control dels microorganismes avaluats. La incorporació de la Q va resultar en un efecte sinèrgic amb el Ch, aconseguint controlar la microbiota present en el vegetal MP. La presència de Q influeix de manera positiva sobre l'efecte antioxidant presentat per la molècula de Ch funcionalitzada i pel film. Respecte de l'avaluació sobre l'estabilitat de les mostres de pastanagues MP, es va obtenir un efecte protector enfront de la pèrdua de b-carotè; però, el contingut d'AA va patir una disminució d'almenys 70%, no podent determinar si algun tractament va tenir efecte protector sobre aquesta vitamina. D'acord amb aquests resultats, aquest tipus de recobriment resulta adequat per l'aplicació sobre pastanagues MP procurant la millora de la qualitat i l'augment de la vida útil de les mateixes. Tanmateix, és possible continuar treballant per tal d'optimitza