Tesis
Design of responsive packaging materials with antifungal activity for potential use in fresh fruits and vegetables
Diseño de materiales de envase responsivo con actividad antifúngica para potencial uso en frutas y verduras frescas
Autor
Muñoz Shugulí , Cristina Alejandra
Institución
Resumen
Worldwide, fruit and vegetables are the commodity group with the highest lost and waste percentage. This fact is due to their perishable and decay characteristics associated to the presence of microorganisms, particularity fungi. Although relative humidity (RH) favors mold growth in fresh fruit and vegetables, this factor could be used as trigger-stimuli in active packaging thus forming responsive food packaging. In this context, the aim of this research was to develop antifungal responsive packaging materials with β-cyclodextrin (β-CD) inclusion complexes for fresh fruit and vegetable applications. First, β-CD inclusion complex with two different volatile compounds (allyl isothiocyanate-AITC and carvacrol-CARV) and molar ratio (2:1 and 1:1) were obtained. The inclusion complexes were characterized through physicochemical tests and the antifungal activity and active compound release to headspace at different RH was also evaluated. It was found that molecular structure of inclusion complexes was dependent on volatile compound. Moreover, the β-CD:AITC 1:1 inclusion complex showed the best water sorption capacity, antifungal activity and active compound release behavior. Therefore, this inclusion complex was chosen for obtaining responsive packaging materials. Sodium alginate gels and poly(lactic acid) extruded films with 5 and 10 % (wt.) of β-CD:AITC 1:1 inclusion complex were developed. The materials were characterized in terms of physicochemical properties and their disintegrability capacity in compost conditions. Furthermore, the antifungal activity and active compound release to different food simulants and to headspace at different RH. The incorporation of inclusion complex produced changes in the morphological, optical and sorption properties of materials. Better thermal stability and disintegrability capacity of matrixes with inclusion complexes were found. On the other hand, only gels showed a fungicide effect against Botrytis cinerea and the AITC release from these materials to aqueous simulant and headspace was higher than from extruded films. However, the release of AITC to headspace was highly influenced by RH in all materials. Therefore, developed materials could be potentially used in RH responsive packaging systems for fresh fruit and vegetables. A nivel mundial, las frutas y verduras constituyen el grupo de alimentos con mayor porcentaje de pérdida y desperdicio debido a su rápido deterioro asociado a la presencia de microorganismos, principalmente de hongos. A pesar de que la humedad relativa (HR) favorece el crecimiento fúngico en frutas y verduras frescas, este factor podría ser utilizado como estímulo desencadenante en envases activos para así formar envases responsivos de alimentos. En este sentido, el objetivo de la presente investigación fue diseñar materiales de envase responsivo con actividad antifúngica, con la aplicación de complejos de inclusión con β-ciclodextrina (β-CD), para un potencial uso en frutas y verduras frescas. Primero, se obtuvieron complejos de inclusión de β-CD con diferentes compuestos activos (isotiocianato de alilo-AITC y carvacrol-CARV) y relaciones molares (2:1 y 1:1). Los complejos de inclusión se caracterizaron fisicoquímicamente y se evaluó su capacidad antifúngica y la liberación del compuesto activo hacia el espacio de cabeza a distintas HR. Así, la estructura molecular de los complejos de inclusión dependió del compuesto activo utilizado. Además, el complejo β-CD:AITC 1:1 presentó una mejor capacidad de sorción de agua, actividad antifúngica y mayor liberación del compuesto activo, por lo que se seleccionó para el desarrollo de los materiales de envase responsivo. Este complejo de inclusión se incorporó en concentraciones de 5 y 10 % (m/m) tanto en geles de alginato de sodio como en películas extruidas de poli(ácido láctico). Los materiales fueron caracterizados fisicoquímicamente y se determinó su capacidad de desintegración en condiciones de compost. Además, se evaluó la capacidad antifúngica y la liberación del compuesto activo desde los materiales hacia diferentes simulantes de alimentos y hacia el espacio de cabeza a distintas HR. Así, la incorporación del complejo β-CD:AITC 1:1 generó cambios en la morfología, propiedades ópticas, capacidad de sorción y favoreció la estabilidad térmica y capacidad de desintegración en condiciones de compost de todos los materiales. Por otro lado, solamente los geles mostraron un efecto fungicida frente a Botrytis cinerea. Además, la liberación del AITC hacia el simulante acuoso y hacia el espacio de cabeza desde los geles fue considerablemente mayor respecto a las películas. Sin embargo, la HR influyó significativamente en la liberación del AITC desde todos los materiales. Por tanto, los materiales desarrollados en esta investigación permiten el diseño de sistemas con capacidad antifúngica y responsiva a la HR que podrían ser potencialmente aplicados durante el envasado de frutas y verduras frescas. Esta tesis fue financiada durante el año 2018 por la Vicerrectoría de Postgrado de la Universidad de Santiago de Chile mediante la Beca de Arancel y Mantención. Posteriormente, la investigación fue financiada por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo de Chile (ANID) a través de la Beca de Doctorado Nacional Año Académico 2019 [Folio: 21190326] y sus becas anexas de beneficios complementarios - Gastos Operacionales y Pasantía Doctoral en el Extranjero años 2020 y 2021; el Proyecto FONDECYT Regular [1180686] y el Centro para el Desarrollo de la Nanociencia y Nanotecnología (CEDENNA) [AFB180001].