Tesis por compendio / The overall objective of the doctoral thesis was the development of starch-based (S) biodegradable active films for food packaging applications, by applying both casting method and thermoprocessing. Different blends of S with protein material have been studied in order to improve the functional properties of the films or confer antimicrobial/antioxidant activity. The following protein materials were used: powder buttermilk (BM); lactoferrin (LF) and/or lysozyme (LZ), and bovine gelatin (BG). Ethyl lauroyl arginate (LAE, E243) was also incorporated as antimicrobial compound. Likewise, S:BG blend films, either with or without LAE, with previously oxidized S, have been studied to enhance the crosslinking of polymer chains and to improve the film properties. The films have been characterized as to their functional properties as packaging material, their antioxidant and/or antimicrobial properties, as well as their capacity for preserving different food systems, in terms of lipid oxidation and microbial spoilage. Blends of S with BM gave rise to films with a heterogeneous structure, in which the formation of a protein gel was observed when BM dispersion was heated with S at 90 ºC for 30 min. The heat treatment promoted an increase in the resistance to break and stretchability of films, together with a decrease in water vapour permeability. Only those films subjected to heat treatment exhibited antioxidant activity, probably due to the release of active peptides as a result of high temperatures. However, no antilisterial activity was observed for any film containing BM. The incorporation of LF and/or LZ into S films, obtained by the casting method, led to a partial compatibility between polymers, thus affecting the microstructure of S films, as well as leading to an rise in the glass transition temperature. Films with proteins were less extensible, especially when LF was incorporated. All of the films tested were effective at controlling the progress of lipid oxidation in pork lard, whereas only films with LF/LZ blend reduced the growth of coliforms in minced pork meat, as a result of their synergistic action. Films based on S and BG blends (1:1) were obtained by both casting method and thermo-processing. Phase separation of both polymers (stratified structure or separated domains of both polymers, respectively) was observed in both cases. The incorporation of LZ, but mainly LAE, into films, enhanced the compatibility between polymers. Thermo-processed films were more permeable to water vapour and oxygen, less rigid and resistant and more stretchable, in comparison with those films obtained by casting. While LAE incorporation improved the water vapour barrier capacity, it worsened the oxygen barrier properties, contrary to the effect produced by LZ. All films with LAE exhibited high antilisterial activity. Films based on oxidized S and BG (1:1), obtained by casting, showed a high polymer compatibility, and crosslinking between the polymer chains occurred due to the carbonyl-amino condensation reaction. As a result, the water uptake ability of the films decreased and the mechanical and barrier properties improved, although film browning was induced due to the formation of Maillard compounds. LAE incorporation implied its involvement in condensation reactions, due to its bi-functional character (carbonyl-amino), thus affecting crosslinking and the film properties. These reactive processes progressed throughout storage time, leading to an increase in the mechanical resistance and browning of the films. The obtained Maillard compounds conferred antimicrobial capacity on the films, which increased as the storage time progressed. The application of blend films of native or oxidized S and BG with LAE, for the purposes of preserving vacuum packaged chicken breast fillets, extended the shelf-life through the inhibition of bacterial growth (total viable counts; psicrotrophic, anaerobic,lactic acid bacteria and coliforms). Samples packaged i / El objetivo general de la presente tesis doctoral se basa en el desarrollo de films activos biodegradables a base de almidón (S) para su aplicación en sistemas de envasado de alimentos, por medio de dos métodos diferentes de obtención, método en húmedo por extensión y secado (casting) y método en seco (termoprocesado). Se estudiaron mezclas de S con diferentes materiales proteicos, con fin de disminuir la alta higroscopicidad de los films de S y su retrogradación a lo largo del tiempo de almacenamiento y mejorar sus propiedades funcionales, así como conferirles actividad antimicrobiana/antioxidante. Los materiales proteicos utilizados fueron los siguientes: suero de mantequilla en polvo (BM); lactoferrina (LF) y/o lisozima (LZ), y gelatina bovina (BG). El etil lauroil arginato (LAE, E243) fue también incorporado como compuesto antimicrobiano. Asimismo, se estudiaron los films mezcla de S con BG, con y sin LAE incorporado, habiendo oxidado previamente el S, para así potenciar el entrecruzado de las cadenas poliméricas y mejorar las propiedades de los films. Estos fueron caracterizados en sus propiedades funcionales como material de envase, sus propiedades antioxidantes y/o antimicrobianas, así como por su capacidad de conservación de diferentes sistemas alimentarios, en términos de su oxidación lipídica y deterioro microbiológico. Las mezclas de S con BM dieron lugar a películas con una estructura heterogénea, en las que se observó la formación de un gel proteico como resultado del calentamiento de la dispersión BM con S a 90 ºC durante 30 min. El tratamiento térmico promovió un aumento de la resistencia a la rotura y extensibilidad de los films, junto con una disminución en la permeabilidad al vapor de agua. Sólo las películas sometidas a tratamiento térmico y homogeneización con cizalla mostraron actividad antioxidante, probablemente debido a la liberación de péptidos activos en consecuencia de la alta temperatura y fuerza de cizalla aplicada Sin embargo, no se observó actividad antilisteria para ninguno de los films con BM. La incorporación de LF y/o LZ en films de S condujo a una compatibilidad parcial entre polímeros, afectando así a la microestructura de los films de S, y produciendo un aumento de la temperatura de transición vítrea y disminución de la capacidad de alargamiento de los films, especialmente cuando se incorporó LF. Todos los films resultaron eficaces en el control del progreso de la oxidación lipídica de la manteca de cerdo, mientras que sólo las películas con mezcla LF/LZ redujeron el crecimiento de coliformes en carne picada de cerdo, como resultado de su acción sinérgica. Los films basados en la mezcla S y BG (1: 1) fueron obtenidos por casting y termo-moldeado y compresión, llevando a la separación de fases entre ambos polímeros (estructura esratificada o separación de dominios de ambos polímeros, respectivamente). La incorporación de LZ, y principalmente de LAE, en los films, aumentó la compatibilidad entre ambos polímeros. Los films termoprensados fueron más permeables al vapor de agua y al oxígeno, menos rígidos y resistentes y más extensibles, en comparación con aquellos obtenidos por casting. La incorporación de LAE mejoró la capacidad de barrera contra el vapor de agua, mientras que incurrió en un empeoramiento de la barrera frente al oxígeno, contrariamente al efecto producido por la LZ. Los films con LAE, moldeados o termoprensados, mostraron una alta eficacia antilisteria. Los films basados en S oxidado y BG (1: 1), fueron obtenidos por casting y mostraron una alta compatibilidad polimérica, lo cual condujo al entrecruzado de las cadenas como resultado de la reacción de condensación carbonilo-amino producida entre ambos polímeros. En consecuencia, la capacidad de absorción de agua de los films disminuyó y se mejoraron las propiedades mecánicas y de barrera, aunque también se indujo a un pardeamiento de los films, indicando / L'objectiu general de la tesi doctoral és el desenvolupament de films actius biodegradables a base de midó (S) per a la seua aplicació en sistemes d'envasat d'aliments, amb l'utitització del mètode d'extensió i assecat (casting) i termoprocessat (barrejat en fos i termo-compressió). Es van estudiar barreges de S amb diferents materials proteics, per millorar les propietats funcionals dels films o conferir activitat antimicrobiana. Els materials protèics utilitzats van ser: sèrum de mantega en pols (BM); lactoferrina (LF) i/o lisozima (LZ), i gelatina bovina (BG). L'ètil lauroil arginat (LAE, E243) va ser també incorporat com a compost antimicrobià. Així mateix, es van estudiar els films barreja de S amb BG, amb i sense LAE, havent oxidat prèviament el S, per potenciar l'entrecreuat de les cadenes polimèriques i millorar les propietats dels films. Aquests van ser caracteritzats en les seues propietats funcionals com a material d'envàs, les seues propietats antioxidants i/o antimicrobianes, així com en la seua capacitat de conservació en diferents sistemes alimentaris, en termes de la seua oxidació lipídica i deteriorament microbià. Les barreges de S amb BM van donar lloc a films amb una estructura heterogènia, en què es va observar la formació d'un gel protèic com a resultat del calfament de la dispersió BM amb S a 90 ºC durant 30 min. El tractament tèrmic va promoure un augment de la resistència al trencament i extensibilitat dels films, juntament amb una disminució en la permeabilitat al vapor d'aigua. Només el films sotmesos a tractament tèrmic van mostrar activitat antioxidant, probablement a causa de l'alliberament de pèptids actius com a conseqüència de l'alta temperatura. No obstant això, no es va observar activitat antilisteria per cap dels films amb BM. La incorporació de LF i/o LZ en films de S obtinguts per casting va donar lloc a una compatibilitat parcial entre polímers, afectant a la microestructura dels films de S, i produint un augment de la temperatura de transició vítria. Els films amb les proteïnes van ser menys extensibles, especialment quan es va incorporar LF. Tots els films van resultar eficaços en el control de l'oxidació lipídica de la mantega de porc, mentre que només el films amb barreja LF/LZ van reduir el creixement de coliforms en carn picada de porc, com a resultat de la seua acció sinèrgica. Els films amb barreges S i BG (1: 1) van ser obtinguts per casting i termo-processat. En tots dos casos es va observar separació de fases entre els dos polímers (estructura estratificada o separació de dominis d'ambdós polímers, respectivament). La incorporació de LZ, i principalment de LAE, en els films, va augmentar la compatibilitat entre tots dos polímers. Els films termo-processats van ser més permeables al vapor d'aigua i l'oxigen, menys rígids i resistents i més extensibles, en comparació amb els obtinguts per càsting. La incorporació de LAE va millorar la capacitat de barrera al vapor d'aigua, a l'hora que va disminuir la capacitat de barrera davant l'oxigen, contràriament a l'efecte produït per la LZ. Tots els films amb LAE, van mostrar una alta capacitat antilisteria. Els films amb S oxidat i BG (1: 1), van ser obtinguts per casting i van mostrar una alta compatibilitat dels polímers, tot produint entrecreuat de les cadenes com a resultat de la reacció de condensació carbonil-amino. En conseqüència, va disminuir la capacitat d'absorció d'aigua dels films i es van millorar les propietats mecàniques i de barrera, encara que es va promoure l'enfosquiment dels films, cosa que indica la formació de compostos de Maillard. La incorporació de LAE va implicar la seua participació en les reaccions de condensació, a causa del seu caràcter bi-funcional (carbonil-amino), el que va afectar a l'entrecreuat i les propietats dels films. Aquests processos reactius van progressar al llarg del temps d'emmagatzematge, donant lloc a un augment de l / Moreno Marro, O. (2017). Starch-protein active films for food preservation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/80616 / Compendio

Master of Science / Department of Grain Science and Industry / Sajid Alavi / Plastics from petroleum sources are the main raw materials used for producing food packaging films. But these plastic films cause a great environmental concern due to their non-degradable nature and non-renewable source. Biodegradable polymers like starch can be used as a base material which can replace petroleum based plastics packaging. In this study, starch (0-80%) and polyvinyl alcohol (PVOH) (20-100%) were used as base polymers to produce nanocomposites. Glycerol (30%) and sodium montmorillonite (0-20%) were used as a plasticizer and nano-filler, respectively. Nanocomposites were produced through two methods: solution and melt extrusion method. Extrusion method resulted in greater exfoliation of nanocomposites than solution method because it provided more shear stress to disrupt the layered silicate structure. In extrusion method, a lab scale extruder was used to produce these nanocomposites and films were made by casting. Process parameters, including screw speed (200-400 RPM) and barrel temperature (145-165[superscript]oC), were varied systematically. X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) were conducted to characterize the nanostructure of these nanocomposites. Thermal characterization of these films was carried out through differential scanning calorimetric (DSC) studies. Results from XRD and TEM explained the phenomenon of intercalation and exfoliation in these nanocomposites. Structural and thermal data indicated important role for Na[superscript]+MMT along with process parameters in controlling exfoliation and glass transition temperature of the nanocomposites. These results also helped in understanding the fundamental interactions among all the components. The tensile strength and elongation at break of films ranged from 4.72 to 23.01MPa and 63.40 to 330.15% respectively, while water vapor permeability ranged from 1.68 to 0.79g.mm/kPa.h.m[superscript]2. These results provide a great understanding for further improvements in order to bring these films close to commercial plastic films which have superior tensile strength (10-80MPa), elongation at break (200-800%) and water vapor permeability (0.002- 0.05g.mm/kPa.h.m[superscript]2). The cost for polyethylene is approximately $0.70/lb while the raw material cost for this starch based films is approximately $0.85/lb.

Orientador: Márcia Regina de Moura Aouada / Resumo: A crescente preocupação em se consumir produtos que sejam ecologicamente corretos tem motivado pesquisas no desenvolvimento de novos materiais. Nesse sentido, filmes à base de polímeros naturais têm sido desenvolvidos com o objetivo de substituir parcialmente a utilização dos polímeros tradicionais. A utilização desses filmes, além de diminuir a geração de resíduos plásticos descartados no meio ambiente, podem ainda exercer a função de embalagem ativa, estendendo a vida útil dos alimentos. O presente trabalho consiste na elaboração de novos filmes comestíveis à base de gelatina e nanoemulsão de óleos essenciais de manjerona e de pimenta-preta. A gelatina é um polímero natural, biocompatível e biodegradável, possuindo boa capacidade de formar filmes flexíveis. Os óleos essenciais de manjerona e de pimenta-preta possuem boa aceitação por parte dos consumidores, além de excelentes propriedades antioxidantes e antimicrobianas. Quando adicionados às matrizes poliméricas em forma de nanoemulsão, pode contribuir para a diminuição da permeabilidade a vapores de água e aumentar a tenacidade dos filmes. Visando a melhoria da resistência mecânica dos filmes, dispersão de argilas vem sido incorporadas as dispersões filmogênicas. Nesse trabalho, foi utilizada a cloisite Na+. Os filmes produzidos foram caracterizados quanto à análise subjetiva, permeabilidade ao vapor de água, propriedade mecânicas, propriedades térmicas, difração de raios-x, ângulo de contato e microestruturais. As nanoem... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The growing concern to consume products that are ecologically correct has motivated the study in the development of new materials. In this sense, films based in natural polymers have been created with the aim of replacement of the traditional polymers. The use of these films behind to decreasing the generation of plastic waste in the environment, it can still be active packaging, extending the food shelf-life. This present study consists in the elaboration of a film based in gelatin and marjoram and black pepper essential oils nanoemulsions. Gelatin is a natural, biocompatible and biodegradable polymer, it has good flexible and film forming ability. The marjoram and black pepper essential oil has a good acceptance by the consumers, as well as excellent antioxidant and antimicrobial properties. When incorporated to polymer matrices by the nanoemulsions way, they can contributed to the reduction of water vapor permeability and increase film tenacity. By the aim of improve the mechanical proprieties, clay dispersions had been incorporated in the film dispersions. In this study Na+ cloisite was used. The produced films were characterized by the subjective analysis, water vapor permeability, mechanical properties, thermal properties, x-ray diffusion, contact angle and microstructural. The nanoemulsions characterized by the particle size, presented results between 250 and 181nm to black pepper, and 82 and 47nm to marjoram essential oil. Related to the water vapor permeability and t... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Visando o desenvolvimento de materiais biodegradáveis para embalagens, blendas de amido/quitosana estruturadas com nanopartículas de montmorilonita (MMT) ou nanofibras de bambu (NFBs) em concentrações de (0,0; 0,5 e 1,0) g de NPs/100 g de polímero foram obtidas pelas técnicas de casting e extrusão. Os bionanocompósitos obtidos das duas técnicas foram caracterizados, bem como foi avaliada a influência da dispersão das nanopartículas sobre as principais propriedades físico-químicas dos bionanocompósitos. Para os filmes produzidos de blendas de amido/quitosana por casting, foram avaliadas as proporções de (5/0; 3,75/0,25; 2,5/2,5; 1,25/0,75 e 0/1) g/100 g base polímero, e a adição dos reforçadores na solução filmogênica. Observou-se uma dispersão assim como uma intercalação satisfatória da MMT nos bionanocompósitos, confirmadas pelas mudanças da cristalinidade devido ao deslocamento do pico característico de 7,2 º para 5,2 º; e os filmes estruturados com NFBs apresentaram variações nas frequências vibracionais dos arranjos moleculares indicando a formação de ligações fortes entre as blendas e os reforçadores. A partir da extrusão da mistura de homo pellets e pellets masterbatch, das blendas de amido/quitosana nas proporções de (100/0; 75/25 e 50/50) g/100 g, foram obtidos compósitos em processo contínuo os quais exibiram propriedades qualitativas satisfatórias assim como mudanças de cristalinidade e interações moleculares. Em relação às propriedades mecânicas, os bionanocompósitos apresentaram um aumento da resposta à tensão assim como da elongação e módulo de elasticidade em relação às concentrações dos reforçadores em cada umas blendas avaliadas. Por outro lado, tanto a formação das blendas como as interações dos reforçadores modificaram significativamente a rede tridimensional dos filmes em relação à taxa de transferência de vapor de água, obtendo-se valores de (155 e 139) g m-2 d-1 para os compósitos obtidos da blenda amido/quitosana 100/0 estruturados com (0,5 e 1,0) g MMT/100 g, respectivamente. Os valores de PVA obtidos são inferiores aos reportados por produtos comerciais como o (PBS) Bionolle™ (330 g m-2 d-1) e (PBAT) Ecoflex® (272 g m-2 d-1). Neste trabalho foi possível desenvolver um material promissor com características diferenciadas e alta aplicabilidade no setor de embalagens biodegradáveis para uso industrial. / Aiming at the development of biodegradable packaging materials, starch/chitosan blends structured with montmorillonite nanoparticles (MMT) or bamboo nanofibers (NFBs) at concentrations of (0.0,0.5 and 1.0) g NPs/100 g of polymer were obtained by the casting and extrusion techniques. The obtained bio-nanocomposites were characterized, as well as, how the dispersion of nanoparticles influenced the main physicochemical properties of the films. For the films from starch/chitosan blends produced by the casting method, the proportions of (5/0, 3.75/0.25, 2.5/2.5, 1.25/0.75 and 0/1) g/100 g based on polymer, were tested and the introducing of the reinforcers into filmogenic solution were evaluated. Satisfactory dispersion and exfoliation of MMT in bio-nanocomposites were confirmed by changes of crystallinity due to displacement of the characteristic peak from 7.2 ° to 5.2 °. In the same way, films structured with NFBs showed variations of the vibrational frequencies of the molecular arrangements indicating strong bonds between the polymer blends and the reinforcers. By the extrusion from the mixture of homo pellets and masterbatch pellets, from starch/chitosan blends at proportions of (100/0, 75/25 and 50/50) g/100 g, the obtained films have exhibited changes of the crystallinity and the molecular interactions. In relation to mechanical properties, the films presented increase of the tension response as well as the elongation and modulus of elasticity in relation to the reinforcer concentration in each evaluated blend. On the other hand, the formation of polymer blends and the interactions of reinforcers with the matrix changed significantly the three-dimensional network and consequently the water vapor transmission (WVT). Films produced from starch/chitosan 100/0, nanostructured with (0.5 and 1.0) g MMT/100 g, exhibited lower values of WVT 155 e 139) gm-2 d -1, respectively, when compared to commercial products such as Bionolle ™ (PBS) 330 g m-2 d-1) and (PBAT) Ecoflex® (272 g m-2 d-1). In this work, it was possible to develop a promising material with desired characteristics in the biodegradable packaging sector with wide application in the industry.

O principal objetivo deste trabalho foi o aproveitamento do resíduo agroindustrial proveniente da extração do pigmento de urucum para elaboração de filmes biodegradáveis. Foram empregados três métodos (moagem em água (WS), moagem em pH ácido (AS) e moagem em pH alcalino (KS)) para isolamento de farinha de urucum. O resíduo e farinhas foram caracterizados em composição centesimal, cor, distribuição do tamanho de partícula, difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de infravermelho, calorimetria diferencial de varredura, teor de compostos fenólicos, carotenoides, teor de bixina e atividade antioxidante. O método KS proporcionou farinha com maior teor de amido e amilose, porém com menor teor de compostos ativos quando comparada as farinhas WS e AS. Estas farinhas foram utilizadas para a produção dos filmes em diferentes condições de pH (5, 7, 9) e tempo de aquecimento (1h, 2h, 3h, 4h) segundo o planejamento fatorial completo 3x3x4. De acordo com o planejamento as melhores condições foram pH 5 e tempo de aquecimento de 2 horas para os filmes de farinha KS. Foram produzidos filmes de farinha KS na melhor condição e caracterizados em suas propriedades mecânicas, funcionais e ativas, para serem comparados aos filmes de farinha WS e AS. Filmes de farinha KS foram mais hidrofóbicos, mais permeáveis ao vapor de água, mais resistentes mecanicamente, contudo apresentaram menor conteúdo de compostos ativos. Os filmes de farinhas WS e AS são menos permeáveis ao vapor de água, mais úmidos, mais solúveis, mais hidrofílicos, mais ativos e de maior capacidade de absorção de água quando comparados aos filmes de farinha KS, contudo menos resistentes mecanicamente. A atividade antimicrobiana de extrato hidro-alcoólico de sementes de urucum e extrato de cúrcuma, assim como os filmes de farinha de urucum WS, AS, KS foram testados pelo método de difusão em ágar contra bactérias, fungos e levedura. Os extratos de urucum e cúrcuma apresentaram eficiência antimicrobiana contra S. aureus, S. uberis e S. agalactiae, além de C. albicans para cúrcuma. O extrato de urucum reduziu a esporulação dos fungos A. fumigatus e Mucor sp., enquanto o extrato de cúrcuma reduziu a esporulação dos fungos A. tamarii, A. flavus, F. oxysporum e P. expansum. Já no caso dos filmes, apenas o filme elaborado com farinha KS apresentou boa atividade contra S. aureus, S. uberis, E. coli, P. aeruginosa, L. monocytogenes e C. albicans. PALAVRAS-CHAVE: urucum, bixina, amido, filmes biodegradáveis, antioxidante, antimicrobiano. / The main objective of this work was the use of the agroindustrial residue from the extraction of the annatto pigment for the elaboration of biodegradable films. Three methods (water milling (WS), acid pH (AS) grinding and alkaline pH (KS) milling were used for insulation of urucum flour. The residue and flours were characterized in centesimal composition, color, particle size distribution, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, phenolic compounds content, carotenoids, bixin content and activity Antioxidant. The KS method provided flour with higher content of starch and amylose, but with a lower content of active compounds when compared to WS and AS flours. These flours were used to produce the films in different pH conditions (5, 7, 9) and heating time (1h, 2h, 3h, 4h) according to the complete 3x3x4 factorial design. According to the planning the best conditions were pH 5 and heating time of 2 hours for the KS flour films. KS flour films were produced in the best condition and characterized in their mechanical, functional and active properties, to be compared to the WS and AS flour films. KS flour films were more hydrophobic, more permeable to water vapor, more mechanically resistant, yet presented lower content of active compounds. The WS and AS flours films are less permeable to water vapor, moist, more soluble, more hydrophilic, more active and with a higher water absorption capacity when compared to KS flour films, but less mechanically resistant. The antimicrobial activity of aqua-alcoholic extract of urucum seeds and turmeric extract, as well as the WS, AS, KS urucum flour films were tested by the agar diffusion method against bacteria, fungi and yeast. Urucum and turmeric extracts presented antimicrobial efficiency against S. aureus, S. uberis and S. agalactiae, as well as C. albicans for turmeric. The urucum extract reduced the sporulation of the fungi A. fumigatus and Mucor sp., while the turmeric extract reduced the sporulation of the fungi A. tamarri, A. flavus, F. oxysporum and P. expansum. In the case of the films, only the film prepared with KS flour showed good activity against S. aureus, S. uberis, E. coli, P. aeruginosa, L. monocytogenes and C. albicans.

A caracterização dielétrica de um material pode ser usada como uma técnica não destrutiva para avaliar e monitorar sua qualidade, bem como no entendimento da relação estrutura-propriedade de um material, através de suas propriedades dielétricas em função da frequência, temperatura, composição química do material, dentre outros. Na literatura há escassez de trabalhos e dados de caracterização dielétrica de filmes a base de biopolímeros. Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a construção de uma instrumentação alternativa a equipamentos disponíveis no mercado, como analisadores de rede e de impedância, que pudesse ser utilizada para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis a base de gelatina. Foi utilizado o método de placas paralelas na determinação da parte real da permissividade conhecida como permissividade relativa ou constante dielétrica (ε\'). O circuito utilizado para a instrumentação foi um oscilador astável com funcionamento baseado no amplificador operacional (741) chaveado pela carga de um capacitor de placas paralelas cujo dielétrico foi uma amostra de filme biodegradável. A partir dos valores da frequência de oscilação e geometria do capacitor, foi possível calcular a capacitância de cada amostra e, consequentemente obter os valores da permissividade relativa do filme, usando relações básicas bem estabelecidas. Os filmes de gelatina foram produzidos pela técnica de casting sendo utilizados como plastificantes o glicerol (G), o sorbitol (S) e suas misturas, na proporção (G:S) de 30:70, 50:50 e 70:30. Os filmes foram caracterizados quanto à umidade e cristalinidade. A permissividade relativa (ε\') dos filmes, determinada a temperatura ambiente, foi avaliada em função da frequência (5 a 50 kHz), tempo de armazenamento, do teor de umidade e tipo de plastificante. A instrumentação projetada e construída foi capaz de medir com precisão a permissividade relativa das amostras, sendo que essa propriedade diminuiu com o aumento da frequência para todos os filmes. Mantendo-se a frequência constante, não houve variação de ε\' para os filmes de gelatina, independente do plastificante, ao longo de um mês de armazenamento a 24 ± 3 °C. O efeito da umidade foi observado em frequências menores que 25 kHz, sendo que quanto maior o teor de umidade maior a permissividade relativa. O efeito do tipo de plastificante na permissividade relativa dos filmes foi observado a baixas frequências (5 kHz) e filmes plastificados com sorbitol apresentaram maiores valores de ε\'. Os filmes plastificados com maior teor de umidade apresentaram menor cristalinidade, portanto maior mobilidade molecular e consequentemente maior a permissividade relativa. / The dielectric characteristics of a material can be used as a non-destructive technique to evaluate and monitor the quality as well as the understanding of the structure-property of a material, through its dielectric properties as a function of frequency, temperature, chemical composition of the material, among others. In the literature there are few studies and data of dielectric characterization of films based on biopolymers. In this context, the objective of this research was the development and construction of an alternative instrumentation equipment on the market, such as network and impedance analyzers, which could be used for the dielectric characterization of biodegradable films based on gelatin. The method of parallel plates was used to determine the real part of permittivity known as relative permittivity or dielectric constant (ε\'). The circuit used for the instrumentation was an astable oscillator operation based on operational amplifier (741) switched by the load of a parallel plate capacitor whose dielectric was a sample of the biodegradable film. From the values of the oscillation frequency and geometry of the capacitor, it was possible to calculate the capacitance of each sample and thus obtaining values of the relative permittivity of the film, using well established basic relationships. Gelatin films were produced by casting technique being used as plasticizer glycerol (G), sorbitol (S) and mixtures thereof, in proportion (G:S) 30:70, 50:50 and 70:30. The films were characterized for moisture and crystallinity. The relative permittivity (ε\') of the films, determined at room temperature, was evaluated as a function of frequency (5-50 kHz), storage time, moisture content and type of plasticizer. The designed and constructed instrumentation was able to accurately measure the relative permittivity of the samples, being that this property decreased with increasing frequency for all films. Keeping constant frequency, there was no variation in ε\' for the gelatin films, independent of the plasticizer over one month of storage at 24 ± 3 °C. The moisture effect was observed at frequencies lower than 25 kHz, how bigger the moisture content the higher the relative permittivity. The effect of the plasticizer type in relative permittivity of the films were observed at low frequency (5 kHz) and plasticized films with sorbitol have higher ε\' values. The plasticized films with higher moisture content exhibit lower crystallinity, hence larger molecular mobility and consequently higher the relative permittivity.

Uma das alternativas possíveis para substituir os materiais sintéticos na área de embalagem de alimentos é o desenvolvimento de filmes baseados em biopolímeros. Vários estudos têm demostrado o melhoramento nas propriedades de filmes baseados em biopolímeros, devido à utilização de nanopartículas como reforço. No entanto, as melhorias observadas são ainda limitadas e pode-se considerar que isso é devido a problemas de dispersão das nanopartículas em água, especialmente quando se utiliza a técnica tipo casting. Assim, os objetivos deste projeto foram: A) estudar a qualidade da dispersão de nanopartículas de montemorilhonita em água, e B) estudar o efeito dessas dispersões sobre algumas propriedades físicas e funcionais de filmes de gelatina produzidos com elas. As nanopartículas foram dispersas em água na concentração de 1 g MMT/100 g solução, com três dispositivos: homogeneizador mecânico (UT), moinho coloidal (MC) e processador ultrassônico (US). As dispersões foram analisadas para determinação de tamanho das partículas e potencial zeta, e por microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica. Os filmes foram produzidos pela técnica de \"casting\", com 5 g de gelatina/100 g de solução filmogênica e 30 g de glicerol/100g de gelatina. A concentração de nanopartículas foi 0, 1, 3, 5 e 7 g de MMT/100g de gelatina. Os filmes de controle e nanocompósitos produzidos com as dispersões de montemorilhonita foram caracterizados para determinação de espessura, umidade, solubilidade, permeabilidade ao vapor de água, propriedades mecânicas por testes de tração e perfuração, cor e opacidade, brilho, microestrutura por microscopia eletrônica de varredura e microscopia de força atômica, transição vítrea por calorimetria diferencial de varredura, difração de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e ângulo de contato. O potencial zeta e tamanho médio da partícula foi -53, -40, -47 mV e 377, 289, 395 nm, para as dispersões processadas por UT, US e MC, respectivamente. No geral, os filmes reforçados com montemorilhonita, foram 44% menos brilhantes e foram ligeiramente mais hidrofílicos do que os filmes de controle. A tensão na ruptura aumentou de 22 MPa para filmes de controle até 40 MPa, quando a concentração da montemorilhonita foi de até 5 g de MMT/100g de gelatina. A permeabilidade ao vapor de água não variou nos filmes nanocompósitos. O método de dispersão utilizado teve uma forte influência sobre a qualidade das dispersões, afetando o tamanho da partícula e potencial zeta, com efeito evidente sobre as propriedades físicas dos nanocompósitos. A concentração crítica de montemorilhonita como reforço pareceu estar limitada a 5 g de MMT/100 g de gelatina. / One of the possible alternatives to replace synthetic materials in the area of food packaging is the development of films based on biopolymers. Several studies have demonstrated the improvement in properties of films based on biopolymers due to the use of nanoparticles as reinforcement. However, the observed improvements are still limited and it can be considered that this is due to dispersion problems of nanoparticles in water, particularly when using the casting technique. The aim of this project was to study the quality of the dispersion of nanoparticles (montmorillonite) in water, and to analyze the effect of these dispersions on some physical and functional properties of gelatin films. The nanoparticles were dispersed in water (1 g MMT/100 g solution), with three devices: mechanical homogenizer (UT), colloidal mill (MC) and ultrasonic processor (US). The dispersions were analyzed for determination of particle size and zeta potential, and by scanning electron and atomic force microscopies. Films were produced by casting, with 5 g of gelatin/100 g of film-forming solution and 30 g of glycerol/100 g of gelatin. The nanoparticles concentrations were 0, 1, 3, 5 and 7 g of MMT/100g of gelatin. The control and nanocomposite films were characterized for determination of thickness, moisture, water solubility, water vapor permeability, tensile and puncture mechanical properties, color and opacity, brightness, microstructure by scanning electron microscopy and atomic force microscopy, glass transition temperature by differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, infrared spectroscopy with Fourier transform and contact angle. The zeta potential and average particle size was -53, -40, -47 mV and 377, 289, 395 nm; for UT, US and MC dispersions, respectively. In general, the films filled with montmorillonite were 44% less glossy and were slightly more hydrophilic than control film. The maximum tensile strength increased from 22 MPa for control film to 40 MPa when the concentration of montmorillonite was up to 5 g of MMT/100g of gelatin. The water vapor permeability did not change in the nanocomposite films. The dispersion method used had a strong influence on the quality of dispersions; it can affect the particle size and zeta potential, with evident effect on the physical properties of nanocomposites. The critical concentration of montmorillonite as reinforcement seemed to be limited to 5 g of MMT/100 g of gelatin maximum tensile strength increased from 22 MPa for control film to 40 MPa when the concentration of montmorillonite was up to 5 g of MMT/100g of gelatin. The water vapor permeability did not change in the nanocomposite films. The dispersion method used had a strong influence on the quality of dispersions; it can affect the particle size and zeta potential, with evident effect on the physical properties of nanocomposites. The critical concentration of montmorillonite as reinforcement seemed to be limited to 5 g of MMT/100 g of gelatin.

A principal função das embalagens tradicionais utilizadas pela indústria de alimentos é a proteção dos alimentos de contaminações externas sem interagir com o mesmo. No entanto, a maioria dessas embalagens é produzida a partir de fontes não biodegradáveis e não renováveis. Para atender à crescente demanda em relação à sustentabilidade ambiental, os filmes e coberturas comestíveis têm despertado o interesse e atenção por parte de indústrias e pesquisadores. Além disso, tais filmes ou coberturas podem ser acrescidos de diferentes compostos, para conferir as mesmas um caráter ativo, com interação positiva com os alimentos, para auxiliar a conservação. Dessa forma, este trabalho teve por objetivo (1) desenvolver filmes ativos pela técnica de casting a partir de matrizes biodegradáveis, com atividade antimicrobiana devido a incorporação de nanopartículas de ouro (AuNPs) e óleos essenciais, além de filmes com atividade antioxidante pela adição de nanocápsulas de bixina, (2) avaliar as características mecânicas, físicas e de barreira dos filmes ativos, além da atividade antimicrobiana e antioxidante, e (3) verificar a eficiência na aplicação de coberturas comestíveis na conservação de alimentos. Os filmes com atividade antimicrobiana utilizaram como matérias primas o amido e a farinha integral de grãos quinoa (Chenopodium quinoa W.). Os filmes de amido de quinoa foram preparados com 4 % de matéria prima e 1 % de glicerol como plastificante e incorporados com solução de nanopartículas de ouro nas concentrações de 2,5 % e 5 % (v/v). A presença de AuNPs levou a uma melhoria nas propriedades mecânicas, ópticas e morfológicas dos filmes, sem alterar as propriedades térmicas e de barreira, além de exibirem forte atividade antibacteriana contra agentes patogênicos de origem alimentar, com porcentagens de inibição de 98 % contra E. coli e S. aureus. Nos filmes ativos elaborados com a farinha de quinoa (6 % de matéria prima e 1 % de glicerol como plastificante em 100 g de solução filmogênica), foram adicionados os óleos essenciais (OE) de orégano (Origanum vulgare L.) e tomilho (Thymus vulgaris L.) (0,5 %, 1 % e 2 % p/p). Observou-se que o tipo de OE não interferiu significativamente nos parâmetros físicos e de barreira dos filmes. Já o aumento na concentração dos OEs, produziu filmes mais elásticos e menos resistentes, bem como, menos solúveis em água e com menor permeabilidade aos vapores de água. Os filmes com 1 % e 2 % de OEs exibiram um efeito inibidor sobre o crescimento de S. aureus e E. coli. No entanto, o S. aureus mostrou-se mais sensível a ambos os OEs; e os filmes com orégano foram mais eficazes na inativação de ambos os microrganismos. As embalagens antioxidantes foram elaboradas a partir de amido de mandioca (4 % de matéria prima e 1 % de glicerol como plastificante em 100 g de solução filmogênica) incorporadas com solução de nanocápsulas de bixina (0 %, 2 %, 5%, 8 % e 10 %). Os filmes foram caracterizados em relação as suas propriedades de barreira, mecânicas e físicas e a atividade antioxidante foi avaliada pelo efeito protetor do óleo de girassol exposto a condições de oxidação aceleradas (13 dias a 65 % UR / 35 ºC). Embalagens com maiores concentrações de nanocápsulas demonstraram maior resistência e elasticidade, bem como, uma melhora significativa na proteção contra os raios UV e luz visível. O óleo de girassol embalado nos filmes contendo nanocápsulas de bixina apresentaram índices de peróxidos abaixo dos estipulados pelo Codex Alimentarius (<10 meq. O2 kg-1) para óleos frescos para o período de armazenamento testado. A cobertura comestível foi preparada à base de quitosana (1,5 %) e foi aplicada sobre tomates armazenados por 14 dias (20 ° C), com acompanhamento da perda de peso, sólidos solúveis totais (SST), firmeza e acidez titulável (AT), taxa de respiração, produção de etileno e quantificação de carotenoides e compostos fenólicos por CLAE. Os frutos revestidos demonstraram retardo no processo de amadurecimento com a diminuição da taxa respiratória e produção de etileno, bem como menores perdas de peso, firmeza -caroteno e menor degradação de compostos fenólicos durante o armazenamento, em comparação com frutos controle (não revestidos). Os resultados sugerem que o desenvolvimento de filmes ativos para conservação de alimentos é um campo promissor, pois além do forte apelo ambiental, filmes ativos podem auxiliar na conservação dos alimentos, para retardar a proliferação de microrganismos patogênicos e degradações oxidativas. Em relação a aplicações de coberturas comestíveis, os resultados indicaram ter potencial para uma utilização comercial no auxílio de prolongamento da vida útil de tomates. / The principal function of traditional packaging used by the food industry is the protection of food against external contamination without interacting with it. However, most of these packages are produced from non-biodegradable and non-renewable sources. Films and edible coatings have attracted the interest and attention from industries and researchers due increasing demand on environmental sustainability. In addition, this films and coatings can be added with different compounds to confer an active character, with positive food interaction and increased of preservation. This study aimed to (1) to develop active films by casting technique from biodegradable matrices with antimicrobial activity, incorporated of gold nanoparticles (AuNPs) and essential oils, as well as films with antioxidant activity by addition of nanocapsules of bixin, (2) evaluate the mechanical, physical and barrier characteristics of active films, and capacity antimicrobial and antioxidant, and (3) verify the efficiency in the application of edible coatings in food preservation. The active antimicrobial films it was used as raw material starch and flour quinoa (Chenopodium quinoa, W.). Starch quinoa films were prepared with 4 % raw material and 1% glycerol as plasticizer (100 g filmogenic solution), incorporating gold nanoparticles at concentrations of 2.5% and 5% (v / v). The presence of gold nanoparticles produces improvement in the mechanical, optical and morphological properties, maintaining the thermal and barrier properties unchanged when compared to the standard biofilm. The active biofilms exhibited strong antibacterial activity against food-borne pathogens with inhibition percentages of 99 % against E. coli and 98 % against S. aureus. The active films produced with flour quinoa (6% of raw material and 1% glycerol as a plasticizer in 100 g of filmogenic solution), incorporated with oregano (Origanum vulgare L.) and thyme (Thymus vulgaris L.) essential oils (EO) (0.5%, 1% and 2% p/p). It was observed that the kind of EO was not significant for the physical and barrier parameters of the films, however, the increase in the EOs concentration promote increase in the elongation but decrease in the tensile strength, solubility and water vapor permeability. Films containing 1% and 2 % EOs, inhibit the growth of S. aureus and E. coli. However, S. aureus was more sensitive to both EOs and the oregano oil was more efficient in the inactivation to both microorganisms. The antioxidant packages were prepared from cassava starch (4% raw material and 1% glycerol as plasticizer in 100 g of filmogenic solution), incorporated with solution of different concentrations of bixin nanocapsules (0 %, 2 %, 5%, 8 % e 10 %). Films with higher concentrations of bixin nanocapsules exhibited significant reduction tensile strength and increases in elongation at break, well as, improvement in protection against UV and visible light and decreased water solubility and increased water vapor permeability. The sunflower oil packed in films containing nanocapsules bixin exhibited lower oxidation rates, thus maintaining its freshness according to Codex Alimentarius guidelines (< 10 milliequivalent.kg-1), for the storage time tested (13 days / 65 % RH / 35 ºC). The edible coating was prepared based on chitosan (1.5 %), and it was applied on tomatoes stored for 14 days (20 °C). The analyses carried out on tomato fruit were: weight loss, total soluble solid (TSS), firmness, and titratable acidity (TA), respiration rate, ethylene production and quantification of carotenoids and phenolics by HPLC. Coated fruit delayed the ripening process by decrease of the rate of respiration and ethylene production, as well changes of weight, firmness and TSS concentration and delay peak of lycopene and b-carotene accumulation and degradation of phenolic compounds during storage, compared to uncoated control. The results suggest that the development of active films for food preservation is a promising field, because besides the strong environmental appeal, active films can increase the food preservation, to decrease the proliferation of pathogenic microorganisms and oxidative degradation. Regarding the edible coatings applications, the results indicated that coating is a promising tool for commercial use in helping to prolong the storage of tomatoes.

As embalagens têm grande importância na indústria de alimentos, pois tem como função principal proteger os alimentos contra contaminações externas. Porém, grande parte das embalagens tradicionais são produzidas a partir de fontes não renováveis e não biodegradáveis, causando sérios problemas ambientais. Por isso, os filmes e coberturas biodegradáveis vêm despertando atenção e interesse dos pesquisadores e indústrias. Neste trabalho, verificou-se a capacidade de desenvolver filmes biodegradáveis com propriedades antioxidantes, utilizando amido de mandioca, como matriz polimérica, e a adição de diferentes concentrações de biomassa seca e extrato de biomassa das microalgas Heterochlorella luteoviridis e Dunaliella tertiolecta. Os filmes foram caracterizados quanto a suas propriedades físico-químicas, mecânicas, de barreira, óticas e antioxidantes. Dentre os filmes desenvolvidos, o que apresentou melhores características foi selecionado para a aplicação em embalagem de salmão e avaliação da proteção contra a oxidação. Em geral, a aplicação da biomassa das microalgas ocasionou um aumento na solubilidade, biodegradabilidade e opacidade dos filmes. Já os filmes com aplicação de extrato obtiveram os menores valores para esses parâmetros A biomassa provocou aumento na elongação na ruptura e redução na resistência a tração e módulo de Young dos filmes; a adição de extrato resultou em características mecânicas inversas a dos filmes adicionados de biomassa. Todos os filmes com a adição das microalgas obtiveram resultados positivos na atividade antioxidante avaliada pelo índice de peróxidos. O filme contendo 2,0 % de extrato de H. luteoviridis foi o que apresentou a menor permeabilidade ao vapor de água e boas características mecânicas. Portanto, foi escolhido para aplicação em salmão. Na análise de TBARS, a oxidação lipídica foi retardada, porém ocasionou a diminuição da umidade do peixe. Os resultados obtidos neste trabalho comprovam que a aplicação de biomassa de microalga H. luteoviridis e D. tertiolecta resultam em filmes biodegradáveis, com elevada atividade antioxidante, porém, com alta solubilidade, o que dificulta a aplicação em alimentos úmidos. Os filmes contendo extrato das microalgas possuem aptidão para serem aplicados em alimentos com maior teor de água. / Packaging has great importance in food industry, mainly protecting food against external contamination. However, most of the traditional packaging are produced from non-renewable and non-biodegradable sources, causing serious environmental problems. Therefore, biodegradable films and coatings have been attracting attention and interest from researchers and industries. This work studied the development of biodegradable films with antioxidant properties, using cassava starch as polymer matrix, and the addition of different concentrations of dry biomass and biomass extract of the microalgae Heterochlorella luteoviridis and Dunaliella tertiolecta. The films were characterized for their physicochemical, mechanical, barrier, optical and antioxidant properties. The film that presented the best characteristics was selected for application in salmon packaging aiming protection against lipid oxidation. In general, the addition of microalgae biomass caused an increase in the solubility, biodegradability and opacity of the films. The films with microalgae extract showed the lowest values of these parameters The addition of microalgae biomass caused an increase on elongation and rupture and a reduction on the tensile strength and Young's modulus of the films. However, the addition of microalgae extract caused an inverse effect on the mechanical characteristics of the films. All films with microalgae biomass or extract showed higher antioxidant activity evaluated by peroxide index. The film containing 2.0 % extract of H. luteoviridis was the one that presented a lowest permeability to water vapor and good mechanical characteristics. Therefore, it was chosen for application in salmon. In the analysis of TBARS, the lipid oxidation was delayed, but caused the decrease of the moisture of the fish. The results showed that the application of H. luteoviridis and D. tertiolecta microalgae biomass results in biodegradable films, with high antioxidant activity, as high solubility, which makes it difficult to apply nor moist foods. The films containing microalgae extracts suitable for use in foods with higher water content.

Filmes biodegradáveis são uma alternativa ao uso de embalagens não biodegradáveis, relacionado ao aumento do uso deste material, impacto e descarte inadequado. Para produção de filmes diversos polímeros podem ser utilizados, em que o amido apresenta boas características e propriedades para obtenção. A adição de antioxidantes naturais nanoencapsulados, como carotenoides, pode auxiliar no desenvolvimento de filmes biodegradáveis com atividade antioxidante, com maior estabilidade e solubilidade destes compostos. Assim, filmes biodegradáveis ativos foram obtidos a partir do amido de mandioca com adição de licopeno ou β-caroteno livres e nanoencapsulados. Diferentes formulações foram desenvolvidas, nos quais os antioxidantes naturais livres ou nanoencapsulados foram adicionados a mesma concentração. Os filmes com adição dos pigmentos nanoencapsulados apresentaram características diferentes da adição dos pigmentos livres, com maior espessura, permeabilidade ao vapor de água, opacidade, propriedades mecânicas, menor transmissão de luz UV/Vis e maior interação do aditivo com a matriz. Os filmes com nanocápsulas também apresentaram maior efeito protetor sobre a estabilidade do óleo de girassol armazenado sob condição acelerada de oxidação, com menor formação de produtos de oxidação e potencial aplicação como embalagem de alimentos. Os filmes foram utilizados para avaliar a estabilidade oxidativa de manteiga, que apresentou maior estabilidade e manutenção da qualidade durante o armazenamento sob incidência de luz quando armazenada nos filmes com adição de nanocápsulas. Além disso, independente da adição de licopeno ou β-caroteno livres e nanoencapsulados, todos os filmes apresentaram estabilidade térmica e rápida biodegradabilidade após 15 dias. Filmes biodegradáveis com adição de carotenoides, licopeno e β-caroteno, apresentaram resultados promissores para o desenvolvimento de embalagens com antioxidantes naturais e manutenção da estabilidade de alimentos com alto teor de gordura durante o armazenamento. / Biodegradable films are an alternative to use of non-biodegradable packaging, related to increased use of this material, impact and inappropriate disposal. For film production, various polymers may be used, wherein the starch has good characteristics and properties for obtaining. The addition of natural nanoencapsulated antioxidants, such as carotenoids, may aid the development of biodegradable films with antioxidant activity, with greater stability and solubility of these compounds. Thus, active biodegradable films were obtained from cassava starch with the addition of free and nanoencapsulated lycopene or β-carotene. Different formulations were developed, where free or nanoencapsulated natural antioxidants were added at the same concentration. The films with the addition of nanoencapsulated pigments presented different characteristics of free pigment addition, with greater thickness, permeability to water vapor, opacity, mechanical properties, lower transmission of UV/Vis light and greater interaction of the additive with the matrix. The films with nanocapsules also had a greater protective effect on the stability of the sunflower oil stored under accelerated oxidation conditions, with less formation of oxidation products and potential application as food packaging. The films were used to evaluate the oxidative stability of butter, which presented higher stability and maintenance of the quality during storage under light incidence when stored in the films with the addition of nanocapsules. In addition, independent of the addition of free and nanoencapsulated lycopene or β-carotene, all films showed thermal stability and rapid biodegradability after 15 days. Biodegradable films with the addition of carotenoids, lycopene and β-carotene, presented promising results for the development of packages with natural antioxidants and maintenance of the stability of foods with high-fat content during storage.