Starch-protein active films for food preservation

Abstract

The overall objective of the doctoral thesis was the development of starch-based (S) biodegradable active films for food packaging applications, by applying both casting method and thermoprocessing. Different blends of S with protein material have been studied in order to improve the functional properties of the films or confer antimicrobial/antioxidant activity. The following protein materials were used: powder buttermilk (BM); lactoferrin (LF) and/or lysozyme (LZ), and bovine gelatin (BG). Ethyl lauroyl arginate (LAE, E243) was also incorporated as antimicrobial compound. Likewise, S:BG blend films, either with or without LAE, with previously oxidized S, have been studied to enhance the crosslinking of polymer chains and to improve the film properties. The films have been characterized as to their functional properties as packaging material, their antioxidant and/or antimicrobial properties, as well as their capacity for preserving different food systems, in terms of lipid oxidation and microbial spoilage. Blends of S with BM gave rise to films with a heterogeneous structure, in which the formation of a protein gel was observed when BM dispersion was heated with S at 90 ºC for 30 min. The heat treatment promoted an increase in the resistance to break and stretchability of films, together with a decrease in water vapour permeability. Only those films subjected to heat treatment exhibited antioxidant activity, probably due to the release of active peptides as a result of high temperatures. However, no antilisterial activity was observed for any film containing BM. The incorporation of LF and/or LZ into S films, obtained by the casting method, led to a partial compatibility between polymers, thus affecting the microstructure of S films, as well as leading to an rise in the glass transition temperature. Films with proteins were less extensible, especially when LF was incorporated. All of the films tested were effective at controlling the progress of lipid oxidation in pork lard, whereas only films with LF/LZ blend reduced the growth of coliforms in minced pork meat, as a result of their synergistic action. Films based on S and BG blends (1:1) were obtained by both casting method and thermo-processing. Phase separation of both polymers (stratified structure or separated domains of both polymers, respectively) was observed in both cases. The incorporation of LZ, but mainly LAE, into films, enhanced the compatibility between polymers. Thermo-processed films were more permeable to water vapour and oxygen, less rigid and resistant and more stretchable, in comparison with those films obtained by casting. While LAE incorporation improved the water vapour barrier capacity, it worsened the oxygen barrier properties, contrary to the effect produced by LZ. All films with LAE exhibited high antilisterial activity. Films based on oxidized S and BG (1:1), obtained by casting, showed a high polymer compatibility, and crosslinking between the polymer chains occurred due to the carbonyl-amino condensation reaction. As a result, the water uptake ability of the films decreased and the mechanical and barrier properties improved, although film browning was induced due to the formation of Maillard compounds. LAE incorporation implied its involvement in condensation reactions, due to its bi-functional character (carbonyl-amino), thus affecting crosslinking and the film properties. These reactive processes progressed throughout storage time, leading to an increase in the mechanical resistance and browning of the films. The obtained Maillard compounds conferred antimicrobial capacity on the films, which increased as the storage time progressed. The application of blend films of native or oxidized S and BG with LAE, for the purposes of preserving vacuum packaged chicken breast fillets, extended the shelf-life through the inhibition of bacterial growth (total viable counts; psicrotrophic, anaerobic,lactic acid bacteria and coliforms). Samples packaged i

El objetivo general de la presente tesis doctoral se basa en el desarrollo de films activos biodegradables a base de almidón (S) para su aplicación en sistemas de envasado de alimentos, por medio de dos métodos diferentes de obtención, método en húmedo por extensión y secado (casting) y método en seco (termoprocesado). Se estudiaron mezclas de S con diferentes materiales proteicos, con fin de disminuir la alta higroscopicidad de los films de S y su retrogradación a lo largo del tiempo de almacenamiento y mejorar sus propiedades funcionales, así como conferirles actividad antimicrobiana/antioxidante. Los materiales proteicos utilizados fueron los siguientes: suero de mantequilla en polvo (BM); lactoferrina (LF) y/o lisozima (LZ), y gelatina bovina (BG). El etil lauroil arginato (LAE, E243) fue también incorporado como compuesto antimicrobiano. Asimismo, se estudiaron los films mezcla de S con BG, con y sin LAE incorporado, habiendo oxidado previamente el S, para así potenciar el entrecruzado de las cadenas poliméricas y mejorar las propiedades de los films. Estos fueron caracterizados en sus propiedades funcionales como material de envase, sus propiedades antioxidantes y/o antimicrobianas, así como por su capacidad de conservación de diferentes sistemas alimentarios, en términos de su oxidación lipídica y deterioro microbiológico. Las mezclas de S con BM dieron lugar a películas con una estructura heterogénea, en las que se observó la formación de un gel proteico como resultado del calentamiento de la dispersión BM con S a 90 ºC durante 30 min. El tratamiento térmico promovió un aumento de la resistencia a la rotura y extensibilidad de los films, junto con una disminución en la permeabilidad al vapor de agua. Sólo las películas sometidas a tratamiento térmico y homogeneización con cizalla mostraron actividad antioxidante, probablemente debido a la liberación de péptidos activos en consecuencia de la alta temperatura y fuerza de cizalla aplicada Sin embargo, no se observó actividad antilisteria para ninguno de los films con BM. La incorporación de LF y/o LZ en films de S condujo a una compatibilidad parcial entre polímeros, afectando así a la microestructura de los films de S, y produciendo un aumento de la temperatura de transición vítrea y disminución de la capacidad de alargamiento de los films, especialmente cuando se incorporó LF. Todos los films resultaron eficaces en el control del progreso de la oxidación lipídica de la manteca de cerdo, mientras que sólo las películas con mezcla LF/LZ redujeron el crecimiento de coliformes en carne picada de cerdo, como resultado de su acción sinérgica. Los films basados en la mezcla S y BG (1: 1) fueron obtenidos por casting y termo-moldeado y compresión, llevando a la separación de fases entre ambos polímeros (estructura esratificada o separación de dominios de ambos polímeros, respectivamente). La incorporación de LZ, y principalmente de LAE, en los films, aumentó la compatibilidad entre ambos polímeros. Los films termoprensados fueron más permeables al vapor de agua y al oxígeno, menos rígidos y resistentes y más extensibles, en comparación con aquellos obtenidos por casting. La incorporación de LAE mejoró la capacidad de barrera contra el vapor de agua, mientras que incurrió en un empeoramiento de la barrera frente al oxígeno, contrariamente al efecto producido por la LZ. Los films con LAE, moldeados o termoprensados, mostraron una alta eficacia antilisteria. Los films basados en S oxidado y BG (1: 1), fueron obtenidos por casting y mostraron una alta compatibilidad polimérica, lo cual condujo al entrecruzado de las cadenas como resultado de la reacción de condensación carbonilo-amino producida entre ambos polímeros. En consecuencia, la capacidad de absorción de agua de los films disminuyó y se mejoraron las propiedades mecánicas y de barrera, aunque también se indujo a un pardeamiento de los films, indicando

L'objectiu general de la tesi doctoral és el desenvolupament de films actius biodegradables a base de midó (S) per a la seua aplicació en sistemes d'envasat d'aliments, amb l'utitització del mètode d'extensió i assecat (casting) i termoprocessat (barrejat en fos i termo-compressió). Es van estudiar barreges de S amb diferents materials proteics, per millorar les propietats funcionals dels films o conferir activitat antimicrobiana. Els materials protèics utilitzats van ser: sèrum de mantega en pols (BM); lactoferrina (LF) i/o lisozima (LZ), i gelatina bovina (BG). L'ètil lauroil arginat (LAE, E243) va ser també incorporat com a compost antimicrobià. Així mateix, es van estudiar els films barreja de S amb BG, amb i sense LAE, havent oxidat prèviament el S, per potenciar l'entrecreuat de les cadenes polimèriques i millorar les propietats dels films. Aquests van ser caracteritzats en les seues propietats funcionals com a material d'envàs, les seues propietats antioxidants i/o antimicrobianes, així com en la seua capacitat de conservació en diferents sistemes alimentaris, en termes de la seua oxidació lipídica i deteriorament microbià. Les barreges de S amb BM van donar lloc a films amb una estructura heterogènia, en què es va observar la formació d'un gel protèic com a resultat del calfament de la dispersió BM amb S a 90 ºC durant 30 min. El tractament tèrmic va promoure un augment de la resistència al trencament i extensibilitat dels films, juntament amb una disminució en la permeabilitat al vapor d'aigua. Només el films sotmesos a tractament tèrmic van mostrar activitat antioxidant, probablement a causa de l'alliberament de pèptids actius com a conseqüència de l'alta temperatura. No obstant això, no es va observar activitat antilisteria per cap dels films amb BM. La incorporació de LF i/o LZ en films de S obtinguts per casting va donar lloc a una compatibilitat parcial entre polímers, afectant a la microestructura dels films de S, i produint un augment de la temperatura de transició vítria. Els films amb les proteïnes van ser menys extensibles, especialment quan es va incorporar LF. Tots els films van resultar eficaços en el control de l'oxidació lipídica de la mantega de porc, mentre que només el films amb barreja LF/LZ van reduir el creixement de coliforms en carn picada de porc, com a resultat de la seua acció sinèrgica. Els films amb barreges S i BG (1: 1) van ser obtinguts per casting i termo-processat. En tots dos casos es va observar separació de fases entre els dos polímers (estructura estratificada o separació de dominis d'ambdós polímers, respectivament). La incorporació de LZ, i principalment de LAE, en els films, va augmentar la compatibilitat entre tots dos polímers. Els films termo-processats van ser més permeables al vapor d'aigua i l'oxigen, menys rígids i resistents i més extensibles, en comparació amb els obtinguts per càsting. La incorporació de LAE va millorar la capacitat de barrera al vapor d'aigua, a l'hora que va disminuir la capacitat de barrera davant l'oxigen, contràriament a l'efecte produït per la LZ. Tots els films amb LAE, van mostrar una alta capacitat antilisteria. Els films amb S oxidat i BG (1: 1), van ser obtinguts per casting i van mostrar una alta compatibilitat dels polímers, tot produint entrecreuat de les cadenes com a resultat de la reacció de condensació carbonil-amino. En conseqüència, va disminuir la capacitat d'absorció d'aigua dels films i es van millorar les propietats mecàniques i de barrera, encara que es va promoure l'enfosquiment dels films, cosa que indica la formació de compostos de Maillard. La incorporació de LAE va implicar la seua participació en les reaccions de condensació, a causa del seu caràcter bi-funcional (carbonil-amino), el que va afectar a l'entrecreuat i les propietats dels films. Aquests processos reactius van progressar al llarg del temps d'emmagatzematge, donant lloc a un augment de l