Tesis por compendio / [ES] La presente tesis doctoral está basada en el aprovechamiento de residuos de biomasa para la obtención de celulosa y otros compuestos de interés con el objetivo de desarrollar estructuras aplicables en el envasado alimentario. El uso masivo de los plásticos convencionales derivados del petróleo genera una cantidad ingente de residuos debido a su mínima degradabilidad y baja eficacia de las estrategias de reciclaje actuales, provocando así su acumulación en los ecosistemas terrestres y marinos. En este contexto, el uso de biopolímeros (y más en concreto, la celulosa) juega un papel crucial puesto que ofrecen una alternativa abundante, renovable y biodegradable que permite reducir y reemplazar el uso de estos materiales tradicionales. Para ello, se ha seleccionado como fuente de celulosa los residuos de hojas de Posidonia oceanica (planta acuática endémica del mar Mediterráneo) debido a su abundancia y problemática asociada: sus hojas se acumulan en las playas generando mal olor, teniendo las autoridades locales que retirarlas sin un uso específico posterior. Por tanto, además de proponer una solución a un problema de gestión, el aprovechamiento de dicho residuo está en línea con las políticas actuales de economía circular y "residuo cero" que permiten una utilización más sostenible de los recursos naturales. De esta forma, la valorización de residuos de biomasa respecto a otras fuentes tradicionales de celulosa como la madera u otros cultivos específicos es beneficiosa por ambas partes. En la primera parte de la tesis, se demuestra el potencial de las hojas de P. oceanica como fuente de celulosa (¿30% contenido). Dicha celulosa, así como otras dos fracciones celulósicas intermedias se utilizaron para formar films mediante filtrado a vacío y como aditivos de refuerzo en matrices de almidón comercial mediante mezclado en fundido y prensa. En paralelo, tanto la celulosa como las fracciones celulósicas de interés fueron sometidas a un tratamiento ácido para la obtención de nanocristales. La presencia de compuestos adicionales recalcitrantes tuvo un efecto positivo en las propiedades de estos, cuya obtención fue escalada a nivel planta piloto para la producción de bandejas mediante termoformado de mezclas con almidón. Por último, se obtuvieron extractos bioactivos mediante técnicas en base acuosa (ultrasonidos y calor) para una valorización integral del residuo de hojas de P. oceanica con el objetivo de reducir el uso de disolventes orgánicos. En una segunda parte de la tesis, se aplicaron los protocolos simplificados de extracción de celulosa a otros residuos de biomasa como los sarmientos de vid, la paja de arroz y la cáscara de arroz. Cabe destacar que se purificaron con éxito fracciones y nanocristales celulósicos en todas las biomasas evaluadas. Esto demostró que es posible simplificar los procesos de extracción de celulosa para disminuir costes y aumentar la sostenibilidad de la metodología pese a la posible heterogeneidad de la(s) fuente(s) de partida. En la última parte de la tesis, estos nanocristales celulósicos se utilizaron como material de partida para la formación de aerogeles mediante un proceso de liofilización. Para paliar la baja resistencia mecánica y al agua de estos materiales, se diseñó un método patentado de inmersión en una disolución de ácido poliláctico (PLA) que recubría el aerogel celulósico mejorando tanto su resistencia mecánica como su resistencia al agua. Estos aerogeles puramente biopoliméricos fueron ampliamente caracterizados mediante distintas metodologías, destacando la microscopía Raman y confocal. Finalmente, se obtuvieron aerogeles bioactivos mediante la incorporación de los extractos de P. oceanica más prometedores (previamente obtenidos y caracterizados). Por tanto, la presente tesis muestra la valorización de residuos de biomasa mediante protocolos simplificados para el desarrollo de estructuras de envasado alimentario. / [CA] La present tesi doctoral està basada amb l'aprofitament de residus de biomassa per a l'obtenció de cel·lulosa i altres compostos d'interès amb l'objectiu de desenvolupar estructures aplicables a l'envasat alimentari. L'ús massiu de plàstics convencionals derivats del petroli genera una quantitat ingent de residus degut a la seua mínima degradabilitat i baixa eficàcia de les estratègies de reciclatge actuals, provocant d'aquesta manera la seua accumlació als eocisistemes terrestres i marins. Dins d'aquest context, l'ús de biopolímers (i més concretament, la cel·lulosa) juga un paper crucial ja que oferix una alternativa abundant, renovable i biodegradable que permet reduir i reemplaçar l'ús d'aquests materials tradicionals. Per a aquest fet, s'ha seleccionat com a font de cel·lulosa els residus de fulles de Posidonia oceanica (planta aquàtica endèmica del mar Mediterrani) degut a la seua abundància i a la problemàtica associada: les seues fulles s'acumulen a les platges generant mal olor i tenint que retirar-les les autoritats locals sense u ús posterior. Per tant, a més de proposar un solució a un problema de gestió, l'aprofitament del residu en qüestió està en la línia de les polítiques actuals d'economia circular i "residu zero" que permeten una utilització més sostenible dels recursos naturals. D'aquesta manera, la valorització de residus de biomassa respecte d'altres fonts tradicionals de cel·lulosa com la fusta i altres cultius específics és beneficiosa per ambdues parts. En la primera part de la tesi, es demostra el potencial de les fulles de P. Oceanica com a font de cel·lulosa (30% del contingut) al purificar-se amb èxit mitjançant l'aplicació d'un protocol convencional. Aquesta cel·lulosa, així com altres dues fraccions cel·lulòsiques intermitges es van emprar per a formar pel·lícules mijançant mescla en fos i premsa. Paral·lelament, tant la cel·lulosa com les fraccions cel·lulòsiques d'interès van ser sotmeses a un tractament àcid per a l'obtenció de nanocristals. La presència de compostos adicionals recalcitrants va tenir un efecte positiu en les seues propietats. La obtenció resultant va ser escalada a nivell de planta pilot per a la producció de safates a través termoformat de mescla amb almidó. Per últim, es van obtenir extractes bioactius amb tècniques amb base d'aigua (ultrasons i calor) per a la valorització integral del residu de fulles de P. Oceanica amb l'objectiu de reduir la utilització de dissolvents orgànics. En la segona part de la tesi es van aplicar els protocols simplificats d'extracció de cel·lulosa a altres residus de biomasa com els sarments de vinya, la palla d'arròs i la closca de l'arròs. Hem de destacar que es van purificar amb èxit les fraccions i els nanocristals cel·lulòsics en totes les biomasses avaluades. Es va demostrar que és possible simplificar els procesos d'extracció de cel·lulosa per a disminuir costos i augmentar la sostenibilitat de la metodologia malgrat la possible heterogeneïtat de le(s) font(s) del punt de partida. En la última part de la tesi, aquestos nanocristals cel·lulòsics es va emprar com a material de partida per a la formació de aerogels mitjançant un procés de liofilització. Per a paliar la baixa resistència mecànica i l'aigua d'aquests materials, es va dissenyar un mètode patentat de immersió en una dissolució d'àcid polilàctic (PLA) que recobria l'aerogel cel·lulòsic millorant tant la seua resistència mecànica com la seua resistència a l'aigua. Aquestos aerogels purament biopolimèrics van ser ampliament caracteritzats a través distintes metodologies, destacant la microscopia Raman i confocal. Finalment, es van obtenir aerogels bioactius mitjançant la incorporació dels extractes de P. Oceànica més prometedors (prèviament obtinguts i caracteritzats). Per tant, la present tesi mostra la valoració de residus de biomassa mitjançant protocols simplificats per al de / [EN] The following Ph. D thesis is based on the waste biomass valorization for obtaining cellulose and other relevant compounds aimed to develop food packaging structures. The massive use of fossil-fuel derived conventional plastics generates an excessive number of residues due to their low degradation rates and inefficient current recycling strategies, which makes them accumulate in both terrestrial and marine ecosystems. In this context, the use of biopolymers (concretely cellulose) plays a key role in offering an abundant, renewable and biodegradable alternative that allows to reduce and even replace the use of these conventional materials. For this aim, Posidonia oceanica (an endemic aquatic plant from the Mediterranean Sea) dead leaves have been selected as the main cellulose source due to their abundance and problematic associated: dead leaves are accumulated in beaches and seashores causing bad odours and must be removed by local authorities without any further use. Thus, the valorization of this residue provides a solution in line with current circular and "zero-waste" economy policies which enables more sustainable exploitation of natural resources. As a result, waste biomass valorization for obtaining cellulose with regards to other more conventional sources is doubly beneficial. In the first part of the thesis, the potential of P. oceanica leaves as a cellulosic source was shown (¿30% cellulose content) after successfully applying a conventional purification protocol. This cellulose, as well as two intermediate cellulosic fractions (with the presence of additional components such as hemicelluloses and/or lignin), were used for developing films both by vacuum filtration and melt mixing and hot pressing in starch composites. In parallel, both cellulose and cellulosic fractions were submitted to acid treatment in order to obtain nanocrystals, being these protocols upscaled at a pilot-plant level for the development of thermoformed trays by injection moulding. Interestingly, the presence of the aforementioned additional components had a positive effect on their performance. Lastly, water-based extracts were successfully obtained from P. oceanica dead leaves by ultrasounds and hot-water extraction methodologies, providing a complete valorization of the residue with the aim of minimizing the use of organic solvents. In a second part, simplified cellulose extraction protocols were applied to other waste sources such as vine shoots, rice straw and rice husks. Both cellulosic fractions and nanocrystals were successfully purified regardless of the source, being the initial composition (holocellulose, lignin, ashes, lipids and proteins) and the monosaccharide profile the key factors which defined the final properties of the materials (evaluated in film form). In the last part of the thesis, these cellulosic nanocrystals were used for developing aerogels by freeze-drying. In order to overcome their inherent poor mechanical performance and low water resistance, a novel and patented dipping method using polylactic acid (PLA) was designed. These biopolymeric aerogels were broadly characterized by means of several techniques such as Raman and Confocal microscopies. Finally, bioactive aerogels were developed by incorporating some of the most promising P. oceanica bioactive extracts (previously obtained and characterized). Then, the following Ph. D. thesis shows the valorization of several waste biomasses by applying simplified protocols for developing food packaging structures. The presence of additional compounds in the resulting materials has been shown not only to reduce associated costs by increasing the total mass yield but also to present improved performance in comparison to more conventional materials, being in line with current circular economy policies. As a result, a more sustainable and viable alternative for the massively used conventional plastics is proposed. / Benito González, I. (2021). Waste Biomass Valorization for the Production of Cellulosic Fractions of Interest in Food Packaging Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177358 / TESIS / Compendio

This thesis studies how to increase the expected satiating ability in dairy products analyzing the effect of the incorporation of certain ingredients. The study of food reformulation with high expected satiating ability contributes to moderate size meal choice and to regulate food intake. In this thesis, two factors influencing the satiating ability perception of semi-solid foods have been mainly studied: a) the increase in oral processing time that produces prolonged orosensory signals, and b) the increase in protein content. The increase in oral processing time is produced by, for example, higher consistencies, mouth-coating or creaminess sensations. These features can be modified by the addition of hydrocolloids. Native starch, modified starch, ¿-carrageenan and guar gum were added to increase the viscosity and consistency of milkshakes. Rheological characterization of the products revealed very different behavior patterns depending on the type of hydrocolloid. The addition of saliva in the studies showed modified sensory perceptions, so its inclusion is desirable and more realistic. The addition of hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) and the effect of milk solids and cream in milk-based desserts was also studied. In addition to HPMC dominant effect on the temporality of perceptions, the presence of fat globules or milk solids modulated such perceptions. Yogurt was selected to increase protein content, adding twice the original amount of protein from different milk fractions, and starch. Yogurt with milk powder addition was the most accepted sample and it was closer to the 'ideal' characteristics of a satiating yogurt according to consumers, with a series of sensory attributes that contribute to the feeling of expected satiety. On the other hand, in vitro oral digestion showed that physically modified starch granules remain unchanged after the attack of ¿-amylase, and would be responsible for its consistency and creaminess. In addition, it was found that the sensation of astringency was undesirable; tribological studies allowed to interpret yogurt sensory characteristics. The lubricity of some samples did not reflect the difference in astringency between samples indicating that this was not a purely tactile perception caused by an increase in friction. The addition of physically modified starch significantly reduced friction coefficients values due to soluble starch polymers and starch granules preservation. All the strategies allowed to gain understanding on how to reformulate food increasing its satiating ability perception. Such strategies could be extrapolated to other food categories, what broadens the scope of the results obtained in this thesis. / La presente tesis estudia cómo aumentar las expectativas de la capacidad saciante en productos lácteos analizando el efecto de la incorporación de determinados ingredientes. El estudio de la reformulación de alimentos con alta expectativa sobre su capacidad saciante contribuye a moderar la elección de las raciones de alimentos y a regular la ingesta. En la presente tesis se han estudiado principalmente dos de los factores que más influyen en la percepción de capacidad saciante de alimentos semisólidos: a) el aumento en el tiempo de procesado oral que produce saciedad debido a una prolongación de las señales orosensoriales, y b) el alto contenido en proteínas. El aumento del tiempo de procesado oral lo producen, por ejemplo, mayores consistencias, recubrimiento oral o sensaciones de cremosidad, que son características que se pueden modificar por adición de hidrocoloides. Se emplearon almidón nativo y modificado, goma guar y ¿-carragenato para aumentar la viscosidad y consistencia de batidos lácteos. La caracterización reológica de los productos reveló patrones de comportamiento muy diferentes dependiendo del tipo de hidrocoloide. La adición de la saliva en los estudios demostró modificar las percepciones sensoriales, por lo que su inclusión resulta recomendable y más realista. Se estudió también la adición de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC) y el efecto de dos componentes normales en productos lácteos (sólidos lácteos y nata). Además del efecto dominante del HPMC en la temporalidad de las percepciones, la presencia de glóbulos de grasa o sólidos de la leche modularon dichas percepciones. Para aumentar el contenido en proteína se seleccionó como alimento el yogur, al que se añadió el doble de la cantidad de proteína de distintas fracciones lácteas y almidón. El yogur con el doble de leche en polvo fue globalmente el más aceptado y más cercano a las características "ideales" según los consumidores, con una serie de atributos sensoriales que contribuyen a la sensación de saciedad esperada. Por otro lado, la digestión oral in vitro mostró que los gránulos de almidón procedentes de almidón físicamente modificado permanecen inalterados después del ataque de la ¿-amilasa de la saliva, y serían los responsables de la mayor consistencia y cremosidad. Adicionalmente, se encontró que la sensación de astringencia resultaba negativa; los estudios tribológicos permitieron interpretar las características sensoriales. Las propiedades lubricantes de algunas muestras no reflejaron la diferencia de astringencia sensorial indicando que ésta no era una percepción puramente táctil causada por un aumento en la fricción. La adición de almidón modificado físicamente redujo significativamente los valores de los coeficientes de fricción relacionados con los polímeros de almidón solubles y la conservación de gránulos en el almidón. Todas las estrategias abordadas permitieron comprender y ahondar en los conocimientos que conducen a cómo reformular un alimento para aumentar la percepción de saciedad. Dichas estrategias son extrapolables a otras categorías de alimentos lo que amplía el alcance de los resultados obtenidos en la presente tesis. / La present tesi estudia com augmentar les expectatives de la capacitat saciant en productes lactis analitzant l'efecte de la incorporació de determinats ingredients. L'estudi de la reformulació d'aliments amb alta expectativa sobre la seua capacitat saciant contribueix a moderar l'elecció de les racions d'aliments i a regular la ingesta. En la present tesi s'han estudiat principalment dos dels factors que més influeixen en la percepció de capacitat saciant d'aliments semisòlids: a) l'augment en el temps de processat oral que produeix sacietat a causa d'una prolongació dels senyals orosensorials, i b) l'alt contingut en proteïnes. L'augment del temps de processat oral el produeixen, per exemple, majors consistències, recobriment oral o sensacions de cremositat, que són característiques que es poden modificar per addició d'hidrocol·loïdes. S'emprà midó natiu i modificat, goma guar i ¿-carragenat per augmentar la viscositat i consistència de batuts lactis. La caracterització reològica dels productes revelà patrons de comportament molt diferents depenent del tipus d'hidrocol·loïde. L'addició de la saliva en els estudis demostrà modificar les percepcions sensorials, per la qual cosa la seua inclusió resulta recomanable i més realista. S'estudià també l'addició d'hidroxipropilmetilcel·lulosa (HPMC) i l'efecte de dos components normals en productes lactis (sòlids lactis i nata). A més de l'efecte dominant del HPMC en la temporalitat de les percepcions, la presència de glòbuls de greix o sòlids de la llet van modular les citades percepcions. Per augmentar el contingut en proteïna es va seleccionar com a aliment el iogurt, a què s'afegí el doble de la quantitat de proteïna de diverses fraccions làcties i midó. El iogurt amb el doble de llet en pols fou globalment el més acceptat i més pròxim a les característiques "ideals" segons els consumidors, amb una sèrie d'atributs sensorials que contribueixen a la sensació de sacietat esperada. D'altra banda, la digestió oral in vitro mostrà que els grànuls de midó procedents de midó físicament modificat romanen inalterats després de l'atac de l'¿-amilasa de la saliva, i serien els responsables de la major consistència i cremositat. Addicionalment, es trobà que la sensació d'astringència resultava negativa; els estudis tribològics permeteren interpretar les característiques sensorials. Les propietats lubricants d'algunes mostres no reflectiren la diferència d'astringència sensorial indicant que esta no era una percepció purament tàctil causada per un augment en la fricció. L'addició de midó modificat físicament reduí significativament els valors dels coeficients de fricció relacionats amb els polímers de midó solubles i la conservació de grànuls en el midó. Totes les estratègies abordades permeteren comprendre i aprofundir en els coneixements que condueixen a com reformular un aliment per augmentar la percepció de sacietat. Les citades estratègies són extrapolables a altres categories d'aliments, cosa que amplia l'abast dels resultats obtinguts en la present tesi. / Morell Esteve, P. (2017). Diseño de alimentos lácteos con capacidad saciante. Relación entre estructura, procesamiento oral y percepción [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/89093 / TESIS

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

Tesis por compendio / [ES] En esta tesis se obtuvieron fracciones celulósicas y extractos activos de paja de arroz mediante diferentes técnicas de extracción y purificación, utilizando agua como disolvente. Estas fracciones se incorporaron en películas de almidón y PLA, y en bicapas de almidón-PLA, para obtener materiales de envasado activos para extender la vida útil de diferentes alimentos. Los extractos obtenidos por combinación de ultrasonidos y calentamiento a reflujo (USHT) y con agua subcrítica (SWE) (a 160 °C (SWE-160) y 180 °C (SWE-180)) presentaron un alto contenido fenólico (37, 51 y 83 mg GAE.g-1 de extracto seco, respectivamente) y actividad antioxidante (6,3, 2,0 y 1,2 mg de extracto seco.mg-1 DPPH, respectivamente). Los extractos SWE fueron activos contra L. innocua y E. coli. Se aislaron fibras de celulosa (FC) del residuo insoluble de las diferentes extracciones. A pesar de las ligeras diferencias en el grado de purificación, los nuevos métodos dieron lugar a FCs con rendimientos más elevados que el método alcalino (35-39 % frente al 29 %), con cristalinidad (60-69 %), comportamiento térmico y relación de aspecto (20-60) similares. Se incorporaron fibras USHT al 1, 3 y 5 % (p/p) en películas termoprocesadas de almidón de maíz, y de almidón de maíz modificado térmicamente. La incorporación al 3 % dio lugar a películas con mejores propiedades funcionales. Los extractos activos (al 4, 6 y 8 % en peso) en la matriz de almidón, con o sin CF (3 %), dieron lugar a películas más extensibles y menos resistentes, con mayor capacidad de barrera al oxígeno. Las bolsas monodosis de aceite de girasol con estas películas activas y reforzadas redujeron eficazmente la oxidación. Las películas activas de PLA termoprocesado, con diferentes proporciones (2, 4 y 6 % p/p) del extracto USHT, presentaron color y propiedades mecánicas ligeramente peores, pero con mayor barrera al oxígeno. La cinética de liberación de los antioxidantes incorporados en simulantes alimentarios de diferente polaridad (A: productos acuosos; y D1: sistemas de aceite en agua), mostró que las películas con un 6% de extracto, tuvieron una capacidad antioxidante similar en simulantes con distinta polaridad. Se obtuvieron bicapas biodegradables laminando PLA, con y sin extracto USHT (6 %), y almidón termoplástico, con o sin FC USHT (3 %). Las bicapas mostraron mejor capacidad de barrera global que las monocapas. Sin embargo, la migración de compuestos entre capas dio lugar a películas menos rígidas y resistentes de lo esperado de la contribución del film de PLA. Las bicapas activas y reforzadas alargaron la vida útil de carne de cerdo refrigerada. Las películas de PLA con un 6 % (p/p) de los diferentes extractos (USHT, SWE-160 y SWE-180) presentaron menor resistencia mecánica y capacidad de barrera al vapor de agua, pero una mayor capacidad de barrera al oxígeno y a la luz UV. Además, estas películas, especialmente con el extracto SWE-180, alargaron la vida útil de la carne de cerdo refrigerada. Las FCs obtenidas con los diferentes métodos de purificación también se utilizaron para producir aerogeles de celulosa. Las diferencias composicionales afectaron a la microestructura de los aerogeles. La capacidad de absorción y de retención de agua de los aerogeles estuvo dentro de los rangos descritos para este tipo de materiales. Por tanto, fue posible obtener fracciones valorizadas de la paja de arroz, extractos activos y fibras celulósicas, útiles en el desarrollo de materiales biodegradables activos a base de almidón y PLA. Son necesarios más estudios para validar la seguridad alimentaria de los materiales, así como para el desarrollo de otras aplicaciones en el campo de la industria alimentaria o farmacéutica. / [CA] En aquesta tesi doctoral es van obtenir fraccions cel·lulòsiques i extractes actius de palla d' arròs mitjançant l'aplicació de diferents tècniques d'extracció i purificació, utilitzant aigua com a dissolvent. Aquestes fraccions es van incorporar a pel·lícules de midó i PLA, i bicapes de midó-PLA, per obtenir materials d'envasament actius útils per allargar la vida útil de diferents aliments. Els extractes combinant ultrasons i escalfament a reflux (USHT) i amb aigua subcrítica (SWE) (a 160 °C (SWE-160) i 180 °C (SWE-180)) van mostrar un alt contingut fenòlic (37, 51 i 83 mg GAE.g-1 d'extracte sec, respectivament) i activitat antioxidant (6,3, 2,0 i 1,2 mg d'extracte sec.mg-1 DPPH, respectivament). Els extractes SWE van mostrar activitat antibacteriana contra L. innocua i E. coli. Es van aïllar fibres de cel·lulosa (FC) de les fraccions insolubles de l'extracció. Malgrat les lleugeres diferències en el grau de purificació, els nous mètodes van donar lloc a FCs amb rendiments més elevats que el mètode alcalí (35-39 % enfront del 29 %), amb cristal·linitat (60-69 %), comportament tèrmic i relació d'aspecte (20-60) similars. Es van incorporar fibres USHT a l'1, 3 i 5 % (p/p) en pel·lícules de midó de dacsa, i de midó de dacsa modificat per tractament tèrmic. La incorporació al 3 % va donar lloc a pel·lícules amb les millors propietats funcionals. Els extractes actius (al 4, 6 i 8 % en pes) a la matriu de midó, amb o sense CF (3 %), proporcionaren pel·lícules més extensibles i menys resistents, però amb més capacitat de barrera a l'oxigen. Les bosses monodosi de l'oli de gira-sol amb aquestes pel·lícules actives i reforçades van reduir eficaçment l'oxidació. Les pel·lícules actives de PLA amb diferents proporcions (2, 4 i 6 % p/p) de l'extracte USHT, presentaren color i propietats mecániques lleugerament pitjors, però amb major capacitat de barrera a l'oxigen. La cinètica d'alliberament dels antioxidants incorporats, en simulants alimentaris de diferent polaritat (A: productes aquosos; i D1: sistemes d'oli en aigua), va mostrar que les pel·lícules amb un 6% d'extracte, tenien una capacitat antioxidant similar en simulants amb diferent polaritat. Es van obtenir bicapes biodegradables laminant PLA, amb i sense extracte USHT (6 %), i midó termoplàstic, amb o sense FC USHT (3 %). Les bicapes van mostrar millor capacitat de barrera global que les monocapes. No obstant això, la migració de compostos entre capes va donar lloc a pel·lícules menys rígides i resistents respecte a l'esperat de la contribució de la pel·lícula de PLA. Les bicapes actives i reforçades van allargar la vida útil de carn de porc refrigerada. Les pel·lícules de PLA amb un 6 % (p/p) dels diferents extractes (USHT, SWE-160 i SWE-180) van presentar menor resistència mecànica i capacitat de barrera al vapor d'aigua, però una major capacitat de barrera a l'oxigen i a la llum UV. A més, aquestes pel·lícules, especialment amb l'extracte SWE-180, van allargar la vida útil de la carn de porc refrigerada. Les FCs obtingudes amb els diferents mètodes de purificació també es van utilitzar per produir aerogels de cel·lulosa. Les diferències composicionals van afectar la microestructura dels aerogels. La capacitat d' absorció i de retenció d'aigua dels aerogels va estar dins dels rangs descrits per a aquest tipus de materials. Per tant, va ser possible obtenir fraccions valoritzades de la palla d' arròs, extractes actius i fibres cel·lulòsiques, útils en el desenvolupament de materials biodegradables actius a base de midó i PLA. Són necessaris més estudis per validar la seguretat alimentària dels materials, així com per al desenvolupament d' altres aplicacions en el camp de la indústria alimentària o farmacèutica. / [EN] This Doctoral thesis focused on obtaining cellulosic fractions and bioactive extracts from rice straw (RS) by applying different extraction and purification techniques, using water as a green solvent. These fractions were incorporated into starch and poly (lactic acid) (PLA)-based films, as well as into starch-PLA bilayers, to obtain active packaging materials useful for extending the shelf life of different food matrices. The extracts obtained by applying a combined ultrasound-reflux heating method (USHT) and subcritical water extraction (SWE) (at 160 °C (SWE-160) and 180 °C (SWE-180)) exhibited high phenolic content (37, 51, 83 mg GAE.g-1 dry extract, respectively) and antioxidant activity (6.3, 2.0, and 1.2 mg dry extract.mg-1 DPPH, respectively). The SWE extracts showed antibacterial activity against L. innocua and E. coli. Cellulose fibres (CF) were isolated from the extraction insoluble fractions and compared with those obtained from the traditional alkaline method. Despite slight differences in the degree of purification, the new methods gave rise to CFs with higher yields than the alkaline method (35-39% vs. 29%), with similar crystallinity (60-69%), thermal behaviour, and aspect ratios. USHT fibres were incorporated into corn starch (1, 3, and 5% wt.), and corn starch-modified by heat treatment, obtained by thermoprocessing. The incorporation of CF at 3% gave rise to films with the best functional properties. When active extracts were incorporated at different ratios (4, 6, and 8% wt.) into the starch matrix, with or without CF (3%), the films were more stretchable and less resistant, but with higher oxygen barrier capacity. Likewise, mono-dose bags of these active and reinforced films effectively reduced the oxidation of packed sunflower oil. Active, plasticised PLA films were produced, incorporating USHT extract (2, 4, and 6% wt.) by thermoprocessing, which exhibited colour and slightly worsened tensile behaviour, but with higher oxygen barrier capacity. The release kinetics of the incorporated antioxidant compounds in food simulants of different polarity (A: aqueous products; and D1: oil-in-water systems) showed that films containing 6% of extract delivered similar antioxidant capacity regardless of the food simulant polarity. Biodegradable bilayers were obtained by laminating plasticised PLA, with and without USHT extract (6%), and thermoplastic starch, with or without USHT CFs (3%). The bilayers exhibited improved overall barrier capacity with respect to the monolayers. However, the interlayer compound migration led to less stiff and resistant films with respect to that expected from the PLA film contribution. The active and reinforced bilayers were able to extend the shelf life of the packed pork meat during cold storage. PLA films with 6% wt. of the different extracts (USHT, SWE-160, and SWE-180) were produced, which exhibited lower mechanical resistance and water vapour barrier capacity, but improved oxygen barrier capacity and intense UV light-blocking effect. Furthermore, the active PLA films, especially with SWE-180 extract, extended the shelf life of cold storage pork meat. The CFs obtained with the different purification methods were also used to produce cellulose aerogels. The differences in the chemical composition of the CFs affected the aerogels' microstructure. The water absorption and retention capacity of the aerogels were within the previously reported ranges for this type of material. Thus, it was possible to obtain valorised fractions of rice straw, active extracts and cellulosic fibres, useful in developing active biodegradable materials based on starch and PLA. Further studies are needed to validate the food safety of the materials, as well as for developing other applications in the food or pharmaceutical industry. / The authors thank the Agencia Estatal de Investigación (Spain) for the financial support through projects PID2019-105207RB-I00/AEI/10.13039/501100011033 and Generalitat Valenciana [grant number GrisoliaP/2019/115]. / Vieira De Freitas, PA. (2022). Valorisation of rice straw by obtaining active compounds and cellulosic materials for the development of biodegradable food packaging systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191380 / Compendio

[ES] Un uso indiscriminado de los plásticos ha dado lugar a una crisis medioambiental de proporciones significativas. La lenta degradación y alta persistencia de estos materiales en el medio ambiente han ocasionado la acumulación de residuos plásticos en los océanos y en entornos naturales. Este fenómeno plantea desafíos urgentes y ha impulsado un intenso interés en la búsqueda de soluciones sostenibles para abordar esta problemática. Este contexto brinda el escenario ideal para la investigación propuesta en esta tesis doctoral, titulada "Revalorización de Subproductos procedentes de la semilla de cáñamo (Cannabis sativa) para la obtención de biomateriales respetuosos con el medio ambiente". La semilla de cáñamo, con sus notables propiedades y componentes naturales, se presenta como un recurso prometedor para la creación de biomateriales que aborden los desafíos ambientales derivados del uso excesivo de plásticos. Esta tesis se adentrará en la exploración de métodos y técnicas para la extracción y transformación de subproductos de la semilla de cáñamo, con el objetivo de obtener biomateriales innovadores y sostenibles. La semilla de cáñamo posee un destacado potencial en el ámbito de los biopolímeros gracias a su rico contenido de ácidos grasos poliinsaturados. Además, la harina de semilla de cáñamo incluye una composición rica en proteínas, carbohidratos y residuos lignocelulósicos. Estos elementos constituyen los bloques de construcción fundamentales para la creación de biopolímeros naturales y biodegradables, lo que abre una vía hacia una alternativa más sostenible en comparación con los polímeros sintéticos convencionales. El aprovechamiento de la semilla de cáñamo en la producción de biopolímeros se presenta como una estrategia prometedora en la búsqueda de soluciones amigables con el medio ambiente en el campo de los materiales. La tesis doctoral actual se enfoca en la evaluación de la viabilidad de utilizar la semilla de cáñamo como una fuente renovable y funcional en la esfera de los biopolímeros. Este proyecto de investigación aborda un proceso de extracción que busca evaluar la posibilidad de efectuar modificaciones químicas en los ácidos grasos poliinsaturados contenidos en el aceite de cáñamo. La obtención del aceite de semilla de cáñamo maleinizado (ACM) tras realizar la modificación química mencionada, permite la implementación de este como plastificante de origen biológico en biopolímeros que, por naturaleza, suelen ser rígidos y quebradizos, como el PLA (ácido poliláctico). Además, el ACM puede desempeñar un papel como compatibilizante en la interacción entre las moléculas apolares, que conforman las matrices poliméricas, y las cargas lignocelulósicas, como la harina de cáñamo, que se introducen con el propósito de reducir el impacto ambiental y potenciar la revalorización de subproductos derivados de la semilla de cáñamo. De igual manera, puede actuar como compatibilizante entre polímeros que son parcialmente inmiscibles entre ellos, como puede ser la mezcla del PLA y del TPS (almidón termoplástico). De igual manera que se ha llevado a cabo la obtención del ACM, y se ha utilizado como plastificante y compatibilizante en mezclas de polímeros, también se ha desarrollado un aceite epoxidado de cáñamo (ACE). Gracias a la obtención de este nuevo aceite modificado químicamente se ha podido llegar a desarrollar una resina termoestable basada al 100% en ACE como base de la resina epoxi y el ACM como endurecedor bio en la mezcla resultante. Finalmente, cabe destacar que las investigaciones realizadas en el marco de esta tesis doctoral han representado un valioso enfoque en la utilización de la semilla de cáñamo como una fuente de materia prima sostenible en la creación de compuestos activos destinados a la industria de los biopolímeros. Por esto, se han desarrollado nuevos compatibilizantes y plastificantes gracias a la obtención del ACM y del ACE, la utilización de la harina de semilla de cáñamo en matrices poliméricas. / [CA] Un ús indiscriminat dels plàstics ha provocat una crisi ambiental de dimensions significatives. La lenta degradació i l'alta persistència d'aquests materials en el medi ambient han ocasionat l'acumulació de residus plàstics en els oceans i en entorns naturals. Aquest fenomen planteja reptes urgents i ha impulsat un intens interès en la recerca de solucions sostenibles per abordar aquesta problemàtica. Aquest context proporciona l'escenari ideal per a la investigació proposada en aquesta tesi doctoral, titulada "Revalorització de Subproductes procedents de la llavor de cànem (Cannabis sativa) per a l'obtenció de biomaterials respectuosos amb el medi ambient". La llavor de cànem, amb les seues notables propietats i components naturals, es presenta com una font prometedora per a la creació de biomaterials que aborden els reptes ambientals derivats de l'ús excessiu de plàstics. Aquesta tesi s'endinsarà en l'exploració de mètodes i tècniques per a l'extracció i transformació de subproductes de la llavor de cànem, amb l'objectiu d'obtenir biomaterials innovadors i sostenibles. La llavor de cànem posseeix un destacat potencial en l'àmbit dels biopolímers gràcies al seu ric contingut d'àcids grassos poliinsaturats. A més, la farina de llavor de cànem inclou una composició rica en proteïnes, carbohidrats i residus lignocel·lulòsics. Aquests elements constitueixen els blocs de construcció fonamentals per a la creació de biopolímers naturals i biodegradables, obrint una via cap a una alternativa més sostenible en comparació amb els polímers sintètics convencionals. L'aprofitament de la llavor de cànem en la producció de biopolímers es presenta com una estratègia prometedora en la recerca de solucions amigables amb el medi ambient en el camp dels materials. La tesi doctoral actual se centra en l'avaluació de la viabilitat d'utilitzar la llavor de cànem com a font renovable i funcional en l'esfera dels biopolímers. Aquest projecte de recerca aborda un procés d'extracció que busca avaluar la possibilitat de realitzar modificacions químiques en els àcids grassos poliinsaturats continguts en l'oli de cànem. L'obtenció de l'oli de llavor de cànem maleïnit (ACM) després de realitzar la modificació química esmentada, permet la seua implementació com a plastificant d'origen biològic en biopolímers que, per naturalesa, solen ser rígids i trencadissos, com l'àcid polilàctic (PLA). A més, el ACM pot jugar un paper com a compatibilitzant en la interacció entre les molècules apolars, que conformen les matrius polimèriques, i les càrregues lignocel·lulòsiques, com la farina de cànem, que s'introdueixen amb el propòsit de reduir l'impacte ambiental i potenciar la revalorització de subproductes derivats de la llavor de cànem. De la mateixa manera, pot actuar com a compatibilitzant entre polímers que són parcialment inmiscibles entre ells, com pot ser la barreja del PLA i del TPS (almidó termoplàstic). De la mateixa manera que s'ha dut a terme l'obtenció del ACM, i s'ha utilitzat com a plastificant i compatibilitzant en mesclades de polímers, també s'ha desenvolupat un oli epoxidat de cànem (ACE). Gràcies a l'obtenció d'aquest nou oli modificat químicament s'ha pogut arribar a desenvolupar una resina termoestable basada al 100% en ACE com a base de la resina epoxi i el ACM com a endureixedor biològic en la mescla resultant. Finalment, cal destacar que les investigacions realitzades en el marc d'aquesta tesi doctoral han representat un valuós enfocament en la utilització de la llavor de cànem com a font de matèria primera sostenible en la creació de compostos actius destinats a la indústria dels biopolímers. Per això, s'han desenvolupat nous compatibilitzants i plastificants gràcies a l'obtenció del ACM i de l'ACE, la utilització de la farina de llavor de cànem en matrius polimèriques i, finalment, l'obtenció d'una resina epoxi que es troba 100% desenvolupada amb subproductes de la llavor de cànem. / [EN] Indiscriminate use of plastics has led to a significant environmental crisis. The slow degradation and high persistence of these materials in the environment have resulted in the accumulation of plastic waste in oceans and natural settings. This phenomenon poses urgent challenges and has spurred intense interest in finding sustainable solutions to address this issue. This context provides the ideal backdrop for the research proposed in this doctoral thesis, "Valorization of Byproducts from Hemp Seeds (Cannabis sativa) for the Production of Environmentally Friendly Biomaterials." With their remarkable properties and natural components, hemp seeds emerge as a promising resource for creating biomaterials that address environmental challenges stemming from excessive plastic use. This thesis will delve into the exploration of methods and techniques for the extraction and transformation of hemp seed byproducts, with the aim of producing innovative and sustainable biomaterials. Hemp seeds hold significant potential in biopolymers due to their rich content of polyunsaturated fatty acids. Furthermore, hemp seed meal includes a composition rich in proteins, carbohydrates, and lignocellulosic residues. These elements constitute the fundamental building blocks for creating natural and biodegradable biopolymers, paving the way for a more sustainable alternative than conventional synthetic polymers. Leveraging hemp seeds in biopolymer production presents a promising strategy for eco friendly material solutions. The current doctoral thesis focuses on evaluating the feasibility of using hemp seeds as a renewable and functional source in the field of biopolymers. This research project encompasses an extraction process that aims to assess the possibility of making chemical modifications to the polyunsaturated fatty acids found in hemp oil. The production of maleinized hemp seed oil (ACM) after the mentioned chemical modification allows its implementation as a biological plasticizer in biopolymers, which tend to be naturally rigid and brittle, such as polylactic acid (PLA). Additionally, ACM can act as a compatibilizer in the interaction between nonpolar molecules, forming the polymeric matrices, and lignocellulosic fillers, such as hemp seed meal, introduced to reduce environmental impact and enhance the valorization of hemp seed byproducts. It can also act as a compatibilizer between partially immiscible polymers, such as the blend of PLA and thermoplastic starch (TPS). Similarly, to the development of ACM for use as a plasticizer and compatibilizer in polymer blends, an epoxidized hemp oil (ACE) has been developed. This chemically modified oil's acquisition led to the creation of a 100% ACE-based thermosetting resin as the foundation of epoxy resin, with ACM serving as a bio-based hardener in the resulting mixture. Finally, it is worth noting that the research conducted within the framework of this doctoral thesis has represented a valuable approach to utilizing hemp seeds as a source of sustainable raw materials in the creation of active compounds for the biopolymer industry. This has led to the development of new compatibilizers and plasticizers through the acquisition of ACM and ACE, the use of hemp seed meal in polymeric matrices, and, lastly, the production of an epoxy resin entirely derived from hemp seed byproducts. / Lerma Cantó, A. (2024). Revalorización de subproductos procedentes de la semilla del cáñamo (Cannabis sativa) para la obtención de biomateriales respetuosos con el medio ambiente [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205829

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

[ES] El objetivo general de la presente tesis doctoral fue aditivar polímeros biodegradables con colofonia y sus derivados mediante el uso de técnicas de procesamiento convencionales y no convencionales. En esta tesis se presentan siete trabajos dentro de cuatro bloques de estudio que constituyeron los objetivos específicos de la investigación. En el primer bloque de estudio se realizó una caracterización comparativa de cinco colofonias de diferentes fuentes para determinar sus propiedades y establecer las diferencias entre cada colofonia para su posterior uso y aplicación como aditivos sostenibles de polímeros biodegradables. En el segundo bloque de estudio se aditivó colofonia en matrices de polímeros biodegradables para lo cual se realizaron dos trabajos. En el primer trabajo se empleó poli (butilen adipato-co-tereftalato) (PBAT) como matriz polimérica y colofonia (GR) y un pentaeritritol éster de colofonia (UT) como aditivos. El PBAT se mezcló con las resinas en varios contenidos y las formulaciones se procesaron por extrusión y un posterior moldeo por inyección. En el segundo trabajo se empleó poli(¿-caprolactona) (PCL) como matriz polimérica, y como aditivos se emplearon GR y cera de abeja (BW). Las formulaciones se prepararon por mezcla por extrusión y el procesamiento del material se llevó a cabo por una técnica no convencional que es la manufactura aditiva o impresión 3D.En el tercer bloque de estudio se realizó la aditivación de materiales termoplásticos utilizando como base un polímero biodegradable de alto rendimiento ambiental y como aditivo colofonia y sus derivados. Como polímero base se empleó almidón termoplástico (TPS) y como aditivos de usaron los siguientes derivados de colofonia: colofonia sin modificar (GR), colofonia deshidrogenada (RD), colofonia modificada con anhidrido maleico (CM), pentaeritritol éster (LF) y éster de glicerol de colofonia (UG). La colofonia se mezcló con el TPS por extrusión y el procesamiento de las mezclas se llevó a cabo por moldeo por inyección. En el cuarto bloque se estudió la aditivación de colofonia a matrices poliméricas mediante la técnica de electropulverización. Se realizaron tres trabajos en los que se optimizó e implementó el proceso de electrospulverización para la incorporación de microesferas de colofonia en matrices poliméricas. En el primer trabajo se evalúo el uso de un proceso electrohidrodinámico como método de aditivación de colofonia en matrices poliméricas. En el segundo trabajo se optimizó el proceso de electropulverización de colofonia a partir de 24 experimentos. Posteriormente, se depositaron microesferas de GR sobre películas de PCL para obtener sistemas bicapa. Los resultados obtenidos revelaron un gran potencial para procesar fácilmente sistemas bicapa con alto interés en aplicaciones agrícolas, de empaque y/o biomédicas sostenibles. Finalmente, en el tercer trabajo se usó el método optimizado de electrospraying para aditivar microesferas de colofonia sobre la capa exterior de una mascarilla quirúrgica a base de polipropileno (PP), y se determinó que el revestimiento de microesferas ayudó a mantener la hidrofobicidad original de la capa exterior de la mascarilla quirúrgica incluso después de 6 horas de uso, aumentando en el tiempo de vida útil de la mascarilla. Los resultados de la tesis indican que la colofonia y sus derivados son versátiles como aditivos de matrices termoplásticas biodegradables y que el proceso de aditivación puede llevarse a cabo por métodos de procesamiento tanto convencionales como no convencionales. Los hallazgos del estudio son significativos porque la colofonia es un material natural obtenido de fuentes renovables, no es tóxica y es biocompatible, de modo que su uso como aditivo no solo mejora las propiedades de los polímeros biodegradables, sino que promueve el estudio y desarrollo de materiales sostenibles lo que contribuye a la disminución del impacto ambiental de los plásticos. / [CA] L'objectiu general de la present tesi doctoral va ser additivar polímers biodegradables amb colofònia i els seus derivats mitjançant l'ús de tècniques de processament convencionals i no convencionals. En aquesta tesi es presenten set treballs dins de quatre blocs d'estudi que van constituir els objectius específics de la investigació. En el primer bloc d'estudi es va realitzar una caracterització comparativa de cinc colofònies de diferents fonts, per a determinar les seues propietats i establir les diferències entre cada colofònia per al seu posterior ús i aplicació com a additius sostenibles de polímers biodegradables. En el segon bloc d'estudi es additivar colofònia en matrius de polímers biodegradables, per a això es van realitzar dos treballs. En el primer treball es va emprar poli (butilen adipat-co-tereftalat) (PBAT) com a matriu polimèrica i colofònia (GR) i un pentaeritritol èster de colofònia (UT) com a additius. El PBAT es va mesclar amb les resines en diversos continguts i les formulacions es van processar per extrusió i un posterior emotlament per injecció. En el segon treball es va emprar poli(¿-caprolactona) (PCL) com a matriu polimèrica, i com a additius es van emprar GR i cera d'abella (BW). Les formulacions es van preparar per mescla per extrusió i el processament del material es va dur a terme per una tècnica no convencional que és la manufactura additiva o impressió 3D. En el tercer bloc d'estudi es va realitzar l'additivació de materials termoplàstics utilitzant com a base un polímer biodegradable d'alt rendiment ambiental i com a additiu colofònia i els seus derivats. Com a polímer base es va emprar midó termoplàstic (TPS) i com a additius de van usar els següents derivats de colofònia: colofònia sense modificar (GR), colofònia deshidrogenada (RD), colofònia modificada amb anhidrido maleic (CM), pentaeritritol èster (LF) i èster de glicerol de colofònia (UG). La colofònia es va mesclar amb el TPS per extrusió i el processament de les mescles es va dur a terme per emotlament per injecció. En el quart bloc es va estudiar l'additivació de colofònia a matrius polimèriques mitjançant la tècnica d'electrospulverització. Es van realitzar tres treballs en els quals es va optimitzar i va implementar el procés d'electrospulverització per a la incorporació de microesferes de colofònia en matrius polimèriques. En el primer treball s'avalue l'ús d'un procés electrohidrodinàmic com a mètode d'additivació de colofònia en matrius polimèriques i es van obtindre tant microesferes com microfibres de colofònia depenent de la concentració de la solució inicial. En el segon treball es va optimitzar el procés d'electrospulverització de colofònia a partir de 24 experiments. Posteriorment, les microesferes de GR es van depositar sobre pel·lícules de per a obtindre sistemes bicapa. Els resultats obtinguts van revelar un gran potencial per a processar fàcilment sistemes bicapa. Finalment, en el tercer treball es va usar el mètode optimitzat d'electrospulverització per a additivar microesferes de colofònia sobre la capa exterior d'una màscara quirúrgica a base de polipropilè (PP), i es va determinar que el revestiment de microesferes va ajudar a mantindre la hidrofobicitat original de la capa exterior de la màscara quirúrgica. Els resultats de la tesi indiquen que la colofònia i els seus derivats són versàtils com a additius de matrius termoplàstiques biodegradables i que el procés de d'additivació pot dur-se a terme per mètodes de processament tant convencionals com no convencionals. Les troballes de l'estudi són significatius perquè la colofònia és un material natural obtingut de fonts renovables, no és tòxica i és biocompatible, de manera que el seu ús com a additiu no sols millora les propietats dels polímers biodegradables, sinó que promou l'estudi i desenvolupament de materials sostenibles el que contribueix a la disminució de l'impacte ambiental dels plàstics / [EN] The general objective of this doctoral thesis was to add biodegradable polymers with gum rosin and its derivatives, using conventional and unconventional processing techniques. This thesis presents seven works within four study blocks that constitute the specific objectives of the research. The first study block conducts a comparative characterization of five gum rosins from different sources to determine their properties and establish the differences between each rosin for their subsequent use and application as sustainable additives for biodegradable polymers. The second study block examines the compounding of biodegradable polymer matrices with gum rosin, for which two works were developed. The first work uses poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) as the polymeric matrix and rosin (GR) and a rosin pentaerythritol ester (UT) as additives. PBAT was mixed with the resins in various contents, and the formulations were processed by extrusion and subsequent injection molding. The second work uses poly(¿-caprolactone) (PCL) as a polymeric matrix and GR and beeswax (BW) as additives. The three materials mentioned are biocompatible and biodegradable. The formulations were mixed by extrusion, and the material was processed by an unconventional technique: additive manufacturing or 3D printing. The third study block compounded thermoplastic materials using a biodegradable polymer with high environmental performance as a base and gum rosin and its derivatives as additives. This study used thermoplastic starch (TPS) as the base polymer and the following gum rosin derivatives were used as additives: unmodified rosin (GR), dehydrogenated rosin (RD), rosin modified with maleic anhydride (CM), pentaerythritol ester (LF) and ester of rosin glycerol (UG). Gum rosin and TPS were mixed by extrusion and processed by injection molding. The fourth study block studies the addition of rosin to polymeric matrices using the electrospraying technique. Three works were carried out to optimize and implement the electrospraying process for adding rosin microspheres in polymeric matrices. The first work evaluated the use of an electrohydrodynamic process to add gum rosin to polymeric matrices. The process allowed gum rosin microspheres and microfibers depending on the concentration of the initial solution. The second work optimized the gum rosin electrospraying process from 24 experiments. Subsequently, GR microspheres were deposited on compression molded PCL films to obtain bilayer systems. The results revealed a great potential to efficiently process bilayer systems with high interest in sustainable agricultural, packaging, and/or biomedical applications. Finally, the third work used the optimized electrospraying method to add gum rosin microspheres to the outer layer of polypropylene (PP)-based surgical mask. The results showed that the microsphere coating helped maintain the original hydrophobicity of the outer layer of the surgical mask. The thesis results indicate that gum rosin and its derivatives are versatile as additives in biodegradable thermoplastic matrices and that both conventional and unconventional processing methods can carry out the additive process. The study findings are significant because rosin is a natural material obtained from renewable sources; it is non-toxic and biocompatible. Therefore, using gum rosin as an additive not only improves the properties of biodegradable polymers but also promotes the study and development of sustainable materials, which contributes to reducing the environmental impact of plastics. / Gracias a la Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital, por la beca otorgada (GRISOLIAP/2019/113), que me ha permitido dedicarme completamente a la realización de este proyecto. A la Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital por la ayuda para “Subvenciones para estancias de contratados predoctorales en centros de investigación fuera de la Comunitat Valenciana (BEFPI)” (CIBEFP/2021/30) / Pavón Vargas, CP. (2022). Aditivación de materiales biodegradables mediante el uso de derivados de colofonia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191385