Gracia Vallés, Nicolás
Almeida E Silva, Filomena Augusta (dir.) ; Michel Allal, Ahmed (dir.) ; Nerín De La Puerta, María Consolación Cristina (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: La seguridad alimentaria es necesaria para que la población tenga acceso a alimentos seguros y en cantidad suficiente para cubrir sus necesidades nutricionales. Por ello, es necesario reducir las pérdidas y el deterioro de los alimentos producido por microorganismos y procesos de oxidación, así como las enfermedades alimentarias ocasionadas por microorganismos patógenos contaminantes y sus metabolitos. El envasado tradicional no es capaz de dar respuesta estos problemas, por ello es necesario el desarrollo de envases activos alimentarios. Éstos permiten alargar la vida útil de los alimentos gracias al uso de agentes activos, entre los cuales se destacan los antimicrobianos y los antioxidantes cuyos objetivos son reducir el crecimiento bacteriano y los procesos de oxidación, respectivamente. El desarrollo de estos nuevos envases, a día de hoy, debe partir de un principio de sostenibilidad que reduzca los niveles de contaminación ambiental producidos a nivel global por los envases de plástico. Por ello, se debe primar la utilización de materiales de envase compostables y/o biodegradables y respetuosos con el medio ambiente.
Con el objetivo de buscar nuevas soluciones de envase activo para reducir la pérdida y desperdicio de alimentos, a lo largo de esta tesis doctoral se ha explorado el uso de nuevos agentes activos antimicrobianos y antioxidantes basados en nanomateriales o moléculas nanoestructuradas para el desarrollo de nuevos envases activos alimentarios. Se ha investigado, por primera vez, el uso de polioxometalatos (POM) y nanoesponjas de ciclodextrina (CDNS) en la encapsulación de compuestos orgánicos volátiles (COV) para el desarrollo de envases activos utilizando, siempre que ha sido posible, materiales biodegradables y/o compostables, como el ácido poliláctico (PLA), el polivinil alcohol (PVA), la carboximetil celulosa (CMC) y las CDNS. Estos polímeros han sido la base para los envases antioxidantes que se han desarrollado a partir de POM de Mo para la eliminación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y los antimicrobianos a partir de POM de W y las encapsulaciones de COV en CDNS para combatir los mohos contaminantes de alimentos.
Los procesos de oxidación ocasionados por las ROS en F&V; provocan pardeamiento y ablandamiento frutas, permitiendo que sean fácilmente infectadas por microorganismos, por lo que es necesario evitar estos procesos de oxidación, principalmente en frutas de IV gama, debido a las heridas mecánicas que sufren durante su procesado. Para intentar solucionar este problema derivado de la rápida oxidación de fruta de IV gama envasada, se estudió la utilización de POM de Mo reducidos como agente activo en el desarrollo de un envase activo antioxidante. En primer lugar, se sintetizó el POM reducido (NH4)15{Na[(Mo2VO4)6(µ2-SO3)3(µ6-SO3)]2}·5H2O (POMo) que se utilizó para el desarrollo de un envase activo antioxidante para frutas de IV gama. El POMo obtuvo un índice de actividad antioxidante (AAI) muy fuerte en el ensayo de eliminación de radicales DPPH¿ (AAI = 3,15). Posteriormente, se estudió su capacidad para captar radicales libres hidroxilo in situ, preparando un recubrimiento de PVA y POMo (4 y 10 %) que se extendió en films de PLA con los que se hicieron bolsas, a través de las cuales se hizo pasar un flujo de OH¿ que reaccionaba, al salir de la bolsa, con una disolución de ácido salicílico formando 2,5-dihidroxibenzoico. El recubrimiento de PVA-POMo fue capaz de reducir la hidroxilación del ácido salicílico en un 39,1 % para PVA-POMo 4 % y en un 51,1 % para PVA-POMo 10 %. A continuación, se prepararon los envases antioxidantes pegando con un adhesivo un film de PLA (12x17 cm) recubierto con PVA-POMo 4 % y 10 % en bandejas compostables de caña de azúcar. En el interior de las bandejas se colocaron las rodajas de melocotón, con o sin tratamiento en un baño antioxidante. El envase antioxidante PVA-POMo 4 % fue el que mejor se comportó ya que fue capaz de mantener el color y retrasar el pardeamiento del melocotón sin baño antioxidante previo, sin afectar al proceso de maduración del melocotón. También se evaluó la producción de volátiles característicos del aroma del melocotón como la ¿-dodecalactona, ¿-decalactona o benzaldehído, que son críticos para la aceptación del consumidor y se observó que el PVA-POMo 4 % mantenía o mitigaba su disminución respecto al control y al PVA-POMo 10 %.
Otra de las categorías de alimentos envasados cuya seguridad alimentaria tiene especial relevancia son los alimentos listos para el consumo (RTE), ya que microorganismos patógenos como Listeria monocytogenes o Escherichia coli que se encuentran comúnmente en estos alimentos, son responsables de causar graves enfermedades en el caso de ingesta de alimentos contaminados. En este caso, se desarrolló un envase activo con propiedades antimicrobianas, explorando la utilización de un complejo antimicrobiano entre un POM de W (K8[SiW11O39]). y el conservante alimentario etil lauroil arginato (LAE). Este complejo se denominó POM-LAE y se utilizó para desarrollar un film activo antimicrobiano, para alimentos RTE, que mantuviese la actividad antimicrobiana en el tiempo ya que la formación de este complejo permitía superar la limitación del uso del LAE derivada de su pérdida brusca de actividad derivada de su rápida solubilidad acuosa, ya que el complejo POM-LAE es insoluble en agua. El POM-LAE demostró tener actividad antimicrobiana frente distintas bacterias patógenas alimentarias, especialmente frente a L. monocytogenes, con valores de MIC de 32 µg/mL y de MBC de 128 µg/mL, mientras que frente a E. coli se obtuvieron valores de MIC de 64 µg/mL y una MBC de 128 µg/mL. Estos ensayos de susceptibilidad antimicrobiana demostraron que las concentraciones de LAE necesarias para inhibir el crecimiento bacteriano eran hasta dos veces menores en el complejo POM-LAE, en comparación con el LAE libre. El complejo POM-LAE presenta un mecanismo de acción en las células bacterianas similar al del LAE, afectando la membrana celular, como se comprobó por citometría de flujo y SEM. El POM-LAE también demostró actividad antibiofilm, tanto para inhibir la formación de biofilm como para eliminar el biofilm formado de L. monocytogenes y de E. coli a concentraciones de 32 µg/mL. Habiendo verificado que el complejo POM-LAE era más efectivo frente a L. monocytogenes, se desarrollaron films de CMC por casting y de PLA por extrusión con POM-LAE. Los films de PLA-POM-LAE 5 % no tuvieron actividad antimicrobiana in vitro, mientras que los films de CMC-POM-LAE 5 y 10 % consiguieron reducir la concentración bacteriana de L. monocytogenes 7 y 8 log(UFC/mL), respectivamente. Finalmente, los films de CMC-POM-LAE 5 y 10 % fueron utilizados para controlar el crecimiento de L. monocytogenes como film separador entre lonchas de jamón curado. Ambos films de CMC-POM-LAE consiguieron evitar el crecimiento bacteriano durante los primeros días y mantener la población bacteriana por debajo de la del control durante el ensayo.
Además de las contaminaciones bacteriana, también las contaminaciones de alimentos por mohos causa graves pérdidas de alimentos debido a su ubiquidad y también el desarrollo de enfermedades resultantes de la ingesta de micotoxinas. Así, es necesario el desarrollo de nuevos envases activos antifúngicos capaces de inhibir el crecimiento de los mohos en distintos tipos de alimentos. Para ello se encapsularon varios COV en CDNS para obtener una forma fácil y sencilla de incorporar compuesto líquidos volátiles en envase activo antimicrobiano y que permitiera una actividad sostenida en el tiempo. En primer lugar, se comprobó la actividad antifúngica de cinco COV: diacetilo, benzaldehído, 2-etilhexanol, acetofenona y 2-nonanona frente a varios mohos causantes de deterioro en alimentos. Se hicieron ensayos en fase vapor usando los COV frente a Aspergillus niger, Botrytis cinerea y Penicillium expansum, siendo el diacetilo, el benzaldehído y el 2-etilhexanol los que fueron capaces de inhibir completamente el crecimiento de los tres mohos. A continuación, se procedió a encapsular estos tres COV en nanoesponjas de ¿-ciclodextrina (¿-CDNS) y ß-ciclodextrina (ß-CDNS) para disminuir la volatilización de estos compuestos y generar un agente activo susceptible de ser más fácilmente incorporado a un envase. Los encapsulados de diacetilo (¿- y ß-CDNS-diacetilo) y benzaldehído (¿- y ß-CDNS-benzaldehído) fueron capaces de inhibir completamente el crecimiento de los mohos estudiados, a excepción de ¿-CDNS-benzaldehído frente a A. niger. Los COV encapsulados en ß-CDNS demostraron ser más efectivos que los de ¿-CDNS, siendo el más eficaz el de diacetilo, ya que ß-CDNS-diacetilo inhibió el crecimiento de los mohos con 10 mg (P. expansum) o 25 mg (A. niger y B. cinerea), mientras que ß-CDNS-benzaldehído inhibió el crecimiento a 25 mg (P. expansum y B. cinerea) y 50 mg (A. niger). El SEM permitió observar que el daño estructural producido por los encapsulados de diacetilo y benzaldehído fue similar al descrito para otros compuestos volátiles como los aceites esenciales y se comprobó que tanto A. niger y B. cinerea eran susceptibles a cantidades subinhibitorias de encapsulados de ß-CDNS-diacetilo y ß-CDNS-benzaldehído, respectivamente. La mayor actividad de los encapsulados en ß-CDNS se observa en la diferencia de liberación del diacetilo (36,2 mg/g¿-CDNS y 42,2 mg/gß-CDNS) y del benzaldehído (40,9 mg/g¿-CDNS y de 50,5 mg/gß-CDNS). Además, la eficiencia de encapsulación del diacetilo en ß-CDNS fue del 13,9 % (137,9 mg/g) frente a la de ¿-CDNS que fue del 9,7 % (96,1 mg/g), mientras que la del benzaldehído en ß-CDNS fue del 18,5% (192 mg/g) frente a la de ¿-CDNS que fue del 14,2 % (148 mg/g). Por último, se desarrolló un prototipo de bolsitas de polipropileno con los encapsulados de diacetilo y benzaldehído en ¿- y ß-CDNS en su interior para permitir la versatilidad y compatibilidad de estas formulaciones con distintos tipos de envases. La incorporación de los encapsulados en las bolsitas de PP no afectó la actividad antifúngica de estos, consiguiendo mantener la actividad antifúngica de los encapsulados frente a los tres mohos.
En conclusión, en esta tesis se evalúa la actividad antioxidante y antimicrobiana de nuevos compuestos para su utilización como agentes activos en envase activo alimentario, siendo capaces de ofrecer nuevas alternativas a la problemática del deterioro y pérdidas alimentarias. Para esta razón, se desarrollaron varios prototipos de envase activo que se probaron con éxito en alimentos susceptibles al deterioro oxidativo (melocotón) y a la contaminación por bacterias patógenas (jamón curado), junto con un nuevo antifúngico basado en la encapsulación de compuestos orgánicos volátiles que demostró gran eficacia frente a mohos s contaminantes de los alimentos que causan su deterioro.
Resumen (otro idioma):
Con el objetivo de buscar nuevas soluciones de envase activo para reducir la pérdida y desperdicio de alimentos, a lo largo de esta tesis doctoral se ha explorado el uso de nuevos agentes activos antimicrobianos y antioxidantes basados en nanomateriales o moléculas nanoestructuradas para el desarrollo de nuevos envases activos alimentarios. Se ha investigado, por primera vez, el uso de polioxometalatos (POM) y nanoesponjas de ciclodextrina (CDNS) en la encapsulación de compuestos orgánicos volátiles (COV) para el desarrollo de envases activos utilizando, siempre que ha sido posible, materiales biodegradables y/o compostables, como el ácido poliláctico (PLA), el polivinil alcohol (PVA), la carboximetil celulosa (CMC) y las CDNS. Estos polímeros han sido la base para los envases antioxidantes que se han desarrollado a partir de POM de Mo para la eliminación de especies reactivas de oxígeno (ROS) y los antimicrobianos a partir de POM de W y las encapsulaciones de COV en CDNS para combatir los mohos contaminantes de alimentos.
Los procesos de oxidación ocasionados por las ROS en F&V; provocan pardeamiento y ablandamiento frutas, permitiendo que sean fácilmente infectadas por microorganismos, por lo que es necesario evitar estos procesos de oxidación, principalmente en frutas de IV gama, debido a las heridas mecánicas que sufren durante su procesado. Para intentar solucionar este problema derivado de la rápida oxidación de fruta de IV gama envasada, se estudió la utilización de POM de Mo reducidos como agente activo en el desarrollo de un envase activo antioxidante. En primer lugar, se sintetizó el POM reducido (NH4)15{Na[(Mo2VO4)6(µ2-SO3)3(µ6-SO3)]2}·5H2O (POMo) que se utilizó para el desarrollo de un envase activo antioxidante para frutas de IV gama. El POMo obtuvo un índice de actividad antioxidante (AAI) muy fuerte en el ensayo de eliminación de radicales DPPH¿ (AAI = 3,15). Posteriormente, se estudió su capacidad para captar radicales libres hidroxilo in situ, preparando un recubrimiento de PVA y POMo (4 y 10 %) que se extendió en films de PLA con los que se hicieron bolsas, a través de las cuales se hizo pasar un flujo de OH¿ que reaccionaba, al salir de la bolsa, con una disolución de ácido salicílico formando 2,5-dihidroxibenzoico. El recubrimiento de PVA-POMo fue capaz de reducir la hidroxilación del ácido salicílico en un 39,1 % para PVA-POMo 4 % y en un 51,1 % para PVA-POMo 10 %. A continuación, se prepararon los envases antioxidantes pegando con un adhesivo un film de PLA (12x17 cm) recubierto con PVA-POMo 4 % y 10 % en bandejas compostables de caña de azúcar. En el interior de las bandejas se colocaron las rodajas de melocotón, con o sin tratamiento en un baño antioxidante. El envase antioxidante PVA-POMo 4 % fue el que mejor se comportó ya que fue capaz de mantener el color y retrasar el pardeamiento del melocotón sin baño antioxidante previo, sin afectar al proceso de maduración del melocotón. También se evaluó la producción de volátiles característicos del aroma del melocotón como la ¿-dodecalactona, ¿-decalactona o benzaldehído, que son críticos para la aceptación del consumidor y se observó que el PVA-POMo 4 % mantenía o mitigaba su disminución respecto al control y al PVA-POMo 10 %.
Otra de las categorías de alimentos envasados cuya seguridad alimentaria tiene especial relevancia son los alimentos listos para el consumo (RTE), ya que microorganismos patógenos como Listeria monocytogenes o Escherichia coli que se encuentran comúnmente en estos alimentos, son responsables de causar graves enfermedades en el caso de ingesta de alimentos contaminados. En este caso, se desarrolló un envase activo con propiedades antimicrobianas, explorando la utilización de un complejo antimicrobiano entre un POM de W (K8[SiW11O39]). y el conservante alimentario etil lauroil arginato (LAE). Este complejo se denominó POM-LAE y se utilizó para desarrollar un film activo antimicrobiano, para alimentos RTE, que mantuviese la actividad antimicrobiana en el tiempo ya que la formación de este complejo permitía superar la limitación del uso del LAE derivada de su pérdida brusca de actividad derivada de su rápida solubilidad acuosa, ya que el complejo POM-LAE es insoluble en agua. El POM-LAE demostró tener actividad antimicrobiana frente distintas bacterias patógenas alimentarias, especialmente frente a L. monocytogenes, con valores de MIC de 32 µg/mL y de MBC de 128 µg/mL, mientras que frente a E. coli se obtuvieron valores de MIC de 64 µg/mL y una MBC de 128 µg/mL. Estos ensayos de susceptibilidad antimicrobiana demostraron que las concentraciones de LAE necesarias para inhibir el crecimiento bacteriano eran hasta dos veces menores en el complejo POM-LAE, en comparación con el LAE libre. El complejo POM-LAE presenta un mecanismo de acción en las células bacterianas similar al del LAE, afectando la membrana celular, como se comprobó por citometría de flujo y SEM. El POM-LAE también demostró actividad antibiofilm, tanto para inhibir la formación de biofilm como para eliminar el biofilm formado de L. monocytogenes y de E. coli a concentraciones de 32 µg/mL. Habiendo verificado que el complejo POM-LAE era más efectivo frente a L. monocytogenes, se desarrollaron films de CMC por casting y de PLA por extrusión con POM-LAE. Los films de PLA-POM-LAE 5 % no tuvieron actividad antimicrobiana in vitro, mientras que los films de CMC-POM-LAE 5 y 10 % consiguieron reducir la concentración bacteriana de L. monocytogenes 7 y 8 log(UFC/mL), respectivamente. Finalmente, los films de CMC-POM-LAE 5 y 10 % fueron utilizados para controlar el crecimiento de L. monocytogenes como film separador entre lonchas de jamón curado. Ambos films de CMC-POM-LAE consiguieron evitar el crecimiento bacteriano durante los primeros días y mantener la población bacteriana por debajo de la del control durante el ensayo.
Además de las contaminaciones bacteriana, también las contaminaciones de alimentos por mohos causa graves pérdidas de alimentos debido a su ubiquidad y también el desarrollo de enfermedades resultantes de la ingesta de micotoxinas. Así, es necesario el desarrollo de nuevos envases activos antifúngicos capaces de inhibir el crecimiento de los mohos en distintos tipos de alimentos. Para ello se encapsularon varios COV en CDNS para obtener una forma fácil y sencilla de incorporar compuesto líquidos volátiles en envase activo antimicrobiano y que permitiera una actividad sostenida en el tiempo. En primer lugar, se comprobó la actividad antifúngica de cinco COV: diacetilo, benzaldehído, 2-etilhexanol, acetofenona y 2-nonanona frente a varios mohos causantes de deterioro en alimentos. Se hicieron ensayos en fase vapor usando los COV frente a Aspergillus niger, Botrytis cinerea y Penicillium expansum, siendo el diacetilo, el benzaldehído y el 2-etilhexanol los que fueron capaces de inhibir completamente el crecimiento de los tres mohos. A continuación, se procedió a encapsular estos tres COV en nanoesponjas de ¿-ciclodextrina (¿-CDNS) y ß-ciclodextrina (ß-CDNS) para disminuir la volatilización de estos compuestos y generar un agente activo susceptible de ser más fácilmente incorporado a un envase. Los encapsulados de diacetilo (¿- y ß-CDNS-diacetilo) y benzaldehído (¿- y ß-CDNS-benzaldehído) fueron capaces de inhibir completamente el crecimiento de los mohos estudiados, a excepción de ¿-CDNS-benzaldehído frente a A. niger. Los COV encapsulados en ß-CDNS demostraron ser más efectivos que los de ¿-CDNS, siendo el más eficaz el de diacetilo, ya que ß-CDNS-diacetilo inhibió el crecimiento de los mohos con 10 mg (P. expansum) o 25 mg (A. niger y B. cinerea), mientras que ß-CDNS-benzaldehído inhibió el crecimiento a 25 mg (P. expansum y B. cinerea) y 50 mg (A. niger). El SEM permitió observar que el daño estructural producido por los encapsulados de diacetilo y benzaldehído fue similar al descrito para otros compuestos volátiles como los aceites esenciales y se comprobó que tanto A. niger y B. cinerea eran susceptibles a cantidades subinhibitorias de encapsulados de ß-CDNS-diacetilo y ß-CDNS-benzaldehído, respectivamente. La mayor actividad de los encapsulados en ß-CDNS se observa en la diferencia de liberación del diacetilo (36,2 mg/g¿-CDNS y 42,2 mg/gß-CDNS) y del benzaldehído (40,9 mg/g¿-CDNS y de 50,5 mg/gß-CDNS). Además, la eficiencia de encapsulación del diacetilo en ß-CDNS fue del 13,9 % (137,9 mg/g) frente a la de ¿-CDNS que fue del 9,7 % (96,1 mg/g), mientras que la del benzaldehído en ß-CDNS fue del 18,5% (192 mg/g) frente a la de ¿-CDNS que fue del 14,2 % (148 mg/g). Por último, se desarrolló un prototipo de bolsitas de polipropileno con los encapsulados de diacetilo y benzaldehído en ¿- y ß-CDNS en su interior para permitir la versatilidad y compatibilidad de estas formulaciones con distintos tipos de envases. La incorporación de los encapsulados en las bolsitas de PP no afectó la actividad antifúngica de estos, consiguiendo mantener la actividad antifúngica de los encapsulados frente a los tres mohos.
En conclusión, en esta tesis se evalúa la actividad antioxidante y antimicrobiana de nuevos compuestos para su utilización como agentes activos en envase activo alimentario, siendo capaces de ofrecer nuevas alternativas a la problemática del deterioro y pérdidas alimentarias. Para esta razón, se desarrollaron varios prototipos de envase activo que se probaron con éxito en alimentos susceptibles al deterioro oxidativo (melocotón) y a la contaminación por bacterias patógenas (jamón curado), junto con un nuevo antifúngico basado en la encapsulación de compuestos orgánicos volátiles que demostró gran eficacia frente a mohos s contaminantes de los alimentos que causan su deterioro.
Resumen (otro idioma):
Pal. clave: tecnología de los alimentos ; química analítica ; agentes patógenos de los alimentos ; antioxidantes en los alimentos
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencia Analítica en Química
Plan(es): Plan 487
Área de conocimiento: Ciencias
Nota: Presentado: 13 12 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2024-05-22, última modificación el 2024-05-22
