Desarrollo de bioplásticos a partir de subproductos agroalimentarios con aplicaciones en envases y matrices de difusión

Resumen

El término bioplástico hace referencia a los plásticos que se obtienen de materias primas renovables o a los que simplemente son biodegradables. De mayor interés son los obtenidos a partir de mezclas de biopolímero y plastificante cuyas características termomecánicas se asemejan a la de los plásticos originados a partir de polímeros sintéticos derivados del petróleo, y que gracias a estas características termomecánicas pueden llegar a desempeñar el cometido de los plásticos sintéticos en determinadas aplicaciones. Los biopolímeros de origen animal o vegetal tales como proteínas, lípidos, polisacáridos y otros compuestos sintetizados a partir de organismos vivos se están convirtiendo en una alternativa interesante como materia prima para la producción de bioplásticos. En particular, las proteínas de origen vegetal son materias primas renovables que se producen por kilotoneladas año, como por ejemplo, el gluten de trigo, la proteína de soja, de maíz, de guisantes, etc. Estos bioplásticos tienen un gran potencial en aplicaciones tales como el desarrollo de envases inteligentes, matrices de difusión controlada de especies activas (medicamentos, antibióticos, pesticidas, etc.) y materiales superabsorbentes (con aplicaciones en agricultura para control de difusión del agua de riego y capacidad de rehidratación continuada, como rellenos para productos de higiene, etc.). El objetivo principal de esta tesis es proporcionar un conocimiento científico y tecnológico sobre el desarrollo de bioplásticos a partir de proteínas que presenten propiedades adecuadas para su aplicación en envases y matrices controlantes de la difusión de agentes activos. Estos bioplásticos deben presentar propiedades tales como una mayor resistencia al agua, actividad antimicrobiana, alta capacidad de retención de agua y rehidratación y propiedades de liberación controlada. Este trabajo conducirá al desarrollo de dos tipos de materiales: A) Materiales biodegradables con una alta resistencia al agua para envasado, en aplicaciones no alimentarias o con actividad antimicrobiana en envases activos para alimentos. Para ese fin, diferentes biocidas naturales se han incorporado a la formulación del bioplásticos y se ha evaluado su actividad antimicrobiana. B) Bioplásticos a partir de proteínas hidrofílicas con una alta capacidad de retención de agua, rehidratación y capacidad de difusión controlada de agentes activos. Específicamente, los bioplásticos obtenidos deben ser capaces de llevar a cabo una liberación controlada de agentes activos tales como micronutrientes aplicados en la agricultura o biocidas naturales. Este manuscrito se ha dividido en cuatro secciones, que se describen brevemente a continuación: Sección I: Introducción. Sección II: Revisión bibliográfica. Esta sección clarifica conceptos generales acerca de los bioplásticos y su composición. Así mismo, da información detallada sobre sus principales componentes (proteínas, plastificantes y agentes modificadores), su procesado, mercado y aplicaciones potenciales. Además, se introducen conceptos básicos sobre la caracterización reológica, térmica y microestructural de los bioplásticos. Sección III: Materiales y Métodos. En esta sección se describe los materiales utilizados para la formulación de diferentes bioplásticos estudiados, sus principales propiedades físico-químicas y su procesado. Además, se explican los diferentes ensayos que se han realizado para la caracterización de sus propiedades reológicas, térmicas, moleculares y microestructurales. Asimismo, se explican los ensayos llevado a cabo para el estudio de la liberación controlada, absorción de agua; y análisis microbiológicos de los bioplásticos obtenidos. Sección IV: Resultados y Discusión. Esta sección se ha dividido en cuatro capítulos que se describen a continuación: Capítulo I En este capítulo se proponen nuevas proteínas (arroz y patata) como materia prima para la producción de bioplásticos con propiedades adecuadas para su aplicación en envases. En una segunda parte de este capítulo se estudió la degradación térmica de bioplásticos a partir de gluten de trigo. Además, la degradación térmica de estos bioplásticos ha sido simulada utilizando modelos basados en seudo-componentes referidos al gluten de trigo y a los demás componentes del bioplásticos (agua, glicerol, almidón, glutenina y gliadina). Capítulo II En este capítulo se propusieron mezclas de gluten de trigo con proteínas de arroz y de patata con el fin de mejorar las propiedades del material resultante. Este nuevo material posee las propiedades de ambas proteínas, es decir, la flexibilidad y capacidad de moldeo del gluten de trigo, junto con las propiedades deseables de baja absorción de agua de las proteínas de arroz y/o patata. A continuación, se estudió el efecto del procesado de la mezclas de proteínas. Para ello, se modificó las condiciones de mezclado y se obtuvieron mezclas en condiciones adiabáticas e isotérmicas, a una temperatura de 80°C. Posteriormente, en una segunda etapa se realizó un termoconformado a 120°C. Así mismo, el estudio se completó evaluando el procesado mediante extrusión de estos materiales, siguiendo diferentes perfiles de temperatura y velocidades. Capítulo III En la primera parte de este capítulo se formulan bioplásticos a partir de gluten de trigo, usando glicerina y agua como plastificantes y KCl (cloruro de potasio) como agente activo. Para una mejora en las propiedades de capacidad de absorción de agua y tasa de liberación del KCl de estos bioplásticos, se estudió el efecto de la temperatura de termoconformado, el efecto del plastificante, sustituyendo a la glicerina y agua por polietilenglicol (PEG) con diferentes pesos moleculares y la adición de diferentes ácidos orgánicos como agentes modificadores de la estructura. Capítulo IV En este capítulo se estudió la capacidad antimicrobiana de bioplásticos a partir de gluten y de mezclas de proteínas. Para ello se han formulado diferentes combinaciones de proteínas/plastificante/biocidas y se ha evaluado el efecto de la incorporación del biocida en las propiedades mecánicas del bioplástico obtenido. Se ha estudiado el efecto de la formulación y procesado en la liberación del biocida en agua y su capacidad antimicrobiana. Sección V: Conclusiones. Sección VI: Referencias.