Orientadores: Marta Cristina Teixeira Duarte, Guiomar Denisse Posada Izquierdo, Fernando Pérez Rodríguez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-27T10:14:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Possas_AriciaMaraMelo_M.pdf: 2038081 bytes, checksum: 8baf91fa5300fdd80940e18d382b2468 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Salmonella é um dos patógenos mais importantes relacionados a surtos de origem alimentar que têm como veículos carnes vendidas prontas para o consumo. A contaminação destes produtos pode ocorrer durante o processamento em operações como o fatiamento, embalagem e outros procedimentos que requerem manipulação. O aumento do consumo de produtos à base de carne de peru tem sido verificado mundialmente, pois estes aliam a praticidade dos chamados produtos "ready-to-eat" com o fato de que as carnes de aves são reconhecidas como saudáveis. Outro fator importante que influencia na escolha do consumidor é a presença de conservantes químicos nos produtos alimentícios. A substituição de conservantes químicos por substâncias naturais, como os óleos essenciais, e a incorporação destas em sistemas de embalagens ativas, representa uma alternativa interessante e atende a demanda por produtos mais naturais. Este estudo teve como objetivo desenvolver e aplicar um revestimento incorporado com óleo essencial como antimicrobiano em produtos cárneos à base de peito de peru e avaliar sua atividade contra Salmonella Enteritidis, simulando um sistema de embalagem ativa. Além disso, foi estudada a transferência desta bactéria a produtos de peito de peru durante o fatiamento, para simular a contaminação cruzada em equipamentos utilizados para este procedimento. Também foi avaliado o comportamento de S. Enteritidis durante a vida útil de fatias contaminadas dos produtos cárneos, contendo ou não revestimento de óleo essencial, armazenadas a diferentes temperaturas (10 e 25 °C). Quatro formulações dos produtos cárneos (A, B, C e D) foram estudadas para que fosse possível avaliar como a composição da matriz alimentar influencia no comportamento de S. Enteritidis. Dos quatro óleos essenciais testados in vitro, o óleo essencial de Thymus vulgaris (tomilho) foi o que apresentou menor concentração mínima inibitória (MIC) contra S. Enteritidis, sendo selecionado para ensaios posteriores. Baseando-se em análise sensorial e nos testes de triagem antimicrobiana, uma concentração de 0,8 % (v/m) de óleo essencial de T. vulgaris foi aplicada nos revestimentos para os produtos cárneos. Observou-se transferência de S. Enteritidis durante o fatiamento, a partir das lâminas de corte artificialmente contaminadas (~ 8 log UFC/lâmina) a todas as fatias analisadas (n = 20), de produtos revestidos ou não com emulsão de óleo essencial de T. vulgaris. Diferenças estatísticas foram detectadas em relação à transferência do patógeno nos diferentes tratamentos (p ? 0,05). O comportamento de S. Enteritidis nas fatias durante o armazenamento foi fortemente dependente da temperatura e da composição dos produtos, sendo verificado o crescimento a 25 °C em todas as formulações e tratamentos avaliados. Apenas o produto A propiciou o crescimento do patógeno a 10 °C. Nas fatias dos demais produtos foi verificado um perfil de sobrevivência, com redução das contagens ao longo da vida útil. O óleo essencial de T. vulgaris foi efetivo contra S. Enteritidis, durante o armazenamento de fatias revestidas a 10 °C. Testes finais indicaram que a adição e mistura do óleo essencial juntamente com os outros ingredientes, no processo industrial para obtenção dos produtos cárneos processados, possivelmente resultaria em maior atividade antimicrobiana do mesmo contra S. Enteritidis / Abstract: Salmonella is one of the most important pathogens involved in foodborne outbreaks related to the consumption of ready-to-eat meat products. The contamination of these products can occur during processing operations like slicing, packaging or other handling procedures. The increase in demand for turkey breast based products has been verified worldwide since they combine the convenience of ready-to-eat-products with the fact that poultry meat is recognized as healthy by consumers. The presence of chemical preservatives in food products is another important factor that influences consumer¿s choice. The use of natural substances as antimicrobials, such as essential oils, and their incorporation in active packaging systems represents an interesting alternative to the use of chemical preservatives. The aim of this study was to develop and implement an edible coating incorporated with essential oil as a natural antimicrobial to turkey breast products and to assess its activity against Salmonella Enteritidis, in order to simulate an active packaging system. This study also aimed to evaluate the transfer of S. Enteritidis to turkey breast products during the slicing procedure, simulating a cross-contamination scenario. Pathogen behavior during sliced turkey breast products¿ shelf-life at different storage temperatures (10 e 25 °C) was also evaluated. Four different formulations of products (A, B, C and D) were studied in order to evaluate how the composition of these food matrices can influence the behavior of S. Enteritidis. Among the four essential oils tested in vitro, Thymus vulgaris (thyme) essential oil exhibited the lowest minimum inhibitory concentration (MIC) against the pathogen and it was selected to subsequent assays. Based on sensory analysis and antimicrobial screening tests, 0.8 % (v/w) of T. vulgaris essential oil was applied on the edible coatings to be tested on turkey breast meat products. S. Enteritidis could be transferred during the slicing procedure, from artificially contaminated slicer blades (~ 8 log CFU/blade) to all slices microbiologically analyzed (n = 20), of products previously coated and not coated with T. vulgaris essential oil. Statistical differences were detected regarding pathogen transfer in the different treatments (p ? 0.05). S. Enteritidis behavior on slices during storage was strongly dependent on temperature and products composition. Growth was verified in slices of all formulations and treatments during storage at 25 °C. Only one product was susceptible to pathogen growth at 10 °C (product A). In the slices of the other three products (B, C and D) a survival pattern was observed, with reductions of S. Enteritidis counts during shelf-life. T. vulgaris essential oil was effective against S. Enteritidis during storage of slices at 10 °C. Final tests indicated that the addition of T. vulgaris essential oil with the other ingredients, during the industrial manufacture process of turkey breast products, probably would result in higher antimicrobial activity against S. Enteritidis. / Mestrado / Ciência de Alimentos / Mestra em Ciência de Alimentos

Tesis por compendio / [EN] The use of latent heat storage materials containing phase change materials (PCM's) is an effective way of buffering thermal fluctuations and has the advantages of high-energy storage density and the isothermal nature of the storage process. The aim of this work was to develop novel heat management materials based on the encapsulation of PCM's for different applications of interest in refrigerated foods. To this end, the electro-hydrodynamic processing was used to encapsulate commercial PCM's with transition temperatures of interest in refrigeration and superchilling within different polymer and biopolymer matrices. Initially, materials with heat management capacity to be used in refrigeration equipment and packaging applications were designed. To this end, thick slabs, multilayer heat storage structures and polystyrene foam trays containing ultrathin fiber-structured polystyrene/PCM coatings were fabricated through the encapsulation of commercial phase change materials (specifically paraffin's) within different polymeric matrices. The morphology, thermal properties, encapsulation efficiency and temperature profile of the just prepared structures and after three months of storage at 4 and 25ºC were evaluated. However, the developed electrospun heat management materials showed a multiple crystallization profile, increased supercooling degree (difference between the melting and crystallization temperatures), low encapsulation efficiency and partial diffusion out of the PCM from the electrospun structures during ageing. Therefore, different strategies were been carried out to counteract these drawbacks. One the one hand, thermal energy storage systems including a PCM which crystallize at -1.5ºC were optimized by adjusting the solvent composition in order to obtain hybrid electrospun fibers with thermal properties similar to those of the neat PCM. On the other hand, a hydrophilic shell material based on polyvinylalcohol (PVOH) was used to encapsulate the PCM by using the emulsion electrospinning technique in order to improve the encapsulation efficiency. However, the hybrid structures thus prepared were highly soluble in water at high relative humidity conditions and an extra layer of a more hydrophobic material (polycaprolactone) through coaxial electrospinning was used to protect them from swelling. The use of the coaxial configuration was a good strategy to preserve the morphology of the electrospun structures when exposed to high relative humidity. / [ES] El uso de materiales de almacenamiento de calor latente que contienen materiales de cambio de fase (PCM's) es una manera eficiente de amortiguar las fluctuaciones de temperatura y presenta las ventajas de proveer alta densidad de almacenamiento de energía y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. El objetivo de este trabajo fue desarrollar nuevos materiales con capacidad de gestión de calor mediante la encapsulación de PCM's para diferentes aplicaciones de interés en alimentos refrigerados. Para ello, se utilizó el procesado electrohidrodinámico para encapsular PCM's comerciales con temperaturas de transición de fase de interés en refrigeración y superenfriamiento dentro de matrices poliméricas y biopoliméricas. Inicialmente, se diseñaron materiales con capacidad de gestión de calor para ser utilizados en equipos de refrigeración y aplicaciones de envasado. Con este propósito, se fabricaron bloques, estructuras multicapa y bandejas de poliestireno que contenían un recubrimiento de fibras nanoestructuradas ultrafinas mediante la encapsulación de materiales de cambio de fase (especialmente parafinas) dentro de diferentes matrices poliméricas. Se evaluó la morfología, propiedades térmicas, eficiencia de encapsulación y perfil de temperatura de las estructuras recién preparadas y después de tres meses de almacenamiento a 4 y 25ºC. No obstante, se observó que los materiales electroestirados con capacidad de gestión de calor presentaron un perfil de cristalización múltiple, un incremento en el grado de subenfriamiento (diferencia entre las temperaturas de fusión y de cristalización), baja eficiencia de encapsulación y una difusión parcial del PCM de las estructuras electroestiradas durante el periodo de almacenamiento. Para contrarrestar estos efectos, se llevaron a cabo dos estrategias diferentes. Por un lado, se optimizaron los sistemas de almacenamiento de energía térmica incluyendo un PCM que cristaliza a -1.5ºC mediante el ajuste de la composición de los disolventes con el fin de obtener fibras hibridas electroestiradas con propiedades térmicas similares al PCM puro. Por otro lado, para mejorar la eficiencia de encapsulación se utilizó un material hidrófilo basado en polivinilalcohol (PVOH) como material de recubrimiento para encapsular el PCM usando la técnica de electroestirado a partir de una emulsión. Sin embargo, se observó que las estructuras hibridas preparadas fueron altamente solubles en agua y en condiciones de alta humedad relativa. Por tanto, para protegerlos se incorporó una capa adicional de un material más hidrofóbico (policaprolactona) mediante la técnica de electroestirado coaxial. El uso de la configuración coaxial fue la mejor estrategia para preservar la morfología de las estructuras electroestiradas cuando éstas fueron expuestas a condiciones de alta humedad relativa. / [CA] L'ús de materials d'emmagatzematge de calor latent que contenen materials de canvi de fase (PCM) és una manera eficaç d'esmorteir les fluctuacions tèrmiques. A més a més presenta els avantatges de posseir una alta densitat d'emmagatzematge energia així com la naturalesa isotèrmica del procés d'emmagatzematge. L'objectiu d'aquest treball va ser desenvolupar productes amb capacitat de gestió de calor mitjançat l' encapsulació de PCM per a diferents aplicacions d'interès en la conservació d'aliments refrigerats. Amb aquesta finalitat, es va utilitzar el processament electro-hidrodinàmic per encapsular PCM comercials dins de diferents matrius polimériques i biopolimériques, amb temperatures de transició d'interès en el procés de conservació d'aliments refrigerats. Inicialment, es van dissenyar materials amb capacitat de gestió de calor per ser utilitzats en equips de refrigeració i en el envasat d'aliments refrigerats. Per a tal fi, es van dissenyar blocs, materials multicapa i safates de poliestirè que contenien un recobriment nanoestructurat i ultrafí amb encapsulats de materials de canvi de fase comercials (específicament parafines) dins de diverses matrius polimèriques. Es va caracteritzar la morfologia, les propietats tèrmiques, l'eficiència de encapsulació i la capacitat d'emmagatzematge d'energia just en el moment en el que es van preparar i després de tres mesos d'emmagatzematge a 4 y 25ºC. No obstant això, els materials desenvolupats van mostrar un perfil de cristal·lització múltiple, un augment del grau de subrefredament (diferència entre les temperatures de fusió i de cristal·lització), una baixa eficiència d'encapsulació i una difusió parcial del PCM de les estructures electroestirades durant el període d'emmagatzematge. Per tant, diferents estratègies han estat portades a terme per contrarestar aquests inconvenients. D'una banda, amb la finalitat d'obtenir fibres híbrides electroestirades amb propietats tèrmiques similars a les de la PCM pur, es van optimitzar els sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica que incloïen un PCM que fon a -1,5 ºC variant la composició dels dissolvents. D'altra banda, es va utilitzar un material de la closca hidròfil basat en polivinílic alcohol (PVOH) per encapsular el PCM mitjançant l'ús de la tècnica d'electroestirat d'una emulsió per tal de millorar l'eficiència d'encapsulació. No obstant això, les estructures híbrides així preparades van ser altament soluble en aigua a altes condicions d'humitat relativa i va ser necessari utilitzar una capa addicional d'un material més hidròfob (policaprolactona) a través de la configuració coaxial de l'equip d'electroestirat. L'ús de la configuració coaxial va ser una bona estratègia per preservar la morfologia de les estructures electroestirades quan s'exposen a altes humitats relatives. / Chalco Sandoval, W. (2015). Development of Temperature Buffering Material Concepts Based on Electro-Hydrodynamic Processing of Interest in the Food Cold Chain [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53349 / Compendio

Tesis por compendio / [EN] In the present Doctoral Thesis, antimicrobial active packaging materials, at lab and at semi-industrial scale, have been developed with the aim to reduce the natural flora of peeled and cut fruit and extend its shelf life. Packaging prototypes have been developed for their further application. Prior to developing the active materials, the most suitable active agents were selected. To that end, the antimicrobial properties of the volatile active agents citral, hexanal and linalool and mixtures thereof were evaluated against typical microorganisms related to fruit spoilage, molds and yeast, concluding that the effectiveness of the mixture is higher than the sum of the effectiveness of the individual agents. Likewise, non-volatile antimicrobial agents such as potassium sorbate and sodium benzoate were selected, which are widely used in the food industry due to their antifungal properties. With the selected active agents, monolayer polypropylene (PP) films with different concentration of the active mixture citral, hexanal and linalool, at lab scale by means of extrusion, and bilayer films at semi-industrial scale with different active layer thickness by means of coextrusion were prepared. Besides, active packaging trays were developed at semi-industrial scale by thermoforming active sheets obtained by coextrusion of PP and ethyl vinyl acetate (EVA) compounds containing potassium sorbate and sodium benzoate as active agents. Mechanical, barrier and thermal properties of the developed active packaging materials, as well as their sealability and transparency were evaluated. In general, the materials' properties were not affected in a significant manner. However, active trays decreased in transparency due to the incorporation of non-volatile active agents. The release kinetics of the volatile and non-volatile active agents were studied at different temperatures, defining their diffusion coefficients by the adjustment to mathematic models based on Second's Law Fick. Among the volatile active agents, hexanal showed a higher diffusion coefficient, followed by citral and linalool. On the other hand, very small differences were observed between potassium sorbate and sodium benzoate diffusion coefficients, being of the same order of magnitude. In vitro tests were also performed at different temperatures to evaluate the antimicrobial properties of the developed materials. In general, the active packaging materials showed high antimicrobial properties which were enhanced with the increment of temperature. Once the properties of the developed materials were evaluated, in vivo tests with peeled and cut orange and pineapple were performed by packing these fruits with the active film, active tray and their combination (active packaging system). In general, the active packaging system improved the microbiological preservation of the fruit for longer times, between 2 and 7 days for orange and pineapple, respectively, and maintained quality parameters of the fruit at stable levels for longer times. Lastly, the safety of the active packaging materials was evaluated according to the European food contact materials and food legislation, and it was concluded that these materials were not of any safety concern for the consumers. / [ES] En la presente Tesis Doctoral se han desarrollado materiales de envase activo antimicrobiano, a escala laboratorio y a escala semi-industrial, con el objetivo de reducir la proliferación de la flora natural de la fruta pelada y cortada y extender su vida útil. Se han desarrollo distintos prototipos para su posterior aplicación industrial Previo al desarrollo de los materiales de envase, se ha realizado una selección de agentes activos más idóneos. Para ello se han estudiado mediante ensayos in vitro las propiedades antimicrobianas de agentes activos volátiles, citral, hexanal y linalool y diferentes mezclas de los mismos, frente a distintos microorganismos típicos del deterioro de las frutas, mohos y levaduras, concluyendo que la efectividad de la mezcla de los tres es superior a la suma de la efectividad de los activos de forma individual. Así mismo, también se han seleccionado antimicrobianos no volátiles como el sorbato potásico y benzoato sódico, los cuáles son ampliamente empleados en la industria alimentaria debido principalmente a sus propiedades antifúngicas. Con los agentes activos seleccionados, se han desarrollado películas monocapa de polipropileno (PP) con distintas concentraciones de la mezcla activa, citral, hexanal y linalool, a escala laboratorio, mediante técnicas de extrusión, y películas bicapa a escala semi-industrial con distintos espesores de capa activa mediante coextrusión. Por otra parte, se desarrollaron bandejas activas a escala semi-industrial mediante termoconformado de láminas obtenidas por coextrusión de compuestos de PP y etilvinilaceteto (EVA) con sorbato potásico o benzoato sódico como agentes antimicrobianos. Se han evaluado las propiedades mecánicas, barrera y térmicas de los materiales activos desarrollados, así como su sellabilidad y transparencia. En general, las propiedades de los polímeros no se vieron afectadas de manera relevante. Sin embargo, las bandejas activas perdieron su carácter transparente debido a la incorporación de los agentes activos no volátiles. Se ha estudiado la cinética de liberación de los compuestos activos volátiles y no volátiles a distintas temperaturas, determinando los coeficientes de difusión de los agentes activos mediante el ajuste a modelos matemáticos de difusión basados en la Segunda Ley de Fick. Entre los agentes volátiles, el hexanal mostró un mayor coeficiente de difusión seguido de citral y linalool. Por otra parte, no hubo apenas diferencia en los coeficientes de difusión del sorbato potásico y benzoato sódico, siendo éstos del mismo orden de magnitud. Igualmente, se han realizado diferentes experimentos in vitro a distintas temperaturas para determinar las propiedades antimicrobianas de los materiales desarrollados. En general, los materiales activos presentan una elevada capacidad antimicrobiana que se ve potenciada al aumentar la temperatura de exposición. Una vez evaluadas las características de los materiales desarrollados, se han efectuado ensayos de envasado de naranja y piña pelada y cortada con las películas y las bandejas activas y con la combinación del sistema de envase bandeja activa termosellada con la película activa. En general, el sistema de envase activo mejoró la conservación de la fruta por un mayor tiempo, entre 2 y 7 días para la naranja y piña, respectivamente, presentando una gran capacidad antimicrobiana y manteniendo los parámetros de calidad de la fruta en niveles estables por un mayor tiempo. Por último, se ha estudiado la seguridad de estos materiales de acuerdo a la legislación de materiales en contacto con alimentos y la legislación alimentaria europea, concluyendo que los materiales activos desarrollados no presentan preocupación para la seguridad de los consumidores. / [CA] En la present Tesi Doctoral s'han desenvolupat materials d'envasament actiu antimicrobià, a escala de laboratori i a escala semi-industrial amb l'objectiu de reduir la proliferació de la flora natural de la fruita pelada i tallada i estendre la seua vida útil. S'han desenvolupament diferents prototips per a la seua posterior aplicació industrial. Previ al desenvolupament dels materials actius, s'han seleccionat els agents actius mes idonis estudiant mitjançant assajos in vitro les propietats antimicrobianes d'agents actius volàtils, citral, hexanal i linalool i diferents mescles dels mateixos, enfront de diferents microorganismes típics de la deterioració de les fruites -floridures i llevats- concloent que l'efectivitat de la mescla dels tres és superior a la suma de l'efectivitat dels actius de forma individual. Així mateix, s'han seleccionat antimicrobians no volàtils, sorbat potàssic i benzoat sòdic, els quals son àmpliament empleats a l'industria alimentaria per les seues propietats antifúngiques. Amb els agents actius seleccionats, s'han desenvolupat pel·lícules monocapa de polipropilè (PP) amb diferents concentracions de la mescla activa, citral, hexanal i linalool, a escala laboratori, mitjançant tècniques d'extrusió, i pel·lícules bicapa a escala semi-industrial amb diferents espessors de capa activa mitjançant coextrusió. D'altra banda, s'han desenvolupat safates actives a escala semi-industrial mitjançant termoconformació de làmines obtingudes per coextrusió de compostos de PP i etil vinil acetat (EVA) amb sorbat potàssic o benzoat sòdic com a agents antimicrobians. S'han avaluat les propietats mecàniques, barrera i tèrmiques dels materials actius desenvolupats, així com la seua sellabilidad i transparència. En general, les propietats dels polímers no es van veure afectades de manera rellevant. No obstant això, les safates actives van perdre el seu caràcter transparent a causa de la incorporació dels agents actius no volàtils. S'ha estudiat la cinètica d'alliberament dels compostos actius volàtils i no volàtils a diferents temperatures, determinant els coeficients de difusió dels agents actius mitjançant l'ajust a models matemàtics de difusió basats en la Segona Llei de Fick. Entre els agents volàtils, l' hexanal va mostrar un major coeficient de difusió seguit de citral i linalool. D'altra banda, no va haver-hi a penes diferències en els coeficients de difusió del sorbat potàssic i benzoat sòdic, sent aquests del mateix ordre de magnitud. Igualment, s'han realitzat diferents experiments in vitro a diferents temperatures per determinar les propietats antimicrobianes dels materials desenvolupats. En general, els materials actius presenten una elevada capacitat antimicrobiana que es veu potenciada en augmentar la temperatura d'exposició. Una vegada avaluades les característiques dels materials desenvolupats s'han efectuat assajos d'envasament de taronja i pinya pelada i tallada amb la safata, la pel·lícula activa i la seva combinació (sistema d'envàs actiu). En general, el sistema d'envàs actiu va millorar la conservació de la fruita per un major temps, entre 2 i 7 dies per a la taronja i pinya respectivament, presentant una gran capacitat antimicrobiana i mantenint els paràmetres de qualitat de la fruita en nivells estables per un major temps. Finalment, s'ha estudiat la seguretat d'aquests materials d'acord a la legislació de materials en contacte amb aliments i la legislació alimentària europea, concloent que els materials actius desenvolupats no presenten preocupació per a la seguretat dels consumidors. / Lara Lledó, MI. (2016). Antimicrobial packaging system for minimally processed fruit [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61388 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La producción y consumo de plásticos derivados de petróleo ha crecido exponencialmente en las últimas décadas, impactando en la naturaleza y los seres vivos. Los envases alimentarios son considerados la principal fuente de contaminación por plásticos. Por ello, el estudio y desarrollo de nuevos materiales derivados de recursos renovables y biodegradables ha emergido como un nuevo campo de gran interés. La presente tesis doctoral se enfocó en el desarrollo y caracterización de biopolímeros de polihidroxialcanoato (PHA) derivados de subproductos industriales y de la fracción orgánica de aguas residuales municipales, los residuos biológicos municipales, sintetizados por cultivos microbianos mixtos y producidos mediante las tecnologías de electroestirado y mezclado en fundido. Los materiales resultantes fueron desarrollados para obtener monocapas y multicapas activas y de alta barrera a oxígeno para su uso en envases alimentarios basados en la Bioeconomía Circular. Para lograr los objetivos, esta tesis doctoral se ha dividido en tres bloques según la tecnología utilizada en la obtención de los materiales. El primer bloque consistió en la extracción de los PHAs derivados de residuos agro-industriales para su óptima utilización en los procesos de producción. Posteriormente, se realizó el procesado de los PHAs mediante la técnica de electroestirado, por la cual se obtuvieron fibras poliméricas que fueron tratadas térmicamente para formar films continuos y homogéneos. Estas monocapas presentaron buenas propiedades térmicas y mecánicas, así como alta barrera tanto a vapores como a gases. Además, las fibras fueron funcionalizadas con compuestos orgánicos presentes en aceites esenciales para proporcionarles una función antimicrobiana activa contra microorganismos trasmitidos por los alimentos. Por otro lado, se realizó el electroestirado de copolímeros de etileno-alcohol vinílico, un polímero sintético que se biodegrada en condiciones específicas y que posee alta barrera a oxígeno. Además, nanocristales de celulosa fueron añadidos al EVOH, para crear monocapas híbridas de alta barrera más sostenibles. En el segundo bloque, los materiales se procesaron mediante la técnica de mezclado en fundido. Para ello, los PHAs derivados de biomasa del primer bloque se mezclaron con PHAs comerciales, así como con cargas celulósicas para formar "compuestos verdes", en el que todos los materiales estaban basados en recursos renovables y biodegradables. Las mezclas mostraron buena miscibilidad y propiedades ópticas, una flexibilidad mejorada, así como propiedades de barrera similares a las del material de biopoliéster puro. Finalmente, en el tercer bloque, se produjeron sistemas multicapas utilizando mezclas de PHA desarrolladas ad-hoc, y materiales monocapa de PHA electroestirado del primer bloque. Estas estructuras multicapas se basaron en las propiedades adhesivas que poseen las fibras electroestiradas tras aplicarles el tratamiento térmico y en el uso de los revestimientos de CNCs como capas intermedias de barrera a oxígeno. Así, los sistemas multicapas desarrollados fueron totalmente compostables, con alta barrera a oxígeno, siendo potenciales candidatos para sustituir a los actuales envases alimentarios basados en materiales no renovables provenientes del petróleo. Por lo tanto, los materiales aquí desarrollados son tanto bioadhesivos muy prometedores que muestran propiedades antimicrobianas y de alta barrera, como capas exteriores con fines estructurales o para uso como films finos. Así, por laminación, estos materiales pueden dar lugar a films multicapas autoadhesivos, empleados tanto en envases rígidos, semirrígidos o flexibles. Estas estructuras son sostenibles y respetuosas con el medio ambiente y además son biodegradables mediante compostaje y, en algún caso, biodegradables en el medio ambiente. Asimismo, son potencialmente capaces de proporcionar una calidad y seguridad alimentaria comparables a las derivadas de fuentes petroquímicas. / [CA] La producció i el consum de plàstics derivats de petroli ha crescut exponencialment en les últimes dècades, impactant en la naturalesa i els éssers vius. Els envasos alimentaris són considerats la principal font de contaminació per plàstics. Per això, l'estudi i el desenvolupament de nous materials derivats de recursos renovables i biodegradables ha emergit com un nou camp de gran interès. Aquesta tesi doctoral es va enfocar en el desenvolupament i la caracterització de biopolímers de polihidroxialcanoat (PHA) derivats de subproductes industrials i de la fracció orgànica d'aigües residuals municipals, els residus biològics municipals, sintetitzats per cultius microbians mixtos i produïts mitjançant les tecnologies d'electroestirat i barrejat en fosa. Els materials resultants van ser desenvolupats per obtenir monocapes i multicapes actives i d'alta barrera a oxigen per utilitzar-los en envasos alimentaris basats en la Bioeconomia Circular. Per assolir els objectius, aquesta tesi doctoral s'ha dividit en tres blocs segons la tecnologia utilitzada per obtenir els materials. El primer bloc va consistir en l'extracció dels PHA derivats de residus agroindustrials per a la seva òptima utilització en els processos de producció. Posteriorment, es va realitzar el processament dels PHA mitjançant la tècnica d'electroestirat, per la qual es van obtenir fibres polimèriques que van ser tractades tèrmicament per formar films continus i homogenis. Aquestes monocapes van presentar bones propietats tèrmiques i mecàniques, així com alta barrera tant a vapors com a gasos. A més, les fibres van ser funcionalitzades amb compostos orgànics presents en olis essencials per proporcionar-los una funció antimicrobiana activa contra microorganismes transmesos pels aliments. D'altra banda, es va realitzar l'electroestirat de copolímers d'etilè-alcohol vinílic, un polímer sintètic que es biodegrada en condicions específiques i que té alta barrera a oxigen. A més, nanocristalls de cel·lulosa van ser afegits a l'EVOH, per crear monocapes híbrides d'alta barrera més sostenibles. Al segon bloc, els materials es van processar mitjançant la tècnica de barrejat en fosa. Per això, els PHAs derivats de biomassa del primer bloc es van barrejar amb PHAs comercials, així com amb càrregues cel·lulòsiques per formar "compostos verds", en què tots els materials estaven basats en recursos renovables i biodegradables. Les barreges van mostrar bona miscibilitat i propietats òptiques, una flexibilitat millorada, així com propietats de barrera similars a les del material de biopolièster pur. Finalment, al tercer bloc, es van produir sistemes multicapes utilitzant barreges de PHA desenvolupades ad-hoc, i materials monocapa de PHA electroestirat del primer bloc. Aquestes estructures multicapes es van basar en les propietats adhesives que tenen les fibres electroestirades després d'aplicar-los el tractament tèrmic i en l'ús dels revestiments de CNC com a capes intermèdies de barrera a oxigen. Així, els sistemes multicapes desenvolupats van ser totalment compostables, amb alta barrera a oxigen, sent potencials candidats per substituir els actuals envasos alimentaris basats en materials no renovables provinents del petroli. Per tant, els materials aquí desenvolupats són tant bioadhesius molt prometedors que mostren propietats antimicrobianes i d'alta barrera, com a capes exteriors amb fins estructurals o per a ús com a films fins. Així, per laminació, aquests materials poden donar lloc a films multicapes autoadhesius, emprats tant en envasos rígids, semirígids o flexibles. Aquestes estructures són sostenibles i respectuoses amb el medi ambient ia més són biodegradables mitjançant compostatge i, en algun cas, biodegradables al medi ambient. Així mateix, són potencialment capaços de proporcionar una qualitat i seguretat alimentària comparables a les derivades de fonts petroquímiques. / [EN] The production and consumption of petroleum derived plastics that are not biodegradable has grown exponentially in recent decades, with the consequent impact on nature and organisms. The food packaging sector is today considered the main source of plastic contamination. Therefore, the study and development of new materials derived from renewable and biodegradable resources has emerged as a new field of great scientific, social, economic and political interest. The current PhD thesis focused on the development and characterization of polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolymers derived from agro-industrial by-products and from the organic fraction of municipal wastewater, the municipal biowaste, synthesized by mixed microbial cultures and produced by electrospinning and melt compounding technologies. The resultant materials were particularly developed to obtain high-oxygen-barrier active monolayers and multilayers for use in Circular Bioeconomy-based food packaging. In order to achieve the objectives, this PhD thesis has been divided into three blocks according to the technology used to obtain the materials. The first block consisted of the extraction of PHAs derived from agro-industrial waste for their optimal use in production processes. After this, the PHAs were then processed using the electrospinning technique, whereby polymeric fibers were obtained and thermally post-treated by an annealing process to form continuous and homogeneous films, also known as "biopapers". These monolayers showed good thermal and mechanical properties, as well as a high barrier to both vapors and gases. In addition, the fibers were functionalized with eugenol, an organic compound present in essential oils, to provide them with active antimicrobial function against foodborne microorganisms. On the other hand, the electrospinning of poly(ethylene-co-vinyl alcohol) copolymers, a synthetic polymer that is claimed to biodegrade under specific conditions and with high oxygen barrier, was performed. Cellulose nanocrystals were added to EVOH, to create high barrier more sustainable hybrid monolayers. In the second block, the materials were processed using the melt compounding technique. For this purpose, the biomass derived PHAs extracted in the first block were blended with commercial PHAs as well as with cellulosic fillers, in this case rice husk flour, in order to form "green composites", where all the materials were based on renewable and biodegradable resources. After film formation by hot pressing, the blends showed excellent miscibility and optical properties, improved flexibility, as well as barrier properties similar to the neat biopolyester material. Finally, in the third block, multilayer systems were produced using ad-hoc developed PHA blends, and PHA electrospun monolayer materials developed in the first block. They were based on the adhesive properties of the electrospun fibers after thermal treatment, which allowed the elimination of synthetic adhesive substances normally used in the industry, and on the use of the CNCs coatings as oxygen barrier interlayers. Thus, the multilayer systems developed were fully compostable, with high oxygen barrier, being potential candidates to replace current food packaging based on non-renewable petroleum-based materials. Therefore, the materials developed herein are very promising bioadhesives showing antimicrobial and high barrier properties, as well as outer layers for structural or thin film purposes. Thus, by lamination, these materials can result in self-standing multilayer films, which can be used in rigid or semirigid packaging as well as in flexible packaging. They are sustainable and environmentally friendly, as they are made from renewable sources or waste, and are biodegradable by composting, and, in some case, even biodegradable in the environment. Furthermore, they are potentially capable of providing comparable quality and food safety to those currently marketed from petrochemical sources. / Meléndez Rodríguez, B. (2022). Development and Characterization of Monolayers and Multilayers Based on Biodegradable Materials Derived from Waste and By-products of Interest in Food Packaging [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/184651 / Compendio

Dans un premier temps, ce travail a concerné la réalisation de microparticules chargées en agent antimicrobien suivant la technique de microencapsulation par évaporation de solvant en émulsion simple. Différentes morphologies ont été obtenues avec des microparticules éloignées du standard lisse, démontrant des cicatrices et des défauts, de la rugosité ou encore des trous. Les paramètres ainsi que les mécanismes physico-chimiques responsables des dégradations morphologiques ont été identifiés et discutés. Il a été démontré que les paramètres de formulation tels que la masse et masse molaire du polymère ou encore la présence de tensioactifs ainsi que les paramètres du procédé tels que la force et la vitesse de cisaillement modifient l'état de surface finale des microparticules. Ce travail a notamment prouvé qu'il existe une compétition entre la cinétique d'évaporation du solvant et la vitesse de coalescence des gouttelettes d'émulsion qui est à l'origine des dégradations morphologiques. Suite à cette étude, les microsphères résultantes contenant de l'alcool phényléthylique ont été enduites à la surface du conditionnement primaire polyoléfine sous forme de films minces de différentes épaisseurs grâce à la technique de revêtement par immersion. L'introduction de microparticules au sein du liant ralentit la diffusion de l'agent antimicrobien en augmentant le nombre de matrices polymériques à traverser pour atteindre le milieu extérieur. La réalisation de telles couches a permis d'obtenir des libérations sur des périodes supérieures à au moins trois mois ce qui est 15 fois plus important que celles obtenues pour l'agent antimicrobien non encapsulé. Ce travail de thèse a également étudié l'activité antimicrobienne de l'alcool phényléthylique au sein d'une émulsion. Il a été mesuré le partage de l'alcool phényléthylique entre les phases aqueuse, huileuse et micellaire de l'émulsion. Les résultats obtenus ont permis de développer un modèle mathématique calculant la fraction en agent antimicrobien libre présent en solution aqueuse. Ce dernier a été corrélé à des dosages de l'émulsion et des mesures microbiologiques utilisant les cinq souches microbiennes du challenge test sur 14 jours. Ainsi, il a été démontré que les calculs permettent de prédire la concentration en conservateur nécessaire afin d'assurer la protection antimicrobienne des formulations. Cette étude a notamment prouvé que la quantité d'alcool phényléthylique nécessaire à la conservation des formulations est respectivement 1,6 et 4,3 fois plus importante dans une solution micellaire et une émulsion par rapport à une solution aqueuse / First, this work focused on the formulation of microparticles loaded with antimicrobial agent using the emulsion/solvent evaporation method. Several morphologies have been obtained with nonsmooth microparticles characterized by scars and defects, roughness and holes. The parameters and the physico-chemical mechanisms involved in these morphological deteriorations have been identified and discussed. It has been shown that the formulation and processing parameters as the polymer mass and molar mass, the surfactant as well as the speed and shear rate of the propeller play a key role in the final microparticles surface states. This study proved that there is a competition between solvent evaporation and the coalescence of emulsion droplets which is responsible for the morphological degradations. Following this study, the resulting microspheres loaded with phenylethyl alcohol were dispersed in a binder and coated as thin films of various thicknesses by the dip-coating method at the polyolefin surface. It has been measured that the use of microparticles slows the antimicrobial agent diffusion by increasing the number of polymeric matrices that have to be crossed in order to reach the external medium. Such thin films resulted in an antimicrobial agent delivery up to 3 months which is 15 times higher than the delivery obtained for the non-encapsulated antimicrobial agent. The antimicrobial activity of the phenylethyl alcohol in an emulsion has also been investigated. The phenylethyl alcohol partition between the water phase, the oil phase and the micellar phase of an emulsion has been measured. These results led to the development of a mathematical model calculating the fraction of free antimicrobial agent present in the aqueous phase. It has been correlated with emulsion dosages and microbiological measurements using the five microorganisms of the challenge test during 14 days. It has been demonstrated that calculations enable the prediction of the antimicrobial agent concentration needed to ensure the antimicrobial protection. In particular, this work proved that the phenylethyl alcohol quantity necessary for antimicrobial protection is respectively 1.6 and 4.3 times higher for a micellar solution and an emulsion compared to an aqueous solution

Le règne végétal est une ressource renouvelable d'une large gamme de métabolites secondaires biologiquement actifs. Ces travaux de thèse proposent une stratégie multidisciplinaire d'évaluation du potentiel de composés phénoliques antimicrobiens d'origine végétale pour la conservation des aliments. Un criblage de l'activité antimicrobienne in vitro vis-à-vis de 8 souches de la flore pathogène et d'altération des aliments d'une centaine de molécules pures et une soixantaine d'extraits végétaux a d'abord permis de sélectionner les plus actifs. Différents mécanismes d'action vis-à-vis de S. aureus ont pu être mis en évidence par cytométrie de flux couplée à l'utilisation de marqueurs de l'état physiologique des bactéries pour quelques uns des composés actifs sélectionnés. En vue d'une application à de la viande bovine, l'activité antibactérienne des composés phénoliques ou extraits végétaux les plus actifs a été réévaluée dans des milieux de culture plus complexes mimant leur teneur en protéines et en matières grasses. Les résultats de ce criblage et un suivi microbiologique de viande hachée de bœuf avec 1% (m/m) d'extrait ajouté ont permis d'observer que les pertes d'activité antibactérienne observées étaient notamment corrélées aux interactions des composés phénoliques avec les protéines ou les matières grasses. L'incorporation des composés phénoliques ou extraits végétaux dans des matériaux d'emballage en contact alimentaire a constitué la seconde voie de mise en œuvre envisagée. Des films plastiques conservant une activité antibactérienne ont ainsi pu être élaborés par voie fondue / The plant kingdom is a renewable resource of a wide range of biologically active secondary metabolites. This thesis proposes a multidisciplinary strategy for evaluating the potential of plant-derived antimicrobial phenolic compounds for food preservation. A screening of the antimicrobial activity in vitro against 8 strains of foodborne pathogenic and spoilage microorganisms of a hundred pure molecules and about sixty plant extracts allowed to select the most active. Different mechanisms of action with respect to S. aureus could be demonstrated by flow cytometry coupled with the use of probes of the physiological state of the bacteria for some of the selected active compounds. For application to beef, the antibacterial activity of the most active phenolic compounds or plant extracts has been re-evaluated in more complex culture media mimicking their protein and fat content. The results of this screening and a microbiological monitoring of minced beef with 1% (m / m) of added extract made it possible to observe that the observed losses of antibacterial activity were in particular correlated with the interactions of the phenolic compounds with the proteins or fat. Incorporation of phenolic compounds or plant extracts into packaging materials in contact with food constituted was the second proposed route of implementation. Plastic films that retain antibacterial activity have thus been able to be prepared by melting

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:22:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Adriane Alexandre Machado de Melo - Ciencia e Tecnologia de Alimentos.pdf: 736032 bytes, checksum: 4d9373fbcfce810096e5aded3a6b98be (MD5) Previous issue date: 2010-08-20 / The chilled chicken is highly perishable food that requires the application of conservation and storage methods. Studies on packaging that are able not only to protect, but also to interact with the food have been increasing, as antimicrobial packaging for example that, due to the presence of preservatives, are able to retard or inhibit the growing of microorganisms in the packed product. The objectives of this study were to develop biodegradable packaging embedded with natural antimicrobial agent (active film); assess its mechanical properties and its effect in vitro on the mesophilic microorganisms and assess the counts of psychrotrophic and total coliforms and the physical and chemical characteristics of chilled chicken packed in it. It was produced cellulose-based active films embedded with different concentrations (10, 20, 30, 40 and 50%, v/w) of rosemary (Rosmarinus officinalis L.) essential oil and analysis of variance and mean comparison tests (Tukey p<0.05) were performed on the results. Films embedded with 10, 20 and 30% were shown to be the most resistant ones, and the films with 10 and 20% were also the hardest ones, while the elongation weren´t shown to have variation among treatments. In vitro analysis of the films showed that the concentrations between 10 and 20% of essential oil were necessary in order to reduce the growing of mesophilic collected in samples of chicken chest and that the microbial growth on the films was the same of the four biggest concentrations. However, films embedded with 20% of essential oil and alternated in samples of chicken chest didn´t show any significant effect on the control of psychrotrophic microorganisms or total coliforms during the storage period (9 days, 2 ± 2ºC), but films embedded with 50% of essential oil were shown to be efficient on the control of microorganisms growth of coliform groups, during the storage of the samples (6 days, 2 ± 2ºC), without color alteration. The essential oil of rosemary concentration on the films influenced its mechanical properties and also affected the mesophilic microorganisms growth in vitro and, with 50% the film reduced the coliforms growth in chilled chicken chest. / A carne de frango resfriada é um alimento bastante perecível, sendo necessária aplicação de métodos de conservação e armazenamento. O estudo de embalagens capazes não só de proteger, mas também de interagir com o alimento é uma crescente, sendo um exemplo as embalagens antimicrobianas, que devido à presença de conservantes, são capazes de retardar ou inibir o crescimento de micro-organismos no produto embalado. Diante disto, o objetivo desta pesquisa foi desenvolver embalagem biodegradável incorporada com agente antimicrobiano natural (filme ativo), avaliar suas propriedades mecânicas e seu efeito in vitro sobre o crescimento de mesófilos e avaliar a contagem de psicrotróficos e coliformes totais e as características físicas e químicas de peitos de frango resfriados nele acondicionados. Foram produzidos filmes ativos a base de celulose incorporados com diferentes concentrações (10, 20, 30, 40 e 50%, v/p) de óleo essencial de alecrim (Rosmarinus officinalis L.) e os resultados foram submetidos à análise de variância e teste para comparação de médias (Tukey, p<0,05). Filmes incorporados com 10, 20 e 30% se mostraram os mais resistentes, sendo que os filmes com 10 e 20% foram, também, os mais rígidos, enquanto a elongação não variou entre os tratamentos. A análise in vitro dos filmes revelou que uma concentração entre 10 e 20% de óleo essencial foi requerida para reduzir o crescimento dos mesófilos coletados de amostras de peito de frango, e que o crescimento microbiano sob os filmes foi o mesmo nas quatro maiores concentrações. Contudo, filmes incorporados com 20% de óleo essencial e intercalados em amostras de peito de frango não mostraram efeito significativo no controle de micro-organismos psicrotróficos ou coliformes totais durante o período de armazenamento (9 dias, 2 ± 2ºC), mas filmes incorporados com 50% de óleo essencial mostraram-se eficientes no controle do crescimento de micro-organismos do grupo coliformes, durante o armazenamento das amostras (6 dias, 2 ± 2ºC), sem alterar a cor das mesmas. A concentração de óleo essencial de alecrim nos filmes influenciou suas propriedades mecânicas e afetou o crescimento de micro-organismos mesófilos in vitro e, a 50%, o filme reduziu o crescimento de coliformes em peito de frango resfriado.

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 / Compendio

Cette étude porte sur l’analyse du mécanisme de transfert du carvacrol (molécule antimicrobienne volatile) au travers de films à base de chitosan. La composition, la structure, les paramètres de procédés et de séchage de la couche de chitosan ont été corrélés aux propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des films. La compréhension de ces facteurs et de leurs influences est cruciale à l’optimisation de la production de films actifs à base de polyéthylène enduits de chitosan. En effet, composition, microstructure et condition environnementale (température, humidité) conditionnent la rétention puis la libération contrôlée du carvacrol. La présence d’humidité induit absorption, gonflement, et plastification du chitosan, et par conséquent influe sur la structure, ses propriétés thermiques et de surface. L’absorption d’humidité, due au changement de structure, entraîne une forte augmentation de la perméabilité aux gaz et à la vapeur d’eau, et favorise ainsi la libération du carvacrol, nécessaire à une efficacité antimicrobienne rapide. Cette dernière, ainsi que l’impact sensoriel sur l’aliment emballé, sont directement corrélés aux aspects cinétiques et de partage des vapeurs de carvacrol. Ces travaux ont ainsi mis en évidence l’importance le compréhension de mécanismes de transfert dans les emballages à base de bio-polymères sur leur production et application industrielles / The aim of this study is the analysis of structure and transfer mechanisms through chitosan based food packaging materials with incorporated carvacrol as a model of antimicrobial active substance. Integration of composition parameters, structure, processing and drying of chitosan systems is correlated to its physico chemical and functional properties. Understanding and detailed analyses of processing parameters is crucial in production of active chitosan coatings applied on conventional materials such as polyethylene. So, the knowledge of composition and microstructure in association to environmental conditions, control the retention and the release kinetics of carvacrol from chitosan film. Water vapour was crucial parameter that strongly influenced adsorption, swelling and plasticization of chitosan based films, as well as thermal, surface and mechanical properties. By changing the matrix structure, penetrating water molecules decreased gas barrier efficiency and increased release of carvacrol. Furthermore, release of carvacrol in the headspace was correlated to the antimicrobial efficiency and to the organoleptic impact on packed food products. Such investigation highlights the transfer mechanism within bio-based materials, prior to efficiency prediction for their industrial development.In dry conditions, all chitosan films were fairly good gas barriers (about 10 17 g/m∙s∙Pa). Chitosan coated polyethylene films were up to 10000 times less permeable than uncoated PE. Increase in the environmental humidity above 60% and up to 96% (that represents the conditions of a real fresh food packaging system), significantly increased gas permeability of all chitosan films. Mechanical tests confirmed that when relative humidity increased, structural changes were induced. Therefore, extensive water plasticization of chitosan matrix was observed.Diffusion coefficients of carvacrol from chitosan film increased up to 1000 times when humidity increased from 0% to 100%. Water vapour triggers the release of carvacrol in the vapour phase. This indicates the importance of controlling the environmental conditions in the packaging at the time of the application but also during the active film storage.Films with carvacrol concentrations in the vapour phase above 2x10-7 g/mLair were efficient against large spectrum of bacteria, including some Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria and fungi. In some instances the concentration that was required for carvacrol antimicrobial efficiency was not organoleptically acceptable to consumers. / Cilj ovog rada je analiza strukture i mehanizama prijenosa tvari kroz ambalažne materijale za pakiranje hrane na bazi kitozana s inkorporiranim karvakrolom kao modelnom aktivnom antimikrobnom tvari. Integrirani sastavni parametri, struktura, proizvodnja i sušenje kitozanskog sustava korelirani su sa njegovim fizikalno-kemijskim i funkcionalnim svojstvima. Razumijevanje i detaljna analiza procesnih parametara predstavlja ključan korak u proizvodnji aktivnih kitozanskih prevlaka na konvencionalnim materijaima kao što je polietilen. Dakle, poznavanje sastava i mikrostrukture u ovisnosti o okolnim uvjetima, osnovni je preduvjet za kontrolirano zadržavanje i otpuštanje karvakrola iz filmova na bazi kitozana. Vodena para predstavlja ključni parametar koji značajno utječe na adsorpciju, bubrenje i plastifikaciju kitozanskih filmova, kao i na njegova toplinska, površinska, i mehanička svojstva. Penetracijom (prodiranjem) molekula vode dolazi do promjene strukture matriksa, smanjuje se učinkovitost barijernih svojstava prema plinovima i povećava otpuštanje karvakrola. Otpuštanje karvakrola u zračnom prostoru u korelaciji je sa antimikrobnom učinkovitosti i organoleptičkim svojstvima upakiranih prehrambenih proizvoda. Ovo istraživanje prije svega naglašava značaj poznavanja mehanizma prijenosa tvari unutar biomaterijala koji je neophodan za predviđanje učinkovite primjene na industrijskoj razini

Tesis por compendio / [ES] La presente Tesis Doctoral plantea el desarrollo de sistemas antimicrobianos basados en el anclaje covalente reversible de aldehídos de origen natural con actividad antimicrobiana en películas de quitosano para su aplicación en el envasado de alimentos. En primer lugar, se desarrolló un protocolo para la formación de bases de Schiff o iminas de diferentes aldehídos en películas de quitosano. Estas iminas son producto de la condensación de los grupos amino primarios del quitosano con los grupos carbonilo del aldehído. El anclaje de dichos aldehídos, en su mayoría de elevada volatilidad, permite su estabilización a largo plazo en estructuras poliméricas, facilitando su manejo. Las iminas son hidrolizables, y dicha hidrólisis está favorecida a pH < 5, por lo que la naturaleza reversible del enlace ofrece un mecanismo para controlar la liberación del antimicrobiano. Previamente a su anclaje, se evaluó la capacidad antimicrobiana de los aldehídos frente a diversos microorganismos patógenos y alterantes alimentarios. Se caracterizó el enlace imina mediante técnicas espectroscópicas y se cuantificó la incorporación del aldehído a la película de quitosano mediante análisis elemental. Adicionalmente otras propiedades funcionales del material fueron evaluadas, como propiedades térmicas, ópticas o de absorción de agua. En segundo lugar, se evaluó la reversibilidad del enlace imina o base de Schiff por el contacto con soluciones acuosas de diferente acidez. La respuesta al pH de las películas permitió determinar la mayor estabilidad del enlace imina a pH neutros, mientras que a pH ácidos resultó más hidrolizable, permitiendo así una mayor liberación del aldehído anclado. Las películas activas desarrolladas mostraron una buena respuesta antimicrobiana contra Botrytis cinerea y Penicillium expansum, al someterlas a una solución de pH ácido. La respuesta antimicrobiana de las películas se debió exclusivamente a la liberación del aldehído al espacio de cabeza tras la hidrólisis de la imina. La estructura química de los aldehídos tuvo un impacto significativo en la formación de iminas y en las propiedades de la película, así como en su reversibilidad. Así, la presencia del doble enlace (Ca=Cß) en aldehídos a,ß-insaturados podría generar otro tipo de enlaces como la adición de Michael, permitiendo obtener matrices entrecruzadas y más estables que sus análogos saturados. El grado de entrecruzamiento y propiedades de estas películas puede ser modulado por el pH del medio empleado en su síntesis. Para la aplicación tecnológica de las películas antimicrobianas de quitosano con los volátiles anclados reversiblemente, se trabajó con productos de postcosecha frescos o mínimamente procesados. Se empleó la respuesta al pH de las películas siguiendo diferentes estrategias. Por una parte, el sistema se incorporó en el envasado de moras frescas, para ello, se diseñó un envase de doble fondo dónde depositar las películas junto con el medio activador. Se redujo satisfactoriamente el crecimiento de hongos sobre la superficie de la fruta, aumentando el tiempo de vida útil de las moras envasadas de 3 a 12 días. Por otra parte, se envasó piña fresca cortada empleando el mismo diseño del envase, de forma que el jugo ácido exudado por la piña durante su almacenamiento catalizó la hidrólisis de la imina. Las películas activas mejoraron la calidad y redujeron la carga microbiana habitual de la piña, observando una reducción notable respecto al control a partir del día 9. Por último, la actividad antimicrobiana de las películas activas se evaluó en un alimento líquido refrigerado inoculado con E. coli. La acidez del zumo provocó la liberación del aldehído al medio inhibiendo el crecimiento del patógeno. Las películas de quitosano con los aldehídos anclados presentaron respuesta al pH, mostrando una mayor capacidad antimicrobiana al ser sometidas a pH ácido, y pudiendo emplearse en el diseño de envases activos antimicrobianos. / [CA] Aquesta Tesi Doctoral planteja el desenvolupament de sistemes antimicrobians basats en l'ancoratge covalent reversible d'aldehids d'origen natural amb activitat antimicrobiana en pel·lícules de quitosà per aplicar-les a l'envasament d'aliments. En primer lloc, es va desenvolupar un protocol per a la formació de bases de Schiff o imines de diferents aldehids en pel·lícules de quitosà. Aquestes imines són el producte de la addició nucleòfila dels grups amino del quitosà al carbonil de l'aldehid que s'ancorarà. L'ancoratge d'aquests aldehids, majoritàriament d'elevada volatilitat, permet la seva estabilització a llarg termini en estructures polimèriques, facilitant-ne el seu maneig. Les imines són hidrolitzables, i aquesta hidròlisi està afavorida a pH < 5, per la qual cosa la naturalesa reversible de l'enllaç ofereix un mecanisme per controlar l'alliberament de l'antimicrobià. Prèviament a la incorporació d'aquests compostos a les pel·lícules de quitosà, es va avaluar la capacitat antimicrobiana dels aldehids davant de diversos microorganismes patògens i alterants d'aliments. Es va caracteritzar l'enllaç imina mitjançant tècniques espectroscòpiques i es va quantificar la incorporació de l'aldehid a la pel·lícula de quitosà mitjançant anàlisi elemental. Addicionalment, altres propietats funcionals del material van ser avaluades, com a propietats tèrmiques, òptiques o d'absorció d'aigua, verificant la modificació del polímer. En segon lloc, es va avaluar la reversibilitat de l'enllaç imina o base de Schiff pel contacte amb solucions aquoses de diferent acidesa. La resposta al pH de les pel·lícules va permetre determinar la major estabilitat de l'enllaç imina a pH neutres, mentre que a pH àcids va resultar més hidrolitzable, permetent així un alliberament més gran de l'aldehid ancorat. Les pel·lícules actives desenvolupades van mostrar una bona resposta antimicrobiana contra Botrytis cinerea i Penicillium expansum,la qual és deguda exclusivament a l'alliberament de l'aldehid a l'espai de cap després de la hidròlisi de la imina. L'estructura química dels aldehids va tenir un impacte significatiu en la formació d'imines i en les propietats de la pel·lícula, així com en la reversibilitat. Així, la presència del doble enllaç (Ca=Cß) en aldehids a,ß-insaturats podria generar un altre tipus d'enllaços com l'addició de Michael, permetent obtenir matrius entrecreuades i més estables que els seus anàlegs saturats, el qual pot ser modulat pel pH del medi emprat a la síntesi. Per a l'aplicació tecnològica de les pel·lícules antimicrobianes de quitosà amb els volàtils ancorats reversiblement, es va treballar amb productes de postcollita frescos o mínimament processats. Es va emprar la resposta al pH de les pel·lícules seguint diferents estratègies. D'una banda, el sistema es va incorporar a l'envasat de móres fresques, per això es va dissenyar un envàs de doble fons on dipositar les pel·lícules juntament amb el medi activador a pH àcid. Es va reduir satisfactòriament el creixement de fongs sobre la superfície de la fruita, augmentant el temps de vida útil de les móres envasades de 3 a 12 dies. D'altra banda, es va envasar pinya fresca tallada emprant el mateix disseny de l'envàs, de manera que el suc àcid exsudat per la pinya durant el seu emmagatzematge va afavorir la hidròlisi de la imina. Les pel·lícules actives van millorar la qualitat i van reduir la càrrega microbiana habitual de la pinya, observant una reducció notable a partir del dia 9. Per acabar, l'activitat antimicrobiana de les pel·lícules actives es va avaluar en un aliment líquid refrigerat i inoculat amb E. coli. L'acidesa del suc va provocar l'alliberament de l'aldehid al medi inhibint el creixement del patogen. Les pel·lícules de quitosà amb els aldehids ancorats van presentar resposta al pH, mostrant una major capacitat antimicrobiana en ser sotmeses a pH àcid, i podent emprar-se en el disseny d'envasos actius antimicrobians. / [EN] This Doctoral Thesis proposes the development of antimicrobial systems based on the reversible covalent anchoring of naturally occurring aldehydes with antimicrobial activity in chitosan films for their application in food packaging. First, a protocol for the formation of Schiff bases or imines of different aldehydes on chitosan films was developed. These imines are the product of the condensation of the primary amino groups of chitosan with the carbonyl groups of the aldehyde. The immobilization of these aldehydes, most of which are highly volatile, allows their long-term stabilisation in polymeric structures, facilitating their handling. The imines are hydrolysable, and its hydrolysis is favoured at pH < 5, so the reversible nature of the bond provides a mechanism to control the antimicrobial release. Prior to the incorporation of these compounds into chitosan films, the antimicrobial capacity of aldehydes was evaluated against various pathogenic and food spoilage microorganisms. The formed imine bond was characterised by spectroscopic techniques and the incorporation of the aldehyde into the chitosan film was quantified by elemental analysis. Additionally, other functional properties were evaluated, such as thermal, optical and water absorption properties, verifying the modification of the polymer. Secondly, the reversibility of the imine bond or Schiff's base was evaluated by contact with aqueous solutions of different acidity. The pH response of the films allowed determining the higher stability of the imine bond at neutral pH, while at acidic pH it was more hydrolysable, leading a higher release of the anchored aldehyde The developed active films showed a good antimicrobial response against Botrytis cinerea and Penicillium expansum, especially when subjected to an acidic pH solution. The antimicrobial response of the films was exclusively due to the aldehyde released into the headspace after imine hydrolysis. The chemical structure of the aldehydes had a significant impact on imine formation and film properties, as well as on their reversibility. Thus, the presence of the double bond (Ca=Cß) in a,ß-unsaturated aldehydes could generate other types of bonds such as Michael addition, allowing cross-linked polymer, which are more stable than their saturated analogues. The degree of cross-linking and properties of these films can be modulated by the pH of the medium used in their synthesis. For the technological application of chitosan antimicrobial films with reversibly grafted volatiles, fresh or minimally processed post-harvest products were used. The pH response of the films was used following different strategies. On the one hand, the system was incorporated in the packaging of fresh blackberries, for this purpose, a double-bottom package was designed to deposit the films together with the activating medium at acid pH. The solution was added at the time of fruit packaging and allowed the imine bond to be hydrolysed subsequently the aldehyde release into the headspace where it exerted its function. Fungal growth on the fruit surface was successfully reduced, increasing the shelf life of the packed blackberries from 3 to 12 days. Moreover, fresh cut pineapple was packaged using the same packaging design, so that the exuded juice by the pineapple during storage favoured the imine hydrolysis. The active films improved the quality and reduced the usual microbial load of the pineapple, with a noticeable reduction compared to the control from day 9 onwards. Finally, the antimicrobial activity of the active films was evaluated in a refrigerated liquid food inoculated with E. coli. The acidity of the juice resulted in the release of aldehyde into the medium inhibiting the growth of the pathogen. The aldehyde immobilization in chitosan films were pH-responsive, showing a higher antimicrobial capacity when subjected to acidic pH, which can be used in the design of antimicrobial active packaging. / The authors acknowledge the financial support of the Spanish Ministry of Science and Innovation (Grants RTI2018-093452-B- I00, MAT2017-83014-C2-2P and BES-2016-077380 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ERDF A way of making Europe) / Heras Mozos, R. (2022). Envases activos basados en el anclaje covalente reversible de compuestos antimicrobianos en quitosano [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188950 / Compendio