Development of cellulose-based sustainable and smart food packaging films

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Romão, Sofia Isabel Jacinto
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/63229
Resumo: Tese de mestrado, Qualidade Alimentar e Saúde, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling Development of cellulose-based sustainable and smart food packaging filmsCellulose acetateCranberry extractsActive and intelligent filmsFood packagingTeses de mestrado - 2022Ciências da SaúdeTese de mestrado, Qualidade Alimentar e Saúde, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.As embalagens desempenham um papel importante no que diz respeito à qualidade e segurança dos alimentos, especialmente para reduzir o seu desperdício e deterioração. A principal desvantagem é que a indústria das embalagens é uma das que mais utiliza plástico. O uso de plástico tem recebido especial atenção devido ao seu consumo excessivo e impactos ambientais que acarreta. Assim, novas alternativas às embalagens plásticas convencionais têm sido desenvolvidas como, por exemplo, embalagens à base de biopolímeros. As embalagens ativas e inteligentes capazes de incorporar agentes antimicrobianos e antioxidantes, e também indicadores de qualidade, têm emergido como novas abordagens, de forma a melhorar as propriedades das embalagens e prolongar a vida útil dos alimentos. Nos últimos anos, os frutos vermelhos têm sido destacados pelo seu elevado conteúdo em compostos bioativos. O arando, especificamente, tem sido associado a vários benefícios para a saúde humana tais como prevenção de infeções do trato urinário, de danos oxidativos, de doenças cardiovasculares e ainda inflamações. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um filme à base de acetato de celulose com extratos de arando, destinados à aplicação de embalagens alimentares, e estudar as suas propriedades antimicrobianas, antioxidantes e antibiofilme, bem como a sua sensibilidade a alterações de pH. Desta forma, o trabalho foi dividido em três partes fundamentais: i) extração de compostos bioativos e a sua caracterização; ii) desenvolvimento de filmes biodegradáveis à base de celulose e a sua caracterização; iii) funcionalização dos filmes de celulose com a incorporação dos extratos de arando. O estudo começou pela determinação do conteúdo total em compostos fenólicos, da capacidade antioxidante (método de sequestro de radicais livres DPPH), das propriedades antimicrobianas (Concentração Inibitória Mínima (CIM) e Concentração Inibitória Mínima de Biofilme (CIMB)) e da sensibilidade a variações de pH dos extratos de arando provenientes de duas fontes diferentes, arando em pó e arando fresco. Em seguida, os filmes à base de celulose foram desenvolvidos, otimizados e caracterizados através de diversas análises, tais como avaliação do grau de molhabilidade, análise da superfície por microscopia eletrónica de varrimento, avaliação das propriedades de barreira à luz, avaliação dos espetros dos filmes por espectroscopia no infravermelho e determinação da permeabilidade ao vapor de água. Após a incorporação dos extratos de arando, as propriedades antimicrobianas dos filmes foram testadas através de ensaios como o método de difusão em agar e avaliação da viabilidade celular pelo método da resazurina, e as propriedades antibiofilme foram avaliadas através da observação de imagens ao microscópio eletrónico de varrimento. Os resultados mostraram que os dois extratos de arando apresentaram propriedades antioxidantes. O conteúdo fenólico total dos extratos variou de 49.9 ± 1.9 a 226.5 ± 22.5 mg Ácido Gálico eq/ g de extrato de arando, sendo que o extrato de arando em pó apresentou o valor mais elevado. Através do método de sequestro de radicais DPPH, o extrato de arando em pó apresentou a maior capacidade de sequestrar radicais livres, exibindo a maior atividade antioxidante. Os extratos também apresentaram capacidade antimicrobiana contra Staphylococcus aureus ATCC 25923 e Enterococcus faecalis NCTC 12697. Ambos os extratos apresentaram atividade contra S. aureus com uma CIM de 3,1 mg/mL, no entanto, o extrato de arando fresco foi o que apresentou maior atividade contra E. faecalis com uma CIM de 1,6 mg/mL, enquanto o extrato em pó apresentou uma CIM de 3,1 mg/mL. Após expor os extratos de arando a diferentes pH, verificou-se o seu potencial como um corante inteligente. Assim, os extratos de arando fresco e em pó foram considerados adequados para a incorporação em filmes. Para a preparação dos filmes, filmes de acetato de celulose (CA) foram desenvolvidos com a adição do plastificante glicerol (GLY). Após a otimização dos filmes, a formulação selecionada foi CA 5% (m/V) com GLY 1% (m/V). Os extratos de arando foram adicionados em três diferentes concentrações (25, 50 e 75 mg/mL), e apresentaram uma tonalidade vermelha, que diferiu entre os extratos e com o aumento da sua concentração. Quanto ao parâmetro espessura, nem a adição de glicerol nem a adição dos extratos influenciou a espessura dos filmes. Por outro lado, a hidrofobicidade dos filmes, avaliada através do ângulo de contacto entre a gota de água e a superfície do filme, foi influenciada pela adição de glicerol e dos extratos. Ambos fizeram com que os filmes se tornassem mais hidrofílicos. Quanto às propriedades de barreira à luz, os filmes incorporados com extratos tornaram-se mais opacos, diminuindo a transmissão da luz, e permitindo assim a proteção dos alimentos contra certos fatores como a oxidação e alterações de sabor, cor ou valores nutritivos. Em relação à atividade responsiva ao pH, os filmes mudaram de cor sob diferentes valores de pH, demonstrando a sua atividade inteligente. Através da avaliação das propriedades mecânicas, os resultados obtidos mostraram que após a incorporação dos extratos de arando, a rigidez dos filmes diminuiu (7.0 ± 0.00 para 2.0 ± 0.00 Pa), tornando-os mais flexíveis. A atividade antimicrobiana dos filmes incorporados com extratos foi avaliada para verificar se as propriedades dos extratos se mantinham aquando da sua incorporação nos filmes. Os resultados dos diâmetros dos halos de inibição demonstraram que todos os filmes com extratos inibiram o crescimento da bactéria S. aureus quando comparados com os filmes sem extrato, promovendo halos de 5.52 ± 0.28 a 6.73 ± 0.39 mm. No entanto, contra a bactéria E. faecalis, apenas os filmes com a concentração mais elevada de extrato (75 mg/mL) apresentaram um efeito inibitório. A partir dos ensaios da viabilidade celular e da observação das imagens ao microscópio eletrónico de varrimento, foi também possível verificar que os filmes com 75 mg/mL de extratos apresentaram maior redução na formação de biofilme pelas bactérias referidas. Deste modo, os filmes incorporados com 75 mg/mL de extrato de arando fresco ou em pó foram considerados os mais adequados para o desenvolvimento dos filmes. O conteúdo fenólico dos filmes selecionados foi testado, sendo que os filmes com extrato de arando em pó apresentaram maior conteúdo fenólico (160.4 ± 30.3 mg GA eq/g extrato) do que os filmes com extrato de arando fresco (19.2 ± 8.1 mg GA eq/g extrato), o que provou que a produção dos filmes não comprometeu a presença dos compostos antioxidantes. Foi também demonstrado que a incorporação dos extratos de arando não influenciou a permeabilidade ao vapor de água destes filmes. De um modo geral, os resultados apresentados neste estudo revelam o potencial do desenvolvimento de filmes de extrato de arando com propriedades antimicrobianas, antioxidantes e antibiofilme, e ainda a sua capacidade de mudar de cor a diferentes pH. Desta forma, os resultados apontam para uma possível aplicação em embalagens alimentares ativas e inteligentes. O desenvolvimento destas embalagens é cada vez mais importante na indústria alimentar, para assegurar a qualidade do produto e a segurança do consumidor, prevenindo a contaminação dos produtos através da redução e inibição do crescimento de microrganismos, e informando o consumidor acerca das condições ambientais do produto embalado. Mais estudos devem ser realizados para o aperfeiçoamento das propriedades dos filmes, nomeadamente a melhoria das propriedades mecânicas e reforço da atividade antimicrobiana através da combinação com outros compostos antimicrobianos. Novos estudos devem igualmente ser feitos relativamente ao comportamento destes filmes no contacto direto com produtos alimentares.Packaging can be crucial to food quality and safety, especially regarding waste and spoilage reduction. The main drawback is that the packaging industry is heavily reliant on plastic. Because of its environmental impacts, new alternatives to conventional plastic packaging, such as biopolymers-based, are required. Active and intelligent packaging, which can incorporate antimicrobial and antioxidant agents, as well as freshness indicators, has provided new approaches for extending shelf-life and improving packaging properties. Cranberries are suggested to have several health benefits due to their high phenolic content. Thus, this work aimed to develop a cellulose acetate-based film with cranberry extracts intended for food packaging and to investigate the film's antimicrobial, antioxidant, and antibiofilm properties, as well as its sensitivity to pH variations. Results showed that the two cranberry extracts (i.e., powdered and fresh cranberry) presented antioxidant properties. The total phenolic content ranged from 49.9 ± 1.9 to 226.5 ± 22.5 mg GA eq/g extract, with powdered extract having the highest result. According to the DPPH radical scavenging method, the powdered cranberry had the highest scavenging activity. From the Minimum Inhibitory Concentration (MIC) and Minimum Biofilm Inhibitory Concentration (MBIC), both extracts showed antimicrobial properties against Staphylococcus aureus ATCC 25923 and Enterococcus faecalis NCTC 12697. The cranberry extracts’ potential to be used as an intelligent dye was also verified. Once fresh and powdered cranberry extracts were discovered to be suitable for incorporation into films, those were developed and tested. Cellulose-cranberry films demonstrated to be less rigid and more hydrophilic than the control films. Additionally, films' light-barrier properties were improved, increasing opacity while decreasing transparency. When compared to films without extracts, the films demonstrated antimicrobial properties against S. aureus and E. faecalis as well as a reduction of S. aureus and E. faecalis biofilm formation. These properties improved as cranberry extract concentration increased. Regarding pH-responsive activity, the films changed their color under different pH values which can be an added value considering their importance to detect the products' freshness. Overall, the research revealed the potential of cellulose-based cranberry extract films to improve active and intelligent food packaging.Portuguese government, Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT).Silva, Isabel Alexandra Caldeira Ribeiro Monge daBettencourt, Ana Francisca de Campos SimãoRepositório da Universidade de LisboaRomão, Sofia Isabel Jacinto2022-12-132022-11-252025-12-13T00:00:00Z2022-12-13T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/63229TID:203199057enginfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-03-11T01:18:54Zoai:repositorio.ul.pt:10451/63229Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T03:14:24.119506Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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