Estrategias para preservar arándanos utilizando envases biodegradables

Abstract

La aplicación de nuevas tecnologías para laconservación postcosecha de arándanos tiene un relevante interés regional, yaque el cultivo de esta fruta en la región del NEA representa un 40% de laproducción nacional (aprox. 17 mil Tn). Este volumen de fruta fresca se destinaen su mayor parte al mercado de exportación, encontrándose que las principalescausas de pérdidas de calidad de la fruta en los países de destino estánasociadas a podredumbres producidas por mohos. Para subsanar este problema, unaalternativa natural y sustentable, es utilizar envases biodegradablesformulados con componentes activos. Algunosde estos componentes son biopolímeros y compuestos naturales que se obtienen apartir de los residuos generados de la pesca, la agricultura o la ganadería.Desde un punto de vista medio ambiental, el aprovechamiento de residuos resultade gran interés puesto que se consigue obtener un rendimiento y valorizar estosdesechos, reducir su cantidad y por lo tanto los costos y problemas de sueliminación. El quitosano (derivado n-acetilado de la quitina) es un producto queproviene de residuos de la industria pesquera que tiene propiedadesantimicrobianas y posee la capacidad de formar películas al igual que el almidónproveniente de maíz, siendo ambos polisacáridos biodegradables y químicamentecompatibles. Asimismo para eldesarrollo de materiales que adapten sus propiedades, especialmente lasmecánicas, a las necesidades de los envases, se incorporan plastificantessiendo los polialcoholes ampliamente utilizados con este fin. Las matricespueden ser funcionalizadas por agregado de aditivos específicos. Al respecto, apartir de subproductos de la industria citrícola pueden obtenerse diversos compuestosactivos con capacidad antimicrobiana y antioxidante, los que resultan departicular interés en el desarrollo de envases para la conservación de frutasmínimamente procesadas. En el presente trabajo de Tesis doctoral sedesarrollaron y caracterizaron envases biodegradables activos para preservar lacalidad de arándanos almacenados en condiciones de refrigeración. Se utilizóuna matriz compuesta de biopolímeros (almidón y quitosano) como base de lasformulaciones para obtener las películas biodegradables. Se caracterizaron lospolisacáridos de partida, ya que se trabajó con tres tipos de quitosano dedistinto peso molecular. Se estudiaron las mezclas de ambos biopolímeros endistintas proporciones de almidón:quitosano, con el fin de seleccionar laformulación que conduce a películas con propiedades de barrera y mecánicasóptimas. Como agente plastificante se empleó glicerol y, como componentes conactividad antimicrobiana, se incorporó aceite esencial de limón o extracto de semillasde pomelo. La metodología utilizada para analizar lasdispersiones formadoras de películas fue mediante ensayos rotacionales ydinámicos con un reómetro Rheo Stress 600 ThermoHaake (Haake, Alemania) utilizandouna geometría plato-plato. En el caso de las formulaciones que incluían loscompuestos activos, las películas activas se obtenían a partir de emulsiones,cuya estabilidad se evaluó mediante ensayos en un Turbiscan classic (Formulaction,Francia) y a través del estudio del tamaño de gota de las emulsiones(Mastersizer 2000, Malvern, Inglaterra). Posteriormente se realizó lacaracterización de las películas obtenidas evaluando la microestructura, laspropiedades físicoquímicas, ópticas, mecánicas y de barrera, así como lacapacidad antimicrobiana y antioxidante.Las propiedades de las películas que se determinaronfueron: humedad, mediante secado en estufa a 105°C; espesor con medidor deespesores para sustancias no ferrosas Check Line DCN-900 (New York, USA);solubilidad en agua a 25°C; permeabilidad al vapor de agua según Norma ASTM E-96,usando copas de permeación Payme Elcometer 5100 (Manchester, Reino Unido);propiedades mecánicas de tracción y de punción con texturómetro TA.XT2i- StableMicro Systems (Inglaterra); análisis cuasiestático uniaxial DMA en un equipo Q800(TA Instruments (New Castle, EUA) con un sistema de refrigeración de N2líquido; permeabilidad al oxígeno en un equipo MoconOX-TRAN modelo 2/21 ML (Lippke, Neuwied, Alemania); propiedades térmicas en unatermobalanza TGA 1 Stare System (Mettler-Toledo, Inc., Suiza). El análisis térmicose realizó mediante calorimetría diferencial de barrido en un DSC 1 StareSystem (Mettler-Toledo, Inc., Suiza). Con el fin de estudiar la compatibilidad entre loscomponentes de las matrices se determinaron los espectros de infrarrojo contransformada de Fourier (FTIR) en un espectrofotómetro (Nicolet, iS10 ThermoScientific, Madison, EEUU). Las propiedades ópticas se evaluaron a través de lamedida del color superficial de las películas con un colorímetro triestímulo(CR-300 Minolta, Japón) en el espacio de color CIELAB; la capacidad de barreraal UV-Visible con un espectrofotómetro U-1900 (HITACHI, Japón). El estudio dela microestructura de las matrices desarrolladas se realizó a través demicroscopía electrónica de barrido (SEM)en un microscopio JEOL JSM-6300 (Japón). La actividad antioxidantede las películas activas se evaluó determinando la capacidad antioxidanteequivalente del Trolox (TEAC) mientras que la capacidad antimicrobiana seestudió mediante ensayos de halo de inhibición de dos mohos (Alternariaalternata, Rhizopus stolonifer, Penicillum expansum) y algunas bacteriasGram+ y Gram- (Listeria innocua y Escherichia coli).La etapa final comprende ensayos,bajo refrigeración, de arándanos envasados en los materiales diseñados paraevaluar el efecto de los mismos sobre los principales atributos de calidadcomercial. A tal fin se determinaron el porcentaje de deshidratación mediante pérdidade peso, color superficial con colorímetro triestímulo, porcentaje de deteriorovisualmente y firmeza de la fruta mediante ensayo de punción con eltexturómetro mencionado anteriormente. Asimismo se determinó la capacidadantimicrobiana frente a los mohos Botrytis cinerea y Alternaria alternatamediante inoculación artificial.Las dispersiones formuladas con los dos biopolímeros(almidón de maíz y quitosano) presentaron comportamiento pseudoplástico (n˂1) yuna viscosidad aparente intermedia a las viscosidades de las películas de unsolo componente. Luego del moldeo y secado de las suspensiones, se obtuvieronpelículas, las que se pudieron separar fácilmente de las placas. La coloraciónde las películas obtenidas fue levemente amarillenta (parámetro de cromaticidadb* positivo) atribuida a la reacción de Maillard entre grupos amino e hidroxilodel quitosano. En el estudio de las micrografías SEM de laspelículas compuestas se observó que las secciones transversales de las mismaseran homogéneas y densas; los cambios evidenciados en los espectros de FTIR demostraronque ambos polímeros son compatibles y que entre ellos se establecen enlaceselectrostáticos débiles del tipo puentes de hidrógeno. Esta característicapermitió explicar las mejoras observadas en las propiedades de las películascompuestas comparadas con las de las películas de los polímeros individuales.La permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películasdependió del peso molecular del quitosano empleado, siendo menor cuanto mayor esel PM del quitosano. Asimismo, se observó un efecto sinérgico en las películascompuestas. La solubilidad de los films en agua tuvo una tendencia similar a laPVA. Con respecto a los ensayos de tracción, en general, las películasdesarrolladas plastificadas exhibieron un perfil de tensión-deformación típico delos materiales poliméricos dúctiles. El comportamiento mecánico de laspelículas de quitosano también se vio afectado por su PM. Mientras que laspelículas formuladas con quitosano APM fueron frágiles y rígidas, debido a quemostraban altos valores de módulo de elasticidad y de resistencia a la traccióny bajos valores de elongación a la ruptura, las formuladas con MPM y BPMresultaron extremadamente deformables y flexibles. Cuando se incorporaron los agentes activos en laformulación de las películas, en las micrografías SEM se observó una matrizhomogénea en los films con extracto de semillas de pomelo, mientras que en losfilms con aceite esencial de limón se observó la separación de la fase oleosa.Se demostró la capacidad antimicrobiana de los materiales desarrollados.Si bien la pérdida de peso de los arándanosenvasados fue similar a la fruta control, los demás atributos de calidadresultaron aceptables. En los ensayosantimicrobianos in vitro e in vivo con fruta fresca, se encontró que hubocontrol del crecimiento fúngico con el uso de películas, siendo más efectiva laformulación con extracto de semillas de pomelo.Fue posible obtener materiales compuestos a partirde hidrocoloides, biopolímeros y sus mezclas con aditivos específicos. Los materiales compuestos obtenidos sonbiodegradables ya que se degradan en suelo a corto plazo y tienen adecuadaspropiedades de resistencia mecánica y a la humedad. Se diseñaron y obtuvieron envases a partir de losmateriales formulados que permitieron preservar la calidad de arándanos con laventaja de su bajo impacto ambiental, permeabilidad selectiva a gases ycapacidad antimicrobiana.

The application of new technologies for blueberries postharvest conservation has a relevant regional interest, since in the NEA region the fruit farming represents 40% of the national production (approximately 17 thousand Tn). This volume of fresh fruit is destined principally to exports, being the main causes of the loss of fruit´s quality in the countries of destination the spoilage by molds. To solve this problem, a natural and sustainable alternative, is using biodegradable packaging formulated with active components. Some of these components are biopolymers and natural compounds obtained from the waste generated from fishing, agriculture or livestock. From an environmental point of view, the use of waste results in a great interest that can obtain a yield and valorize these wastes, reduce their quantity and therefore the costs and problems of their elimination. Chitosan (n-acetylated derivative of chitin) is a byproduct of the fishing industry; it has antimicrobial properties and film forming capacity like maize from corn, being both biodegradable and chemically compatible polysaccharides. For the development of materials that adapt their properties, especially the mechanical ones, to the needs of the containers, plasticizers are incorporated, being the polyalcohols, used for this purpose. The matrices can be functionalized by the addition of specific additives. In this regard, some by-products of the citrus industry present antimicrobial and antioxidant capacity, which offer a particular interest in the development of packaging for the conservation of minimally processed fruits. In present thesis active biodegradable containers were developed and characterized to preserve the quality of blueberries stored under refrigeration conditions. A matrix composed of biopolymers (starch and chitosan) was used as the base of the formulations to obtain the biodegradable films. Both polysaccharides were characterized, since three types of chitosan of different molecular weight were used. The mixtures of both biopolymers in different proportions of starch:chitosan were studied, in order to select the formulation that leads to films with optimal barrier and mechanical properties. As the plasticizing agent, glycerol was used and, as components with antimicrobial activity, lemon essential oil or grapefruit seed extract were incorporated. Rotational and dynamic tests were performed to study film-forming dispersions with a Rheo Stress 600 ThermoHaake rheometer (Haake, Germany) using a parallel-plate geometry. In the case of the formulations that included the active compounds, the active films were obtained from emulsions, whose stability was evaluated by ligth dispersion test in Turbiscan classic (Formulaction, France) and by droplet size analysis in Mastersizer 2000 (Malvern, England). Subsequently, the characterization of the films obtained was evaluated by microstructure, physicochemical, optical, mechanical and barrier properties, as well as the antimicrobial and antioxidant capacity. The films properties analyzed were: humidity, by drying in an oven at 105 °C; thickness with thickness gauge for non-ferrous substances Check Line DCN-900 (New York, USA); solubility in water at 25 °C; water vapor permeability according to ASTM E-96, using Payme Elcometer 5100 permeation cups (Manchester, United Kingdom); mechanical tensile and puncture properties with texturometer TA.XT2i- Stable Micro Systems (England); quasi-static uni-axial DMA analysis in a Q800 equipment (TA Instruments (New Castle, USA) with a liquid N2 refrigeration system; oxygen permeability in a Mocon OX-TRAN model 2/21 ML equipment (Lippke, Neuwied, Germany); Thermobalances in a TGA 1 Stare System thermobalance (Mettler-Toledo, Inc., Switzerland) The thermal analysis was performed by differential scanning calorimetry in a DSC 1 Stare System (Mettler-Toledo, Inc., Switzerland). In order to study the compatibility between the matrix components, the Fourier transform infrared (FTIR) spectra were determined in a spectrophotometer (Nicolet, iS10 Thermo Scientific, Madison, USA). The optical properties were evaluated by measuring the surface color of the films with a triestimulus colorimeter (CR-300 Minolta, Japan) in the CIELAB color space; UV-Visible barrier capacity with a U-1900 spectrophotometer (HITACHI, Japan). The study of the microstructure of the developed matrices was carried out through scanning electron microscopy (SEM) in a JEOL JSM6300 microscope (Japan). The antioxidant activity of the active films was evaluated by determining the equivalent antioxidant capacity of Trolox (TEAC), while the antimicrobial capacity was studied by inhibition halo assays of two molds (Alternaria alternata, Rhizopus stolonifer, Penicillum expansum) and some Gram + and Gram – bacteria (Listeria innocua and Escherichia coli). The final stage tests, under refrigeration, of blueberries packed were performed and the main attributes of commercial quality were evaluated. For this purpose, the percentage of dehydration was determined by weight loss, surface color with triestimulus colorimeter, percentage of visual deterioration and firmness of the fruit by puncture test with the aforementioned texturometer. Likewise, the antimicrobial capacity against the molds Botrytis cinerea and Alternaria alternata was determined by artificial inoculation. The two-biopolymer dispersions showed pseudoplastic behavior (n˂1) and an apparent viscosity intermediate to the viscosities of the single-component films. After the molding and drying of the suspensions, films were obtained, which could be easily separated from the plates. The color of the obtained films was slightly yellowish (parameter of chromaticity b* positive) attributed to the Maillard reaction between amino and hydroxyl groups of chitosan. In the SEM micrographs of composite films it was observed that the cross sections were homogeneous and dense; the changes evidenced in the FTIR spectra showed that both polymers are compatible and linked trough weak electrostatic (hydrogen bond type) bonds. This behavior allowed to explain the improvement properties in composite films compared with the one-polymers. The water vapor permeability (WVP) of the films depended on the chitosan molecular weight, being lower the greater the MW of the chitosan. Also, a synergistic effect was observed in the composite films. The films solubility in water had a similar tendency to WVP. Concerning to tensile tests, in general, the developed plasticized films exhibited a typical tension-strain profile of the ductile polymeric materials. The mechanical behavior of the chitosan films was also affected by their MW. While the films formulated with chitosan HMW were fragile and rigid, because they showed high values of elastic modulus and tensile strength and low values of elongation at break, those formulated with MMW and LMW were extremely deformable and flexible. When active agents were incorporated in films formulations, in the SEM micrographs a homogeneous matrix was observed in the films with grapefruit seed extract, while in the films with lemon essential oil the separation of the oil phase was observed. The antimicrobial capacity of the developed materials was demonstrated. Although the weight loss of the packaged blueberries was similar to the control fruit, the other quality attributes were acceptable. In the in vitro and in vivo antimicrobial tests with fresh fruit, the use of films allow to control the fungal growth, being more effective the grapefruit seed extract formulation. It was possible to obtain composite materials from hydrocolloids, biopolymers and their mixtures with specific additives. The composite materials obtained are biodegradable since they degrade in soil in the short term and they have adequate properties of mechanical resistance and moisture. Containers from the formulated materials were designed and obtained, and they allowed to preserve the blueberries quality with the advantage of its low environmental impact, selective gas permeability and antimicrobial capacity.