envases comestibles grupal
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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE VETERINARIA
Departamento de Nutricin, Bromatologa y Tecnologa de los Alimentos
TESIS DOCTORAL
Diseo, desarrollo y aplicacin de envases comestibles potencialmente
bioactivos
MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR
PRESENTADA POR
Ana Mara Lpez de Lacey
Directoras
M. Elvira Lpez Caballero y M. Pilar Montero Garca
Madrid, 2013
Ana Mara Lpez de Lacey, 2012
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UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE VETERINARIA
DISEO, DESARROLLO Y APLICACIN
DE ENVASES COMESTIBLES
POTENCIALMENTE BIOACTIVOS
TESIS DOCTORAL
Ana Mara Lpez de Lacey
Madrid, 2012
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Departamento de Nutricin,
Bromatologa y Tecnologa
de los Alimentos
Instituto de Ciencia y Tecnologa
de Alimentos y Nutricin
DISEO, DESARROLLO Y APLICACIN
DE ENVASES COMESTIBLES
POTENCIALMENTE BIOACTIVOS
Memoria que presenta Ana Mara Lpez de Lacey para optar al grado de Doctor
por la Universidad Complutense de Madrid
Bajo la direccin de la Dra. M. Elvira Lpez Caballero y la Dra. M. Pilar Montero
Garca, actuando como tutora la Dra. M. Dolores Selgas Cortecero
INSTITUTO DE CIENCIA Y TECNOLOGA DE ALIMENTOS Y NUTRICIN (CSIC)
Madrid, junio del 2012
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DOCTORA MARA ELVIRA LPEZ CABALLERO, Cientfico Titular del Instituto de Ciencia y
Tecnologa de Alimentos y Nutricin, ICTAN (CSIC), y DOCTORA MARA PILAR MONTERO
GARCA, Profesora de Investigacin de Instituto de Ciencia y Tecnologa de Alimentos y
Nutricin, ICTAN (CSIC),
CERTIFICAN:
Que la presente memoria titulada Diseo, desarrollo y aplicacin de envases comestibles
potencialmente bioactivos, presentada por ANA MARA LPEZ DE LACEYpara optar al grado
de Doctor, ha sido realizada en el Instituto de Ciencia y Tecnologa de Alimentos y Nutricin
(CSIC) bajo su direccin, y que, hallndose concluida, autorizan su presentacin para que
pueda ser juzgada por el tribunal correspondiente.
Y para que as conste a los efectos oportunos, firman la presente cerfiticacin en Madrid, a
uno de junio de dos mil doce.
Dra. M. Elvira Lpez Caballero Dra. M. Pilar Montero Garca
Directora de la Tesis Doctoral Directora de la Tesis Doctoral
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ESTA TESIS DOCTORAL HA SIDO REALIZADA GRACIAS A LA FINANCIACIN DE DIFERENTES
AYUDAS Y PROYECTOS:
- Ayuda para la formacin de investigadores del Consejo Superior de InvestigacionesCientficas, programa Junta para la Ampliacin de Estudios (Programa JAE), durante el
perodo de enero de 2008-2011 (JAEPre_07_00667) y asociada al proyecto AGL2005-
02380.
- Ayudas para estancias breves en el extranjero para beneficiarios de ayudas CSIC I3P-Ventorrillo para personal investigador formacin:
Department of Agroenvironmental Science and Technology. University of Bologna.Italy. Enero-julio de 2009.
Institute of Food Research. Norwich. United Kingdom. Septiembre-diciembre de2010.
- Proyecto AGL2008-00231/ALI, del Plan Nacional de Investigacin Cientfica, Desarrollo eInnovacin Tecnolgica (I+D+I).
- Programa CYTED. I+D Accin 309AC0382. rea 3.- Promocin del Desarrollo Industrial.Lnea 3.5.- Recursos del agro: Obtencin de materiales aditivos a partir de subproductos
vegetales de la regin y su aplicacin en el desarrollo de envases biodegradables de uso
agroalimentario y nutracutico. Agrobioenvase.
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AGRADECIMIENTOS
Quiero expresar mi ms profundo agradecimiento a todas aquellas personas, sin cuya
ayuda no hubiera sido posible la realizacin de esta Tesis Doctoral.
A las doctoras M Elvira Lpez Caballero y M Pilar Montero Garca, por brindarme laoportunidad de realizar la tesis con ellas, por su constante apoyo, plena dedicacin y sus
valiosos consejos que me han servido de gua a lo largo de estos aos. Gracias, sobretodo, por
sacrificar muchas veces vuestro tiempo libre para que la tesis llegue a buen puerto.
A la Dra. M Carmen Gmez Guilln por su valiosa ayuda durante mis primeros aos en el
laboratorio y por mostrarme siempre su completa disposicin para responderme cualquier
duda que me surgiera durante el desarrollo de la Tesis.
Al Dr. Joaqun Gmez Estaca por ensearme muchas de las tcnicas de laboratorio
durante mis primeros aos en el ICTAN y por su importante contribucin a la Tesis, no habra
podido avanzar tan rpido en la Tesis sin su estimable ayuda.
Al Dr. Efrn Prez Santn por ensearme muchos de los conceptos de Qumica que tena
olvidados, por guiarme o aconsejarme con el desarrollo de los experimentos y por su
participacin activa en la Tesis, realizando la mayor parte de los anlisis con el HPLC, actividad
antioxidante y antihipertensiva.
A la Dra. Begoa Gimnez Castillo por su magnfica aportacin a la Tesis y por revisarme
de forma rigurosa y exhaustiva el trabajo de Norwich. Te estar eternamente agradecida por
tu enorme contribucin.
A los profesores Prof. Bruno Biavati, Dr. Giovanni Dinelli, Dra. Diana di Goia y la Dra. Ilaria
Marotti por acogerme en su laboratorio (Facultad de Agraria, Universidad de Bolonia) y
hacerme sentirme como en casa y por introducirme en el maravilloso mundo de los
probiticos.
Al Dr. Richard Faulks y a la Dra. Giusy Mandalari por permitirme trabajar en su laboratorio,
Institute of Food Research (Norwich), ponerme a su disposicin su digestor y por participar
activamente en el diseo y desarrollo experimental del trabajo de digestin de las pelculas.
Por su puesto, quiero darle las gracias a todos mis compaeros de laboratorio que me han
ayudado alguna vez en mis experimentos, permitiendo que pueda ir ms rpido, facilitndome
muchas veces el trabajo o simplemente animndome, apoyndome o hacindome ms amena
la tarea (espero no olvidar a ninguno): Elena, scar, Estela, Eva, Inma, Carmen, Rubn, Cristina
de las Heras, Amaia, Eva, Pilar, Torsten, Tati, Fernando, Ins, Gonzalo, Cristina Fernndez,
Ailn, Gemma, Ins, Nacho, Lorena, Candelas, etc. En especial, a Elena porque me ense
muchos de los conocimientos que actualmente s de microbiologa. Tampoco puedo olvidarme
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de Carmen de la Mata por estar siempre disponible cuando he necesitado ayuda, tanto en el
laboratorio como dndome apoyo moral en mis das bajos con la Tesis.
A todos mis compaeros de laboratorio durante mi estancia en Italia: Erwin, Cecilia,
Lorenzo, Irene, Ilaria, Francesca y Loredana. Especialmente a Erwin por transmitirme muchos
de sus valiosos conocimientos en microbiologa y que me han sido de gran utilidad para la
realizacin de esta Tesis Doctoral, pero sobretodo, por ser como un hermano mayor para m
durante el tiempo que estuve en Italia. Gracias Erwin tambin por contagiarme ese entusiasmo
tuyo por la investigacin.
A mis amigos Cecilia y Lorenzo por dedicarme un pequeo hueco de su tiempo cuando
ms lo he necesitado y por animarme con la Tesis.
A todos mis buenos amigos fuera y dentro del ICTAN: Isa, Mamen, Mari Val, Carlos, Luis,
Gonzalo, Nuria, Mauri, Pablo, Ruth, Bea, Mara, y tantos otros. Todos vosotros me habis
animado en algn momento o escuchado cuando ms lo he necesitado y me habis dado
fuerzas para seguir adelante y no rendirme. Gracias simplemente por estar all.
A Mauri, en especial, por el pez y la flor de la portada de la tesis (realizado con las
pelculas de agar de la presente Memoria) y por la realizacin de la fotografa de la portada con
su manfica cmara.
A mi pequea familia: hermanos Antonio, Elsa, Diego y Beatriz; cuaados Mercedes,
Carlos y Jess; y sobrinas Marta, Luca y Elsa.
A mi hermana, y madrina, Joanna Teresa Lpez de Lacey por el diseo de la portada de la
tesis y por ayudarme a realizar el formato final de la tesis cuando estaba ya en las ltimas.
A Kiko, con gran afecto, porque durante este ltimo ao de escritura de la tesis me has
escuchado atentamente, soportado, aconsejado, apoyado y ayudado en todo momento.
Contigo ha sido todo ms fcil. Gracias por estar a mi lado.
Y finalmente, y en especial, a mis padres, Antonio Lpez Agudo y Joan Therese de Lacey.
Por ayudarme con la Tesis, por estar siempre apoyndome para que siga y no decaiga en los
momentos ms difciles. Por animarme a buscar la beca y no dejarme desistir nunca, porque
sin su tenacidad, no lo habra intentado siquiera.
Sin duda, me considero afortunada por recibir tan magnfica y valiosa ayuda de tantas
personas. Cada uno de vosotros habis contribuido en un pedacito de esta tesis. Gracias.
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I. INTRODUCCIN ................................................................................................................ 1
1. ENVASES ALIMENTARIOS .......................................................................................................... 1
1.1. Envases biodegradables comestibles: pelculas y recubrimientos ........................................ 2
1.1.1. Principales funciones y aplicaciones de los envases comestibles ............................... 3
1.1.2. Principales componentes de pelculas y recubrimientos comestibles ...................... 7
1.1.2.1. Materiales formadores de pelculas y recubrimientos comestibles ......................... 8
1.1.2.1.1. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de hidrocoloides ......................... 8
1.1.2.1.1.1. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de protenas ............................. 91.1.2.1.1.1.1. Gelatina .......................................................................................................... 10
1.1.2.1.1.2. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de polisacridos ..................... 11
1.1.2.1.1.2.1. Quitosano como polmero con capacidad filmognica................................. 12
1.1.2.1.1.2.2. Agar ............................................................................................................... 14
1.1.2.1.2. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de lpidos .................................. 15
1.1.2.1.3. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de mezclas de
biopolmeros. ......................................................................................................... 15
1.1.2.2. Aditivos ................................................................................................................... 161.1.2.2.1. Plastificantes ........................................................................................................ 16
1.1.2.2.2. Otros aditivos ....................................................................................................... 17
1.2. Envases activos y bioactivos comestibles ............................................................................ 18
1.2.1. Agentes activos incorporados a pelculas y recubrimientos comestibles .................. 20
1.2.1.1. Compuestos activos naturales de origen animal ................................................... 22
1.2.1.1.1. Quitosano ............................................................................................................. 22
1.2.1.2. Compuestos activos naturales de origen vegetal. .................................................. 26
1.2.1.2.1. Aceites esenciales ................................................................................................ 291.2.1.2.2. Extracto de t verde ............................................................................................. 34
1.2.2. Bacterias incorporadas a envases comestibles .......................................................... 40
1.3. Digestin de envases activos .............................................................................................. 44
1.4. Legislacin relacionada con las pelculas y recubrimientos comestibles. ............................ 46
II. HIPTESIS ...................................................................................................................... 51
III. OBJETIVOS .................................................................................................................... 55
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IV. DISEO EXPERIMENTAL ................................................................................................ 59
V. TRABAJO EXPERIMENTAL ............................................................................................... 63
Artculo 1.Antimicrobial activity of composite edible films based on fish gelatin and chitosan
incorporated with clove essential oil........................................................................................... 67
Artculo 2. Biodegradable gelatin-chitosan films incorporated with essential oils as
antimicrobial agents for fish preservation.................................................................................. 77
Artculo 3.Antioxidant and antimicrobial activities of green tea (Camellia sinensis L.) as an
expression of its chemical composition....................................................................................... 87
Artculo 4. Release of active compounds from agar and agar-gelatin films with green tea
extract ....................................................................................................................................... 121
Artculo 5. Functionality of lactic acid bacteria incorporated to edible coatings and films...... 153Artculo 6. Survival and metabolic activity of probiotic in green tea........................................ 175
Artculo 7. Biotransformation and resulting biological properties of green tea polyphenols
by probiotic bacteria................................................................................................................. 211
Artculo 8.Agar films containing green tea extract and probiotic bacteria for extending fish
self-life ....................................................................................................................................... 235
Artculo 9. Bioaccessibility of green tea polyphenols incorporated into an edible agar film
during simulated human digestion........................................................................................... 255
VI. DISCUSIN INTEGRADORA .......................................................................................... 285
1. DESARROLLO DE ENVASES COMESTIBLES CON ACEITES ESENCIALES Y APLICACIN EN
PRODUCTOS PESQUEROS .......................................................................................................... 285
1.1. Seleccin de aceites esenciales antimicrobianos para su incorporacin a matrices
complejas (gelatina-quitosano) ......................................................................................... 285
1.2. Aplicacin de recubrimientos a la conservacin de pescado refrigerado: salmn
(Salmo salar) y bacalao (Gadus morhua) ........................................................................... 290
2. ESTUDIO DE LA COMPOSICIN DE EXTRACTOS ACUOSOS DE T VERDE (Camellia sinensis) ENRELACIN A SU FUNCIONALIDAD Y DESARROLLO DE ENVASES COMESTIBLES ACTIVOS ......... 293
2.1. Seleccin de un extracto de t verde (Camellia sinensis) segn sus propiedades
biolgicas entre distintas variedades en base a su composicin qumica ......................... 293
2.2. Caracterizacin, evaluacin de propiedades biolgicas y liberacin de compuestos
activos de pelculas con extracto de t verde .................................................................... 302
3. INCORPORACIN DE BACTERIAS LCTICAS EN ENVASES COMESTIBLES Y ESTUDIO DE SU
VIABILIDAD DURANTE LA CONSERVACIN DE FILETE DE MERLUZA ......................................... 313
3.1. Funcionalidad de bacterias lcticas incorporadas a coberturas y pelculas comestibles .
........................................................................................................................................... 313
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4. DESARROLLO DE PELCULAS COMPLEJAS PARA LA BIOCONSERVACIN DE PRODUCTOS
PESQUEROS ............................................................................................................................... 321
4.1. Viabilidad de los probiticos en presencia de los polifenoles mayoritarios del t verde
y extracto de t verde ....................................................................................................... 321
4.2. Biotransformacin de los compuestos polifenlicos mayoritarios del t verde
yextracto de t verde ......................................................................................................... 321
4.3. Bioconservacin de productos pesqueros mediante la aplicacin de pelculas
complejas constituidas por probiticos y extractos de t verde ...................................... 332
5. BIOACCESIBILIDAD DE COMPUESTOS PROCEDENTES DE PELCULAS COMESTIBLES MEDIANTE
MODELOS DE DIGESTIN GASTROINTESTINAL IN VITRO.......................................................... 341
5.1. Recuperacin acumulada de compuestos en el Simulador Gastro Intestinal (SGI) .... 342
5.2. Actividad antioxidante y antimicrobiana recuperada acumulativa ........................... 346
VII. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 351
VIII. BIBLIOGRAFA ........................................................................................................... 357
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Los residuos procedentes del procesado de pescado representan tras el fileteadoaproximadamente un 75% del peso total. En la mayora de las industrias procesadoras, el
aprovechamiento o la gestin de estos residuos constituyen un serio problema a nivel mundial.
Un porcentaje importante de dichos residuos son pieles, tejido conectivo y espinas ricos en
colgeno. Por hidrlisis de ste se obtiene la gelatina, compuesto proteico considerado en s
mismo como un alimento diettico de alta digestibilidad. Otro gran residuo, en este caso de la
industria procesadora de crustceos, es la quitina, a partir del cual se obtiene el quitosano,
polmero muy verstil y de probada funcionalidad.
Una va que en los ltimos aos est mostrando un gran inters por su aplicabilidad y
beneficios medioambientales es la utilizacin de diversos materiales a partir de residuos de la
industria agraria, pesquera y acuicultura, como matrices polimricas para el desarrollo de
envases comestibles y/o biodegradables. La presente memoria se centra principalmente en la
utilizacin de gelatina, quitosano y agar. Estos envases pueden tener capacidad funcional,
principalmente antioxidante y antimicrobiana, contribuyendo a conferir estabilidad y calidad a
los alimentos.
Los envases diseados a los que se incorporan, tanto compuestos polifenlicos como
microrganismos probiticos, actan como bioconservadores en los alimentos y pueden,
adems, incidir en la salud del consumidor. En la literatura apenas se encuentran trabajos
sobre ello, de ah la novedad del tema propuesto.
Adems, se han realizado estudios basados en la capacidad de ciertas cepas de
bifidobacterias para biotransformar los compuestos polifenlicos de su entorno, modificando
el perfil disponible de estos compuestos, as como su actividad.
Por otro lado, dado el carcter comestible de estos envases, se plantea evidenciar la
bioaccesibilidad de los compuestos activos que forman parte del envase con objeto de valorar
su potencial bioactivo tras su ingesta.
RESUMEN
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The waste from fish processing after filleting represents approximately 75% of the total
weight. In most processing industries, the harvesting or management of such waste is a serious
worldwide problem. A significant proportion of these residues are rich in collagen (skin, bones
and connective tissue). The collagen by hydrolysis is converted into gelatin that can be
considered a highly digestible diet food. Another great waste, in this case from the crustacean
processing industry, is chitosan, of proven functionality.
In recent years, the use of different materials such as polymeric matrix for development of
food packaging and/or biodegradable is showing great interest because of their applicability
and environmental benefits. This work has focused primarily on the use of gelatin, chitosan
and agar as biopolymers. These matrixes may have functional capacity, mainly antioxidant and
antimicrobial, by adding of active compounds that confer stability and help to maintain food
quality.
Edible packaging incorporates both polyphenolic compounds and probiotics that could act
as biopreservatives in food and may also contribute to be healthy products. There are scarcely
any studies found in literature about this research, hence the novelty of the theme.
In addition, some studies have been conducted based on the ability of certain strains of
bifidobacteria to biotransform polyphenolic compounds from their environment, modifying
the available phenolic profile and their activity.
On the other hand, due to film`s edible character, it was planned to show the
bioaccesibility of the active compounds that constitute part of the package in order to assess
their potential bioactive
SUMMARY
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1. ENVASES ALIMENTARIOS
Los envases juegan un papel fundamental en la industria alimentaria ya que realizan
importantes funciones como la de contener, proteger, manipular, distribuir y presentar
mercancas, desde materias primas hasta artculos acabados, y desde el fabricante hasta el
usuario o el consumidor (Directiva 94/62/CE del Parlamento Europeo y del Consejo). Entre
estas funciones destaca la accin protectora de los envases, ya que contribuyen al retraso del
deterioro, aumentan la vida til y mantienen la calidad y seguridad de los alimentos
envasados.
Los envases protegen a los alimentos y bebidas de una serie de agentes externos
procedentes del ambiente como son el calor, la luz, humedad, oxgeno, presin, enzimas,
olores indeseables, microorganismos, insectos, suciedad y partculas de polvo o emisiones de
gases, entre otros (Restuccia y cols., 2010) que suponen un detrimento de su calidad o
seguridad. Por otra parte, desde un punto de vista comercial los envases se emplean para
identificar un producto determinado, y tambin para proporcionar informacin importante
como, por ejemplo, el peso, ingredientes o valor nutricional (Restuccia y cols., 2010).
Los materiales ms utilizados para el envasado de alimentos y bebidas son los plsticos
sintticos, que se clasifican en la actualidad en siete categoras (Tabla 1). Estos polmeros
sintticos se emplean por las mltiples ventajas que presentan, como ser qumicamente
inertes, ligeros, resistentes, cmodos e higinicos, y por su versatilidad de forma, tamao, etc.
(Garca-Daz y Macas-Matos, 2008). Sin embargo, al ser compuestos sintticos, no
biodegradables y derivados del petrleo, su utilizacin supone serios problemas ecolgicos
debidos principalmente a la contaminacin medioambiental que causan, tanto por su
fabricacin e incineracin como por su aporte en la generacin y acumulacin de residuos. Por
otro lado, estos polmeros sintticos pueden vehiculizar sustancias txicas o no deseables
como monmeros, plastificantes, antioxidantes sintticos, aditivos, etc. presentes en su propia
composicin y que pueden migrar al alimento que envuelven (Nern de la Puerta, 2009).
Adems de lo anteriormente expuesto, no hay que olvidar otros problemas que conllevan el
uso del petrleo como materia prima, como son la disminucin de las reservas petrolferas y su
precio elevado.
Por lo tanto, existe un inters tanto poltico como social por encontrar nuevos materialesprocedentes de fuentes renovables, menos contaminantes o de fcil reciclado para envasar los
I. INTRODUCCIN
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Introduccin
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alimentos. Con ese objetivo en los ltimos aos se han realizado numerosas investigaciones
encaminadas a desarrollar nuevos materiales biodegradables, como son algunos
biopolmeros, ya que stos tienen un menor o nulo impacto medioambiental.
1.1. ENVASES BIODEGRADABLES COMESTIBLES: PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS
Los materiales comnmente utilizados para la elaboracin de envases biodegradables de
uso alimentario proceden de fuentes renovables y se caracterizan por ser capaces de formar
pelculas que presentan unas propiedades (mecnicas, de barrera y de transmisin de la luz)
similares a los plsticos convencionales pero con una alta capacidad de biodegradacin.
Muchos de estos materiales presentan la ventaja adicional de ser comestibles a diferencias de
los plsticos convencionales. Por esta ltima razn, los materiales biodegradables, como son
por ejemplo algunos biopolmeros, se estudian exhaustivamente en los ltimos aos, por su
posible aplicacin en el desarrollo y diseo de envases comestibles, como una forma ms de
proteger los alimentos.
En la bibliografa aparecen dos tipos de envases comestibles: recubrimientos y pelculas
(denominados en ingls como coating y film, respectivamente), que se diferencian
principalmente por la forma de aplicarse sobre la superficie del alimento, pero que tienen el
objetivo comn de alargar la vida til del producto al cual recubren (Rojas-Gra, 2007; Pavlath
y Orts, 2009) y que estn en contacto directo con el alimento y frecuentemente se consumen
de manera conjunta.
Tabla 1. Plsticos derivados del petrleo utilizados en el envasado de alimentos
(Adaptada de Arrieta, Garrigs Selva, Jimnez Migalln y Peltzer, 2011)
Tipo Material Abreviatura Aplicaciones
1 Polietileno tereftalato PET Botellas
2 Polietileno de alta densidad PEAD Botellas, bandejas
3 Policloruro de vinilo PVC Pelculas flexibles
4 Polietileno de baja densidad PEBD Pelculas, bolsas
5 Polipropileno PP Pelculas flexibles
6 Poliestireno PS Bandejas, tarrinas
7 Otros Policarbonatos, resinas epoxi, etc.
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Introduccin
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Un recubrimientoo cobertura comestible (coating) se define como una capa delgada de
material comestible formado como un revestimiento sobre el alimento, mientras una pelcula
(film) comestible es una capa preformada y delgada elaborada con material comestible que
una vez preparada puede disponerse sobre el alimento o entre los componentes del mismo
(Krochta y De Mulder-Johnston, 1997). De forma general puede decirse que los recubrimientos
se aplican en forma lquida sobre el alimento, normalmente por inmersin del producto en la
solucin con capacidad filmognica, mientras que las pelculas elaboradas como lminas
slidas se aplican posteriormente sobre el alimento como envoltura (McHugh y Senesi, 2000).
1.1.1. PRINCIPALES FUNCIONES Y APLICACIONES DE LOS ENVASES COMESTIBLES
Los envases comestibles se aplican en alimentos de muy diversa naturaleza (frutas,
verduras, carnes, dulces, cereales, pescados, etc.), normalmente en combinacin con otras
tecnologas de conservacin (ej. refrigeracin, atmsferas modificadas o controladas,
tratamientos trmicos, etc.) con el fin de mejorar su calidad, seguridad o aumentar su vida til,
ya que estos envases pueden realizar diferentes funciones beneficiosas sobre el alimento
como son la de actuar de barrera, mejora de las propiedades, proteger pequeas porciones,
adherir diferentes partes de un alimento o servir de soporte de aditivos, entre otras
(Debeaufort y cols., 1998; Kester y Fennema, 1986; Pavlath y Orts, 2009). A continuacin se
detallan algunas de estas funciones y sus aplicaciones.
1.1.1.1. Barrera a la transferencia de materia y a la luz
Algunos envases tienen la capacidad de actuar de barrera frente a la transferencia de
determinados componentes presentes en el alimento o en el ambiente. Esta caracterstica
resulta interesante cuando la calidad de un producto est vinculada a la prdida o ganancia de
algunos componentes como por ejemplo el agua, compuestos voltiles (aromas deseables o
indeseables) o solutos (aceite, azcares o sales).
La deshidratacin o prdida de agua representa uno de los principales problemas
responsables de la prdida de calidad en fruta fresca cortada (Rojas-Gra y cols., 2007), ya que
sta causa diversos cambios como son la prdida de turgencia y firmeza (Olivas y Barbosa-
Cnovas, 2009). As por ejemplo, la cobertura comercial Seal gum, Spray gumTM a base de
steres de sacarosa (Pavlath y Orts, 2009) se utiliza para evitar la prdida de humedad en este
tipo de productos. En ocasiones se producen fenmenos contrarios y la absorcin de agua
supone cambios indeseables en algunos alimentos o en diferentes partes de un producto
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Introduccin
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constituido por varios alimentos (ej. pizza, tarta de manzana, caramelos). La pizza congelada
sera un buen ejemplo de esto ltimo ya que es un producto complejo que contiene diversos
tipos de alimentos con diferente contenido en agua (masa e ingredientes). En este caso, la
aplicacin de una cobertura entre la masa y los ingredientes reduce la transferencia de agua
desde los ingredientes hmedos (con alta actividad de agua) a la masa seca (con baja actividad
de agua), que en caso contrario provocan cambios indeseables en su textura, como es la de
prdida de dureza.
Esta propiedad de barrera de los envases comestibles es muy til tambin en frituras,
puesto que algunos recubrimientos tienen la capacidad de impedir la absorcin excesiva de
aceite durante su cocinado. Estas coberturas presentan dos aspectos positivos: un producto
ms saludable con menos aceite y una reduccin de los costes al disminuir la cantidad deaceite utilizada en cada fritura. Por ejemplo, la cobertura comestible a base de pectinato de
calcio Fry ShieldTMreduce la absorcin de grasa durante la fritura de pescado, patatas y otros
vegetales (Pavlath y Orts, 2009).
Algunas pelculas y recubrimientos se han aplicado con el fin de controlar la transferencia
de determinados gases (oxgeno, dixido de carbono, etc.), de tal manera que se genera
dentro del envase una atmsfera idnea que retrasa el deterioro. Esta atmsfera vara en
funcin del tipo de alimento; en frutas y verduras se utilizan pelculas y recubrimientos
semipermeables, es decir, tienen cierta permeabilidad al oxgeno, ya que las envolturas
extremadamente impermeables pueden inducir a la creacin de un ambiente anaerbico que
provoca cambios indeseables en este tipo de productos, como por ejemplo la prdida de
aromas. Por otro lado, las pelculas impermeables al oxgeno se aplican sobre todo en
productos ricos en grasa (pescado azul, frutos secos, etc.) puesto que la calidad de estos
productos disminuye principalmente por la oxidacin de sus lpidos. La oxidacin de la grasa
genera compuestos con sabores desagradables (sabor rancio) u olores indeseables. En este
sentido, Lee y Krochta (2002) y Lee, Trezza, Guinard y Krochta (2002) redujeron el
enranciamiento oxidativo de los cacahuetes y, por lo tanto, aumentaron su vida til mediante
la utilizacin de una cobertura a base de protenas de suero.
Por otro lado, la luz, en particular la radiacin ultravioleta (UV), es un potente activador
de la oxidacin, por lo tanto los envases comestibles opacos a la luz UV constituyen una
manera ms de frenar la oxidacin. La Figura 1 representa de forma esquemtica la funcin de
barrera ejercida por los envases comestibles frente a diversos componentes y agentes.
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Introduccin
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1.1.1.2. Mejora de las propiedades sensoriales del alimento
Los envases comestibles se aplican en los alimentos para mejorar las propiedades
sensoriales de un alimento: apariencia, color, brillo, transparencia, rugosidad, textura, etc.
(Debeaufort, Quezada-Gallo y Voilley, 1998; Kramer, 2009). En este sentido, la empresa
Viscofan, lder mundial en la produccin y distribucin de envolturas comestibles en productos
crnicos, comercializa un tipo de lmina comestible a base de colgeno denominada Naturin.
Estas pelculas se aplican como envolturas comestibles invisibles en jamn cocido y carne
asada con el objetivo de mejorar distintas propiedades, tales como el aspecto visual, sabor,
retencin del jugo de la carne, y absorcin del color ahumado, entre otras.
Otras coberturas interesantes que mejoran las propiedades sensoriales son las que se
aplican en los donuts glaseados. El glas de los donuts tiende a desaparecer como resultado de
la absorcin de agua o porque simplemente funde. En este caso, los recubrimientos a base de
agar (opcin ms cara) o de kappa-carragenano (opcin ms barata) consiguen minimizar la
fusin del azcar (Nieto, 2009) y por lo tanto mantener durante ms tiempo el buen aspecto
del glaseado.
Otro ejemplo de pelculas comestibles con esta funcin son las que elabora la empresa
NewGemFoodsTM, utilizadas como envolturas alternativas al sushi o pescado crudo
(denominadas como Origami Sushi Wraps) que son visualmente ms atractivas que la alga
nori, o bien como sustitutos saludables de la tortilla que se usa para envolver los burritos(GemWraps).
Compuestos aromticos
Gases (O2, CO2)ALIMENTO
AMBIENTE Luz
Va or de a ua
Solutos
lpidos
Figura 1.Funcin de barrera de los recubrimientos y pelculas comestibles (Adaptada de Debeaufort,
Quezada-Gallo y Voilley, 1998)
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1.1.1.3. Proteccin mecnica
Los envases tambin se utilizan para mejorar las propiedades mecnicas de algunos
alimentos frgiles, como los cereales o los alimentos liofilizados, de tal manera que faciliten su
manipulacin y transporte (Debeaufort y cols., 1998; Fernndez Pan y Mat Caballero, 2011).
Los recubrimientos a veces protegen frente a daos mecnicos provocados por el
rozamiento entre los componentes individuales de un producto (ej. cacahuetes de una bolsa).
En este sentido, la cobertura shellac(goma laca) se aplica en especial en alimentos recubiertos
con chocolate (tipo M&M) para proporcionar principalmente brillo, para proteger frente a los
rasguos producidos por el rozamiento (Kramer, 2009) o para evitar que el chocolate se funda
durante su almacenamiento o manejo (Martn-Belloso, Rojas-Gra y Soliva-Fortuny, 2009).
1.1.1.4. Soporte de aditivos
Los envases comestibles se emplean como una manera eficaz de aadir aditivos (por
ejemplo, colorantes, especias, aromas) que impliquen una mejora en las propiedades
sensoriales o que supongan incluso un aumento de las propiedades nutricionales (vitaminas,
minerales, etc.).
Las pelculas y recubrimientos permiten aadir tambin otros compuestos con
propiedades activas, antimicrobianos y antioxidantes principalmente, que protejan de la
oxidacin o inhiban el crecimiento microbiano tanto de patgenos como de responsables del
deterioro. Recientemente se ha visto que las pelculas son adecuadas como portadoras de
sustancias o bacterias con propiedades bioactivas (probiticos), con el fin de mejorar no slo la
conservacin sino tambin para aportar determinadas propiedades beneficiosas a los
alimentos. El desarrollo y diseo de envases con propiedades activas o bioactivas ha permitido
sobretodo mejorar la vida til de alimentos tan perecederos como son los productos
pesqueros. Este tipo de envases se detallar en el apartado de envases activos.
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1.1.1.5. Otras funciones
La envoltura o tripa a base de colgeno representa probablemente una de las pelculas
comestibles comerciales con ms xito desde un punto de vista comercial, ya que se emplean
como sustitutos de las tripas naturales en la elaboracin de productos crnicos tipo salchicha o
embutido. Estas envolturas se utilizan sobre todo para mantener la integridad estructural de
los productos crnicos (Chapman y Potter, 2004), pero tambin tienen otras funciones
beneficiosas como la de retrasar la prdida de humedad, oxidacin lipdica, decoloracin,
mejora de la apariencia del producto o como portador de aditivos alimentarios (Catherine
Nettles, 2006; Gennadios, Hanna y Kurth, 1997; Vronique, 2008).
Otra aplicacin de los envases comestibles consiste en su empleo como pegamento para
adherir determinados condimentos o diferentes componentes de un alimento. Como ejemplo
los tentempis tipo barrita y snacksde cereales (Kramer, 2009), en los que se requiere unir
diferentes componentes entre s (cereales, semillas, frutos secos).
Todas estas funciones a las que hace referencia este captulo pueden desarrollarse en
menor o mayor medida, dependiendo de los componentes, estructura y composicin de los
envases comestibles. Adems, en funcin del alimento interesar potenciar unas acciones
frente a otras, ya que no todos los alimentos tienen las mismas necesidades en cuanto al
mantenimiento de su calidad o de su seguridad. Por esta razn, la eleccin de los materiales(ej. biopolmeros) y aditivos debe realizarse de acuerdo al objetivo, naturaleza del producto y
el mtodo de aplicacin (Debeaufort y cols., 1998).
1.1.2. PRINCIPALES COMPONENTES DE PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS COMESTILBES
La elaboracin de los envases comestibles requiere de al menos un componente capaz de
formar una matriz estructural. Esta capacidad la poseen algunos biopolmerosy lpidos, y por
tanto, suelen ser la base de los envases comestibles. Muchas veces resulta imprescindible laadiccin de aditivos como los plastificantes a la formulacin de estos envases, puesto que sin
ellos la pelcula resultante sera excesivamente frgil y muy poco flexible. Adems de los
plastificantes se pueden incluir otros aditivos, tal vez no tan estrictamente necesarios como
los anteriores pero que su inclusin en la frmula supone una mejora en las propiedades
tecnolgicas y funcionales de las envolturas. Por lo tanto, la presente memoria se centrar en
los principales componentes de las pelculas (biopolmeros, lpidos y plastificantes), aunque
tambin se har mencin a otros aditivos que resultan interesantes en la formulacin de los
envases comestibles.
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1.1.2.1. Materiales formadores de pelculas y recubrimientos comestibles
Los materiales utilizados en la preparacin de recubrimientos y pelculas proceden de
diversas fuentes del reino animal y vegetal, tanto terrestre como marino, y as como
procedente de los microorganismos (Tharanathan, 2003). Algunos de estos biopolmeros se
obtienen a partir de los residuos generados de la pesca, de la agricultura o de la ganadera.
Desde un punto de vista medio ambiental, el aprovechamiento de residuos resulta de gran
inters puesto que se consigue obtener un rendimiento y valorizar estos desechos, reducir su
cantidad y por lo tanto los costes y problemas de su eliminacin.
La naturaleza de estos compuestos es muy variada, siendo principalmente de origen
proteico (gelatina, protena del suero de la leche, zena, gluten, protena de soja, etc.),
polisacrido (celulosa, gomas, almidn, quitosano, agar, pectinas, etc.) y lipdico (ceras, grasas,
aceites). Las caractersticas de las pelculas y recubrimientos vienen determinadas, en parte,
por la naturaleza de estos compuestos y por esta razn, para explicar de forma simplificada las
propiedades de los envases comestibles, se han clasificado en tres categoras en funcin del
material de base utilizado en su formulacin:
Hidrocoloide: protena y polisacridos (biopolmeros). Lpidos. Mezclas: hidrocoloides y lpidos.1.1.2.1.1. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de hidrocoloides
La capacidad de los biopolmeros para interaccionar entre si y con el resto de los
componentes durante la formacin del recubrimiento viene dado por su naturaleza, peso
molecular, cargas, etc., es decir, la estructura del biopolmero condicionar la funcin del
recubrimiento.
En lneas muy generales, la formacin de una red macromolecular de un biopolmero tipo
hidrocoloide requiere de algunas etapas: en primer lugar la solubilizacin (parcial o total) que
permita una ruptura de enlaces intermoleculares de baja energa que estabilicen a los
polmeros en su estado nativo; de esta manera se facilita un reordenamiento y orientacin de
las cadenas polimricas y una interaccin con el resto de componentes que forman la pelcula
(esta estructura se estabiliza durante el secado) (Cuq, Gontard, Cuq y Guilbert, 1998; Mauri y
An, 2008).
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1.1.2.1.1.1. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de protenas
Para la elaboracin de pelculas y recubrimientos comestibles a base de protena se han
utilizado protenas de diferente origen, tanto animal como vegetal. As se pueden encontrar en
la literatura pelculas de gelatina (Gimnez, Gmez-Estaca, Alemn, Gmez-Guilln y Montero,
2009), casena, protena aislada o concentrada del suero lcteo (Banerjee y Chen, 1995), gluten
de trigo (Gontard y Ring, 1996) y protena de soja (Brandenburg, Weller y Testin, 1993), entre
otras.
Los biopolmeros proteicos forman redes macromoleculares tridimensionales que se
estabilizan mediante diversos tipos de enlaces (interacciones electrostticas, puentes de
hidrgeno, fuerzas de Van der Waals, enlaces covalentes y puentes disulfuro), los cuales
dependen de su composicin aminoacdica. Los enlaces se pueden favorecer durante el
procesado, tanto por las soluciones en las que se encuentra como por el tratamiento trmico y
modo de secado. As, por ejemplo, una pelcula a base de protena de huevo, que contiene
gran cantidad de cistena, puede favorecer la formacin de enlaces covalentes tipo puentes
disulfuro en condiciones trmicas adecuadas, lo cual favorece la insolubilizacin de la pelcula
(Gimnez, Gmez-Guilln, Lpez-Caballero, Gmez-Estaca y Montero, 2012). Asimismo, la
forma de la protena es de gran importancia para la formacin de estas redes que conforman
la matriz. Las protenas de alto peso molecular y fibrilares -como el colgeno, la gelatina y lasprotenas miofibrilares- pueden formar redes ms amplias con buenas propiedades mecnicas
(Guillbert y Graille, 1994). En cambio, las protenas globulares, frecuentemente de bajo peso
molecular (como las protenas aisladas de soja y protenas sarcoplsmicas), hacen redes ms
compactas y menos elsticas, con menor resistencia (Mauri y An, 2008). Tambin se puede
modificar la estructura de la protena por desnaturalizacin y agregacin, pudiendo ofrecer de
esta manera variaciones en las propiedades que generan al constituir la red filmognica.
Todas estas variables y la gran diversidad de caractersticas de las distintas protenas
permiten obtener un amplio abanico de posibilidades y propiedades de las pelculas
constituidas a partir de estos biopolmeros. En general, si bien las pelculas a base de protenas
presentan buenas propiedades de barrera frente al oxgeno y dixido de carbono, son
susceptibles a la humedad (Cha y Chinnan, 2004; Krochta y De Mulder-Johnston, 1997).
La capacidad antioxidante que poseen determinadas protenas aporta un valor aadido a
las pelculas y recubrimientos elaborados a partir de ellas. Varios estudios describen las
propiedades antioxidantes de las protenas tanto de origen animal como vegetal tales como las
protenas de la leche (Cervato, Cazzola y Cestaro, 1999), zena de maz (Wang, Fujimoto,
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Miyazawa y Endo, 1991), gliadina del trigo (Iwami, Hattori y Ibuki, 1987) o gelatina de pescado
(Alemn, Gimnez, Montero y Gmez-Guilln, 2011).
Entre la gran variedad de protenas utilizadas para la elaboracin de envases comestibles,
la gelatina posee excelentes propiedades fsicas y fcil manejo, por lo que se seleccion para la
elaboracin de las pelculas y los recubrimientos comestibles de la presente memoria. Por este
motivo se describe con ms detalle.
1.1.2.1.1.1.1. Gelatina
La gelatina se obtiene a partir de la hidrlisis parcial del colgeno, el cual se encuentra
ampliamente distribuido en la naturaleza formando parte de la piel, tendones, sistema
vascular, huesos, espinas, escamas y tejido conectivo de los animales. Esta protena se obtiene
principalmente a partir de la piel y huesos de mamferos terrestres, fundamentalmente vacuno
y porcino. Sin embargo recientemente se ha incrementado la produccin de gelatina a partir
de productos de la pesca. Este aumento se debe a la sustitucin de la gelatina de origen
vacuno y porcino por la gelatina de origen marino. Las razones inicialmente han sido socio-
culturales (productoskoshery del islam) o sanitarias (ej. encefalopata espongiforme), si bien
ltimamente se ha incrementado el inters en el aprovechamiento de subproductos y residuos
generados en la industria pesquera y de acuicultura (ej. pieles y huesos), como fuente de
gelatina (Gmez-Guilln, Gimnez, Lpez-Caballero y Montero, 2011).
La gelatina se utiliza ampliamente en la industria farmacutica, cosmtica y alimentaria
debido a sus excelentes propiedades gelificantes, hidratantes, formadora y estabilizadora de
emulsiones y espumas, propiedades viscoelticas o filmognicas. En esta ltima propiedad se
basa el desarrollo y diseo de envases comestible. La gelatina es rica en aminocidos tales
como la prolina, hidroxiprolina, lisina e hidroxilisina, los cuales interaccionan durante la
preparacin de las pelculas y como consecuencia de ello, forman enlaces cruzados intra- e
intramoleculares entre las cadenas proteicas (Dangaran, Tomasula y Qi, 2009). Las pelculas o
recubrimientos basadas en gelatinas se han diseado para recubrir los alimentos con el fin de
reducir el transporte de agua, oxgeno y grasas en productos crnicos (Gennadios, McHugh,
Weller y Krochta, 1994). Si bien este tipo de pelculas presentan buenas propiedades de
barrera a los gases (oxgeno y al dixido de carbono), sus valores de permeabilidad al vapor de
agua suele ser altos debido a que la gelatina es altamente hidroflica (Ioannis, 2002), al igual
que la mayora de las protenas y otros hidrocoloides. Por esta razn, para la formulacin de
pelculas o recubrimientos se recurre a la combinacin de la gelatina con otras protenas para
mejorar las propiedades mecnicas y de permeabilidad al vapor de agua de la gelatina.
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Este es el caso por ejemplo de la formacin de pelculas complejas utilizando protena
aislada de soja y gelatina en diversas proporciones (Denavi y cols., 2009). Estos autores
observaron que la formulacin que contena un 25% de protena aislada de soja y 75% de
gelatina de piel de bacalao mostr una mejora de la fuerza a la rotura hasta 1,8 o 2,8 veces
mayor que la obtenida por las formulaciones con solo gelatina o protena de soja,
respectivamente, mientras que la elevadsima elasticidad que presentan las pelculas de
gelatina de bacalao y la relativa baja permeabilidad al vapor de agua de las pelculas de aislado
de soja se mantuvo.
Las propiedades de las pelculas varan en funcin de la procedencia de la gelatina puesto
que la composicin de aminocidos de gelatinas de distintas especies es diferente,
especialmente en lo que respecta a los aminocidos mayoritarios de la gelatina (glicina, prolinae hidroxiprolina) (Gmez-Guilln y cols., 2011). As se ha visto recientemente que las pelculas
a base de gelatina de atn, que contienen un bajo nmero de residuos de prolina e
hidroxiprolina, presentaron valores de deformacin a la ruptura aproximadamente 10 veces
mayores que los obtenidos por las pelculas a base de gelatina de piel bovina (Gmez-Estaca,
Gmez-Guilln, Fernndez-Martn y Montero, 2011). Del mismo modo,Avena-Bustillos, Olsen
y cols. (2006) observaron que los valores de permeabilidad al vapor de agua de las pelculas a
base de gelatina de pescado de aguas fras fueron significativamente ms bajos que los de las
pelculas a base de gelatina de pescado de aguas templadas o de mamfero, atribuyendo este
hecho a la composicin de aminocidos de la gelatina de pescado de aguas fras (con un alto
contenido en amincidos hidrofbicos y bajo nivel de hidroxiprolina).
1.1.2.1.1.2. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de polisacridos
Los polisacridos son polmeros hidrosolubles de cadena larga, que se emplean en la
industria alimentaria para compactar, espesar y gelificar o bien para proporcionar dureza y
textura crujiente a los alimentos (Catherine y Susan, 2002). Entre los polisacridos utilizados en
la preparacin de pelculas y recubrimientos se encuentran la celulosa y sus derivados,
almidn, pectinas, alginatos, carragenatos, quitosano, entre otros.
Los polisacridos pueden ser lineales o ramificados y se componen de la repeticin de un
mismo monosacrido o varios. Asimismo se pueden encontrar polisacridos con carga neutra
(ej. agar, metilcelulosa), carga negativa (alginato de sodio, carragenano, pectina) o carga
positiva (quitosano) en funcin de los grupos qumicos unidos a los monosacridos. Estas
caractersticas estructurales determinan las diferencias entre un polmero y otro en cuanto a
su solubilidad, propiedades gelificantes, emulsificantes, espesantes, sinergia o
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incompatibilidad entre polisacridos o entre diferentes componentes (ej. protenas, minerales,
cidos y lpidos), e incluso determinan sus propiedades formadoras de pelculas.
Las caractersticas de las pelculas preparadas a partir de este tipo de materiales vienen
determinadas tambin por la estructura del polisacrido, ya que influye el nmero de enlaces
de hidrgeno intermoleculares establecidos entre las cadenas del polmero. El peso molecular
del polisacrido tambin juega un papel importante en las propiedades finales de las pelculas.
Los polmeros lineares de alto peso molecular y no inico forman pelculas fuertes, como es el
caso del agar y la metilcelulosa. En cambio, los polisacridos ms ramificados, con o sin carga
aninica, forman pelculas ms dbiles (Nieto, 2009).
En general, los polisacridos forman pelculas con buenas propiedades mecnicas y de
barrera al O2y CO2,pero no a la humedad (al igual que las protenas) debido a que son tambin
muy hidroflicos (Garca, Martino y Zaritzky, 1998; Kester & Fennema, 1986; Nisperos-Carriedo,
1994), si bien es cierto que su resistencia al agua es menor que el de las pelculas basadas en
protenas.
Como ejemplos de biopolmeros polisacridos en este captulo se describirn slo el
quitosano y el agar por ser los materiales utilizados para la elaboracin de los recubrimientos y
pelculas en la presente memoria. El quitosano se seleccion principalmente por sus conocidas
propiedades antimicrobianas y antioxidantes, mientras que el agar se eligi por ser unbiopolmero de carga neutra, relativamente inerte, por lo que presenta menos interaccin con
los componentes del alimento o del envase.
1.1.2.1.1.2.1. Quitosano como polmero con capacidad filmognica
El quitosano es un polmero lineal derivado de la N-desacetilacin parcial de la quitina
(vase Figura 2). La quitina se localiza en el exoesqueleto de los crustceos, en la pared de los
hongos y en otros materiales biolgicos (algas verdes) y representa uno de los biopolmeros
ms abundantes de la naturaleza, despus de la celulosa. La estructura del quitosano estformado por unidades de glucosamina y N-acetil D-glucosamina unidos por enlaces -(14)
(Figura 2).
Bajo el nombre comn de quitosano se esconde en realidad un amplio grupo de polmeros
que se diferencian entre s principalmente por su peso molecular (50 KDa a 2000 KDa) o valor
de viscosidad y grado de desacetilacin o porcentaje de grupos amino que quedan libres en la
molcula del quitosano (50-98%) (Lpez-Caballero, Gmez-Guilln, Prez-Mateos y Montero,
2005; Rinaudo, 2006). Estos tres parmetros son bsicos en la caracterizacin de los
quitosanos ya que sus caractersticas o propiedades vienen determinadas en parte por ellos.
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Debido a las excelentes propiedades funcionales y biolgicas que posee, el quitosano se
ha empleado tanto solo como en combinacin con otros polmeros naturales (almidn,
gelatina, alginatos y otros), en la industria alimentaria, farmacutica, textil, agraria,
tratamiento de aguas y cosmtica (Kong, Chen, Xing y Park, 2010). En los ltimos aos este
polmero se ha aplicado en la elaboracin de pelculas y recubrimientos comestibles por ser un
material biodegradable, no txico y biocompatible y con capacidad filmognica. En general, las
pelculas y recubrimientos de quitosano son claros, fuertes, flexibles y con buenas propiedades
de barrera al oxgeno y dixido de carbono, pero como biopolmero polisacrido presentan
una alta permeabilidad al vapor de agua. Sin embargo, algunos autores describen que las
propiedades de las pelculas varan en funcin del grado de acetilacin y peso molecular del
quitosano utilizado para la formacin de las mismas. En este sentido, Park, Marsh y Rhim
(2002) observaron que los quitosanos con pesos moleculares altos forman pelculas ms
fuertes. Las propiedades mecnicas de las pelculas tambin aumentaron en este estudio
cuando el cido actico se utiliz como solvente para la preparacin de las mismas (Park y
cols., 2002). Por otra parte, Ki Myong, Jeong Hwa, Sung-Koo, Weller y Hanna (2006)
demostraron que los quitosanos con un grado de acetilacin alto forman pelculas con valores
bajos de permeabilidad al vapor de agua, los cuales no se modificaron por la variacin de pH
producida por la utilizacin de cido actico como solvente. Pero adems de los factores
intrnsecos del propio quitosano como peso molecular promedio, grado de desacetilacin y
viscosidad, son otros muchos los factores a tener en cuenta para evaluar su efecto sobre las
Figura 2.Estructura de la quitina y del quitosano.
Quitina Quitosano
Desacetilacin bsica
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propiedades fsico qumicas de los recubrimientos y pelculas, y sobre sus propiedades activas
como antimicrobianos y antioxidantes; entre estos factores extrnsecos caben destacar, por
ejemplo: pH, cido utilizado para solubilizar el quitosano, presencia de plastificantes, grado de
humedad de la cobertura, etc.
Los recubrimientos de quitosano se aplican en su mayor parte en frutas y vegetales (Davis
D., 1989; El Ghaouth, Arul, Ponnampalam y Boulet, 1991a, 1991b) por su capacidad para
formar coberturas semi-permeables (Nisperos-Carriedo, 1994). Este tipo de coberturas al ser
semi-permeables pueden alterar la atmosfera interna, de tal modo que producen un retraso
de la maduracin y una disminucin en la velocidad de transpiracin en frutas y vegetales
(Bourtoom, 2008; Nisperos-Carriedo, 1994). Estas pelculas y recubrimientos tambin se han
utilizado para aumentar la calidad y extender la vida til de otros alimentos, como porejemplo, el pescado (Lpez-Caballero, Gmez-Guilln, Prez-Mateos y Montero, 2005),
principalmente por las propiedades antioxidantes y antimicrobianas que el quitosano posee, y
no tanto por las propiedades fsicas (ej. permeabilidad selectiva frente a determinados gases).
El quitosano como ingrediente activo con propiedades antioxidantes y antimicrobianas se
describe en el apartado 1.2.1.1.1.
1.1.2.1.1.2.2. Agar
El agar (tambin denominado agar-agar) se obtiene a partir de dos algas rojas: Gelidium
sp. y Gracilaria sp., principalmente; y est constituido por una mezcla heterognea de dos
clases de polisacridos: agarosa (fraccin gelificante) y agaropectina (fraccin no-gelificante),
la cual se encuentra ligeramente ramificada y sulfatada (Rhim, Lee y Hong, 2011). La
proporcin de cada una de las fracciones vara en funcin de la especie de alga y las
condiciones ambientales. Esta proporcin afecta a las propiedades fisicoqumicas, mecnicas y
reolgicas del agar (O'Sullivan y cols., 2010). El agar de uso alimentario se compone
primordialmente por agarosa puesto que la agaropectina es eliminada durante su fabricacin.
La agarosa es un polmero lineal con un peso aproximado de 120 kDa y est constituida por
unidades repetitivas del disacrido agarobiosa, cuya estructura es (14) --D-galactopiranosa-
(13)--3,6-anhidro-L-galactosa.
El agar se utiliza en microbiologa, principalmente para la preparacin de medios de
cultivo,pero tambin como laxante, comoespesante para sopas, gelatinas vegetales,helados y
algunos postres o como agente aclarador de lacerveza.Adems de estos usos, recientemente
se ha empleado en la preparacin de pelculas y recubrimientos comestibles debido a las
interesantes caractersticas que posee (Catherine y Susan, 2002). Las pelculas de agar son
http://es.wikipedia.org/wiki/Medio_de_cultivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_de_cultivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Espesantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Heladohttp://es.wikipedia.org/wiki/Cervezahttp://es.wikipedia.org/wiki/Cervezahttp://es.wikipedia.org/wiki/Heladohttp://es.wikipedia.org/wiki/Espesantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_de_cultivohttp://es.wikipedia.org/wiki/Medio_de_cultivo -
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claras y fuertes en general, aunque son frgiles y poco flexibles. Adems tiene la
particularidad de ser insolubles en agua en condiciones ambientales, al igual que el agar solo.
La naturaleza lineal y no inica del agar permite que las molculas hidratadas se asocien ms
estrechamente, formando una red que se estabiliza por enlaces de hidrgeno intermoleculares
durante el secado de la pelcula (Nieto, 2009). La incorporacin de antimicrobianos a este tipo
de coberturas alarga la vida til de la carne de ave y ternera (Ayres, 1959; Meyer, Winter y
Weiser, 1959), aunque por otro lado, no evita las prdidas de humedad (Catherine y Susan,
2002).
1.1.2.1.2. Pelculas y recubrimientos constitudios a base de lpidos
Las ceras y las grasas fueron los primeros materiales utilizados para cubrir los alimentos.
Las ceras se emplean desde hace siglos en China para la conservacin de frutas, con datos que
se remontan al siglo XII (Gontard, Thibault, Cuq y Guilbert, 1996; Krochta y Baldwin, 1994),
mientras que la utilizacin de las grasas data del siglo XVI para prevenir la contraccin de la
carne (Baker, Baldwin y Nisperos-Carriedo, 1994; Kester y Fennema, 1986). Hoy en da, los
lpidos solos o en combinacin con otros compuestos, se aplican como envases comestibles en
carnes, pescados, frutas, vegetales, semillas, caramelos, quesos, alimentos frescos, curados,
congelados o procesados (Rhim y Shellhammer, 2005).
En la actualidad, para la preparacin de pelculas con caractersticas hidrofbicas seutilizan, en orden de eficacia como pelculas de barrera: ceras, lacas (shellac), cidos grasos y
alcoholes, glicridos acetilados y compuestos a base de cacao y sus derivados. La mayor o
menor eficacia para actuar como barrera depende de la composicin qumica de la molcula,
es decir, de la presencia de elementos polares, longitud de la cadena hidrocarbonada y el
grado de insaturacin o acetilacin (Debeaufort y Voilley, 2009).
En general este tipo de coberturas actan como barrera al agua ya que son poco polares,
si bien forman pelculas gruesas y frgiles (Bourtoom, 2008) que pueden adherirse mal a las
superficies hidroflicas (Ben y Kurth, 1995) y que en algunos casos pueden tener incluso una
escasa permeabilidad a O2, CO2y etileno (Hernndez, 1994).
1.1.2.1.3. Pelculas y recubrimientos constituidos a base de mezclas de biopolmeros
Los biopolmeros de diferente naturaleza o estructura se pueden combinar entre s de tal
manera que se compensen las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. As se han descrito
pelculas y recubrimientos basados en mezclas de protenas y polisacridos, protenas y lpidos
o polisacridos y lpidos. Estas combinaciones se consiguen: a) incorporando el componenteinmiscible (lpido) dentro de la solucin filmognica (hidrocoloide) mediante la formacin de
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una emulsin, suspensin o dispersin, b) incorporando los diferentes componentes en
sucesivas capas (pelculas y recubrimientos multicapa), o por ltimo c) mezclando los
compuestos con un disolvente en el que los diversos biopolmeros sean miscibles (Bourtoom,
2008; Kamper y Fennema, 1985; Krochta y De Mulder-Johnston, 1997). De este modo las
propiedades mecnicas, de barrera a gases y humedad o la adhesin de las coberturas se
mejoran con la combinacin de varios biopolmeros (Baldwin, Nisperos-Carriedo y Baker,
1995). Las posibilidades son infinitas y en la literatura existe una gran variedad de copolmeros
con diferentes propiedades (Bourtoom, 2008). En este sentido, la adicin de lpidos a las
pelculas y recubrimientos constituidos a base de hidrocoloides (carbohidrato o protenas)
mejora las propiedades de barrera a la humedad y al oxgeno de las mismas. As, por ejemplo,
la incorporacin de aceite de girasol (2 g/L) a pelculas basadas en almidn disminuye los
valores de permeabilidad al vapor de agua debido a la hidrofobicidad que aporta (Garca,
Martino y Zaritzky, 2000). Otras veces, para mejorar las propiedades mecnicas de las pelculas
y recubrimientos se recurre a la combinacin de varios hidrocoloides. Esto es el caso de las
pelculas basadas en quitosano, a las que se han aadido otros agentes formadores de
pelculas y recubrimientos tipo hidrocoloide, con el propsito de incrementar sus propiedades
mecnicas, como por ejemplo, almidn (Vsconez, Flores, Campos, Alvarado y Gerschenson,
2009; Xu, Kim, Hanna y Nag, 2005), protenas sricas (Ferreira, Nunes, Delgadillo y Lopes-da-
Silva, 2009) o gelatina (Arvanitoyannis, Nakayama y Aiba, 1998), entre otros. Xu y cols. (2005)
elaboraron pelculas con quitosano y almidn, y descubrieron que las pelculas con mayor
contenido en almidn mostraron una menor tasa de transmisin de vapor al agua y mayores
valores de tensin mxima y elongacin a la rotura.
1.1.2.2. Aditivos
Los aditivos son componentes que se aaden a las pelculas o recubrimientos para
proporcionarles las caractersticas o cualidades de las que carecen o para mejorar las que
poseen. El grupo ms importante dentro de los aditivos lo conforman los plastificantes puesto
que su adiccin resulta a veces imprescindible para la formacin de un envase comestible,
especialmente en el caso de las pelculas y por esta razn merece una seccin aparte.
1.1.2.2.1. Plastificantes
Las pelculas a base de polisacridos o protenas suelen ser quebradizas y poco flexibles
por lo que requieren de la adiccin de plastificantes (Gennadios y cols., 1994). Los
plastificantes son compuestos de pequeo peso molecular que se aaden a las coberturas para
mejorar su flexibilidad y propiedades mecnicas (Dangaran y cols., 2009). La adicin de
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plastificantes modifica la organizacin polimrica de la red proteica tridimensional,
disminuyendo las fuerzas de atraccin intermoleculares, incrementando el volumen libre y
favoreciendo la movilidad de las cadenas (Banker, Gore y Swarbrick, 1966). Numerosos autores
han estudiado el efecto que produce el tipo y concentracin de los plastificantes hidroflicos en
las propiedades de las pelculas de protenas (Bourtoom, Chinnan, Jantawat y Sanguandeekul,
2006; Coupland, Shaw, Monahan, Dolores O'Riordan y O'Sullivan, 2000; Cuq, Gontard, Cuq y
Guilbert, 1997; Nathalie Gontard, Guilbert y Cuq, 1993; Gounga, Xu y Wang, 2010; Sobral, Dos
Santos y Garca, 2005). El efecto plastificante se evidencia ms cuando la molcula empleada
es ms pequea y ms hidroflica. Hay que restringir su uso, ya que un exceso puede tener
efectos negativos sobre las propiedades de barrera de las pelculas. Entre los plastificantes ms
frecuentes se encuentran los polioles (sorbitol, glicerol, polietilenglicoles y los derivados del
glicerol), azcares y cidos grasos. Los polioles son particularmente efectivos como
plastificantes, siendo el glicerol el ms comnmente empleado en las formulaciones de
pelculas de protenas. Por otro lado, el sorbitol es un agente crioprotector adems de
plastificante, y combinado con el glicerol aumenta la permeabilidad al vapor del agua y la
resistencia mecnica de las pelculas, aunque reduzca un poco la flexibilidad que le aporta el
glicerol (Chick y Ustunol, 1998). Este hecho, unido a que el glicerol produce adems mayor
absorcin de humedad que el sorbitol (Cho y Rhee, 2002), hace que normalmente se utilice
una combinacin a partes iguales entre ambos polioles para conseguir de este modo unos
efectos intermedios.
1.1.2.2.2. Otros aditivos
Adems de los plastificantes existen otros aditivos que se aaden para mejorar las
propiedades tecnolgicas de las pelculas o recubrimientos. Los antiadherentes, humectantes
o emulsionantes (ej. lecitina) son algunos de los ejemplos de esta clase de aditivos (Kramer,
2009). En este sentido los compuestos antiadherentes (ej. polisorbatos) se aaden a las
pelculas o recubrimientos basados en almidn para hacerlas menos pegajosas y de esta forma
evitar que tanto las pelculas como la superficie de los alimentos recubiertos se adhieran unas
con otras. Los humectantes mantienen la pelcula hidratada de forma que garantizan su
flexibilidad y elasticidad en condiciones ambientales con baja humedad (Kramer, 2009). Por
otra parte los emulsionantes son sustancias que se aaden a la solucin filmognica para la
formacin o estabilizacin de las emulsiones, especialmente en la elaboracin de mezclas de
biopolmeros de distinta naturaleza (ej. protenas, o carbohidratos y lpidos). A veces se utilizan
para aumentar la adherencia entre el alimento y el recubrimiento, o se dispone entre dos
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capas de pelculas de diferente polaridad como ocurre en los sistemas multicomponente
(Quezada-Gallo, 2009).
Asimismo hay otros aditivos que se aaden a las pelculas y recubrimientos para mejorar
las propiedades sensoriales o nutricionales de los alimentos o de los mismos envases, como es
el caso de los saborizantes, aromatizantes, colorantes, nutrientes o nutracuticos, etc.
Otros aditivos habitualmente empleados son aquellos que confieren propiedades activas
principalmente antimicrobianos o antioxidantes,a los envases, o incluso bioactivas. La adicin
de estos aditivos conlleva un aumento de las propiedades funcionales de las pelculas y
recubrimientos comestibles y que implican, en definitiva, una mejora en la calidad y seguridad
del alimento cuando se protege con este tipo de envases. Dada la importancia que este tipo de
aditivos tiene en la presente memoria se dedicar a continuacin un captulo aparte.
1.2. ENVASES ACTIVOS Y BIOACTIVOS COMESTIBLES
En los ltimos aos se han desarrollado diferentes e innovadoras estrategias que
prolonguen la vida til de los alimentos o incluso aumenten la calidad o seguridad de los
mismos con una mayor eficacia que las tecnologas tradicionales (pasteurizacin, irradiacin,
refrigeracin, atmsferas modificadas, etc.). En este sentido han ido surgiendo diversas
tecnologas, como las altas presiones, fluidos supercrticos, altas frecuencias, los pulsos
luminosos, los pulsos elctricos, los ultrasonidos o los envases activos, cuya aplicacin en la
industria son una realidad, aunque los productos tratados con estas tecnologas todava no son
muy numerosos, al menos con algunas de ellas. La novedad en s principalmente reside en la
utilizacin conjunta de algunas de estas tecnologas para mejorar su efectividad sin que su
tratamiento sea muy drstico, retomando as el concepto de tecnologas de barrera y de
mnimo procesado.
Entre estas tecnologas, los envases activos han cobrado gran protagonismo en los ltimosaos. Estos envases se realizan con materiales a los cuales se les ha aadido agentes activos
(antimicrobiano, antioxidante, etc.), con el objeto de alargar la vida til y mantener o incluso
aumentar la calidad o seguridad del alimento. Para el diseo y desarrollo de envases activos se
utilizan como base materiales no comestibles (papel, cartn, plsticos, metales o una
combinacin de ellos) (Dainelli, Gontard, Spyropoulos, Zondervan van den Beuken y Tobback,
2008) y materiales comestibles (biopolmeros) (Martn-Belloso y cols., 2009), aunque en este
ltimo caso en menor escala. Este captulo se centrar slo en los envases activos comestibles.
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Es importante sealar que el envase bioactivo comestible se diferencia del envase activo
en que aquel tiene adems una repercusin sobre la salud del consumidor, ya que da lugar a
alimentos ms saludables. Algunos ejemplos de envases bioactivos son las pelculas o
recubrimientos que contienen vitaminas, fibra diettica, fitoqumicos, prebiticos, enzimas o
probiticos (Martn-Belloso y cols., 2009), que contienen compuestos con reconocido efecto
positivo en el organismo del consumidor.
Los agentes activos con o sin propiedades bioactivas se incorporan a la formulacin del
envase comestible de tal forma que la liberacin de stos se realice por contacto directo entre
la pelcula y el alimento. Una vez liberado el compuesto debe ejercer su accin biolgica sobre
el alimento. Dicho as parece una tarea sencilla, pero no lo es tanto porque en ocasiones los
componentes de la formulacin del envase dificultan la liberacin del principio activo,mientras que tambin puede suceder que el principio activo no difunda porque interacciona
con el alimento, etc. As por ejemplo, para la seleccin de los principios activos que formarn
parte del envase comestible se debe tener en cuenta no slo su efectividad frente al
microorganismo diana sino tambin las posibles interacciones entre el principio activo, envase
y los componentes del alimento. Estas interacciones pueden modificar la actividad
antimicrobiana o antioxidante, la liberacin o difusin del principio activo o modificar las
caractersticas finales de los envases comestibles.
A pesar de ello, la incorporacin de compuestos activos a travs de los envases
comestibles ofrece una mayor ventaja que la aplicacin directa del compuesto ya que en este
ltimo caso se requiere mayor cantidad de conservante en contacto con el alimento para
producir el mismo efecto protector. Asimismo, la adicin de agentes activos a los envases
comestibles permite controlar la velocidad de difusin, por ejemplo del agente antimicrobiano,
de tal manera que se consiguen concentraciones altas de los compuestos activos en la
superficie del producto (donde la contaminacin es frecuente) durante un periodo de tiempo
ms largo (Lpez, Snchez, Batlle y Nerin, 2007).
La proteccin de un alimento mediante el empleo de envases activos comestibles se
realiza abordando diferentes estrategias, dependiendo del tipo de deterioro o dao que
queramos evitar (oxidacin, pardeamiento, degradacin de grasas o protenas, contaminacin
microbiolgica, cambios de textura, etc.), y en base a esto se seleccionan los materiales y
agentes activos ms convenientes para alcanzarlo. Por lo tanto las posibilidades que ofrecen
las pelculas y recubrimientos para el diseo de envases activos con diferentes propiedades
funcionales son enormes. Sin embargo no siempre resulta empresa fcil disear envases
comestibles con ciertas propiedades activas y en este sentido, el desarrollo y aplicacin de
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pelculas y recubrimientos comestibles con caractersticas antimicrobianas en productos muy
perecederos (ej. pescado) an representa un reto para los investigadores.
1.2.1. AGENTES ACTIVOS INCORPORADOS A PELCULAS Y RECUBRIMIENTOS COMESTIBLES
Como ya se ha mencionado con anterioridad, una forma de conseguir envases con
propiedades activas es mediante la incorporacin de agentes activos. Para el diseo y
desarrollo de los envases activos comestibles de la presente memoria se han utilizado agentes
potencialmente bioactivos con propiedades antioxidantes y antimicrobianas, puesto que la
oxidacin y el crecimiento microbiano (bacterias, levaduras y mohos) son dos procesos
ntimamente relacionados con el deterioro de los alimentos.
Se entiende por antioxidante aquellas molculas capaces de retardar o prevenir la
oxidacin de otros compuestos tales como lpidos, protenas o cidos nucleicos (Glin, 2012;
Halliwell, Murcia, Chirico y Aruoma, 1995). Estas molculas actan mediante uno o varios de
los siguientes mecanismos: 1) secuestro de los radicales libres o especies reactivas (llamados
oxidantes o proxidantes) y posterior transformacin de los mismos en radicales estables,
inertes o de baja reactividad; 2) prevencin de la formacin enzimtica de especies reactivas,
inhibiendo la expresin, la sntesis o la actividad de enzimas pro-oxidantes (ej. xantina oxidasa,
xido ntrico sintasa, ciclooxigenasa, etc.); 3) inhibicin de la formacin de especies reactivasdependiente de metales; 4) activacin o induccin de la actividad de enzimas antioxidantes (ej.
superxido dismutasa, catalasa, glutatin peroxidasa, etc.); 5) absorcin de la luz UV; 6)
creacin de una capa protectora entre el aceite y la superficie del aire (ej. fosfolpidos); 7)
regeneracin parcial de otros antioxidantes, como por ejemplo, la vitamina E, y 8) mediante la
captacin de oxgeno (Gramza y Korczak, 2005; Magalhaes, Segundo, Reis y Lima, 2008; Singh
y Singh, 2008). Los mtodos ms frecuentemente utilizados para determinar la actividad
antioxidante de un compuesto se describen en el apartado 1.2.1.2.1.
Los antioxidantes aadidos a los envases comestibles permiten aumentar la estabilidad de
los componentes de los alimentos al inhibir o retrasar la oxidacin de lpidos u otras
compuestos (protenas, vitaminas, etc.), manteniendo su valor nutricional, sabor y color al
prevenir la rancidez oxidativa, degradacin y decoloracin (Quezada-Gallo, 2009). Asimismo
estos compuestos al ingerirse con el envase pueden ejercer una accin protectora frente a los
efectos perjudiciales producidos por los radicales libres en el organismo del consumidor o
retrasar el progreso de muchas enfermedades crnicas (Gulcin, 2012). Los antioxidantes
incorporados a recubrimientos y pelculas comestibles son numerosos, por ejemplo, se
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encuentran el cido ascrbico, cido ctrico, glutatin, cistena, entre otros (Martn-Belloso y
cols., 2009).
Por otra parte, los compuestos con propiedades antimicrobianas se utilizan para aumentar
la vida til o seguridad de los alimentos mediante el control de la microbiota, ya sea propia o
adquirida. Entre los antimicrobianos ms comnmente empleados en envases comestibles
destacan los cidos orgnicos, quitosano, polipptidos como la nisina, sistema lactoperoxidasa,
extractos de plantas y aceites esenciales (Campos, Gerschenson y Flores, 2011).
En general, para la elaboracin de envases activos comestibles, la tendencia es elegir
antimicrobianos y antioxidantes seguros (no txicos) y procedentes de fuentes naturales,
debido en parte a que muchos consumidores demandan productos ms frescos, poco o nada
procesados, seguros y ms saludables, pero con una menor cantidad de aditivos sintticos
(Burt, 2004; Devlieghere, Vermeiren y Debevere, 2004). En este sentido, los antimicrobianos y
antioxidantes de origen natural son preferibles a los sintticos para el diseo de envases
comestibles, ya que al ser compuestos naturales estn menos asociados a los efectos adversos
ocasionados por los conservantes sintticos. Sin embargo, la toxicidad de los agentes activos
naturales empleados en este tipo de tecnologas (envasado activo comestible) debe evaluarse
igualmente (Jung, 2002).
En la literatura se describen una gran variedad de ingredientes activos/bioactivosnaturales o no, utilizados o propuestos para el diseo y desarrollo de envases activos
comestibles con objeto de evitar el deterioro de los alimentos. Sin embargo, a pesar de la
extensa lista de sustancias activas, existen grandes limitaciones en su uso o en su efectividad.
Por ejemplo, los aceites esenciales tienen un olor muy intenso, por lo que se deben utilizar en
pequea cantidad; otros son poco efectivos en las dosis permitidas en la legislacin (ej.
sorbatos, etc.). Por lo tanto, hoy por hoy sigue siendo un reto encontrar el compuesto activo
ideal para el desarrollo de envases activos comestibles.
Esta memoria se centra en los agentes activos con propiedades antimicrobianas o
antioxidantes procedentes de fuentes naturales, tanto de origen animal como vegetal y en
agentes de naturaleza microbiana con propiedades bioactivas. En base a esto, los ingredientes
activos utilizados se clasifican en funcin del origen: animal, vegetal y microbiano. Asimismo se
expondr la estructura qumica y las propiedades antioxidantes y antimicrobianas de los
agentes activos que han tenido mayor relevancia en cada categora, tales como el quitosano,
extractos de plantas (aceites esenciales y el extracto de t verde) y las bacterias cido lcticas.
En la memoria tambin se revisan las propiedades antimicrobianas y antioxidantes y la
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aplicacin de los envases activos o bioactivos comestibles preparados a partir de estos mismos
compuestos.
1.2.1.1. Compuestos activos naturales de origen animal
Muchos de los sistemas antimicrobianos de origen animal estn con frecuencia implicados
en los mecanismos de defensa del husped (Tiwari y cols., 2009). La naturaleza de estos
antimicrobianos naturales es muy variada puesto que se encuentran enzimas, pptidos,
protenas, lpidos o polisacridos con propiedades antimicrobianas (Tiwari y cols., 2009) y esto
implica que tanto sus propiedades activas como su mecanismo de accin sea muy variada
tambin. Dentro de este grupo el quitosano destaca por el doble papel que puede desempear
en los envases comestibles: como biopolmero y como compuesto activo. Esta ltima funcin
se expondr a continuacin ya que las caractersticas como biopolmero se mencionaron en el
apartado 1.1.2.1.1.2.1.
1.2.1.1.1. Quitosano como compuesto activo
El quitosanoposee un potencial extraordinario y numerosas propiedades en el campo de
la tecnologa de alimentos basadas en sus propiedades funcionales (Rinaudo, 2006). Entre
ellas, desde el punto de vista tecnolgico cabe destacar su poder antimicrobiano, de formacin
de pelculas protectoras, y como antioxidante, por lo que contribuye a aumentar la vida til de
los alimentos (Dallan y cols., 2007; Kumar, Muzzarelli, Muzzarelli, Sashiwa y Domb, 2004).
Otras aplicaciones en la industria estn relacionadas con la inmovilizacin de enzimas y en la
encapsulacin de compuestos nutracuticos (Shahidi y Abuzaytoun, 2005). Desde el punto de
vista fisiolgico, el quitosano tiene tambin una gran importancia por actuar como agente
reductor de la absorcin intestinal de lpidos y regulador de la motilidad del trnsito intestinal
(Shahidi, Arachchi y Jeon, 1999); agente hipocolesterolmico, por lo que se utiliza como
suplemento diettico (Gallaher y cols., 2002) y efecto sobre la restauracin de lesiones y
actividad inmune, etc. (Dallan y cols., 2007). Dada su importancia en la conservacin dealimentos, a continuacin se describen con ms detalle las propiedades antioxidantes y
antimicrobianas.
Propiedades antimicrobianas del quitosano
La capacidad antimicrobiana del quitosano se ha demostrado frente a varias bacterias
patgenes y del deterioro, hongos filamentosos y levaduras (Campos y cols., 2011; Kong y
cols., 2010) presentes en diversos alimentos (Friedman y Juneja, 2010).
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Hoy en da, los mecanismos por los cuales el quitosano ejerce su actividad antimicrobiana
an no han sido esclarecidos (Lrez Velsquez, 2008). Sin embargo, algunos autores proponen
varios mecanismos que se mencionan a continuacin, y que se relacionan con su carcter
catinico:
1) Las interacciones electroestticas entre las cargas (+) del quitosano y las cargas (-) de la
membrana celular pueden modificar las propiedades de barrera de la membrana exterior del
microorganismo (Helander, Nurmiaho-Lassila, Ahvenainen, Rhoades y Roller, 2001), impedir el
flujo normal de nutrientes/deshechos (Chung y cols., 2004) o bien producir daos a la
membrana con la consecuente salida de material intracelular (Liu, Du, Wang y Sun, 2004;
Raafat, von Bargen, Haas y Sahl, 2008).
2) Quelacin del quitosano con metales divalentes de la pared celular que son cruciales
para el mantenimiento de su estabilidad (Rabea, Badawy, Stevens, Smagghe y Steurbaut,
2003).
3) Interaccin selectiva del quitosano con trazas de metales que pueden causar la
inhibicin de la produccin de toxinas y del crecimiento microbiano (Sudarshan, Hoover y
Knorr, 1992).
La capacidad antimicrobiana del quitosano y los diferentes modos de accin mencionados
vienen determinados por varios factores, como el peso molecular o tiempo dealmacenamiento del quitosano, tipo de microorganismo (ej. bacterias Gram-negativos (G-) o
Gram-positivos (G+) o el pH del medio. As, por ejemplo, si el pH del medio es inferior al pKa
del quitosano (pH~cido), las interacciones electroestticas jugarn un papel importante en la
actividad antimicrobiana, ya que se producir la protonacin de los grupos amino presentes en
cada una de las unidades de glucosamina del quitosano, que se cargar positivamente
formando una estructura llamada polielectrolito catinico. Este policatin es ms soluble en
medio acuoso y segn muchos autores presenta una mayor capacidad antimicrobiana. El
quitosano cargado positivamente interacciona con los componentes cargados negativamente
presentes en la superficie de la membrana del microorganismo, ejerciendo su actividad. Sin
embargo, si el pH del medio es superior al pKa, la actividad antimicrobiana est mediada por
otros factores como pueden ser la capacidad quelante del quitosano (Kong y cols., 2010).
Propiedades antioxidantes del quitosano
Las propiedades antioxidantes del quitosano se deben a su capacidad para captar
radicales libres y su capacidad quelante.
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La capacidad secuestradora del quitosano se relaciona con la formacin de un radical
macromolecular estable por reaccin entre el grupo amino libre residual del quitosano (NH2)
en estado protonado (NH3+) y el radical libre (Siripatrawan y Harte, 2010; Xue, Yu, Hirata, Terao
y Lin, 1998; Yen, Yang y Mau, 2008). Esta capacidad, al igual que la actividad antimicrobiana
est influida por factores como el peso molecular del quitosano, concentracin (Kim y Thomas,
2007) o grado de acetilacin (Park, Je y Kim, 2004). Kim y Thomas (2007) investigaron el efecto
antioxidante de varios quitosanos con diferente peso molecular (30, 90 y 120kDa) a diferente
concentracin (0.2%, 0.58% y 1%) en salmn (Salmo salar). La capacidad secuestradora fue
mayor en los quitosanos de menor peso molecular (30 kDa) y mayor concentracin, excepto en
el quitosano de 120 kDa que no mostr diferencias a ninguna concentracin.
Como ya se mencion, la actividad antioxidante del quitosano tambin se relaciona con sucapacidad quelante. As el quitosano retrasa la oxidacin de los lpidos en sistemas modelo de
pescado mediante la quelacin del in ferroso, presente en la ferritina, hemoglobina y
mioglobina (Friedman y Juneja, 2010), eliminando de este modo la actividad pro-oxidante del
in ferroso o previniendo su conversin a in frrico (No, Meyers, Prinyawiwatkul y Xu, 2007).
Se cree que en la quelacin del in Fe2+ participan el grupo hidroxilo y el grupo amino
presentes en carbono