Materials biodegradables actius en l’envasament d’aliments aprofitant residus agroalimentaris

Figura 1. Producció de materials biodegradables actius en l’envasament d’aliments a partir de residus agroalimentaris

 

La valorització de residus agroalimentaris per mitjà del seu aprofitament en el desenvolupament de materials d’envasament alimentari permet reduir el potencial impacte ambiental dels subproductes, al mateix temps que s’incrementa tant el seu valor com la sostenibilitat del procés de fabricació dels envasos. Així mateix, és necessari reduir les pèrdues d’aliments en tota la cadena, des de la distribució fins al consum, per a la qual cosa resulta de gran interés disposar de tecnologies d’envasament actiu que faciliten una millor conservació de diferents tipus d’aliments i una major seguretat alimentària. Així, els sistemes d’envasat actius són capaços d’inhibir la proliferació de microorganismes causants de deterioració i/o patògens, o de previndre les reaccions oxidatives en el producte gràcies al fet que permeten l’alliberament controlat d’agents antimicrobians i antioxidants des del material a l’aliment o a l’atmosfera que l’envolta.

En el grup de Biopolímers de FoodUPV, actualment s’estan duent a terme diversos projectes d’investigació centrats en l’aprofitament integral de residus agroalimentaris, seleccionats per la seua disponibilitat i abundància a escala local, nacional i regional, mitjançant l’obtenció de fraccions riques en compostos amb capacitat antioxidant i antimicrobiana (com els polifenols), lignina i fibres de cel·lulosa. Aquestes fraccions es poden incorporar en la formulació d’envasos alimentaris produïts a partir de polímers biodegradables. Entre els residus revaloritzats s’inclouen la palla d’arròs, la rapa de raïm negre i blanc de vinificació, la corfa i les pells d’ametla, les pells de creïlla, els residus de la producció d’orxata de xufa i el bagàs de cervesa, subministrats per empreses valencianes.

Per a la valorització dels residus agroalimentaris s’ha desenvolupat una metodologia escalable d’extracció de compostos actius i materials cel·lulòsics que s’ha mostrat eficient, sostenible i respectuosa amb el medi ambient, utilitzant aigua com a solvent. En aquest sentit, l’extracció amb aigua subcrítica (a alta temperatura i pressió) és molt interessant ja que les propietats especials de l’aigua en condicions subcrítiques permet dissoldre compostos orgànics, com els polifenols, que no es dissoldrien en condicions normals, i que usualment s’extrauen utilitzant solvents orgànics que generen residus de difícil reutilització. A més, l’aigua subcrítica té també capacitat extractiva per a hemicel·luloses i altres polímers, la qual cosa facilita l’obtenció d’extractes en pols amb bones propietats de fluència i estabilitat. Les estratègies d’extracció amb aigua subcrítica utilitzades han permés obtindre extractes de la palla d’arròs amb un alt rendiment en sòlids i una gran riquesa fenòlica (5.1-8.3 g d’àcid gàl·lic equivalent/100 g extracte), a més de proteïnes (9-10 g/100 g extracte), lignina (23 g/100 g extracte), cendres (principalment sílice, 9-10 g/ 100 g extracte) i carbohidrats. L’activitat antioxidant dels extractes és elevada i s’ha estimat en 1.2-2 mg extracte/mg del radical DPPH, pròxima a la d’antioxidants típics com la vitamina C o el tocoferol (0.12-0.26 mg/mg de DPPH). S’ha obtingut també activitat antibacteriana significativa per a aquests extractes enfront de bacteris Gram-positives i Gram-negatives.[1] Per tant, aquest tipus d’extractes poden utilitzar-se com a ingredients funcionals en la indústria alimentària, cosmètica o farmacèutica, i com a additius per a l’obtenció de materials d’envasament actiu, que poden alliberar els seus components en la matriu alimentària i exercir un paper antioxidant o antimicrobià per a allargar la vida útil dels aliments. A més a més, el procés d’extracció subcrítica realitzat s’ha mostrat efectiu per a la separació de residu cel·lulòsic, obtenint d’aquesta manera fibres de cel·lulosa que poden ser purificades i funcionalitzades i incorporades als materials d’envasament, entre altres aplicacions.

Els extractes actius i les fraccions cel·lulòsiques es poden incorporar en la formulació de materials d’envàs produïts a partir de polímers biodegradables com el midó termoplàstic (TPS), l’àcid polilàctic (PLA) i els polihidroxibutirat-valerat (PHBV) per al desenvolupament de films flexibles (mono o multicapa) i de compòsits (barquetes i safates), tal com es detalla de manera resumida en la Figura 1. Els extractes actius de la palla d’arròs s’han incorporat en films de PLA[2] i en films de TPS de dacsa amb i sense reforços de cel·lulosa obtinguts també a partir de la palla d’arròs. També s’han obtingut laminats de TPS (amb i sense reforç de cel·lulosa) i PLA (amb i sense extractes actius). La incorporació de fibres de cel·lulosa al 3 % en films de TPS va donar lloc a pel·lícules més resistents al trencament, més rígides i menys extensibles i amb més capacitat de barrera a l’oxigen i al vapor d’aigua. Quan els extractes actius es van incorporar en diferents proporcions (4, 6 i 8 % en pes) a la matriu de TPS, amb o sense fibres, els materials van ser més extensibles i menys resistents, però amb major capacitat de barrera a l’oxigen. La presència de l’extracte en els films de PLA els va proporcionar color i va reduir lleugerament la seua resistència al trencament, la seua extensibilitat i la seua capacitat de barrera al vapor d’aigua, però va augmentar la seua capacitat de barrera a l’oxigen. La cinètica d’alliberament dels compostos antioxidants incorporats, en simulants alimentaris de diferent polaritat, va mostrar que els films amb un 6 % d’extracte desenvolupaven una capacitat antioxidant similar, independentment de la polaritat del simulant. Els materials laminats de PLA, amb i sense extracte actiu i amb films de TPS, amb o sense fibres de cel·lulosa, van mostrar una millor capacitat de barrera global a l’oxigen i al vapor d’aigua, respecte dels films monocapa i una bona resistència mecànica.

Els materials actius desenvolupats són validats quant a la seua capacitat per a la conservació de diferents tipus d’aliments mitjançant estudis de vida útil dels productes envasats i emmagatzemats en condicions controlades. Així, es van obtindre bosses a partir dels films bicapa formats a partir d’una capa de PLA que va incorporar en la seua formulació els extractes actius de la palla d’arròs, i una capa de TPS reforçada amb la fracció cel·lulòsica amb propietats de barrera al vapor d’aigua i a l’oxigen adequades per a l’emmagatzematge en refrigeració de filets de carn de porc i que van ser capaços d’alentir la deterioració microbiana i inhibir la oxidació.[3] Els laminats de PLA/TPS PLA/TPS amb i sense extracte actiu i fibres de cel·lulosa es van utilitzar per a obtindre bosses monodosi per a l’envasat d’oli de gira-sol. Les bosses que contenien en la seua formulació l’extracte van mostrar la capacitat de reduir eficaçment l’oxidació de l’oli de gira-sol envasat, en comparació amb les bosses de film sense extracte.[4] A més a més, es van addicionar àcids fenòlics (presents en l’extracte aquós de l’extracció subcrítica de palla d’arròs) en bicapes amb propietats barrera millorades preparades a partir d’un film mescla de PLA i PHBV i un film de TPS de iuca i goma gellan. Es van preparar bosses a partir dels films bicapa que van donar lloc a un augment de la vida útil de filets de carn de porc emmagatzemats en refrigeració.[5] Tots aquests resultats evidencien l’efectivitat de l’ús dels extractes aquosos de la palla d’arròs per a obtindre materials biodegradables actius per a la conservació de carn i d’olis insaturats, la qual cosa prevé la seua deterioració oxidativa o microbiana i n’allarga la vida útil.

Finalment, és important assenyalar que la majoria dels polímers biodegradables, emprats per a la formulació de materials d’envasament, encara presenten una baixa disponibilitat i producció i, per tant, un cost elevat. La incorporació de les diferents fraccions cel·lulòsiques obtingudes a partir de residus agroalimentaris a les formulacions d’envasos basats en polímers biodegradables permetria reduir el cost dels materials d’envàs compostables i alhora es milloraria la seua funcionalitat, modulant així les seues propietats de barrera als gasos i la seua resistència mecànica perquè s’adapten als requeriments d’aliments amb diversa composició i problemàtiques de conservació. Així, esperem que els treballs que estem duent a terme en FoodUPV faciliten la reducció dels costos de producció de materials compostables basats en polímers biodegradables, a través de l’aprofitament de residus d’escàs valor que permeten a més millorar la funcionalitat dels envasaments alimentaris en conferir propietats actives que augmenten la vida útil dels aliments, per reduir el desaprofitament alimentari.

Agraïments

Les autores agraeixen el finançament rebut a través dels següents projectes competitius:

1. Valorisation of agri-food waste to obtain biodegradable materials for active food packaging (BARBIOPAC). CIPROM/2021/071.
2. Aprovechamiento integral de residuos agroalimentarios y su aplicación en el desarrollo de envases biodegradables activos para alimentos (RES4PACK). AGROALNEXT/2022/026.
3. Revalorización de Residuos Lignocelulósicos para el Desarrollo de Envases Alimentarios Biodegradables de Bajo Coste (WASTE4BIOPACK). TED2021-132295B-I00.

[1]Freitas, P. A., González-Martínez, C., & Chiralt, A. (2023). Active Poly (Lactic Acid) Films with Rice Straw Aqueous Extracts for Meat Preservation Purposes. Food and Bioprocess Technology. https://link.springer.com/article/10.1007/s11947-023-03081-6

[2]Freitas, P. A., Gil, N. J. B., Gonzalez-Martinez, C., & Chiralt, A. (2022). Antioxidant poly (lactic acid) films with rice straw extract for food packaging applications. Food Packaging and Shelf Life, 34, 101003. https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2022.101003

[3]Freitas, P. A., González-Martínez, C., & Chiralt, A. (2023). Using rice straw fractions to develop reinforced, active PLA-starch bilayers for meat preservation. Food Chemistry, 405, 134990. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134990

[4]Freitas, P. A., González-Martínez, C., & Chiralt, A. (2023). Antioxidant starch composite films containing rice straw extract and cellulose fibres. Food Chemistry, 400, 134073. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134073

[5]Hernández-García, E., Vargas, M., Chiralt, A. (2022). Starch-polyester bilayer films with phenolic acids for pork meat preservation. Food Chemistry, 385, 132650, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.132650.

Quadern número 496. Novembre 2023.