Development, characterization, application, and degradation of sustainable active packaging: cellulose acetate and zein films incorporated with garlic essential oil
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Data
2022-07-22
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Universidade Federal de Viçosa
Resumo
Biodegradable polymers obtained from renewable sources are considered potential substitutes for conventional plastics. In the present work, cellulose acetate (CA) and zein films containing garlic essential oil (GEO) and different plasticizers (glycerol and tributyrin) were manufactured, characterized, and evaluated as active films aiming food preservation, as well as investigated regarding their degradation in soil. In the first chapter, CA and zein blends were manufactured by adding glycerol or tributyrin as plasticizers, and GEO, complexed or not with β-cyclodextrin. Blends plasticized with tributyrin exhibited a more homogeneous surface than those containing glycerol. The blends underperformed the CA films at mechanical properties and water vapor permeability. However, they were more flexible than the zein brittle films. The films added with GEO presented in vitro activity against Listeria innocua and Staphylococcus aureus. These findings suggest that the mixture of CA and plasticizers could increase the range of application of zein as a sustainable packaging component, while GEO acts as a natural preservative. In the second chapter, CA-based films containing GEO were tested in vitro against L. innocua to verify the occurrence of sub-lethal injury and/or homologous resistance to GEO. Two conditions were tested: 7 oC for 10 days, and 37 oC for 24 h. The active films were also tested on food. The in vitro trials showed that the incubation under low temperature enhanced the active films properties: log reductions of 4.3 and 5.7 were obtained for films containing 1% and 10% of GEO, respectively. Moreover, 86.3% of L. innocua cells were injured at sub-lethal level when exposed to films with 10% of GEO for 10 days at 7 oC. Despite this, no occurrence of homologous resistance was found. When the active films were tested on food, they resulted in fewer contaminants. This work suggested that GEO is a safe active compound from the point of view of homologous resistance. In the third chapter, the degradation in soil of blend films and CA-based films was studied. Films were buried for 150 days and were studied in terms of weight loss, macro and micro changes, molecular alterations, and thermal degradation profile. The polymer mass loss was more noticeable in CA:zein blend films and in films produced through glycerol incorporation. Also, there was significant interaction between the plasticizer choice and presence of GEO: incorporation of GEO in glycerol-added films reduced the mass loss due to polymer degradation, while, when tributyrin was used, no impact was observed. FTIR spectra evidenced plasticizer loss, as well as degradation of zein in blend films and oxidation of the CA remaining hydroxyls. This study showed that the polymeric film’s degradation in soil can be dependent on the polymer matrix, the type of plasticizer, and the presence of antimicrobial agent. Overall, the present study showed that the plasticizer choice can impact on the antimicrobial property of active films, and that additives as well as the polymer type affect the degradation rate of biodegradable films. Additionally, GEO, acting as antimicrobial agent in films, did not cause homologous resistance in L. innocua cells. Keywords: Food preservation. Food Packaging. Polymers. Microbiology. Bacterial resistance. Degradation.
Polímeros biodegradáveis provenientes de fontes renováveis são investigados como potenciais substitutos dos plásticos convencionais. Neste trabalho, filmes de acetato de celulose (AC) e zeína contendo óleo essencial de alho (OEA) e diferentes plastificantes (tributirina e glicerol) foram elaborados, caracterizados e avaliados como filmes ativos em alimentos, bom como quanto à degradação em solo. No primeiro capítulo, blendas de AC e zeína foram elaboradas com os plastificantes e OEA complexado ou não com β-ciclodextrina. Blendas com tributirina apresentaram aspecto mais homogêneo. Em relação às propriedades mecânicas e barreira ao vapor de água, as blendas mostraram desempenho inferior aos filmes AC. Entretanto, em comparação ao filme quebradiço de zeína, as blendas mostraram-se mais flexíveis. Os filmes incorporados com OEA não complexado tiveram ação in vitro frente a Listeria innocua e Staphylococcus aureus. Os resultados indicam que AC e plastificantes podem ampliar o leque de aplicações de zeína na área de embalagens, e OEA atuaria como um potencial conservante natural. No segundo capítulo, filmes AC contendo OEA foram testados in vitro contra L. innocua para verificar se o contato com o filme ativo ocasionaria injúria subletal e/ou resistência homóloga ao OEA. Duas condições foram utilizadas: 7 oC por 10 dias, e 37 oC por 24 h. Os filmes também foram testados em alimento. A incubação sob baixa temperatura favoreceu a ação dos filmes, sendo verificadas reduções logarítmicas de 4,3 e 5,7 (1% e 10% de OEA, respectivamente). Além disso, 86,3% das células de L. innocua sofreram injúria subletal após 10 dias em contato com filme com 10% de OEA a 7 oC. Também não foi verificada ocorrência de resistência homóloga. Quando aplicados no alimento, a presença dos filmes ativos reduziu em quase 1 ciclo log a contagem de microrganismos. Os resultados obtidos sugerem que OEA seja um composto seguro do ponto de vista de resistência homóloga. No terceiro capítulo, as blendas e filmes de AC foram investigados quanto a degradação em solo. Os filmes foram enterradas por 150 dias e avaliadas quanto à perda de massa, alterações macro e microscópicas, alterações moleculares e perfil de decomposição térmica. Perda de massa do polímero foi mais perceptível nas blendas e nos filmes incorporados com glicerol. Houve interação significativa entre o tipo de plastificante e presença de OEA: filmes contendo OEA e glicerol tiveram menor perda de massa do polímero, ao passo que, quando tributirina foi utilizado, não foi verificada efeito do OEA. Os espectros de FTIR evidenciaram ocorrência de perda de plastificante, bem como perda de zeína, além de oxidação de hidroxilas remanescentes no AC. O estudo indicou que a degradação pode depender da matriz polimérica, do tipo de plastificante e da presença de agente antimicrobiano. De forma geral, o estudo mostrou que a atividade antimicrobiana dos filmes foi impactada pelo tipo de plastificante usado, e que os aditivos e o material polimérico influenciaram a taxa de degradação de filmes biodegradáveis. Além disso, OEA, como agente ativo em filmes, não promoveu aumento de resistência homóloga em L. innocua, o que foi desejável. Palavras-chave: Conservação de alimentos. Embalagem Microbiologia. Resistência microbiana. Degradação. de alimentos. Polímeros.
Polímeros biodegradáveis provenientes de fontes renováveis são investigados como potenciais substitutos dos plásticos convencionais. Neste trabalho, filmes de acetato de celulose (AC) e zeína contendo óleo essencial de alho (OEA) e diferentes plastificantes (tributirina e glicerol) foram elaborados, caracterizados e avaliados como filmes ativos em alimentos, bom como quanto à degradação em solo. No primeiro capítulo, blendas de AC e zeína foram elaboradas com os plastificantes e OEA complexado ou não com β-ciclodextrina. Blendas com tributirina apresentaram aspecto mais homogêneo. Em relação às propriedades mecânicas e barreira ao vapor de água, as blendas mostraram desempenho inferior aos filmes AC. Entretanto, em comparação ao filme quebradiço de zeína, as blendas mostraram-se mais flexíveis. Os filmes incorporados com OEA não complexado tiveram ação in vitro frente a Listeria innocua e Staphylococcus aureus. Os resultados indicam que AC e plastificantes podem ampliar o leque de aplicações de zeína na área de embalagens, e OEA atuaria como um potencial conservante natural. No segundo capítulo, filmes AC contendo OEA foram testados in vitro contra L. innocua para verificar se o contato com o filme ativo ocasionaria injúria subletal e/ou resistência homóloga ao OEA. Duas condições foram utilizadas: 7 oC por 10 dias, e 37 oC por 24 h. Os filmes também foram testados em alimento. A incubação sob baixa temperatura favoreceu a ação dos filmes, sendo verificadas reduções logarítmicas de 4,3 e 5,7 (1% e 10% de OEA, respectivamente). Além disso, 86,3% das células de L. innocua sofreram injúria subletal após 10 dias em contato com filme com 10% de OEA a 7 oC. Também não foi verificada ocorrência de resistência homóloga. Quando aplicados no alimento, a presença dos filmes ativos reduziu em quase 1 ciclo log a contagem de microrganismos. Os resultados obtidos sugerem que OEA seja um composto seguro do ponto de vista de resistência homóloga. No terceiro capítulo, as blendas e filmes de AC foram investigados quanto a degradação em solo. Os filmes foram enterradas por 150 dias e avaliadas quanto à perda de massa, alterações macro e microscópicas, alterações moleculares e perfil de decomposição térmica. Perda de massa do polímero foi mais perceptível nas blendas e nos filmes incorporados com glicerol. Houve interação significativa entre o tipo de plastificante e presença de OEA: filmes contendo OEA e glicerol tiveram menor perda de massa do polímero, ao passo que, quando tributirina foi utilizado, não foi verificada efeito do OEA. Os espectros de FTIR evidenciaram ocorrência de perda de plastificante, bem como perda de zeína, além de oxidação de hidroxilas remanescentes no AC. O estudo indicou que a degradação pode depender da matriz polimérica, do tipo de plastificante e da presença de agente antimicrobiano. De forma geral, o estudo mostrou que a atividade antimicrobiana dos filmes foi impactada pelo tipo de plastificante usado, e que os aditivos e o material polimérico influenciaram a taxa de degradação de filmes biodegradáveis. Além disso, OEA, como agente ativo em filmes, não promoveu aumento de resistência homóloga em L. innocua, o que foi desejável. Palavras-chave: Conservação de alimentos. Embalagem Microbiologia. Resistência microbiana. Degradação. de alimentos. Polímeros.
Descrição
Palavras-chave
Alimentos - Conservação, Alimentos - Armazenamento, Polímeros - Biodegradação, Essências e óleos essenciais
Citação
MARQUES, Clara Suprani. Development, characterization, application, and degradation of sustainable active packaging: cellulose acetate and zein films incorporated with garlic essential oil. 2022. 99 f.Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Alimentos) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2022.