Aprovechamiento de biomasa como aditivo para la generación de películas de base polimérica poliácido láctico (PLA) y polietileno (PE) para la conservación de frutas

Abstract

Durante décadas la industria de los empaques para frutas ha estado liderada por el uso de polietileno de alta densidad (HDPE) dada su alta resistencia mecánica, resistencia química, resistencia térmica e hidrofobicidad. Los altos requerimientos mundiales en términos de conservación y transporte de alimentos, como también medio ambientales, han hecho que esta industria se esté desarrollando en dos áreas de investigación: la primera en el mejoramiento de los materiales actuales con el fin de generar empaques para alimentos con nuevas capacidades como los empaques inteligentes o con atmósfera modificada; y de otro lado el desarrollo y la transición de materiales no biodegradables a matrices poliméricas renovables como el poliácido láctico (PLA).

Teniendo en cuenta lo anterior, este proyecto presenta el desarrollo de dos materiales prometedores para su uso como empaques para frutas, uno de base HDPE con propiedades antifúngicas, y otro corresponde a una matriz de PLA reforzada con celulosa acetilada. En ambos casos las matrices poliméricas incluyen aditivos de origen natural específicamente biomasa residual.

Debido a la reconocida característica de higroscopia de los polímeros biodegradables, las películas de PLA desarrolladas incluyen celulosa acetilada (cell-acet) como un aditivo para modificar la propiedad mencionada, su estabilidad térmica y las propiedades de barrera a los gases. Para esto, se llevó a cabo una reacción de acetilación sobre la celulosa, incrementando su hidrofobicidad y consecuentemente, su compatibilidad con la matriz polimérica. Posteriormente, mediante un proceso de extrusión entre PLA y la cell-acet se obtuvieron películas que presentaron problemas de dispersión, por lo cual fue necesario la adición de un agente compatibilizante (comp), el cual consiste en una mezcla de derivados del ácido oleico y palmítico, con lo cual se obtuvo una película homogénea. Esta película final de PLA/cell-acet/comp tuvo 23 µm de espesor, y presento una temperatura de degradación cercana a 322,5 °C, además de la disminución en su cristalinidad, un ángulo de contacto de cerca de 80° y con propiedades mecánicas ligeramente mejoradas.

Por su parte, la película flexible de HDPE, tuvo como aditivo un extracto de aceite de coco hidrolizado (HCO). Este aditivo se obtuvo previamente al someter el aceite de coco a hidrolisis a alta presión para así llegar a una mezcla de ácidos grasos libres con alta concentración de ácido láurico. Este último, reconocido agente antimicrobiano contra varios problemas fitosanitarios de las frutas tropicales especialmente aquellas pertenecientes al Colletotrichum tamarilloi, y que en nuestros trabajos previos (usando acido láurico comercial puro) ha demostrado alargar el tiempo de vida en anaquel para el tomate de arbol en dos semanas. Este producto de HCO, sin ninguna purificación adicional, fue utilizado como aditivo en el HDPE durante el proceso de extrusión, obteniendo películas de 84 µm de espesor cuyas propiedades térmicas, mecánicas y de permeabilidad fueron analizadas. Estudios in vitro e in vivo demostraron que la película de HDPE con producto de HCO al 5 %w/w tiene propiedades antifúngicas ante el hongo C. tamarilloi y este empaque aumenta la vida útil del tomate de árbol hasta en tres semanas. (Texto tomado de la fuente)

The fruit food packaging industry has been led worldwide by the use of high-density polyethylene (HDPE) due to its high weight (mechanical) resistance, its thermal resistance, and its resistance to water and several chemicals. Worldwide food preservation, transportation, and environmental care requirements have driven this industry towards two wide research areas. One is the improvement of the used materials to generate food packaging with new capabilities such as smart packaging, controlled atmosphere packaging, among others; the other area responds to the transition from nonbiodegradable materials to environmentally friendly materials such as polylactic acid (PLA).

Taking the above into account, this project presents the development of two promising materials for food packaging. One HDPE based with antifungal properties and the other PLA based reinforced with acetylated cellulose, in both cases the polymeric matrices include biorenewable additives.

Due to the recognized hydrophilicity of biodegradable polymers, the developed PLA films include acetylated cellulose (cell-acet) as an additive to modify the mentioned property, its thermostability, and gas-barrier properties. To achieve this, an acetylation reaction was carried out on the cellulose, increasing its hydrophobicity and, consequently, its compatibility with the polymeric matrix. Subsequently, through an extrusion process between PLA and cell-acet a film was obtained, however, this film presented dispersion problems. A compatibilizing agent (comp), which consists of a mixture of oleic and palmitic acid derivatives, was needed to improve the homogeneity of films. The final film of PLA/cell-acet/comp was 23 µm thick and presented a degradation temperature close to 322,5 °C, in addition to a decrease in its crystallinity, a contact angle of about 80°, and slightly improved mechanical properties.

In the second project, we developed a HDPE flexible film with an extract of hydrolyzed coconut oil (HCO) as an additive. This additive was previously obtained by putting coconut oil to high-pressure hydrolysis in order to obtain a mixture of free fatty acids, primarily including lauric acid, a recognized antimicrobial agent against several phytosanitary problems of tropical fruits, especially those belonging to Colletotrichum tamarilloi. This HCO product was used, without any purification process, as an additive in HDPE during the extrusion process, obtaining 84 µm thick films whose thermal, mechanical, and permeability properties were analyzed. In vitro and in vivo studies showed that the HDPE/HCO 5% film has antifungal activity against C. tamarilloi fungus, and this packaging increases the shelf life of the tree tomato up to three weeks.