biopolimeros

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RESUMEN

En esta revisión se hace una descripción de algunos biopolímeros aplicados a la agroindustria de empaquesbiodegradables, como también algunos conceptos sobre recubrimientos para productos alimenticios y otrasestructuras membranosas. Estas películas dan transparencia, flexibilidad y dureza. Las películas elaboradascon biopolímeros y adición de plastificantes comerciales, aumentan sustancialmente la biodegradabilidady mejoran las propiedades mecánicas y de barrera. Con los biopolímeros naturales renovables se abre laposibilidad de producir recubrimientos y empaques biodegradables a partir de materias primas autóctonasde Latinoamérica con destino a la protección de alimentos y otros usos agroindustriales.

Palabras clave: Películas, cubrimiento, protección.

ABSTRACT

In this review a description is made about some applied biopolymers to the agro industry of biodegradablepackaging, as well as some concepts related to coating for foods products and other membranous structures.These films give transparency, flexibility and hardness. The films elaborated with biopolymers and withcommercial addition of plasticizer increase the biodegradability and improve the mechanical and isolatingproperties of the films. With the use of biopolymers from renewable natural resources, the possibility toproduce coating and biodegradable packaging from native raw materials native to Latin America is openfor food protection and others agro-industrials uses.

Key words: Films, coating, protection.

1Universidad del Cauca, Departamento de Agroindustria, Facultad de Ciencias Agropecuarias, Calle 5 No. 4 -70. Popayán,Cauca. [email protected], [email protected] del Valle. Departamento de Ingeniería de Alimentos. Facultad de Ingeniería. Calle 13 No. 100-00. AA 25360 Cali,Colombia. [email protected]

BIOPOLÍMEROS NATURALES USADOS EN EMPAQUESBIODEGRADABLES

BIOPOLYMERS NATURALS USED IN BIODEGRADABLEPACKAGING

Héctor S. Villada1, Harold A. Acosta2 y Reinado J. Velasco1

Recibido para evaluación: Agosto 1 de 2006 - Aceptado para publicación: Julio 25 de 2007

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

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INTRODUCCIÓN

La prioridad principal de los empaques es lapreservación y protección de todo tipo deproductos, siendo los alimentos y las materiasprimas el campo de mayor prioridad. Estosproductos requieren atención dada lacontaminación generada por microorganismos(bacterias, esporas, hongos, etc.) durante lamanipulación (Tharanathan, 2003). Laprotección se hace a través de los empaques,los cuales generalmente se elaboran a partir depolímeros sintéticos. No obstante, el usoindiscriminado de empaques sintéticos hagenerado serios problemas ecológicoscontribuyendo a la contaminación ambientalprovocada por desechos sólidos de bajadegradabilidad, lo que ha impulsado a labúsqueda de biopolímeros naturales. Elaprovechar los recursos naturales como fuentede conservación y reciclaje se convierte en unaexcelente opción e innovación en el desarrollode nuevos productos biodegradables. Su totalbiodegradación en productos como CO2, aguay posteriormente en abono orgánico es una granventaja frente a los sintéticos (Bastioli, 2001). Elobjetivo de esta revisión es conocer losdiferentes biopolímeros obtenidos de diversasfuentes de recursos naturales usados enempaques biodegradables.

MATERIALES NATURALES PARAEMPAQUES BIODEGRADABLES

El reemplazo total de los plásticos sintéticospor materiales biodegradables para laelaboración de empaques no se ha logradohasta el presente, no obstante si se hansustituido algunos polímeros sintéticos porotros naturales, en aplicaciones específicas.Tales reemplazos han permitido el desarrollode productos con características específicasrelacionadas con las propiedades de barrera,mecánicas y térmicas en determinadosempaques como películas, protectores,

espumas, envolturas, platos, tasas, cucharas,bolsas, etc., (Avérous y Boquillon, 2004;Wang et al., 2003).

Los biopolímeros naturales provienen de cuatrograndes fuentes: origen animal (colágeno/gelatina), origen marino (quitina/quitosan),origen agrícola (lípidos y grasas e hidrocoloides:proteínas y polisacáridos) y origen microbiano(ácido poliláctico (PLA) y polihidroxialcanoatos(PHA)) (Tharanathan, 2003).

PolisacáridosLos polisacáridos son conocidos por suestructura compleja y diversidad funcional(Stawaski y Jantas, 2003). La estructura linealde algunos de estos polisacáridos es, porejemplo, la celulosa (1,4-b-D– glucano), laamilosa (un componente del almidón 1, 4-a-D– glucano) y el quitósan (1, 4-b-D– polímerode glúcidos), le proporcionan a algunaspelículas dureza, flexibilidad y transparencia;las películas son resistentes a las grasas yaceites. El entrelazamiento, por ejemplo, delquitósan con aldehídos hace la película másdura, insoluble en agua y le proporciona unaalta resistencia (Benavides, 2002; Srinivasa etal., 2004).

El celofán, es una película regenerada decelulosa que se hace por un proceso viscoso.La celulosa de éter aniónico y lacarboximetilcelulosa (CMC), se solubilizan enagua siendo compatibles con otro tipo debiomoléculas, mejorando las propiedadesmecánicas y de barrera en las películaselaboradas. La CMC es una película capazde absorber el aceite recogido en losalimentos sometidos a proceso de frituraprofunda (García et al., 2004). Películaselaboradas de bagazo de yuca, CMC yresiduos de papel Kraft han mostrado una altaresistencia, importante propiedad para lafabricación de panales de huevo, empaquespara frutas y verduras (Matsui et al., 2004).

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El almidón es otra materia prima en abundancia,específicamente el que proviene del maíz, tienepropiedades termoplásticas cuando se realizala disrupción estructural a nivel molecular. Lapresencia de amilosa en un 70% en almidonesde amilo-maíz da una estructura fuerte y másflexible a la película. La estructura ramificadade la amilopectina generalmente le da a lapelícula pobres propiedades mecánicas. Loscompuestos de los almidones hidroxipropiladosson usados para la preservación de caramelos,pasas, nueces y dátiles para evitar la rancidezoxidativa (Tharanathan, 2003). La síntesis de lacopolimerización e injertación de monómerostales como acrilonitrilo (AN), generan unprecursor de fibras acrílicas utilizadas en lapreparación de compuestos de almidón máspolímero (almidón–injerto–PAN), los cuales sontambién biodegradables (Tharanathan, 2002).

Las investigaciones en plásticos biodegradablesbasadas en almidón se iniciaron desde 1970y continúan actualmente en varioslaboratorios del mundo. Las tecnologías queaún se siguen desarrollando, estánrelacionadas con la incorporación del gránulode almidón o almidón en forma gelatinizadaa las formulaciones de las películas fabricadasen procesos de compresión, extrusiónsoplado, extrusión de un sólo tornillo o dobletornillo y moldeo por inyección (Blacido et al.,2005; Parra et al., 2004). El problema que hanpresentado las películas fabricadas conalmidón es la sensibilidad a la humedad, lacual se ha reducido uti l izando en lasformulaciones polivinilalcohol (PVA),glicerina, sorbitol, bases nitrogenadas, etc.(Shamekin et al., 2002; Smits et al., 2003;Finkenstadt y Willett, 2004; Yu, 2004; Acostaet al., 2006). La plastificación del gránulo dealmidón nativo o almidón hidrolizado seobtiene por la disrupción estructural queresulta de una disminución de los cristalesdurante el proceso de extrusión y la accióndel plastificante, emergiendo un nuevo tipode material conocido como almidón

termoplástico (TPS) (Acosta et al., 2005;Villada, 2005). Igualmente, se han realizadoestudios en TPS hechos a partir de amilosa yamilopectina; en éstos se analizaron laspropiedades de barrera, las cuales mostraronuna alta permeabilidad al O2 y disminución alvapor de agua en TPS de amilosa comparadoscon los elaborados a partir de amilopectinas.(Forssell et al., 2002; Dole et al., 2004; Janssony Thuvander, 2004; Blacido et al., 2005).

La adición de polímeros naturales como elalmidón al interior del polietileno (polímerosintético), en forma granular entre un 6 y el30%, es otra aproximación en la fabricaciónde los empaques biodegradables. Laspelículas de almidón y polietileno de bajadensidad (LDPE) contienen hasta un 30% dealmidón, mostrándose como un materialparcialmente biodegradable. Otra aplicacióndel almidón es la combinación en formagelatinizada en proporciones entre el 30 y el70% mezclado con polímeros sintéticosigualmente gelatinizados, como el caso depolivinilalcohol en proporciones variandoentre 10% y 20% (Muratore et al., 2005).Existen en el mercado diferentes productoshechos de polímeros sintéticos y almidóngelatinizado comercializados por Mater-Bi®

(Hanna, 2004). Sin embargo, hoy ambos tiposde material no se pueden considerar comocompuestos completamente biodegradables(Pedroso y Rosa, 2005). Los envases plásticosde almidón formados a partir de espumas pormezclas de almidón con ácido poliláctico sonusados como material de relleno queamortigua y protege contra golpes yvibraciones durante el transporte (Peesan etal., 2005; Xu et al., 2005).

Los productos derivados del almidón talescomo dextrinas o glucosa son extensamenteusados como materias primas de mediosfermentativos. La glucosa puede serfermentada y convertida a ácido láctico, elcual puede ser polimerizado a un polímero de

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alto peso molecular como es el ácido poliláctico(PLA) e igualmente copolimerizado. Su usocomo plástico biodegradable es de considerableinterés y demanda (Kulinski y Piorkowska,2005). La conversión del ácido láctico a sudímero deshidratado (láctido), permite elproceso de polimerización siempre y cuandose utilice el adecuado catalizador. El láctidoestá seguido por el rompimiento de un anilloque se abre a la polimerización de variospolímeros de alto peso molecular a unaposterior reacción de copolimerización concaprolactona dando como resultado unapelícula que se usa para empaques dealimentos (Petnamsin et al., 2000).

La pectina, es un complejo aniónicopolisacárido compuesto de b-1,4-D– ácidogalacturónico residual, ésta puede ser pectinade alto metoxilo (HMP) o pectina de bajometoxilo (LMP); la HMP forma excelentespelículas. La mezcla de plastificante depectina cítrica y almidón de alta amilosa danestabilidad y flexibilidad a la película, la cuales térmicamente estable sobre 180 °C. Lapectina es también miscible enpolivinilalcohol o en glicerina en todas lasproporciones, puede usarse en la elaboraciónde películas por proceso de extrusión,compresión y/o otras operaciones térmicas(Marshall y Coffin, 1998); es soluble en aguae igualmente es usada en la fabricación debolsas y en diversos sistemas médicos. Laspelículas que resultan de las mezclas depectina y quitósan junto con cualquierplasti f icante y PLA, generan buenaspropiedades mecánicas y de barrera según elporcentaje de los componentes y la relacióncon el material alimenticio en estudio(Fishman et al., 2004).

Las películas también son preparadas desde elquitósan y sus derivados; las propiedadesmecánicas, de barrera y su biodegradación soncaracterísticas estudiadas (Tangpasuthadol etal., 2003;). Es antifúngico y antimicrobiano, las

películas a partir de quitosan prolongan la vidade los alimentos en las estanterías o en losanaqueles como en el caso del banano, elmango y la pera. Productos como Nutri–Suve®, basados en derivados del quitósan sontrabajados extensamente para alargar la vidaen anaquel de frutas como la manzana, lasperas, granadillas, etc. Se han realizadoestudios en películas de quitósan-almidón yquitósan-PLA las cuales han mostrado una altapermeabilidad a gases y un aumento en laspropiedades mecánicas (Peesan et al., 2005;Xu et al., 2005).

Hidrocoloides, lípidos/grasasDos tipos de biomoléculas son usados en lapreparación de empaques biodegradables depelícula, los hidrocoloides y los lípidos.Individualmente, tienen una escasa integridadestructural y características funcionales; porejemplo, los hidrocoloides no son una buenabarrera contra la humedad, en cambio loslípidos, sí. Algunas formulaciones de laspelículas se han adaptado a necesidadesespecíficas de comercialización; por ejemplo,las naranjas tienen una cáscara gruesa queestá expuesta a condiciones anaeróbicasgenerando fácilmente el ciclo de senescenciay putrefacción, de tal manera que estaspelículas ricas en lípidos pueden retardar esteefecto (Tharanathan, 2003).

El uso de cera para cubrir las frutas porinmersión es uno de los métodos más antiguos,practicado desde principios del siglo XII(Krochta et al., 1994). Se practicó en China,con el propósito de retardar la transpiraciónen limones, naranjas y se sigue utilizando enpimentones, manzanas, peras, etc.(Hagenmaier, 2005). La preservación de frutasfrescas y secas se realiza con estas ceras yse practica desde tiempos inmemorables. Elcubrimiento con ceras naturales fundidas enla superficie de frutas y vegetales ayudan aprevenir la disminución de la humedad,específicamente durante los cambios de


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estación. La cera, las ceras parafinadas, la cerade candelilla (un aceite exudado de la plantade candelilla, originaria de USA y México), sonalgunas de las ceras preparadas y usadas entales aplicaciones; ellas también son usadascomo agentes de microencapsulación,específicamente para sustancias con olores ysabores a condimento (Tharanathan, 2003).

Las lacas también son usadas en lapreparación de algunos compuestos, pero sedebe tener cuidado en su selección, dado queel tipo de ácido hidraciclico de composiciónpuede ser cadena corta o larga, lo cual puedeincidir en la formulación y concentración dela mezcla usada en ciertas aplicacionesespecíficas. Las formulaciones preparadas pormezclas compuestas de hidrocoloides,emulsificantes y lípidos se muestran comopromisorias para prologar la vida del alimentodurante el almacenamiento. Del insectoCandida oleophila se obtiene un ácidohidrocíclico que se utiliza solo o mezcladocon soluciones salinas para el control deácaros u otros microorganismos en hortalizas,frutas y verduras (Gamagae et al., 2004).

El método de bañar las frutas, los vegetales ylos productos cárnicos, es el más común y lasdiferentes formulaciones están directamenterelacionadas con el tipo de alimento. Los bañosatacan el crecimiento de microorganismos sobrela superficie, mientras que la tierra y losdesperdicios son eliminados con el propósito demejorar el cubrimiento, la apariencia ypresentación del alimento (Pesis, 2005). Elcubrimiento puede darse por la aplicación delmétodo de la espuma, que es el más utilizadocon las emulsiones por su distribución uniformesobre la superficie del alimento. Igualmente,cubrir con spray ha sido un método aplicado envarios alimentos, dada su alta presión (60-80 psi)que genera menos pérdida de solución y mayorprotección al penetrar los poros de la cáscaraen los alimentos evitando la transpiración(Gulewicz et al., 2004; Wittmaack et al., 2005).

Hidrocoloides de origen animal y vegetal sonusados en algunas formulaciones específicas enel cubrimiento de algunos alimentos. Estosproveen una buena barrera al O2 y CO2, perono al agua; sin embargo, tales películas seconvierten en suplementos nutricionales en elcubrimiento del alimento (Cho y Rhee, 2002;Kumar et al., 2002; Tangpasuthadol et al., 2003).La zeína es una fracción proteica del maíz,puede formar películas en soluciones acuosas-alcohólicas duras, vidriosas y con granresistencia (Ryu et al., 2002; Wang et al., 2003),y con la adición de un polialcohol se mejora elesfuerzo de tensión. La proteína del suero deleche, cuando se procesa apropiadamente,produce una película flexible, pero frágil(Tharanathan, 2003). Las películas soncomestibles y se pueden producir por elcalentamiento de la proteína de girasol a 85 °C.La formación de la película con estas proteínas,se hace a través de enlaces molecularesdisulfóxidos y anillos de hidrógeno.

Colágeno/gelatinaLas películas de colágeno también son usadastradicionalmente en la preparación deenvolturas comestibles (Tharanathan, 2003).El colágeno es el mayor constituyente de lapiel, tendones y tejidos conectivos, y seencuentra extensamente distribuido en lasproteínas fibrosas de los animales. La gelatinaresulta de una hidrólisis parcial del colágeno,produce una película flexible y gruesa y laspropiedades mecánicas mejoran cuando seutil iza cloruro de sodio (NaCl) enconcentraciones bajas (Lee et al., 2004).Actualmente, los embutidos como salchichón,se recubren con materiales derivados de laproteína (gelatina) o con materiales derivadosde mezclas de quitósan y gelatina.Usualmente, películas de un grosoraproximado de 2.5 mm, se fabrican por variosmétodos y estas estructuras membranosasdelgadas son uti l izadas para cubrir losalimentos o como medio de separación(Johnson et al., 2001).


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Origen bacterialLa fermentación bacterial de la glucosa y laalimentación con ácido acético durante elalmacenamiento da un novedoso poliéstertermoplástico llamado polihidroxibutirato(PHB), el cual, sólo o en combinación conplásticos sintéticos o con almidón, produceexcelentes películas para empaques. El PHBes un biopoliéster termoplástico que posibilitala acumulación de CO2, de tal manera quepermite el control de atmósferas y elcrecimiento de bacterias. También se hanincorporado comonómeros por injertación; porejemplo, los copolímeros de PHV (3-hidroxivalerato) son producidos por el usoespecífico de aditivos en el crecimiento delmedio, la desventaja del PHB es su alto costode producción (Tharanathan, 2003). El PHAes otro biopolímero producido por unaPseudomonas aeruginosa que producenexcelentes películas para empaques y permitecontrolar el CO2 durante el almacenamientode frutas y verduras (Fernández et al., 2005).Un segundo producto es el polisacáridopululan que es secretado por elAureobasidium pullulans , el cual escomercialmente usado como un hidrocoloide.Es un a-glucano que consiste en la repeticiónde maltotriosa residual al juntar los anillos porlos enlaces 1-6. Es biodegradable, resistentea los aceites y grasas, tiene una excelentepermeabilidad al oxígeno y no es tóxico(Lazaridou et al., 2003).

ESTRATEGIAS FUTURAS

Los polímeros sintéticos están siendogradualmente reemplazados por materialesbiodegradables específicamente de fuentes

naturales en algunas aplicaciones a nivelagrícola e industrial. Más que el origen, laestructura química de los biopolímeros es laque determina la biodegradabilidad. El uso detales biopolímeros abre un gran potencialeconómico y benéfico en el área de losempaques, dada la similitud de los materialesnaturales con los sintéticos por sus excelentespropiedades mecánicas, de barrera ytransmisión de luz. La innovación en técnicasde conservación e integridad estructural delos alimentos, así como la completabiodegradación debe ser adaptado a losconsti tuyentes de los bio-empaques. Eldesarrollo de materiales biodegradablespertenece a nichos de mercado bien definidos,pero se pueden ampliar a otros en el futuro,en la medida en que la investigación entre encontacto con otras fuentes o interrogantesplanteados para la obtención, elaboración yfabricación de materiales biopoliméricos parabioempaques (Hanna, 2004).

CONCLUSIÓN

Los empaques biodegradables se obtienen derecursos naturales renovables. Pueden sermezclados con plastificantes para mejorar laspropiedades mecánicas, de barrera ytransmisión de luz. Además, son amigables almedio ambiente, ventaja comparativa conrespecto a los polímeros sintéticos usados enel empacado de alimentos dada subiodegradabilidad. Por estas razones laproducción, el benéfico, la transformación ymercadeo agroindustrial de los biopolímerosautónomos latinoamericanos pueden utilizarseen el desarrollo de bioempaques.


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