En este trabajo de tesis estudiamos mediante simulaciones de din´amica molecular, la interacci´on de ciertos efectores de inter´es sobre membranas lip´ıdicas modelo, concentr´andonos principalmente en propiedades din´amicas y estructurales. Luego ampliamos nuestra perspectiva para aprender tambi´en sobre el agua de hidrataci´on de dichas membranas. En una primera instancia, prestamos inter´es particularmente al efecto de los ´acidos grasos Omega-3, motivados principalmente por la enorme cantidad de evidencia sobre los efectos que estas peque˜nas mol´eculas tienen en la prevenci´on del desarrollo temprano de enfermedades como el Alzheimer. Nuestros resultados muestran que la membrana lip´ıdica se torna m´as fluida en presencia de dichos efectores. Luego extendimos nuestro estudio hacia membranas modelo m´as “reales”, ya que incluimos el colesterol (una mol´ecula de crucial importancia en las membranas biol´ogicas). En tal contexto determinamos que los efectos producidos por el colesterol pueden ser revertidos por la presencia de ciertos ´acidos grasos Omega-3, restaurando la din´amica y la estructura de la membrana lip´ıdica pura. Adicionalmente, analizamos el efecto de ciertas mol´eculas de gran inter´es por su potencial terap´eutico, como las xantonas, constituidas por una estructura privilegiada de heterociclos tric´ıclicos fusionados. Nuestros resultados muestran que las xantonas alteran el orden estructural en la membrana induciendo efectos que no muestran una correlaci´on trivial entre la compresibilidad y fluidez de la membrana. Por su parte, en la b´usqueda de profundizar nuestro entendimiento sobre las interacciones ligando-membrana resulta de vital importancia incluir el agua de hidrataci´on, ya que el nuevo paradigma que describe a las membranas biol´ogicas incluye al agua como un elemento constitutivo fundamental de las mismas y no meramente como el medio natural para su autoensamble y para llevar a cabo su funci´on biol´ogica. En tal sentido, estudiamos el modo en que diferentes l´ıpidos en presencia y ausencia de colesterol organizan al agua de hidrataci´on. Podemos decir que la presencia de colesterol en membranas de l´ıpidos (con y sin grupos carbonilos) modifica la distribuci´on de las mol´eculas de agua disminuyendo la relajaci´on dipolar de los l´ıpidos de la interfase y generando un aumento en la poblaci´on no relajable. Asimismo, analizamos los efectos que la incorporaci´on de colesterol produce sobre las membranas modelo, determinando que el mismo produce un aumento en la hidrofobicidad local y, por ende, en la propensi´on a la deshidrataci´on local. En este contexto, encontramos que el agregado de ´acidos grasos Omega-3 tambi´en permite revertir parcialmente dicho efecto. Finalmente, en pos de sentar las bases de una descripci´on molecular del agua de hidrataci´on de membranas lip´ıdicas, aprovechamos nuestros conocimientos previos en sistemas de agua sobreenfriada y agua v´ıtrea, dado que el agua nanoconfinada (como es el caso del agua de hidrataci´on de membranas) exhibe ciertas reminiscencias v´ıtreas. Sin embargo, para poder estudiar el agua de hidrataci´on, particularmente su estructura, es necesario contar con un ´ındice de estructura que resulte apropiado en dicho contexto ya que los ´ındices actuales no resultan aplicables. Por lo tanto, en una primera instancia mostramos algunas de las limitaciones de los ´ındices desarrollados hasta la fecha, de modo de evidenciar los ingredientes esenciales a tener en cuenta. Ello nos llev´o al desarrollo de un nuevo ´ındice de estructura, libre de preconceptos estructurales y basado en consideraciones energ´eticas, que no s´olo corrige los errores en que incurr´ıan los indicadores previos sino que es factible de adecuar a contextos de nanoconfinamiento. A pesar de que recorrimos un largo camino para llegar a este ´ındice, en esta tesis lo aplicamos s´olo de manera preliminar en el contexto de la hidrataci´on de membranas lip´ıdicas, ya que su adaptaci´on espec´ıfica a este campo constituye una tarea m´as ambiciosa que requerir´a y propiciar´a estudios futuro. / In this thesis work we study, by means of molecular dynamics simulations, the interaction of certain effectors of interest with model lipid membranes, making focus mainly on dynamic and structural properties. Then we extend our perspective to also learn on the behavior of the hydration water of such membranes. At first, we were particularly interested in the study of Omega-3 fatty acids, mostly motivated by the enormous amount of evidence on the effect of these small molecules preventing the early development of disorders such as Alzheimer’s disease. Our results make evident the fact that these effectors enhance membrane fluidity. We then extended our study to more “real” model membranes by including cholesterol (a crucially important molecule in biological membranes). In this context, we determine that the effects produced by cholesterol can be reversed by the presence of certain Omega-3 fatty acids, restoring the dynamics and structure of the pure lipid membrane. Additionally, we analyze the effect of certain molecules of great interest due to their therapeutic potential, such as xanthones, constituted by a privileged structure of fused tricyclic heterocycles. Our results show that xanthones alter membrane structural order inducing effects that do not follow a trivial correlation between membrane compressibility and fluidity. In turn, in order to deepen our understanding of ligand-membrane interactions, it is vitally important to include hydration water, since the new paradigm that describes biological membranes includes water as a fundamental constituent element instead of merely considering it as the natural environment for its self-assembly and for carrying out its biological function. In this sense, we study the way in which different lipids, in the presence and absence of cholesterol, organize hydration water. Our results reveal the fact that the presence of cholesterol in lipid membranes (with and without carbonyl groups) modifies the distribution of hydration water, decreasing the dipolar relaxation of the lipid interface and generating an increase in the non relaxable population. Likewise, we analyze the effects that the incorporation of cholesterol produces on model membranes, determining the occurrence of an increase in local hydrophobicity and, therefore, in the propensity for local dehydration. However, we find that the addition of Omega-3 fatty acids also allows to partially reverse such effect. Finally, in order to lay the foundations for a molecular description of lipid membrane hydration water, we take advantage of our previous knowledge in supercooled and glassy water, since nanoconfined water (as is the case of membrane hydration water) exhibits certain vitreous reminiscences. However, in order to study lipid hydration water, particularly its structure, it is necessary to have a structure index appropriate for this context, since the current indexes are not applicable. Therefore, as a first step we evidence some of the limitations of the indexes developed to date, in order to highlight the essential ingredients to take into account. This leads us to the development of a new structure index, free from structural preconceptions and based on energy considerations, that not only corrects the errors in which previous indicators incurred, but which is also feasible to adapt to nanoconfinement contexts. Although we came a long way to arrive at this index, in this thesis we apply it only preliminarily in the context of lipid membrane hydration, since its specific adaptation to this field constitutes a more ambitious task that will require and favor future studies.

En esta tesis exploramos las posibilidades que ofrecen sistemas basados en grafeno como soporte para tecnologías cuánticas. En particular estudiamos en profundidad las bicapas de grafeno en las que se depositan átomos de hidrógeno. Este tipo de defectos crean momentos magnéticos electrónicos localizados alrededor de los adátomos. Los adátomos de hidrógeno proporcionan a su vez el momento magnético nuclear del protón de su núcleo que interacciona con los momentos magnéticos electrónicos. El Hamiltoniano efectivo de este sistema comprende una multitud de términos que, cuando se combinan adecuadamente, pueden dar lugar a fases tanto débil como fuertemente correlacionadas. Las interacciones de Hamiltoniano efectivo pueden ser controladas a través de dos mecanismos. El primero, la ubicación de los defectos introducidos que puede ser elegida con precisión atómica usando STM. El segundo se basa en la apertura controlada de un gap en la estructura de bandas de las bicapas de localización/descolocación de los estados electrónicos depende fuertemente de la cercanía en energía de estados localizados, por lo que la apertura de un gap permite controlar la extensión de los electrones y su interacción con los defectos. Esta plataforma permitiría realizar experimentalmente un gran número de Hamiltonianos que a día de hoy carecen de realización experimental eligiendo la combinación correcta de parámetros entre los defectos y campo eléctrico (o lo que es lo mismo, extensión de los estados electrónicos).

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