Development of biodegradable polymer-based packaging with antimicrobial activity

• Autores: Ignacio Mena Prado
• Directores de la Tesis: Alexandra Muñoz Bonilla (dir. tes.), Angel Adolfo Del Campo Garcia (dir. tes.), Francisco Ortega Gómez (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 342
• Títulos paralelos:
  • Desarrollo de envases basados en polímeros biodegradables con actividad antimicrobiana
• Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Rey Gayo (presid.), Eduardo Guzman Solis (secret.), Juan Pedro Fernández Blázquez (voc.), Miryam Criado González (voc.), Sara Limbo (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Avanzada por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Química
    • Química macromolecular
      • Polímeros compuestos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Esta tesis doctoral se centró en el desarrollo de materiales poliméricos compostables con propiedades antimicrobianas y antioxidantes, destinados a su uso en envases activos para alimentos. Como matrices de referencia se seleccionaron poli(ácido láctico) (PLA), un biopolímero con buenas propiedades mecánicas y térmicas pero alta fragilidad, y Ecovio®, una mezcla comercial de PLA/PBAT (polibutilen adipato-co-tereftalato) más flexible, pero con menor resistencia mecánica. El objetivo principal fue incorporar aditivos naturales aprobados para uso alimentario que mejoraran tanto la funcionalidad bioactiva como las propiedades físico-químicas de los polímeros, manteniendo su carácter biodegradable.

    En primer lugar, se evaluó la incorporación de partículas de hexametafosfato de sodio (E452i) como agentes antimicrobianos en filmes de PLA y Ecovio® plastificados con citrato de acetil tributilo (ATBC). Los resultados mostraron actividad antibacteriana frente a Staphylococcus aureus y Listeria innocua, sin efectos hemolíticos. Estas partículas incrementaron la estabilidad térmica y la rigidez sin afectar significativamente la biodegradabilidad. Sin embargo, su distribución fue heterogénea y su estabilidad limitada, lo que impulsó la búsqueda de nuevos aditivos funcionales.

    En una segunda etapa se incorporaron plastificantes biobasados derivados de aceites vegetales: CITREM y ACETEM, caracterizados por su contenido de alpha-tocoferol y capacidad antioxidante. Su incorporación mejoró la flexibilidad de PLA, redujo la Tg e incrementó la cristalinidad. Mientras el ACETEM se distribuyó homogéneamente en la matriz, los CITREM formaron microdominios que contribuyeron a aumentar la deformabilidad sin comprometer la funcionalidad. Sin embargo, en las muestras de Ecovio®, no se mejoró sus propiedades mecánicas. No obstante, todas películas obtenidas mostraron actividad antimicrobiana frente a Staphylococcus aureus y Listeria innocua y mantuvieron su compostabilidad y baja migración en ensayos con simulantes alimentarios.

    Para mejorar la compatibilidad de las fases y microestructura de Ecovio® y así mejorar sus propiedades, en particular sus propiedades mecánicas, se reemplazó el moldeo por compresión por calandrado, obteniendo filmes con mejor compatibilidad entre fases y dispersión de aditivos. Se incorporaron además estearoil lactilato de sodio (SL) y partículas de quitina (CP). La adicción de SL indujo anisotropía mecánica y una gran actividad antimicrobiana, mientras que, CP redujo la resistencia, ambas formulaciones conservaron la bioactividad y estabilidad térmica. Estas películas mostraron elevada permeabilidad, adecuada para envasado de productos frescos y de panadería, y mantuvieron su compostabilidad bajo condiciones industriales.

    Finalmente, se exploró la obtención de microfibras activas de PLA mediante hilado por fuerza centrífuga, empleando CITREM y ACETEM como plastificantes. La optimización de la concentración permitió producir fibras homogéneas con mayor cristalinidad y actividad bioactiva. Las fibras funcionalizadas presentaron actividad frente a Staphylococcus aureus, Listeria innocua, Lactobacillus sakei y Lactobacillus acidophilus, y elevada capacidad antioxidante, especialmente con CITREM-SP70, demostrando su potencial para aplicaciones como almohadillas absorbentes o envases de contacto directo.

    En conjunto, los resultados evidencian que CITREM y ACETEM actúan como plastificantes funcionales eficaces en matrices compostables, aportando propiedades bioactivas y mejorando la procesabilidad. Además, la combinación de diferentes métodos de fabricación (moldeo, calandrado y hilado) permite diseñar sistemas adaptables a distintas necesidades de conservación alimentaria. Este trabajo contribuye al desarrollo de envases biodegradables activos que pueden sustituir a plásticos convencionales, reduciendo el impacto ambiental y el desperdicio alimentario.

  • English

    Plastics currently constitute the most widely used family of materials worldwide.Their low production costs, suitable physicochemical properties, great versatility, and broad availability have ensured their fundamental role in various industrial sectors for decades. However, the life cycle of these materials entails significant environmental impacts, mainly because most are derived from nonrenewable fossil resources, such as petroleum, and exhibit a considerable carbon footprint that contributes to climate change. In addition, low recycling rates lead to the accumulation of plastic waste in landfills for long periods or their incineration, thereby increasing pollutant emissions. Within this framework, food packaging acquires particular relevance, as it represents one of the main applications of plastics and accounts for approximately 40% of total consumption. This situation poses a dual challenge for the food industry. On the one hand, the massive generation of plastic waste from packaging represents a serious threat to ecosystems, due to its persistence in the environment and the difficulties associated with its management. On the other hand, packaging plays an essential role in food preservation and safety, ensuring that products reach consumers in optimal conditions of quality and safety and reducing food waste...