Impregnación supercrítica de extractos naturales en la preservación de alimentos
- Autores: Cristina Cejudo-Bastante
- Directores de la Tesis: C. Mantell Serrano (dir. tes.), Lourdes Casas Cardoso (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cádiz ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gabriele Di Giacomo (presid.), C. Pereyra López (secret.), María Carmen Capiscol Pérez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Recursos Agroalimentarios por la Universidad de Cádiz
- Materias:
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- Resumen
- español
RESUMEN La utilización de envases activos es una de las alternativas más innovadoras que se está desarrollando actualmente en la industria alimentaria en cuanto a lo que preservación de alimentos se refiere. Existen numerosos métodos de generación de envases activos, los cuales se encuentran muchos de ellos en fase de investigación. Todos se basan en incorporar de alguna forma en el envasado propiedades que incrementen la vida útil del alimento. Uno de los métodos que actualmente se está investigando por parte de la comunidad científica internacional está basado en adicionar una sustancia natural con propiedades activas al envase. De esta forma, la sustancia activa transfiere al envase sus propiedades antioxidantes y/o antibacterianas, y redundando por tanto en un incremento de vida media del producto envasado. En este sentido, uno de los métodos de incorporación del producto activo al envase alimentario utiliza fluidos supercríticos como medio de impregnación siendo esta una de las técnicas más revolucionarias para este tipo de procesos. La presente Tesis Doctoral está centrada en el estudio de viabilidad del proceso de impregnación supercrítica de envases activos alimentarios como los plásticos multicapa PET/PP (polietileno tereftalato/polipropileno). El producto que se propone para su impregnación es un extracto natural de hoja de olivo (OLE) que sea capaz de aportar capacidad antioxidante y antimicrobiana al material de envasado. Además, el proceso debe garantizar que se mantengan las propiedades mecánicas del polímero de partida, de tal manera que se pueda usar en envasado alimentario.
Para su utilización como sustancia activa, es necesario que el extracto de hoja de olivo (OLE) presente una alta bioactividad. Por ello, ha sido necesario estudiar el proceso de extracción considerando las condiciones de obtención más favorables en función de la capacidad antioxidante mediante la reacción con el reactivo 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (ensayo DPPH). Una vez optimizado el proceso en función de la capacidad antioxidante, se determina la capacidad antibacteriana del extracto contra Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa y Salmonella enteritidis, así como el perfil fenólico mediante cromatografía líquida ligada a espectrometría de masas (UHPLC-ESI-QToF-MS).
Previamente al estudio con el extracto de hoja de olivo, el proceso se valida utilizando un polifenol patrón, el ácido cafeico. Con el objetivo de definir las condiciones de impregnación más favorables para la incorporación del extracto de hoja de olivo, se han estudiado diversos parámetros de operación, tales como la presión P (100-400 bar), la temperatura T (35 y 55 °C), la velocidad de despresurización DR (1 y 100 bar/min), el tiempo de impregnación t (5 min-22 h), el porcentaje de co-disolvente en el reactor de impregnación (1-7%) (v/v), y la relación entre el peso seco de extracto y el peso de polímero OLE/polímero (0,1-1). Finalmente, tras la impregnación del film con extracto de hoja de olivo, se ha determinado y comparado las propiedades bioactivas de los plásticos impregnados respecto del extracto de partida. Los compuestos fenólicos activos mayoritarios tanto en el extracto como en las matrices impregnadas han sido oleuropeína y luteolina-7-glucósido.
Los plásticos impregnados a 400 bares, 35 °C durante 1 hora y a una despresurización de 100 bar/min en modo discontinuo, con un 7% de co-disolvente y una relación 1/1 de OLE/polímero, han sido los más activos debido a la mayor concentración y diversidad de compuestos provenientes del extracto de partida. A esas condiciones, se ha evaluado la capacidad antimicrobiana de los plásticos impregnados con OLE contra E. coli, S. aureus and S. enteritidis, observándose en general una menor capacidad inhibitoria de los films respecto de la observada en el extracto de partida, excepto en el caso de P. aeruginosa, en el que los plásticos demostraron una mayor inhibición del crecimiento. No obstante, los datos obtenidos de rendimiento del proceso de impregnación revelan bajas tasas de incorporación de sustancias en el producto polimérico en comparación con otros procesos de impregnación con otro tipo de sustancias. A pesar de esta baja tasa de impregnación, la capacidad antioxidante del plástico obtenido es lo suficientemente alta como para obtener films activos aptos para la preservación de alimentos.
Además de demostrar la bioactividad del plástico tras el tratamiento, es necesario garantizar la integridad estructural del film después de la impregnación, ya que, en el proceso de impregnación supercrítica, a pesar de que las temperaturas de procesado no son muy elevadas, requiere de altas presiones que podrían dañar la estructura del polímero. Se evaluaron distintos parámetros como el efecto de la presión y la temperatura del CO2 y la presencia del extracto, en plásticos procesados mediante dos técnicas de impregnación, la discontinua (BM) y la semicontinua (SM). Los resultados obtenidos indican que la temperatura empleada durante la impregnación influye en algunas de las propiedades térmicas del plástico. Mientras que los plásticos procesados a 35 °C muestran una menor cristalinidad en la capa de polipropileno (PP), los procesados a 55 °C presentan una mayor temperatura de transición vítrea (Tg) de la capa polietileno tereftalato (PET) respecto del plástico control no tratado. Esto fue debido a que cada polímero (PET y PP) tienen diferente capacidad de absorción de CO2 a las condiciones de trabajo. En cuanto al efecto de la presión, las altas presiones han afectado únicamente a la capa de PP, disminuyendo su cristalinidad, y no a la capa PET. Además, se vio que las altas presiones favorecen la impregnación de films procesados en método discontinuo, mientras que los procesados en método semicontinuo no muestran un comportamiento claramente definido.
Las propiedades físicas del film no se vieron comprometidas de forma importante después de la impregnación, especialmente en el modo discontinuo. Sin embargo, cuando se trabaja en modo semicontinuo, el paso continuo de CO2 que se utiliza en la impregnación debilita ligeramente las propiedades mecánicas de los films impregnados. Basándonos en los resultados obtenidos, las condiciones de impregnación más favorables para la producción de un plástico altamente antioxidante con modificaciones estructurales despreciables fueron las relativas a 400 bar y 35 °C en modo discontinuo.
Los envases activos no tienen por qué ser efectivos en todos los tipos de alimentos. El estudio de migración en simulantes alimentarios se usa como paso previo a la aplicación en alimentos, con el fin de ver qué alimentos pueden ser más afines al envase activo. El estudio demostró que los alimentos ricos en grasas extraen mejor los compuestos impregnados, seguidos de los alimentos con pH > de 4.5 como la mayoría de las hortalizas y algunas frutas, y por últimos los alimentos de pH < 4.5, los cuales apenas extrajeron compuestos impregnados.
Finalmente, y teniendo en cuenta todos los resultados anteriores, y como etapa final destinada a probar la efectividad de los films impregnados en la preservación de alimentos, se han realizado dos ensayos utilizando el envase diseñado en alimentos reales: las semillas de girasol tostadas y peladas, y tomates cherry. En el primero, se ha probado la capacidad antioxidante de los films determinando la oxidación lipídica de la muestra durante el período de almacenamiento. Las muestras envasadas en los films impregnados mostraron un índice de peróxidos significativamente menor respecto al obtenido en semillas de girasol envasadas en plásticos no tratados o aquellas no envasadas. Por otro lado, el estudio en el segundo alimento se centró en analizar la capacidad antimicrobiana de los films. Los resultados concluyen que los tomates cherry envasados en los films impregnados presentaran un menor crecimiento microbiano, extendiendo su vida útil en 20 días respecto de los envasados en los plásticos sin tratamiento.
La principal conclusión de la Tesis Doctoral reside en que es posible elaborar plásticos activos mediante tecnología supercrítica utilizando extractos naturales obtenidos de hojas de olivo, los cuales proporcionan las actividades intrínsecas que poseen los propios extractos de partida, como capacidad antioxidante y antimicrobiana, jugando un papel activo en la preservación de alimentos.
- English
Active packaging is one of the most innovative alternatives for food preservation in the food industry. Supercritical Solvent Impregnation (SSI) of natural extracts is one of the most pioneering approaches among the different techniques that have been employed to develop active packaging. This thesis intends to determine the most suitable conditions to produce food-grade multilayer active PET/PP films (polyethylene terephthalate/polypropylene) impregnated with a particular olive leaf extract (OLE) that provides the packaging material with antioxidant and antimicrobial properties. The process should guarantee that the mechanical properties of the untreated polymer remain relatively unaltered, so that it can be used for food preservation purposes.
To be used as an active substance, the olive leaf extract must have high bioactivity levels. For this reason, by means of the reaction with the reagent 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH assay), the most favourable conditions to obtain the extract were determined according to their antioxidant capacity. Subsequently, the extract’s antibacterial capacity against Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Salmonella enteritidis was investigated, as well as the phenolic profile analysed by means of UHPLC-ESI-QToF-MS.
In order to determine the most convenient conditions for the impregnation of OLE, several parameters such as pressure (100–400 bar), temperature (35 and 55 °C), depressurization rate (1 and 100 bar/min), time (5 and 30 min, and 1, 2, 5 and 22 h), the co-solvent percentage (1–7%) (v/v) in the impregnation vessel and the ratio active substance/polymer (0.1–1) have been evaluated. After being impregnated, the active properties acquired by the films were studied and compared with those of the initial extract. The results revealed that despite the low level of impregnation obtained, if compared to the impregnation levels reached when other active substances were used, the antioxidant capacity of the films obtained is high enough as to play a role in food preservation.
Regarding the chemical characterization, oleuropein and luteolin-7-glucoside were the main phenolic compounds in both the extracts and the impregnated matrices. 400 bar, 35 °C, 1 hour and 100 bar/min of depressurization were established as the best impregnation conditions for bath mode. It was observed that the matrix had a higher concentration and a wider variety of OLE compounds. Regarding co-solvent characteristics, the highest AO capacity and polyphenol loading were found in films impregnated when 7% co-solvent and a 1/1 OLE/polymer ratio were used, where c.a. 5 mg AO/g film and 60 μg total polyphenols/g film were achieved. Under such conditions, the antimicrobial capacity of impregnated OLE films against E. coli, S. aureus and S. enteritidis was evaluated. A decrease in growth inhibition with respect to that found in crude OLE was observed, except in the case of P. aeruginosa, against which inhibition increased.
Although the bioactivity of the film after impregnation was evident, the integrity of the film after impregnation must be ensured. Supercritical conditions, despite using relatively low temperature, apply high pressures that may damage polymer structure. The impact that pressure, temperature, CO2 flow and the presence of OLE had on the properties of the films were evaluated for films produced either by batch mode (BM) or by semi-continuous mode (SM). The process temperature changed some of the thermal properties of the films. While at 35 °C the crystallinity of PP layer decreased, at 55 °C PET’s glass transition temperature (Tg) went up. This was due to the CO2 sorption by each polymer under those conditions. With regards to pressure, high levels affected only the PP layer, decreasing its crystallinity. Higher pressure levels favoured impregnation when BM was used, whereas different impregnation trends were found when SM was employed. Although the films’ physical properties were not compromised after their impregnation, the CO2 stream used for SM slightly weakened the impregnated films. Overall, none of the impregnation conditions in this study affected the integrity of the impregnated films. According to the results obtained, 400 bar and 35°C using BM were the most favourable conditions to produce films with a highly antioxidant properties while their structure modifications could be considered as negligible.
This type of active packaging does not necessarily have to be compatible with all kinds of food. The study of migration into food simulants is used as a previous step to their implementation to actual food. This would let us to evaluate what kinds of food are more appropriate for active packaging. This study demonstrated that lipid-rich food would be the best to extract impregnated compounds, followed by food with a pH higher than 4.5, such as vegetables and some fruits. Therefore, active packaging should serve its purpose more successfully with those products, while those with pH < 4.5 would hardly extract any impregnated compounds from active films.
Based on these results, and as a final step to prove the efficacy of impregnated films for food preservation, two packaging assays were carried out with real food. In the first one, the antioxidant capacity provided by the wrapping impregnated film was assessed by evaluating lipid oxidation of roasted peeled sunflower seeds during storage. The samples wrapped up with impregnated films showed significantly lower peroxide values during storage than the sunflower seeds that were unpacked or wrapped up with non-impregnated films. In the second experiment, the antimicrobial capacity of the films was proved for cherry tomato preservation. The tomatoes wrapped up with impregnated films showed lower microbial growth and exhibited a 20-day longer shelf life than tomatoes packed with non-impregnated films.
It was, therefore, demonstrated that active packaging could be implemented using supercritical technology in combination with natural extracts. This provided the resulting films with their intrinsic characteristics, such as the antioxidant and antimicrobial capacities that play an active role in food preservation.
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