Rupérez Cebolla, David
Almeida E Silva, Filomena Augusta (dir.) ; Nerín De La Puerta, María Consolación Cristina (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Resumen: A lo largo de la evolución humana, la comida ha sido un eje central no solo para la supervivencia, sino también para la cohesión social y la identidad cultural. Sin embargo, la complejidad de la actual cadena alimentaria ha planteado nuevos desafíos para los cuales la sociedad no esta tan preparada como debería. Por ejemplo, nunca hemos producido tanta comida, y sin embargo, un porcentaje significativo de la población sufre de desnutrición mientras que miles de toneladas de alimentos se pierden o desperdician a lo largo de la cadena alimentaria.
Ademas, garantizar la seguridad alimentaria es un desafío crucial para la globalizada e interconectada sociedad en la que vivimos, puesto que el único papel que debería tener la comida es el de proporcionar suficientes nutrientes para la población, y no el de causar enfermedades o, en el peor de los casos, la muerte. En este contexto, el envasado de alimentos sirve no solo para preservar la frescura y la calidad de los productos, sino también como barrera contra una posible contaminación externa. En el centro de la innovación en envasado alimentario se encuentran los envases activos que, con soluciones adaptadas a desafíos específicos de conservación, pueden reducir las perdidas y el desperdicio alimentario y contribuir así a la seguridad alimentaria. Sin embargo, décadas de insostenible gestión y producción de plásticos han hecho sonar alarmas
medioambientales sobre el uso de plásticos convencionales en el envasado alimentario. Como consecuencia, los materiales biobasados se han posicionado como una alternativa mas ecológica y sostenible. No obstante, a la vez que los consumidores demandan alimentos mas seguros y libres de sustancias dañinas, los nuevos materiales y soluciones de envase han de cumplir también con los estándares necesarios para garantizar que no comprometan la seguridad alimentaria.
De hecho, la seguridad alimentaria ha sido el enfoque principal de esta tesis doctoral, que ha abordado el desarrollo de nuevas soluciones de envase activo para combatir las perdidas y el desperdicio alimentario, al mismo tiempo que ha estudiado y contribuido a la seguridad de nuevos biomateriales de envase. En esta tesis doctoral se ha explorado la aplicación de moléculas nanoestructuradas como captadores de etileno, la actividad antimicrobiana de una solución de envase activo basada en un compuesto orgánico volátil (VOC) y la seguridad de nuevos biomateriales de envase con base de almidó. Por primera vez, se ha intentado escalar por métodos mecanoquímicos la síntesis nanoesponjas de alfaciclodextrina (α-CD-NS) de grado alimenticio, asi como su aplicación como captadores de etileno. Ademas, se ha explorado la aplicación de una solución de envase activo antimicrobiano basada en diacetilo como agente activo. Finalmente, se estudio el perfil de migración y el cumplimiento de la seguridad de materiales de envasado alimentario con base de almidón.
La maduración precoz de frutas, verduras y otros productos hortícolas afecta directamente a su calidad y aumenta la susceptibilidad de los mismos a la contaminación fúngica. El proceso de maduración esta principalmente controlado por el etileno, una fitohormona producida por frutas, verduras y flores ornamentales que, incluso en concentraciones de μL L−1, contribuye al deterioro y el desperdicio alimentario. Las soluciones comerciales existentes para controlar los niveles de etileno implican el uso de permanganato potásico, una alternativa efectiva pero
tóxica y difícil de desechar. Para abordar este problema, se ha explorado la aplicación de α-CD-NS de grado alimenticio como una alternativa mas ecológica de captadores de etileno. Primero, se escalo con éxito una síntesis ‘verde’ sin disolventes de α-CD-NS mediante métodos mecanoquímicos utilizando N,N'- carbonyldiimidazol como agente reticulante, variando la frecuencia de rotación de un molino de bolas planetario. Luego, la validación de un método HPLC-DAD rápido y sensible permitió optimizar un protocolo de lavado para monitorear el imidazol, un subproducto tóxico de la reacción, obteniendo así las α-CD-NS de grado alimenticio. Su capacidad captadora de etileno fue evaluada a través de isotermas BET y experimentos de retirada de etileno utilizando cromatografía de gases (GC) acoplada a un detector de ionización de llama (FID). En comparación con otros adsorbentes (zeolita y bentonita), las α-CD-NS mostraron mayor capacidad de eliminación de etileno (93 μL h−1 kgadsorbente −1), abriendo asi las puertas a una solución de envase activo para eliminación de etileno más ecológica y segura en formato de sachet.
Las soluciones de envase activo antimicrobiano son también una categoría de envase activo alimentario de alta relevancia, ya que microorganismos patógenoscomo Salmonella enterica y Listeria monocytogenes, comúnmente encontrados en productos cárnicos frescos, continúan siendo responsables de enfermedades y brotes de seguridad alimentaria. La actividad antimicrobiana del diacetilo, un VOC antimicrobiano producido por bacterias ácido-lácticas durante la fermentación, fue evaluada in vitro frente a S. enterica y L. monocytogenes. Tras comprobar una mayor susceptibilidad antimicrobiana del diacetilo en fase de vapor hacia S. enterica, esta bacteri a fue seleccionada como especie modelo para los siguientes experimentos. Con el objetivo de retener el componente volátil, se desarrolló una formulación de gel de estearato de sodio (NaSt) basada en diacetilo, equilibrando sus propiedades antimicrobianas y reológicas. El gel también se soportó en las α-
CD-NS de grado alimenticio previamente desarrolladas, formando un compuesto α-CD-NS-NaSt basado en diacetilo, con el objetivo de aumentar su área superficial y su potencial liberación. Ambos materiales activos mostraron una actividad in vitro similar. Sin embargo, la medición de diacetilo por GC-FID demostró que el gel de estearato liberó 1,12 ± 0,09 miligramos por gramo de material mientras que el
compuesto de α-CD-NS-NaSt liberó 2,97 ± 0,07 miligramos por gramo de material, confirmando así una liberación superior del compuesto de α-CD-NS-NaSt. A continuación, se probó la eficacia antimicrobiana de ambos materiales en forma de sachets in vivo frente a carne envasada de ternera fresca artificialmente inoculada previamente con Salmonella entérica, bajo refrigeración. El compuesto de α-CDNS- NaSt mostró una mayor inhibición de Salmonella (77%) en comparación con el gel (33%). De igual forma, ambos materiales demostraron similares efectos inhibitorios frente a microbiota presente en carne de ternera, como los recuentos totales, pseudomonas y bacterias ácido lácticas, que oscilaron entre inhibiciones del 93% y casi totales (99%).
Continuando el objetivo hacia un sector de envase alimentario seguro y sostenible, los bioplásticos como los films con base de almidón han de cumplir con las regulaciones de seguridad alimentaria si están destinados a entrar en contacto con alimentos. Por ello, se evaluó el riesgo químico de tres films de envase de alimentario con base de almidón de acuerdo con la directiva de la UE 10/2011. Los experimentos de migración utilizando tres simulantes alimentarios diferentes (Tenax, ácido acético al 3% v/v y etanol al 10% v/v) revelaron la migración de una
gran cantidad de combinaciones de oligómeros cíclicos y lineales de ácido adípico, 1,4-butanodiol, propilenglicol, ácido isoftálico y monómeros de ácido láctico, entre otros, tal y como fue determinado por UPLC-MS (QTOF). Los oligómeros son compuestos de bajo peso molecular que pueden migrar de un material a los alimentos. Como compuestos emergentes, carecen de los estándares de referencia necesarios para su evaluación toxicológica y los correspondientes estudios analíticos. Con el fin de contribuir a su disponibilidad, se utilizó un enfoque de síntesis por etapas para sintetizar y aislar, por primera vez, once combinaciones estándar es de oligoésteres cíclicos y lineales utilizando como monómeros ácido adípico, 1,4-butanodiol, propilenglicol y ácido isoftálico. Este protocolo de síntesis por etapas permitió obtener los estándares de oligoésteres deseados con buenos rendimientos generales que fueron desde el 18 al 52%. Luego, los estándares fueron caracterizados por RMN de 1H y 13C, así como por UPLC-MS (Orbitrap), demostrando una pureza general superior al 98%. A continuación, los estándares sintetizados se utilizaron para identificar y cuantificar inequívocamente los oligoésteres migrantes mediante su perfil de UPLC y sus espectros MS/MS. Finalmente, según el concepto de umbral de preocupación toxicológica (TTC concept), los valores de cuantificación obtenidos utilizando los estándares consideraron seguros solamente uno de los tres films de biomateriales de almidón evaluados.
En conclusión, en esta tesis doctoral se ha evaluado la eficacia de eliminación de etileno y la actividad antimicrobiana de dos nuevas soluciones de envase activo, ofreciendo nuevas alternativas para controlar la seguridad alimentaria y el desperdicio de alimentos. Además, también se ha contribuido a la seguridad alimentaria de nuevos biomateriales de envase sintetizando una serie de estándares de oligoésteres con los que identificar y cuantificar inequívocamente los oligómeros migrantes en biomateriales emergentes.
Resumen (otro idioma): Throughout human evolution, food has been a central milestone for not only survival, but also for social cohesion and cultural identity. However, the complexity of modern food systems has posed new challenges for which society is not as prepared as it should be. For example, we have never produced as much food as today, yet a significant percentage of the population suffers from malnutrition, while thousands of tons of food are lost or wasted throughout the food chain. Moreover, ensuring food safety is a pivotal challenge for our globalized and interconnected society, as the only role that food should have is to provide enough nutrients for the population, and not to cause illnesses or, in the worst-case scenario, death. In this context, food packaging serves not only to preserve freshness and quality of products but also as barrier against contamination. At the heart of food packaging innovation lies active food packaging which, with tailored solutions to specific preservation challenges, can reduce food losses and waste and contribute towards food safety. However, decades of unsustainable plastic management and production have risen environmental alarms on the use of conventional plastic as food packaging materials, for which bio-based polymers have emerged as an eco-friendly and more sustainable alternative. Nevertheless, as consumers rightfully demand foods free from harmful substances, new packaging materials and solutions must meet the necessary standards to ensure they do not compromise food safety. Food safety has been the main focus of this PhD work, which was tackled by the development of new active packaging solutions to target food losses and waste while, at the same time, studying and ensuring the safety of new bio-based packaging materials. This PhD thesis has explored the application of nanostructured molecules as ethylene scavengers, the antimicrobial activity of a volatile organic compound (VOC)-based active packaging solution, and the safety of new starch-based packaging materials. For the first time, the scalability by mechanochemical means of food-grade alpha-cyclodextrin nanosponges (alpha-CD-NS) and their use as ethylene scavenger has been attempted. Moreover, the application of an active packaging solution based on diacetyl as antimicrobial VOC was explored. Finally, the migration profile and safety compliance of starch-based food packaging materials was studied. Early ripening of fruits, vegetables, and other horticultural products affects their quality and increases susceptibility to fungal contamination. The ripening process is mainly controlled by ethylene, a phytohormone produced by fruits, vegetables, and ornamental flowers that, even at uL/L concentrations, contribute towards food senescence and spoilage. Commercial solutions to control ethylene levels involve the use of potassium permanganate, an effective but toxic and difficult to discard alternative. To address this problem, the application of food-grade alpha-CD-NS as a greener ethylene scavenger was explored. First, a solvent-free synthesis of alpha-CD-NS was successfully scaled up through mechanochemical means using N,N-carbonyldiimidazole as crosslinker, by varying the rotation frequency of a planetary ball mill. Then, the validation of a fast and sensitive HPLC-DAD method allowed to optimize a washing protocol to monitor imidazole, a toxic reaction subproduct, yielding food-grade alpha-CD-NS. Their absorbent capacity was evaluated through BET isotherms and ethylene absorption experiments using gas chromatography (GC) coupled to a flame ionization detector (FID). When compared to other absorbents (zeolite and bentonite), alpha-CD-NS showed the highest ethylene removal capacity (93 uL/h/kg of adsorbent), opening the doors for a greener and safer sachet-shaped ethylene removal active packaging solution. Antimicrobial active packaging solutions are also an active food packaging category of high relevance, as pathogenic microorganisms such as Salmonella enterica and Listeria monocytogenes, commonly found in fresh meat products, continue to be responsible for serious illnesses and food safety outbreaks. The antimicrobial activity of diacetyl, an antimicrobial VOC produced by lactic acid bacteria during fermentation, was tested in vitro against S. enterica and L. monocytogenes. Having verified a higher diacetyl antimicrobial susceptibility in vapor phase towards S. enterica, this bacterium was selected as the model strain for the following experiments. Then, to entrap the volatile component, a diacetyl-based sodium stearate (NaSt) gel formulation was developed by balancing its antimicrobial and rheological properties, as determined by texture profile analysis. The gel was also supported onto the previously developed food-grade alpha-CD-NS, forming a diacetyl-based alpha-CD-NS-NaSt composite, with view to increase its surface area and potential release. Both active materials displayed similar in vitro anti-Salmonella activity. However, diacetyl quantification by GC-FID showed that stearate gels released 1.12 ± 0.09 milligrams per gram of material while the alpha-CD-NS composites were able to release 2.97 ± 0.07 milligrams per gram of material, confirming that the alpha-CD-NS-NaSt composite displayed a superior release behavior. Next, the antimicrobial efficacy of both materials in the form of sachets was tested in vivo against a packaged fresh beef meat artificially inoculated with Salmonella enterica under refrigerated storage. The composite showed higher inhibition of Salmonella (77%) when compared to the gel (33%). Likewise, both materials demonstrated comparably strong inhibitory effects against common beef meat microbiota, including total viable counts, pseudomonads, and lactic acid bacteria, ranging from 93% to nearly complete (99%) inhibition. Following the quest towards a safe and sustainable food packaging sector, bio-based polymers such as starch-based films, must comply with food safety regulations if destined to be in contact with food. Thus, the chemical risk assessment of three starch-based food packaging films was evaluated according to directive EU 10/2011. Migration experiments using three different food simulants (Tenax, 3% w/v Acetic acid and 10% v/v Ethanol) revealed the migration of a large number of cyclic and linear oligomer combinations of adipic acid, 1,4-butanediol, propylene glycol, isophthalic acid and lactic acid monomers, among others, as determined by UPLC-MS(QTOF). Oligomers are low molecular weight molecules that can migrate from a food contact material into foodstuffs. As newly discovered compounds, they lack reference standards available for the necessary toxicological risk assessment and analytical studies. To this end, a stepwise synthesis approach was used to synthesize and isolate, for the first time, eleven cyclic and linear oligoester standard combinations using adipic acid, 1,4-butanediol, propylene glycol, and isophthalic acid monomers. This stepwise synthesis protocol allowed to obtain the desired oligoester standards with good overall yields ranging from 18 to 52 %. Then, standards were characterised by 1H and 13C NMR as well as UPLC-MS(Orbitrap) and demonstrated an overall purity over 98 %. Next, the synthesized standards were used to unequivocally identify the migrant oligoesters by their UPLC profile and MS/MS spectra. Finally, according to their threshold of toxicological concern concept, quantification results using the standards deemed safe only one of the three assessed bio-based polymer films. In conclusion, this PhD thesis evaluated the ethylene removal efficacy and the antimicrobial activity of two new active packaging solutions, offering new alternatives to control food safety and food waste. Moreover, it also contributed towards the food safety of bio-based packaging materials by providing this series of synthesized oligoester standards to unequivocally identify and quantify migrant oligomers in emergent bio-based polymers.
Ademas, garantizar la seguridad alimentaria es un desafío crucial para la globalizada e interconectada sociedad en la que vivimos, puesto que el único papel que debería tener la comida es el de proporcionar suficientes nutrientes para la población, y no el de causar enfermedades o, en el peor de los casos, la muerte. En este contexto, el envasado de alimentos sirve no solo para preservar la frescura y la calidad de los productos, sino también como barrera contra una posible contaminación externa. En el centro de la innovación en envasado alimentario se encuentran los envases activos que, con soluciones adaptadas a desafíos específicos de conservación, pueden reducir las perdidas y el desperdicio alimentario y contribuir así a la seguridad alimentaria. Sin embargo, décadas de insostenible gestión y producción de plásticos han hecho sonar alarmas
medioambientales sobre el uso de plásticos convencionales en el envasado alimentario. Como consecuencia, los materiales biobasados se han posicionado como una alternativa mas ecológica y sostenible. No obstante, a la vez que los consumidores demandan alimentos mas seguros y libres de sustancias dañinas, los nuevos materiales y soluciones de envase han de cumplir también con los estándares necesarios para garantizar que no comprometan la seguridad alimentaria.
De hecho, la seguridad alimentaria ha sido el enfoque principal de esta tesis doctoral, que ha abordado el desarrollo de nuevas soluciones de envase activo para combatir las perdidas y el desperdicio alimentario, al mismo tiempo que ha estudiado y contribuido a la seguridad de nuevos biomateriales de envase. En esta tesis doctoral se ha explorado la aplicación de moléculas nanoestructuradas como captadores de etileno, la actividad antimicrobiana de una solución de envase activo basada en un compuesto orgánico volátil (VOC) y la seguridad de nuevos biomateriales de envase con base de almidó. Por primera vez, se ha intentado escalar por métodos mecanoquímicos la síntesis nanoesponjas de alfaciclodextrina (α-CD-NS) de grado alimenticio, asi como su aplicación como captadores de etileno. Ademas, se ha explorado la aplicación de una solución de envase activo antimicrobiano basada en diacetilo como agente activo. Finalmente, se estudio el perfil de migración y el cumplimiento de la seguridad de materiales de envasado alimentario con base de almidón.
La maduración precoz de frutas, verduras y otros productos hortícolas afecta directamente a su calidad y aumenta la susceptibilidad de los mismos a la contaminación fúngica. El proceso de maduración esta principalmente controlado por el etileno, una fitohormona producida por frutas, verduras y flores ornamentales que, incluso en concentraciones de μL L−1, contribuye al deterioro y el desperdicio alimentario. Las soluciones comerciales existentes para controlar los niveles de etileno implican el uso de permanganato potásico, una alternativa efectiva pero
tóxica y difícil de desechar. Para abordar este problema, se ha explorado la aplicación de α-CD-NS de grado alimenticio como una alternativa mas ecológica de captadores de etileno. Primero, se escalo con éxito una síntesis ‘verde’ sin disolventes de α-CD-NS mediante métodos mecanoquímicos utilizando N,N'- carbonyldiimidazol como agente reticulante, variando la frecuencia de rotación de un molino de bolas planetario. Luego, la validación de un método HPLC-DAD rápido y sensible permitió optimizar un protocolo de lavado para monitorear el imidazol, un subproducto tóxico de la reacción, obteniendo así las α-CD-NS de grado alimenticio. Su capacidad captadora de etileno fue evaluada a través de isotermas BET y experimentos de retirada de etileno utilizando cromatografía de gases (GC) acoplada a un detector de ionización de llama (FID). En comparación con otros adsorbentes (zeolita y bentonita), las α-CD-NS mostraron mayor capacidad de eliminación de etileno (93 μL h−1 kgadsorbente −1), abriendo asi las puertas a una solución de envase activo para eliminación de etileno más ecológica y segura en formato de sachet.
Las soluciones de envase activo antimicrobiano son también una categoría de envase activo alimentario de alta relevancia, ya que microorganismos patógenoscomo Salmonella enterica y Listeria monocytogenes, comúnmente encontrados en productos cárnicos frescos, continúan siendo responsables de enfermedades y brotes de seguridad alimentaria. La actividad antimicrobiana del diacetilo, un VOC antimicrobiano producido por bacterias ácido-lácticas durante la fermentación, fue evaluada in vitro frente a S. enterica y L. monocytogenes. Tras comprobar una mayor susceptibilidad antimicrobiana del diacetilo en fase de vapor hacia S. enterica, esta bacteri a fue seleccionada como especie modelo para los siguientes experimentos. Con el objetivo de retener el componente volátil, se desarrolló una formulación de gel de estearato de sodio (NaSt) basada en diacetilo, equilibrando sus propiedades antimicrobianas y reológicas. El gel también se soportó en las α-
CD-NS de grado alimenticio previamente desarrolladas, formando un compuesto α-CD-NS-NaSt basado en diacetilo, con el objetivo de aumentar su área superficial y su potencial liberación. Ambos materiales activos mostraron una actividad in vitro similar. Sin embargo, la medición de diacetilo por GC-FID demostró que el gel de estearato liberó 1,12 ± 0,09 miligramos por gramo de material mientras que el
compuesto de α-CD-NS-NaSt liberó 2,97 ± 0,07 miligramos por gramo de material, confirmando así una liberación superior del compuesto de α-CD-NS-NaSt. A continuación, se probó la eficacia antimicrobiana de ambos materiales en forma de sachets in vivo frente a carne envasada de ternera fresca artificialmente inoculada previamente con Salmonella entérica, bajo refrigeración. El compuesto de α-CDNS- NaSt mostró una mayor inhibición de Salmonella (77%) en comparación con el gel (33%). De igual forma, ambos materiales demostraron similares efectos inhibitorios frente a microbiota presente en carne de ternera, como los recuentos totales, pseudomonas y bacterias ácido lácticas, que oscilaron entre inhibiciones del 93% y casi totales (99%).
Continuando el objetivo hacia un sector de envase alimentario seguro y sostenible, los bioplásticos como los films con base de almidón han de cumplir con las regulaciones de seguridad alimentaria si están destinados a entrar en contacto con alimentos. Por ello, se evaluó el riesgo químico de tres films de envase de alimentario con base de almidón de acuerdo con la directiva de la UE 10/2011. Los experimentos de migración utilizando tres simulantes alimentarios diferentes (Tenax, ácido acético al 3% v/v y etanol al 10% v/v) revelaron la migración de una
gran cantidad de combinaciones de oligómeros cíclicos y lineales de ácido adípico, 1,4-butanodiol, propilenglicol, ácido isoftálico y monómeros de ácido láctico, entre otros, tal y como fue determinado por UPLC-MS (QTOF). Los oligómeros son compuestos de bajo peso molecular que pueden migrar de un material a los alimentos. Como compuestos emergentes, carecen de los estándares de referencia necesarios para su evaluación toxicológica y los correspondientes estudios analíticos. Con el fin de contribuir a su disponibilidad, se utilizó un enfoque de síntesis por etapas para sintetizar y aislar, por primera vez, once combinaciones estándar es de oligoésteres cíclicos y lineales utilizando como monómeros ácido adípico, 1,4-butanodiol, propilenglicol y ácido isoftálico. Este protocolo de síntesis por etapas permitió obtener los estándares de oligoésteres deseados con buenos rendimientos generales que fueron desde el 18 al 52%. Luego, los estándares fueron caracterizados por RMN de 1H y 13C, así como por UPLC-MS (Orbitrap), demostrando una pureza general superior al 98%. A continuación, los estándares sintetizados se utilizaron para identificar y cuantificar inequívocamente los oligoésteres migrantes mediante su perfil de UPLC y sus espectros MS/MS. Finalmente, según el concepto de umbral de preocupación toxicológica (TTC concept), los valores de cuantificación obtenidos utilizando los estándares consideraron seguros solamente uno de los tres films de biomateriales de almidón evaluados.
En conclusión, en esta tesis doctoral se ha evaluado la eficacia de eliminación de etileno y la actividad antimicrobiana de dos nuevas soluciones de envase activo, ofreciendo nuevas alternativas para controlar la seguridad alimentaria y el desperdicio de alimentos. Además, también se ha contribuido a la seguridad alimentaria de nuevos biomateriales de envase sintetizando una serie de estándares de oligoésteres con los que identificar y cuantificar inequívocamente los oligómeros migrantes en biomateriales emergentes.
Resumen (otro idioma): Throughout human evolution, food has been a central milestone for not only survival, but also for social cohesion and cultural identity. However, the complexity of modern food systems has posed new challenges for which society is not as prepared as it should be. For example, we have never produced as much food as today, yet a significant percentage of the population suffers from malnutrition, while thousands of tons of food are lost or wasted throughout the food chain. Moreover, ensuring food safety is a pivotal challenge for our globalized and interconnected society, as the only role that food should have is to provide enough nutrients for the population, and not to cause illnesses or, in the worst-case scenario, death. In this context, food packaging serves not only to preserve freshness and quality of products but also as barrier against contamination. At the heart of food packaging innovation lies active food packaging which, with tailored solutions to specific preservation challenges, can reduce food losses and waste and contribute towards food safety. However, decades of unsustainable plastic management and production have risen environmental alarms on the use of conventional plastic as food packaging materials, for which bio-based polymers have emerged as an eco-friendly and more sustainable alternative. Nevertheless, as consumers rightfully demand foods free from harmful substances, new packaging materials and solutions must meet the necessary standards to ensure they do not compromise food safety. Food safety has been the main focus of this PhD work, which was tackled by the development of new active packaging solutions to target food losses and waste while, at the same time, studying and ensuring the safety of new bio-based packaging materials. This PhD thesis has explored the application of nanostructured molecules as ethylene scavengers, the antimicrobial activity of a volatile organic compound (VOC)-based active packaging solution, and the safety of new starch-based packaging materials. For the first time, the scalability by mechanochemical means of food-grade alpha-cyclodextrin nanosponges (alpha-CD-NS) and their use as ethylene scavenger has been attempted. Moreover, the application of an active packaging solution based on diacetyl as antimicrobial VOC was explored. Finally, the migration profile and safety compliance of starch-based food packaging materials was studied. Early ripening of fruits, vegetables, and other horticultural products affects their quality and increases susceptibility to fungal contamination. The ripening process is mainly controlled by ethylene, a phytohormone produced by fruits, vegetables, and ornamental flowers that, even at uL/L concentrations, contribute towards food senescence and spoilage. Commercial solutions to control ethylene levels involve the use of potassium permanganate, an effective but toxic and difficult to discard alternative. To address this problem, the application of food-grade alpha-CD-NS as a greener ethylene scavenger was explored. First, a solvent-free synthesis of alpha-CD-NS was successfully scaled up through mechanochemical means using N,N-carbonyldiimidazole as crosslinker, by varying the rotation frequency of a planetary ball mill. Then, the validation of a fast and sensitive HPLC-DAD method allowed to optimize a washing protocol to monitor imidazole, a toxic reaction subproduct, yielding food-grade alpha-CD-NS. Their absorbent capacity was evaluated through BET isotherms and ethylene absorption experiments using gas chromatography (GC) coupled to a flame ionization detector (FID). When compared to other absorbents (zeolite and bentonite), alpha-CD-NS showed the highest ethylene removal capacity (93 uL/h/kg of adsorbent), opening the doors for a greener and safer sachet-shaped ethylene removal active packaging solution. Antimicrobial active packaging solutions are also an active food packaging category of high relevance, as pathogenic microorganisms such as Salmonella enterica and Listeria monocytogenes, commonly found in fresh meat products, continue to be responsible for serious illnesses and food safety outbreaks. The antimicrobial activity of diacetyl, an antimicrobial VOC produced by lactic acid bacteria during fermentation, was tested in vitro against S. enterica and L. monocytogenes. Having verified a higher diacetyl antimicrobial susceptibility in vapor phase towards S. enterica, this bacterium was selected as the model strain for the following experiments. Then, to entrap the volatile component, a diacetyl-based sodium stearate (NaSt) gel formulation was developed by balancing its antimicrobial and rheological properties, as determined by texture profile analysis. The gel was also supported onto the previously developed food-grade alpha-CD-NS, forming a diacetyl-based alpha-CD-NS-NaSt composite, with view to increase its surface area and potential release. Both active materials displayed similar in vitro anti-Salmonella activity. However, diacetyl quantification by GC-FID showed that stearate gels released 1.12 ± 0.09 milligrams per gram of material while the alpha-CD-NS composites were able to release 2.97 ± 0.07 milligrams per gram of material, confirming that the alpha-CD-NS-NaSt composite displayed a superior release behavior. Next, the antimicrobial efficacy of both materials in the form of sachets was tested in vivo against a packaged fresh beef meat artificially inoculated with Salmonella enterica under refrigerated storage. The composite showed higher inhibition of Salmonella (77%) when compared to the gel (33%). Likewise, both materials demonstrated comparably strong inhibitory effects against common beef meat microbiota, including total viable counts, pseudomonads, and lactic acid bacteria, ranging from 93% to nearly complete (99%) inhibition. Following the quest towards a safe and sustainable food packaging sector, bio-based polymers such as starch-based films, must comply with food safety regulations if destined to be in contact with food. Thus, the chemical risk assessment of three starch-based food packaging films was evaluated according to directive EU 10/2011. Migration experiments using three different food simulants (Tenax, 3% w/v Acetic acid and 10% v/v Ethanol) revealed the migration of a large number of cyclic and linear oligomer combinations of adipic acid, 1,4-butanediol, propylene glycol, isophthalic acid and lactic acid monomers, among others, as determined by UPLC-MS(QTOF). Oligomers are low molecular weight molecules that can migrate from a food contact material into foodstuffs. As newly discovered compounds, they lack reference standards available for the necessary toxicological risk assessment and analytical studies. To this end, a stepwise synthesis approach was used to synthesize and isolate, for the first time, eleven cyclic and linear oligoester standard combinations using adipic acid, 1,4-butanediol, propylene glycol, and isophthalic acid monomers. This stepwise synthesis protocol allowed to obtain the desired oligoester standards with good overall yields ranging from 18 to 52 %. Then, standards were characterised by 1H and 13C NMR as well as UPLC-MS(Orbitrap) and demonstrated an overall purity over 98 %. Next, the synthesized standards were used to unequivocally identify the migrant oligoesters by their UPLC profile and MS/MS spectra. Finally, according to their threshold of toxicological concern concept, quantification results using the standards deemed safe only one of the three assessed bio-based polymer films. In conclusion, this PhD thesis evaluated the ethylene removal efficacy and the antimicrobial activity of two new active packaging solutions, offering new alternatives to control food safety and food waste. Moreover, it also contributed towards the food safety of bio-based packaging materials by providing this series of synthesized oligoester standards to unequivocally identify and quantify migrant oligomers in emergent bio-based polymers.
Pal. clave: química analítica ; análisis de polimeros ; microbiología de alimentos ; espectroscopia de masas
Titulación: Programa de Doctorado en Ciencia Analítica en Química
Plan(es): Plan 487
Área de conocimiento: Ciencias
Nota: Presentado: 15 07 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
Aportación del TFG/M a la Sostenibilidad: Asegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación. Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles.
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Registro creado el 2024-10-07, última modificación el 2025-07-16
