Submitted by Angela Maria de Oliveira (amolivei@uepg.br) on 2018-02-22T14:26:17Z No. of bitstreams: 1 Flávia Pedroso.pdf: 2062416 bytes, checksum: e05f376a163a4ea5fd727a8979c3cc06 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-22T14:26:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Flávia Pedroso.pdf: 2062416 bytes, checksum: e05f376a163a4ea5fd727a8979c3cc06 (MD5) Previous issue date: 2016-09-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Vários tratamentos para desordens neurológicas são malsucedidos por não poderem atingir efetivamente o Sistema Nervoso Central (SNC). A presença da barreira hematoencefálica (BHE) dificulta esse acesso e muitas substâncias são incapazes de atravessá-la quando empregadas sem qualquer modificação química ou físico-química. O ácido ferúlico, um polifenol encontrado abundantemente na natureza e bem reconhecido por sua atividade antioxidante, antiinflamatória e anticâncer, é amplamente estudado e sua atividade neuroprotetora vem sendo descrita. Um dos principais problemas, que limita sua utilização clínica, é sua baixa biodisponibilidade quando administrado por via oral, que pode ser contornado por alterações e/ou modificações em sua estrutura química e/ou pelo preparo de formulações à base de lipídeos. Desta forma, o objetivo do presente trabalho foi sintetizar um derivado lipossolúvel do AF, o ferulato de hexadecila (FH), e posteriormente obter nanocápsulas poliméricas como sistema de vetorização para sua potencial ação no SNC. O FH foi obtido por esterificação e sua caracterização estrutural foi realizada por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (IVTF) e de ressonância magnética nuclear. A modificação estrutural não anulou a atividade scavenger frente aos radicais DPPH•, ABTS•+ e ao HOCl. As nanocápsulas poliméricas, em concentração de 0 a 2,0 mg.mL-1, foram desenvolvidas pelo método de deposição interfacial do polímero, utilizando poli(-caprolactona) (PCL) e blendas com polietilenoglicol (PEG). Todas as formulações preparadas apresentaram partículas esféricas e de superfície lisa, como observado por microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (MEV), pH entre 5,75 e 6,04, tamanhos adequados, inferiores a 234 nm, índice de polidispersão inferior a 0,26, garantindo sua homogeneidade, e potencial zeta com valores negativos, entre -28 e -38 mV, sugerindo estabilidade das suspensões de nanocápsulas poliméricas. O processo de nanoencapsulação promoveu a amorfização do FH, comprovada por análise de difração de raios X, calorimetria exploratória diferencial (CED) e MEV, bem como o aumento de sua estabilidade térmica, verificado por termogravimetria e CED, e as análises efetuadas de IVTF demonstraram que não houve interação entre o FH e os polímeros utilizados. Os estudos de toxicidade em eritrócitos demonstraram que o FH, livre ou nas formulações de nanocápsulas com PCL-PEG, não apresentou ação hemolítica, mesmo com variações na dose testada e em função do tempo. Adicionalmente, apresentou ação protetora sobre a hemólise promovida pelo AAPH. A possível ação das formulações desenvolvidas sobre o SNC, considerando que possuem características adequadas para sua vetorização, deve ser investigada futuramente. / Many neurological disorder treatments are unsuccessful because they can not effectively reach the central nervous system (CNS). The presence of the blood-brain barrier (BBB) hinders this access and a lot of substances are unable to pass through it when used without any chemical or physical-chemical modification. The ferulic acid, a polyphenol found abundantly in nature and well known for its antioxidant, anti-inflammatory and anti-cancer activity, is widely studied and their neuroprotective activity has been described. One of the main problem, which limits its clinical use, is its low bioavailability when administered orally, it can be circumvented by changes in their structure and/or for preparing lipid-based formulations. In this way, the aim of this study was to synthesize a lipophilic derivative of AF, the hexadecyl ferulate (HF), and then get polymeric nanocapsules as vectoring system for its potential action in the CNS. The HF was obtained by esterification reaction and their structural characterization was performed by spectroscopy in the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and nuclear magnetic resonance. The structural modification did not annul the scavenger activity against the DPPH•, ABTS•+ and HOCl. The polymeric nanocapsules in concentration from 0 to 2.0 mg.mL-1 were developed by interfacial deposition method of the polymer using poly (-caprolactone) (PCL), and blends with polyethylene glycol (PEG). All prepared formulations presented spherical and smooth surface, as observed by scanning electron microscopy (SEM) with field emission, pH between 5.75 and 6.04, proper sizes below 234 nm, polydispersity index below 0.26, ensuring homogeneity, and zeta potential with negative values between -28 and -38 mV, suggesting stability of the suspensions of polymeric nanocapsules. The nanoencapsulation process promoted the FH amorphization. This was verified by X-ray diffraction analysis, differential scanning calorimetry (DSC) and SEM. It also promoted the increasing thermal stability of the FH which was verified by thermogravimetry and DSC, and FTIR analysis demonstrated there was no interaction between HF and the used polymers.Toxicity studies in erythrocytes showed that HF , in free or nanocapsule formulations of PCL- PEG, showed no hemolytic action, even with variations in dose tested and function of time. Additionally, introduced protective effect on hemolysis promoted by AAPH. The possible action of the developed formulations of CNS, considering that they have appropriate characteristics for your vectorization, should be investigated in the future.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-07-25T12:36:24Z No. of bitstreams: 1 alessasinsingerbrugiolo.pdf: 28268825 bytes, checksum: 19819230b54e983b1d5aa62f656ce02c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-09T13:50:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alessasinsingerbrugiolo.pdf: 28268825 bytes, checksum: 19819230b54e983b1d5aa62f656ce02c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T13:50:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alessasinsingerbrugiolo.pdf: 28268825 bytes, checksum: 19819230b54e983b1d5aa62f656ce02c (MD5) Previous issue date: 2016-03-11 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A asma é uma doença heterogênea, caracterizada por inflamação crônica das vias aéreas, definida pela história de sintomas respiratórios e associada a limitação variável do fluxo expiratório. Considerada um grave problema de saúde, estima-se que afete mais de 300 milhões de pessoas em todo o mundo. A resposta imunológica na asma envolve predominantemente linfócitos Th2, com elevados níveis de IgE total e alérgeno-específica e eosinofilia brônquica. O tratamento visa ao controle da doença e os medicamentos utilizados atualmente apresentam efeitos colaterais sistêmicos e, em geral, não são eficazes nos casos de asma de difícil controle, sendo crucial o desenvolvimento de novos tratamentos. Echinodorus grandiflorus é uma espécie vegetal conhecida como chapéu-de-couro muito utilizada por suas propriedades anti-inflamatórias. Em estudo anterior, o tratamento com o extrato aquoso dessa espécie reduziu a resposta imune patogênica Th2 no modelo de alergia pulmonar induzida por OVA. O ácido ferúlico é um ácido fenólico amplamente presente no reino vegetal e encontrado em E. grandiflorus que apresenta atividades antioxidante e anti-inflamatória. Neste trabalho, foram investigados os efeitos do extrato aquoso de E. grandiflorus, de suas frações metanólica e residual e do ácido ferúlico na modulação da resposta imune no modelo de alergia pulmonar. O extrato, as frações e o ácido ferúlico foram analisados por cromatografia líquida de alta eficiência. Para indução da alergia pulmonar camundongos fêmeas BALB/c foram sensibilizados intraperitonealmente com OVA e alumen nos dias 0 e 14. Nos dias 21, 23, 25, 27 e 29, os animais foram desafiados com OVA 1% por 20 minutos. Os tratamentos foram administrados por gavagem, entre os dias 21 e 29 do protocolo. Foram coletados soro, lavado broncoalveolar e pulmões. Inicialmente, a análise cromatográfica revelou dois ácidos fenólicos como componentes majoritários do extrato e das frações, possivelmente relacionados às suas atividades farmacológicas, entretanto, o ácido ferúlico não foi identificado no extrato e nas frações. Todos os tratamentos foram promissores na modulação da resposta patogênica Th2, com os melhores resultados obtidos com o extrato aquoso 25 mg/kg, fração metanólica 25 mg/kg, fração residual 100 mg/kg e ácido ferúlico 25 mg/kg. Foram observadas reduções do infiltrado inflamatório pulmonar, do número de células caliciformes produtoras de muco, do número total de células e de eosinófilos, linfócitos e neutrófilos no lavado bronco-alveolar, dos níveis de TSLP, IL-25, IL-33, IL-4, IL-5, IL-13, IFN-γ, CCL5, CCL11 e CCL20 no tecido pulmonar e níveis séricos de IgE e IgG1. Juntos, esses resultados indicam que o extrato aquoso de E. grandiflorus, suas frações metanólica e residual e o ácido ferúlico, reduzem a inflamação pulmonar alérgica, atuando principalmente na fase inicial da resposta imune, reduzindo a liberação de citocinas e quimiocinas pelas células epiteliais das vias aéreas. / Asthma is a heterogeneous disease characterized by chronic airway inflammation, defined by history of respiratory symptoms and associated with variable expiratory flow limitation. Regarded as a serious health problem affecting an estimated over 300 million people worldwide. The immune response in asthma is predominantly Th2 lymphocytes, with high levels of total and allergen-specific IgE and bronchial eosinophilia. Asthma treatment is aimed at controlling the disease and the drugs used currently have systemic side effects and generally are not effective in cases of asthma are difficult to control, and it is crucial the developing new treatments. Echinodorus grandiflorus is a plant species known as “chapéu-de-couro” widely used for their anti-inflammatory properties. In previous work, the treatment with the aqueous extract of this specie reduced the pathogenic Th2 response in the OVAinduced pulmonary allergy. The ferulic acid is a phenolic acid widely present in the plant kingdom and found in E. grandiflorus which has antioxidant and antiinflammatory activities. In this study, the effect of aqueous extract of E. grandiflorus, its methanol and residual fractions, and ferulic acid in modulating the immune response of pulmonary allergy model was investigated. The aqueous extract, fractions and ferulic acid were analyzed by high-performance liquid chromatography. For induction of pulmonary allergy female BALB/c mice were intraperitoneally sensitized with OVA and alum on days 0 and 14. On days 21, 23, 25, 27 and 29, animals were challenged with OVA 1% for 20 minutes. Treatments were administered by gavage, between days 21 and 29 of protocol. The serum, bronchoalveolar lavage fluid and lungs were collected. Chromatographic analysis revealed two phenolic acids as major components of extract and fractions that possibly are related to their pharmacological activities, however ferulic acid was not identified in the extract and fractions. The treatments were promising in the modulation of pathogenic Th2 response, with the best results obtained with the aqueous extract 25 mg/kg, methanolic fraction 25 mg/kg, residual fraction 100 mg/kg and ferulic acid 25 mg/kg. The treatments reduced the inflammatory infiltration in lung tissue, the number of goblet cells in lung tissue, the number of total cells, eosinophils, lymphocytes and neutrophils in bronchoalveolar lavage, the levels of TSLP, IL-25, IL33, IL-4, IL-5, IL-13, IFN-γ, CCL5, CCL11, and CCL20 in lung tissue, and the serum levels of IgE and IgG1. Taken together, these results indicate that the aqueous extract of E. grandiflorus, methanolic and residual fractions, and ferulic acid reduced the allergic pulmonary inflammation, act primarily in the early phase of the immune response, reducing the release of cytokines and chemokines by airways epithelial cells.

Tesis por compendio / [ES] El uso masivo de plásticos y su impacto medioambiental, así como la necesidad de mejorar la conservación de los alimentos, hace necesario el desarrollo de alternativas biodegradables para el envasado activo de alimentos. La presente Tesis Doctoral, se ha centrado en el desarrollo de películas activas, basados en polímeros biodegradables con propiedades complementarias, con el fin de obtener materiales con propiedades mecánicas y de barrera adecuadas para cumplir con los requisitos del envasado alimentario. Para ello, se consideraron el poli (vinil alcohol) (PVA) y el poli (ácido láctico) PLA. Asimismo, el carvacrol y los ácidos ferúlico y cinámico fueron elegidos como compuestos activos naturales. Se estudió la encapsulación del carvacrol en liposomas de diferentes tipos de lecitina para mejorar su retención durante la etapa de formación del film. La lecitina de soja enriquecida en fosfatidilcolina fue la más eficaz para mantener la estabilidad de la emulsión de carvacrol, resultando en films con mayor retención. La incorporación de carvacrol (encapsulado o no), modificó ligeramente la microestructura y las propiedades físicas de los films, así como la cristalinidad y el comportamiento térmico del polímero. El PVA totalmente hidrolizado proporcionó films con un mejor desempeño mecánico y capacidad de barrera al oxígeno, pero con menor retención de carvacrol. Por el contrario, el PVA parcialmente hidrolizado dio lugar a films más homogéneos, con mayor contenido de carvacrol. Mientras que los grupos acetilos protegieron al polímero de la termodegradación, permitiendo la obtención de films mediante las técnicas habituales del procesado industrial. Por lo tanto, el PVA parcialmente hidrolizado tiene un gran potencial para la producción de films activos, con más posibilidades de procesamiento que el PVA totalmente hidrolizado. Se incorporaron también ácido cinámico y ferúlico, con menor impacto sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial y totalmente hidrolizado, mediante casting de las soluciones acuosas con glicerol para mejorar la solubilidad de los ácidos. Los films de PVA plastificados con glicerol mostraron una menor capacidad de barrera que los no plastificados. La incorporación del ácido ferúlico promovió mayores cambios en las propiedades de los films que el ácido cinámico, debido a un efecto de reticulación, que promovió la cristalinidad, la rigidez y la capacidad de barrera del material. También se obtuvieron películas plastificadas a base de PVA parcialmente hidrolizado con ácidos fenólicos, mediante mezclado en fundido y moldeo por compresión. Los films termoprocesados fueron menos extensibles y resistentes a la rotura y más permeables al oxígeno y al vapor de agua. Estudios in vitro demostraron que los films con ácidos fenólicos obtenidos por casting o termoprocesado presentaron actividad antioxidante y antimicrobiana, especialmente con ácido ferúlico. Con el objetivo de cumplir los requisitos de envasado de alimentos, se obtuvieron films tricapa por termocompresión, compuestos por una capa central de PVA, cargada con compuestos activos (carvacrol o ácido ferúlico), y dos capas externas de PLA. La termocompresión fue eficaz para la adhesión interlaminar. Las multicapas mostraron un rendimiento mecánico próximo al de los films de PLA y una elevada capacidad de barrera al oxígeno y al vapor de agua. Todos los laminados con compuestos activos incorporados a la capa de PVA fueron eficaces para controlar el crecimiento microbiano en filetes de carne de vacuno envasada. Por tanto, el laminado de films de PVA y PLA parcialmente hidrolizado representa una estrategia adecuada para obtener materiales de envasado con propiedades funcionales más próximas a las de algunos plásticos convencionales utilizados en el envasado alimentario. Asimismo, estos materiales con carvacrol o ácido ferúlico incorporados podrían utilizarse para el envasado de alimentos altamente susceptibles a procesos oxidativos o de degradación microbiológica para alargar su vida útil. / [CA] L'ús massiu de plàstics i el seu impacte mediambiental, així com la necessitat de millorar la conservació dels aliments, fa necessari el desenvolupament d'alternatives biodegradables per a l'envasament actiu d'aliments. La present Tesi Doctoral, s'ha centrat en el desenvolupament de pel·lícules actives, basats en polímers biodegradables amb propietats complementàries, amb la finalitat d'obtindre materials amb propietats mecàniques i de barrera adequades per a complir amb els requisits de l'envasament alimentari. Per a això, es van considerar el poli (vinil alcohol) (PVA) i el poli (àcid làctic) PLA. Així mateix, es van triar el carvacrol i els àcids ferúlic i cinàmic, com a compostos actius. Es va estudiar l'encapsulació del carvacrol en liposomes de diferents tipus de lecitina per a millorar la seua retenció durant l'etapa de formació del film. La lecitina de soja enriquida en fosfatidilcolina va ser la més eficaç per a mantindre l'estabilitat de l'emulsió de carvacrol, resultant en films amb major retenció. La incorporació de carvacrol (encapsulat o no), va modificar lleugerament la microestructura i les propietats físiques dels films, així com la cristalinitat i el comportament tèrmic del polímer. El PVA totalment hidrolitzat va proporcionar films amb un millor exercisc mecànic i capacitat de barrera a l'oxigen, però amb menor retenció de carvacrol. Per contra, el PVA parcialment hidrolitzat va donar lloc a films més homogenis, amb major contingut de carvacrol. Mentre que els grups acetils van protegir el polímer de la termodegradació, permetent l'obtenció de films mitjançant les tècniques habituals del processament industrial. Per tant, el PVA parcialment hidrolitzat té un gran potencial per a la producció de films actius, amb una més àmplia gamma de possibilitats de processament que el PVA totalment hidrolitzat. Es van incorporar també àcid cinàmic i ferúlic, amb menor impacte sensorial que el del carvacrol, al PVA parcial i totalment hidrolitzat, mitjançant càsting de les solucions aquoses amb glicerol per a millorar la solubilitat dels àcids. Els films de PVA plastificats amb glicerol van mostrar una menor capacitat de barrera que els no plastificats. La incorporació de l'àcid ferúlic va promoure majors canvis en les propietats dels films que l'àcid cinàmic, a causa d'un efecte de reticulació, que va promoure la cristalinitad, la rigidesa i la capacitat de barrera del material. També es van obtindre pel·lícules plastificades a base de PVA parcialment hidrolitzat amb àcids fenòlics, mitjançant barrejat en fos i emotlament per compressió. Els films termoprocessats van ser menys extensibles i resistents al trencament i més permeables a l'oxigen i al vapor d'aigua. Estudis in vitro van demostrar que els films amb àcids fenòlics obtinguts per càsting o termoprocessat van presentar activitat antioxidant i antimicrobiana, especialment amb àcid ferúlic. Amb l'objectiu de complir els requisits d'envasament d'aliments, es van obtindre films tricapa per termocompressió, compostos per una capa central de *PVA, carregada amb compostos actius (carvacrol o àcid ferúlic), i dues capes externes de PLA. La termocompressió va ser eficaç per a l'adhesió interlaminar. Les multicapes van mostrar un rendiment mecànic pròxim al dels films de PLA i una elevada capacitat de barrera a l'oxigen i al vapor d'aigua. Tots els laminatges amb compostos actius incorporats a la capa de PVA van ser eficaces per a controlar el creixement microbià en filets de carn de boví envasada. Per tant, el laminatge de films de PVA i PLA parcialment hidrolitzat representa una estratègia adequada per a obtindre materials d'envasament amb propietats funcionals més pròximes a les d'alguns plàstics sintètics utilitzats en l'envasament alimentari. Així mateix, aquests materials amb carvacrol o àcid ferúlic incorporats podrien utilitzar-se per a l'envasament d'aliments altament susceptibles a processos oxidatius o de degradació microbiològica per a allargar la seua vida útil. / [EN] The massive use of synthetic plastics and their environmental impact, as well as the need of improving food preservation, makes necessary the development of biodegradable alternatives for food active packaging. The use of active compounds from natural origin to obtain this kind of materials is a new trend based of the consumer demand for safer and healthier products. The present Doctoral Thesis, has been focused on the development of active packaging films, based on biodegradable polymers with complementary properties, in order to obtain materials with adequate mechanical and barrier properties to meet food packaging requirements. To this end, poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) were considered. Likewise, carvacrol and ferulic and cinnamic acid, were chosen as active natural compounds. The liposomal encapsulation of carvacrol, using different kinds of lecithin was evaluated in order to improve the carvacrol retention in the polymer matrix during the film formation step. Soy lecithin enriched in phosphatidylcholine was the most effective at maintaining the stability of the carvacrol emulsion, leading to its highest retention in the PVA films. Incorporation of carvacrol (lecithin encapsulated or not) slightly modified the film microstructure and physical properties and polymer crystallinity and thermal behaviour. The fully hydrolysed PVA provided films with a better mechanical performance and oxygen barrier capacity, but with less carvacrol retention. In contrast, partially hydrolysed PVA gave rise to more homogenous films with a higher carvacrol content. Acetyl groups protect the polymer for thermodegradation, allowing the film production using the common industrial thermoplastic processing techniques. Therefore, partially hydrolysed PVA has a great potential for the production of active films, with a wider range of processing possibilities than fully hydrolysed PVA. Cinnamic and ferulic acids, with lower potential sensory impact than of carvacrol, were also incorporated into partially and fully hydrolysed PVA by casting of aqueous solutions containing glycerol to improve the acid solubility. Glycerol plasticized PVA films exhibited poorer barrier capacity than those non-plasticized. The incorporation of ferulic acid promoted greater changes in the film properties than cinnamic acid, due to a crosslinking effect, which promoted crystallinity, stiffness and barrier capacity of the material. Glycerol plasticized films based on partially hydrolysed PVA with phenolic acids were also obtained by melt blending and compression moulding. Termoprocessed films were less stretchable and resistant to break and more permeable to oxygen and water vapor. In vitro studies demonstrated that cast and termoprocessed films containing phenolic acids exhibited antioxidant and antimicrobial activity, especially with ferulic acid. Three-layer films composed of a central layer of PVA loaded with active compounds (carvacrol lecithin encapsulated or not, or ferulic acid) and two external PLA layers were obtained by thermo-compression, aimed to meet food packaging requirements. Thermocompression was effective for the interlaminar adhesion. Multilayers exhibited mechanical performance close to the PLA sheets and high oxygen and water vapour barrier capacity. All laminates with active compounds incorporated into the PVA sheet were effective at controlling microbial growth in packaged beef meet. Therefore, lamination of partially hydrolysed PVA and PLA films represents a successful strategy to obtain packaging materials with functional properties closer to those of some conventional plastics commonly used in food packaging. Likewise, these materials incorporating carvacrol or ferulic acid could be used for packaging of foods highly susceptible to oxidative or microbiological degradative process to extend their shelf life. / The authors acknowledge the financial support of the Agencia Estatal de Investigacion, Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) of Spain through the projects AGL2016-76699-R and PID2019-105207RB-100. Author Johana Andrade thanks the Departamento de Nariño-Colombia y la Fundación CEIBA for the doctoral grant. The authors also thank the services rendered by the Electron Microscopy Service of the UPV. / Andrade Chapal, JC. (2021). Biodegradable materials based on poly(vinyl alcohol) (PVA) and poly (lactic acid) (PLA) with antioxidant and antimicrobial activity for food packaging applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175566 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] Los residuos de envases alimentarios contribuyen en gran medida a la actual crisis medioambiental provocada por los plásticos. Por ello, la industria alimentaria necesita soluciones de envasado más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, utilizando materiales biodegradables y activos para alargar la vida útil de los alimentos. En este sentido, la presente tesis doctoral tiene como objetivo la obtención de películas activas a base de almidón y PLA mediante la incorporación de ácidos ferúlico o cinámico como compuestos activos, con el fin de desarrollar laminados multicapa que cumplan con los requisitos de envasado de alimentos, con capacidad antibacteriana para alargar la vida útil del producto. La incorporación de los ácidos ferúlico y cinámico a las matrices de almidón de yuca mediante el proceso de mezclado en fundido, al 1 y 2%, promovió la plastificación de la película, probablemente debido a la hidrólisis parcial del polímero durante el proceso de mezclado. Los análisis de la actividad antibacteriana de las películas frente a Escherichia coli y Listeria innocua, en medio de cultivo, revelaron que las películas con ácido cinámico eran más eficaces para inhibir el crecimiento bacteriano, y que Listeria innocua era más sensible a ambos ácidos que E. coli. Cuando los ácidos se incorporaron a las matrices de PLA al 1 y 2% mediante mezclado en fundido, las propiedades funcionales de las películas no se vieron muy afectadas. Sin embargo, los ensayos antimicrobianos in vitro con L. innocua y E. coli, no mostraron acción antibacteriana. Los estudios de liberación mostraron una liberación muy limitada de los ácidos desde la matriz de PLA debido al estado vítreo de la matriz polimérica y a su naturaleza hidrofóbica, que limitan el hinchamiento y la relajación del polímero en contacto con medios acuosos, como muchas matrices alimentarias. Por lo tanto, para promover la liberación del compuesto activo desde la matriz de PLA, se analizaron diferentes estrategias: 1) plastificar las películas termoprocesadas con PEG 1000, 2) aumentar la concentración de los compuestos en la película, 3) procesar las películas por casting y 4) anclar los compuestos activos a la superficie de la película. Sólo la incorporación superficial de ferúlico o cinámico en las películas de PLA dio lugar a una inhibición significativa del crecimiento bacteriano. La pulverización de las películas de PLA con soluciones etanólicas de ácido permitió la formación superficial de una capa sobre concentrada de compuestos activos en las películas, con formaciones cristalinas que dio lugar a una adecuada liberación de activos para inhibir el crecimiento bacteriano. Disoluciones de PLA-ácido, utilizando mezclas de acetato de etilo con DMSO o ácido acético glacial, fueron electrodepositadas en la superficie de las películas. Los sistemas con DMSO produjeron fibras con una elevada superficie específica que inhibieron significativamente el crecimiento bacteriano, mientras que los sistemas con ácido acético produjeron estructuras particuladas sin actividad antimicrobiana. Se consideró la incorporación superficial de los compuestos activos para obtener películas de tres capas PLA/almidón/PLA (PSP) con mejores propiedades funcionales y capacidad antimicrobiana. Las películas cargadas superficialmente, tanto por electrospinning como por pulverización, mostraron una eficaz inhibición del crecimiento de E. coli y L. innocua, siendo las películas recubiertas por electrospinning más eficaces que las pulverizadas. Por lo tanto, los laminados PSP, con incorporación superficial de ácidos ferúlico o cinámico, representan una buena alternativa para obtener materiales de envasado de alimentos activos, con capacidad para preservar la calidad de los alimentos y prolongar su vida útil. No obstante, son necesarios más estudios sobre aplicaciones específicas en alimentos reales para determinar la posible aplicación industrial y la viabilidad económica de estos materiales. / [CA] Els residus d' envasos alimentaris contribueixen en gran mesura a l' actual crisi mediambiental provocada pels plàstics. Per això, la indústria alimentària necessita solucions d' envasament més sostenibles i respectuoses amb el medi ambient, utilitzant materials biodegradables i actius per allargar la vida útil dels aliments. En aquest sentit, aquesta tesi doctoral té com a objectiu l' obtenció de pel·lícules actives a base de midó i PLA mitjançant la incorporació d' àcids ferúlic o cinàmic com a compostos actius, per tal de desenvolupar laminats multicapa que compleixin amb els requisits d' envasament d' aliments, amb capacitat antibacteriana per allargar la vida útil del producte. La incorporació dels àcids ferúlic i cinàmic a les matrius de midó de iuca mitjançant el procés de mesclament en fos, a l'1 i 2% p/p, va promoure la plastificació de la pel·lícula, probablement a causa de la hidròlisi parcial del polímer durant el procés de barret. Les anàlisis de l'activitat antibacteriana de les pel·lícules enfront d'Escherichia coli i Listeria innocua, en medi de cultiu, van revelar que les pel·lícules amb àcid cinàmic eren més eficaces per inhibir el creixement bacterià, i que Listeria innocua era més sensible a tots dos àcids que E. coli. Quan els àcids van incorporar a les matrius de PLA a l'1 i al 2% mitjançant mesclament en fos, les propietats funcionals de les pel·lícules no es van veure gaire afectades. No obstant això, els assajos antimicrobians in vitro amb L. innocua i E. coli, no van mostrar acció antibacteriana. Els estudis d'alliberament van mostrar un alliberament molt limitat dels àcids ferúlic i cinàmic des de la matriu de PLA a causa de l'estat vitri de la matriu polimèrica i a la seva naturalesa hidrofòbica, que limiten l'hinxament i la relaxació del polímer en contacte amb mitjans aquosos, com moltes matrius alimentàries. Per tant, per promoure l' alliberament del compost actiu des de la matriu de PLA, es van analitzar diferents estratègies: 1) plastificar les pel·lícules termoprocessades amb PEG 1000, 2) augmentar la concentració dels compostos a la pel·lícula, 3) processar les pel·lícules per casting i 4) ancorar els compostos actius a la superfície de la pel·lícula. Només la incorporació superficial de ferúlic o cinàmic a les pel·lícules de PLA va donar lloc a una inhibició significativa del creixement bacterià. La polvorització de les pel·lícules de PLA amb solucions etanòliques d'àcid va permetre la formació superficial d'una capa sobreconcentrada de compostos actius a les pel·lícules, amb formacions cristal·lines, que va donar lloc a un adequat alliberament d'actius per inhibir el creixement bacterià. Dissolucions de PLA-àcid, utilitzant mescles d'acetat d'etil amb DMSO o àcid acètic glacial, van ser electrodepositades a la superfície de les pel·lícules. Els sistemes amb DMSO van produir fibres amb una elevada superfície específica que van inhibir significativament el creixement bacterià, mentre que els sistemes amb àcid acètic van produir estructures particulades sense activitat antimicrobiana. Es va considerar la incorporació superficial dels compostos actius per obtenir pel·lícules de tres capes PLA/midó/PLA (PSP) amb millors propietats funcionals i capacitat antimicrobiana. Les pel·lícules carregades superficialment, tant per electrospinning com per polvorització, van mostrar una eficaç inhibició del creixement d'E. coli i L. innocua, sent les pel·lícules recobertes per electrospinning més eficaços que les polvoritzades. Per tant, els laminats PSP, amb incorporació superficial d'àcids ferúlic o cinàmic, representen una bona alternativa per obtenir materials d'envasat d'aliments actius, amb capacitat per preservar la qualitat dels aliments i prolongar la seva vida útil. No obstant això, calen més estudis sobre aplicacions específiques en aliments reals per determinar la possible aplicació industrial i la viabilitat econòmica d' aquests materials. / [EN] Food packaging waste is a major contributor to the current environmental crisis caused by conventional plastic. Therefore, the food industry needs more sustainable environmentally friendly packaging solutions, such as using biodegradable and active materials to extend the food shelf-life. In this sense, the present doctoral thesis aims to obtain active films based on starch and PLA by incorporating ferulic or cinnamic acids as active compounds, in order to develop multilayer assemblies useful to meet food packaging requirements, with antibacterial capacity to extend the product shelf life. The incorporation of ferulic and cinnamic acids into cassava starch matrices through melt-blending process, at 1 and 2% w/w, promoted the film plasticization, probably due to the partial hydrolysis of polymer during the melt-blending process. The analyses of the antibacterial activity of the films against E. coli and Listeria innocua strains, in culture medium, revealed that films with cinnamic acid were more effective at inhibiting the bacterial growth, and that L. innocua was more sensitive to both acids than E. coli. When the acids were incorporated into PLA matrices at 1 and 2% w/w by melt blending, the functional properties of the films were not greatly affected. However, the in vitro antimicrobial tests with L. innocua and E. coli, did not show antibacterial action. Release studies showed very limited release of the ferulic and cinnamic acids from the PLA matrix due to the glassy state of polymer matrix and its hydrophobic nature that limits the polymer swelling and relaxation in contact with aqueous media, such as many food matrices. Therefore, in order to promote the release of active compound from the PLA matrix, different strategies were analysed: 1) plasticizing the thermoprocessed films with PEG 1000, 2) increasing the concentration of the compounds in the film, 3) processing the films by casting and 4) anchoring the active compounds to the film surface. Only the surface incorporation of ferulic or cinnamic on PLA films gave rise to significant bacterial growth inhibition. Pulverization of PLA films with ferulic or cinnamic acid ethanol solutions allows the formation of an overconcentrated layer of active compounds on the films with crystalline formations that led to an adequate release of actives to inhibit the bacterial growth. PLA-acid solutions, using blends of ethyl acetate with dimethyl sulfoxide (DMSO) or glacial acetic acid, were electrospun on the film surface. DMSO systems produced fibre-structured mats with high specific surface that significantly inhibited bacterial growth, whereas acetic acid systems produce bead-based mats that not had antimicrobial activity. The surface incorporation of the active compounds was considered for obtaining three-layered films PLA/starch/PLA (PSP) with improved functional properties and antimicrobial capacity. Superficially loaded films by both electrospinning or pulverisation, showed effective growth inhibition of E. coli and L. innocua, electrospun films being more effective than pulverised, suggesting greater ability to release the active compounds. Therefore, PSP laminates, with surface incorporation of ferulic or cinnamic acids, represent a good alternative to obtain active food packaging materials with the capacity to preserve food quality and extend shelf life. Nonetheless, further studies on the material stability and specific applications in real foods are necessary to determine the possible industrial application and economic viability of these materials. / The authors thank the Agencia Estatal de Investigación (Ministerio de Ciencia e Innovación, Spain) for the financial support through projects AGL2016-76699-R and PID2019-105207RB-I00. / Ordóñez Lagos, RA. (2022). Use of ferulic and cinnamic acids to obtain active films based on starch and PLA for food packaging applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184814 / TESIS / Compendio

Tesis por compendio / [ES] Se han desarrollado mediante termoprocesado películas multicapa biodegradables activas para el envasado de alimentos, combinando películas de almidón mejoradas y de una mezcla de poliésteres (PLA-PHBV), con diferentes ácidos fenólicos (ferúlico, p-cumárico y protocatecuico). En las películas almidón de yuca o de maíz se incorporaron gomas de origen microbiano (xantana y gelano) (10%) para mejorar sus propiedades funcionales. Las gomas mejoraron las propiedades mecánicas y de barrera al vapor de agua y al oxígeno de los films de almidón. Estos films se combinaron con films mezcla de PLA:PHBV en bicapas almidón-poliésteres por termocompresión. Las bicapas presentaron una alta capacidad barrera al oxígeno y al vapor de agua comparado con sus respectivas monocapas. La capa de poliéster contribuyó al refuerzo mecánico de la bicapa, aportando alta capacidad de barrera al vapor de agua, mientras que la capa de almidón aportó alta capacidad de barrera al oxígeno a la bicapa. La bicapa con almidón de yuca y goma gelano presentó la mejor adhesión entre capas, con propiedades funcionales adecuadas para el envasado de alimentos. Los ácidos ferúlico, p-cumárico y protocatecuico, con propiedades antimicrobianas y antioxidantes, se incorporaron (2%) en los films mezcla de PLA:PHBV para obtener films activos. Los ácidos fenólicos modificaron positivamente las propiedades de la mezcla de poliésteres, incrementando su módulo de elasticidad y resistencia a la fractura y su capacidad de barrera al vapor de agua y al oxígeno, al tiempo que aumentaron levemente la Tg del material. El ácido protocatecuico provocó los mayores efectos, afectando a la cristalización del PHBV. La liberación de estos compuestos en diferentes simulantes alimentarios (con polaridad alta e intermedia) fue muy limitada en cuanto a velocidad y cantidad liberada, lo que disminuyó la capacidad de las películas para inhibir de forma significativa el crecimiento de Listeria innocua inoculada en medio de cultivo. Estos films, con y sin compuestos activos, se desintegraron en condiciones de compostaje, sin efecto significativo de los ácidos fenólicos. Los films sin activos y con ácido ferúlico se biodegradaron completamente después de 20 días de compostaje, mientras que los films que contenían ácido p-cumárico y protocatecuico lo hicieron en 21 y 26 días, respectivamente. Por lo tanto, ninguno de los ácidos fenólicos incorporados inhibió el proceso de biodegradación, pero se retardó el proceso, dependiendo del grado de retención del compuesto en la matriz polimérica. Los films bicapa biodegradables constituidos por una capa de almidón-gelano y otra de PLA:PHBV, con y sin ácidos fenólicos, se caracterizaron en sus propiedades mecánicas y de barrera al vapor de agua y al oxígeno y se utilizaron para el envasado de carne de cerdo, evaluando su calidad durante el almacenamiento a 5 °C. La presencia de ácidos fenólicos disminuyó el módulo elástico y la tensión de fractura de las bicapas y mejoró su capacidad de barrera al vapor de agua y al oxígeno. Esto último, junto al efecto activo de los ácidos, contribuyó a mejorar la conservación de la carne durante el almacenamiento, reduciendo los niveles de oxidación lipídica, cambios de pH y pérdidas de peso de las muestras envasadas, así como el crecimiento microbiano, especialmente coliformes totales y bacterias ácido-lácticas. Los films bicapa biodegradables con ácidos fenólicos, a base de almidón y poliésteres, se muestran como una estrategia adecuada para obtener materiales de envasado activo, con propiedades funcionales próximas a las de algunos plásticos sintéticos comúnmente utilizados en el envasado de alimentos. Estos materiales pueden alargar la vida útil de los alimentos, mitigando el impacto ambiental de los envases plásticos ya que pueden ser compostados. / [CA] S'han desenvolupat, mitjançant termoprocesat, pel·lícules multicapa biodegradables actives per a l'envasament d'aliments, combinant pel·lícules de midó millorades i d'una mescla de polièsters (PLA-PHBV), amb diferents àcids fenòlics (ferúlic, p-cumàric i protocatecuic). En les pel·lícules midó de iuca o de dacsa es van incorporar gomes d'origen microbià (xantana i gellan) (10%) per a millorar les seues propietats funcionals. Les gomes van millorar les propietats mecàniques i de barrera al vapor d'aigua i a l'oxigen dels films de midó. Aquests films es van combinar amb films mescla de PLA:PHBV en bicapes midó-polièsters per termocompresió. Les bicapes van presentar una alta capacitat barrera a l'oxigen i al vapor d'aigua comparat amb les respectives monocapes. La capa de polièster va contribuir al reforç mecànic de la bicapa, aportant alta capacitat de barrera al vapor d'aigua, mentre que la capa de midó va aportar alta capacitat de barrera a l'oxigen a la bicapa. La bicapa amb midó de iuca i goma gellan va presentar la millor adhesió entre capes, amb propietats funcionals adequades per a l'envasament d'aliments. Els àcids ferúlic, p-cumàric i protocatecuic, amb propietats antimicrobianes i antioxidants, es van incorporar (2%) en els films mescla de PLA:PHBV per a obtindre films actius. Els àcids fenòlics van modificar positivament les propietats de la mescla de polièsters, incrementant el seu mòdul d'elasticitat i resistència a la fractura i la seua capacitat de barrera al vapor d'aigua i a l'oxigen, al mateix temps que van augmentar lleument la Tg del material. L'àcid protocatecuic va provocar els majors efectes, afectant la cristal·lització del PHBV. L'alliberament d'aquests compostos en diferents simulants alimentaris (amb polaritat alta i intermèdia) va ser molt limitada en quant a velocitat i quantitat alliberada, la qual cosa va disminuir la capacitat de les pel·lícules per a inhibir de manera significativa el creixement de Listeria innocua inoculada en medi de cultiu. Aquests films, amb i sense compostos actius, es van desintegrar en condicions de compostatge, sense efecte significatiu dels àcids fenòlics. Els films sense actius i amb àcid ferúlic es biodegradaren completament després de 20 dies de compostatge, mentre que els films que contenien àcid p-cumàric i protocatecuic ho van fer en 21 i 26 dies, respectivament. Per tant, cap dels àcids fenòlics incorporats va inhibir el procés de biodegradació, però es va retardar el procés, depenent del grau de retenció del compost en la matriu polimèrica. Els films bicapa biodegradables constituïts per una capa de midó-gellan i una altra de PLA:PHBV, amb i sense àcids fenòlics es van caracteritzar en les seues propietats mecàniques i de barrera al vapor d'aigua i a l'oxigen i es van utilitzar per a l'envasament de carn de porc, avaluant la qualitat a llarg del emmagatzematge a 5 °C. La presència d'àcids fenòlics va disminuir el mòdul elàstic i la tensió de fractura de les bicapes i va millorar la seua capacitat de barrera al vapor d'aigua i a l'oxigen. Això últim, junt a l'efecte actiu dels àcids, va contribuir a millorar la conservació de la carn durant l'emmagatzematge, reduint els nivells d'oxidació lipídica, canvis de pH i pèrdues de pes de les mostres envasades, així com el creixement microbià, especialment coliformes totals i bacteris àcid-làctics. Els films bicapa biodegradables amb àcids fenòlics, a base de midó i polièsters, es mostren com una estratègia adequada per a obtindre materials d'envasament actiu, amb propietats funcionals pròximes a les d'alguns plàstics sintètics comunament utilitzats en l'envasament d'aliments. Aquests materials poden allargar la vida útil dels aliments, mitigant l'impacte ambiental dels envasos plàstics ja que poden ser compostats. / [EN] Active biodegradable multilayer films have been developed by thermoprocessing for food packaging purposes, combining improved starch films and a blend of polyesters (PLA-PHBV), with different phenolic acids (ferulic, p-coumaric and protocatechuic). Into the cassava or maize starch films, gums of microbial origin (xanthan and gellan) were incorporated (10%) to improve their functional properties. The gums improved the mechanical and barrier properties to water vapor and oxygen of the starch films. These films were combined with PLA:PHBV blend films in starch-polyester bilayers by thermocompression. The bilayers exhibited high barrier capacity to oxygen and water vapor compared to their respective monolayers. The polyester layer contributes to the mechanical reinforcement of the bilayer, providing high water vapor barrier capacity, while the starch layer provided high oxygen barrier capacity to the bilayer. The bilayer with cassava starch and gellan gum showed the best interlayer adhesion, with adequate functional properties for food packaging applications. Ferulic, p-coumaric and protocatechuic acids, with antimicrobial and antioxidant properties, were incorporated (2%) in the PLA: PHBV blend films to obtain active films. Phenolic acids positively modified the properties of the polyester blend, increasing its elastic modulus and resistance to break and its barrier capacity to water vapor and oxygen, while slightly increasing the Tg of the material. Protocatechuic acid caused the greatest effects, affecting the crystallization of PHBV. The release of these compounds in different food simulants (with high and intermediate polarity) was very limited in terms of release rate and released amount, which reduced the ability of the films to significantly inhibit the growth of Listeria innocua inoculated in culture medium. These films, with and without active compounds, disintegrated under composting conditions, without significant effect of phenolic acids. Films without active compounds and with ferulic acid biodegraded completely after 20 days of composting, whereas films containing p-coumaric and protocatechuic acids did so in 21 and 26 days, respectively. Therefore, none of the incorporated phenolic acids inhibited the biodegradation process, but the process was delayed, depending on the degree of retention of the compound in the polymeric matrix. The biodegradable bilayer films with a layer of starch-gellan and another of PLA: PHBV, with and without phenolic acids, were characterized as to their mechanical properties and barrier capacity to water vapor and oxygen and were used for packaging of pork meat whose quality development was analysed throughout storage time at 5 °C. The presence of phenolic acids decreased the elastic modulus and resistance to break of the bilayers and improved their barrier capacity to water vapor and oxygen. The latter, together with the active effect of the acids, contributed to improving the preservation of the meat during storage, reducing the levels of lipid oxidation, changes in pH and weight losses of the packed samples, as well as microbial growth, especially total coliforms and lactic acid bacteria. Biodegradable bilayer films with phenolic acids, based on starch and polyesters, appeared as a suitable strategy to obtain active packaging materials, with functional properties close to those of some synthetic plastics commonly used in food packaging. These materials can extend the shelf-life of foods, mitigating the environmental impact of plastic packaging since they can be composted. / The authors would like to thank the Ministerio de Ciencia e Innovación of Spain, for funding this study through the Project AGL2016-76699-R and PID2019-105207RB-I00, and the predoctoral research grant # BES-2017-082040 / Hernández García, E. (2022). Biodegradable Multilayer Films for Active Food Packaging, Based on Starch and Polyesters with Phenolic Acids [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181473 / TESIS / Compendio