Estudios de la migración en envases de uso alimentario

Resumo

Los envases cumplen diferentes funciones, contener los alimentos, protegerlos y preservarlos de agentes y daños externos como el oxígeno, la luz, los microorganismos, etc., mantener su calidad y seguridad y actuar como soporte para proporcionar información a los consumidores. Los materiales y tecnologías utilizados en el envasado satisfacen estas funciones; el envase juega un papel clave ayudando a proporcionar un producto nutritivo y seguro. En los últimos años la industria ha seguido buscando nuevas tecnologías que mejoren todavía más la calidad, vida útil, seguridad y trazabilidad de los productos. Entre las tecnologías más innovadoras en el área del envasado de los alimentos se encuentran los envases activos. Estos sistemas a diferencia de los envases tradicionales que deben ser lo más inertes posible están diseñados para que interaccionen activamente con el alimento o su entorno con la finalidad de mantener o mejorar su calidad y consecuentemente aumentar su vida útil. Dentro de los envases activos los sistemas activos antoxidantes han demostrado ser eficaces protegiendo a los alimentos frente a la oxidación lipídica. Estos sistemas proporcionan una cesión sostenida del aditivo antioxidante, manteniendo una concentración efectiva en el alimento a lo largo del tiempo. Otra de las innovaciones que ha atraído el interés de la industria en el campo de los materiales en contacto con alimentos es la aplicación de la nanotecnología al desarrollo de nuevos materiales de envasado con características mejoradas. Entre las aplicaciones más estudiadas se encuentran materiales con mejores propiedades barrea y mecánicas, o sistemas con propiedades antimicrobianas. Esta Tesis Doctoral está dedicada al estudio y evaluación de nuevos materiales para uso alimentario; los capítulos tres, cuatro y cinco se centran en el estudio de diferentes envases activos y los capítulos seis y siete se han dedicado a la evaluación de nuevos nanomateriales. Los capítulos tres, cuatro y cinco forman parte de la investigación llevada a cabo dentro del proyecto “Desarrollo de polímeros de impronta molecular (Molecularly Imprinted Polymers) para su aplicación en el campo alimentario” (MIPFOOD) financiado por el financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación dentro del subprograma INNPACTO. Entre sus objetivos está el desarrollo de envases activos basados en polímeros de impronta molecular para la liberación controlada de antioxidantes o antimicrobianos de forma sostenida en el tiempo. En el capítulo tercero de esta Tesis Doctoral se aborda el estudio de la cinética de liberación del ácido ferúlico desde un envase activo basado en polímeros de impronta molecular (MIPs) a diferentes simulantes alimentarios (etanol 10% 20% y 50% (v/v), ácido acético 3% (w/v) y aceite vegetal), a los sustitutos de los simulantes, isooctano y etanol 95% (v/v), también se ha evaluado la cesión del antioxidante en alimentos. Los MIPs representan una nueva clase de materiales en los que se crean artificialmente los sitios de reconocimiento específico para una determinada molécula. Son materiales biomiméticos con un comportamiento similar a los sistemas biológicos (Ej. antígeno-anticuerpo). Estos materiales se caracterizan por tener una alta afinidad y selectividad similar a la de los receptores naturales y una estabilidad superior a la que presentan las biomoléculas naturales. Su preparación es relativamente sencilla y pueden utilizarse en diferentes aplicaciones. De entre las aplicaciones una de las más novedosas es su empleo como sistemas de liberación controlada, en la mayoría de los casos para la cesión de fármacos. En este estudio se describe el desarrollo de un envase activo antioxidante basado en polímeros de impronta molecular para la liberación sostenida de ácido ferúlico. El ácido ferúlico es un compuesto ampliamente distribuido en la naturaleza que pertenece a los ácidos hidroxicinámicos. Es un potente antioxidante que posee otras propiedades biológicas interesantes como antimicrobiano y antiinflamatorio entre otras. Previamente a las cinéticas de liberación se realizaron los ensayos de migración global para verificar la aptitud alimentaria del nuevo material desarrollado con respecto a esta restricción. Los ensayos se realizaron en etanol al 10% 50% y 95% (v/v), ácido acético 3% (w/v) e isooctano, las condiciones de tiempo y temperatura fueron las siguientes, 10 días a 40 ºC para todos los simulantes excepto para el isooctano que fueron 2 días a 20 ºC. En todos los casos se obtuvieron valores inferiores al límite de 10 mg/dm2 establecido en el Reglamento (UE) no 10/2011, con lo que el material desarrollado cumpliría con la legislación de materiales en contacto con alimentos con respecto a este límite. Los ensayos para estudiar las cinéticas de liberación del ácido ferúlico se realizaron por contacto directo por ambas caras del material en el caso del roti de pollo y por inmersión en los simulantes y se llevaron a cabo a diferentes temperaturas. La cuantificación del ácido ferúlico se realizó mediante cromatografía líquida de alta resolución con detector de diodos (HPLC-DAD) utilizando una columna Kromasil ODS (C18) (150 x 3.20 mm i.d., 5 µm) termostatizada a 35 ºC y una fase móvil formada por metanol y ácido acético 0.1% el modo de elución fue en gradiente. El flujo utilizado fue de 0.5 mL/min y la longitud de onda seleccionada fue 325 nm. Se utilizó la cromatografía líquida acoplada a la espectrometría de masas con ionización por electrospray (ESI) en modo negativo, como técnica de confirmación (LC-MS/MS). En el caso de los simulantes a los tiempos predeterminados se retiraba una alicuota y después de filtrada se analizaba por HPLC, en el isooctano se evaporaba a sequedad y se redisolvía en metanol para su análisis. Para los alimentos, a diferencia de lo habitual en que la cuantificación del analito se realiza en la matriz alimentaria, en este caso se determinó en el polímero, es decir la concentración de ácido ferúlico liberado se calculó indirectamente como la diferencia entre la concentración inicial en el polímero y las concentraciones a los intervalos de tiempo preestablecidos. De esta manera se evitan los inconvenientes que conlleva trabajar con matrices complejas como los alimentos, procesos largos, laboriosos, con varios pasos, etc. Los parámetros clave del proceso de difusión (coeficientes de partición (Kp/f) y difusión (D) para los diferentes sistemas MIP-simulante y MIP-alimento se calcularon mediante un modelo matemático basado en la Segunda Ley de Fick. Los resultados obtenidos indicaron que ambos parámetros, temperatura y porcentaje de etanol del simulante afectan al proceso de difusión, así una disminución en el porcentaje de etanol del simulante dio lugar a cantidades de ácido ferúlico liberado más bajas. Con relación a los coeficientes de partición los valores más bajos se obtuvieron para el sistema MIP-etanol 95%, lo cual concuerda con los mayores porcentajes de antioxidante liberado en ese simulante. Conociendo los valores de D para las temperaturas estudiadas se aplicó la ecuación de Arrhenius con el fin de poder estimar el coeficiente de difusión a una temperatura determinada. Para los distintos sistemas MIP-simulante se calcularon la energía de activación (EA) y el factor pre-exponencial (D0). Dentro de este trabajo también se llevó a cabo la identificación de monómeros y sustancias de partida utilizadas en la síntesis de los MIPs mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS). Se utilizó una columna ZB-5 MS (30 m x 0.25 mm i.d. x 1µm film thickness). La rampa de temperatura utilizada comenzaba a 40 ºC, permanecía durante 4 min y después aumentaba a razón de 15 ºC/min hasta 150 ºC seguidamente aumentaba hasta 200 ºC a 30 ºC/min y permanecía a esa temperatura 10 min. La temperatura del inyector era 175 ºC y el modo de inyección slipt. Se adquirió en modo full scan en el rango m/z 33–300. El capítulo cuarto está dedicado al estudio y evaluación de la cinética de migración del α-tocoferol desde films activos biodegradables a simulantes alimentarios y alimentos. Los alimentos ricos en grasas son susceptibles de oxidarse, como resultado del proceso de enranciamiento u oxidación se van a producir unos olores que hacen que el producto sea inaceptable para los consumidores. Con el propósito de inhibir o retrasar el fenómeno de oxidación usualmente se incorporan aditivos en la formulación de los alimentos. Sin embargo esta práctica plantea algunos inconvenientes, tales como que son necesarias cantidades altas de aditivos y en algunos casos hay límites establecidos por la legislación, y además a concentraciones altas pueden actuar como pro-oxidantes. Los envases activos antioxidantes representan una tecnología alternativa e innovadora, estos sistemas proporcionan una cesión sostenida del compuesto activo, manteniendo la concentración efectiva a lo largo del tiempo. Los antioxidantes de origen natural están siendo ampliamente utilizados debido a una mayor aceptación por parte de los consumidores. Entre ellos el α-tocoferol ha mostrado ser eficaz retrasando la oxidación lipídica. Por otra parte el empleo de matrices poliméricas biodegradables ha atraído el interés de los investigadores y de la industria a causa de los problemas medioambientales originados por los materiales derivados del petróleo. Entre los materiales más investigados se encuentran el quitosano, ácido poliláctico (PLA), policaprolactona (PCL), etc. En este trabajo se utilizaron el quitosano y la policaprolactona como matrices biodegradables. El quitosano es un polisacárido lineal que se obtiene por deacetilación parcial de la quitina; sus propiedades, tales como biodegradable, biocompatible, no-tóxico, etc. hacen de él un excelente candidato para usos en diferentes campos, como envasado, cosmético, farmacéutico, etc. Por su parte la policaprolactona es un poliéster lineal que además de ser biodegradable destaca por propiedades como flexibilidad que lo hacen muy versátil para diversas aplicaciones. Las cinéticas de liberación se estudiaron en diferentes simulantes alimentarios y sustitutos de éstos (etanol 50% y 95 % (v/v) e isooctano), como alimento se eligió la mantequilla, a diferencia del capítulo anterior las cinéticas de α-tocoferol en las muestras de alimento se hicieron por contacto de una sola cara. La determinación de α-tocoferol se realizó por un método de cromatografía líquida en fase reversa. La separación se llevó a cabo en una columna Kromasil ODS C18 (25 x 0.32 cm, 5 μm particle size) termostatizada a 35 ºC y utilizando metanol como fase móvil. El flujo y volumen de inyección fueron respectivamente 0.5 mL/min y 20 µL. La detección se realizó a 292 nm. El método presentó una buena linealidad dentro del rango de concentraciones estudiado (0.02-10 mg/L) y una adecuada sensibilidad (LOD 0.10 mg/L). Se evaluaron films con diferente composición, sin PCL y con 10% o 20% de PCL; con respecto a la difusión de α-tocoferol se observó que la adición de PCL no producía diferencias, lo cual puede probablemente deberse a la baja proporción de PCL en comparación con la de quitosano. Los niveles mayores de concentraciones de α-tocoferol se detectaron en etanol 95% (v/v). No se observó migración del α-tocoferol en isooctano al nivel de cuantificación. Este comportamiento puede estar relacionado con el hinchamiento de los films cuando están en contacto con mezclas de etanol y agua lo cual va a provocar cambios en la conformación del polímero que favorece la liberación del antioxidante. Contrariamente esto no ocurre cuando está en contacto con el isooctano. Los films también se evaluaron con muestras de mantequilla, como se comentó anteriormente la cantidad de α-tocoferol se calculó indirectamente, determinando la cantidad remanente en el film. Al igual que en el caso del isooctano se observó una difusión insignificante lo cual también podría explicarse porque los cambios conformacionales en el polímero son mínimos. En general, los resultados indican que la migración era más rápida y más extensa en el simulante etanol 95% (v/v) y como cabía esperar el coeficiente de difusión aumentaba con la temperatura. Los films desarrollados podrían utilizarse como envases activos para inhibir o retrasar la oxidación lipídica y de esta manera aumentar la vida útil de los alimentos envasados. El quinto capítulo ha consistido en la evaluación de la eficacia de absorbedores de oxígeno para su aplicación en envases destinados a contener mantequilla. El oxígeno es una de las principales causas del deterioro de los alimentos. Es responsable de procesos que ocurren en los alimentos tales como la oxidación de grasas, pérdida de nutrientes sensibles al oxígeno (Ej. vitaminas C, E, A, ácidos grasos insaturados, etc.), decoloración de ciertos productos (Ej. carne, algunos vegetales, té etc.), además de favorecer el crecimiento de mohos, levaduras y bacterias aeróbicas. Para inhibir o retardar los efectos adversos del oxígeno se han utilizado diferentes estrategias como el envasado a vacío o en atmósfera modificada sin embargo con estos sistemas no se consigue eliminar completamente el oxígeno residual. Más recientemente los absorbedores de oxígeno, han surgido como una alternativa eficaz que permite reducir la concentración de oxígeno en alimentos envasados hasta niveles inferiores a 0.01%. Estos sistemas se pueden aplicar solos o en combinación con otras tecnologías como el envasado a vacío o en atmósferas modificadas, con ellos se reduce o elimina la necesidad de utilizar aditivos conservantes y antioxidantes. En el experimento llevado a cabo se testaron dos presentaciones comerciales diferentes de absorbedores de oxígeno: etiquetas adhesivas ATCO OS 200, y saquitos ATCO LH 200 ambos presentan la misma composición, consistente en sales ferrosas. En el caso de las etiquetas adhesivas necesitan una humedad relativa alta 85 % para ejercer su función mientras que en el caso de los saquitos no es necesaria una humedad relativa alta para funcionar. Ambos sistemas garantizan un mínimo de absorción de 200 mL de oxígeno antes de agotar su capacidad. Se diseñó un ensayo para evaluar la eficacia de estos sistemas en eliminar el oxígeno residual en latas destinadas a contener un tipo de mantequilla, especialmente sensible a la oxidación debido a su composición relativamente alta en ácidos grasos poliinsaturados particularmente en ácidos grasos ω3 y en ácido linoleico conjugado (CLA) en comparación con las mantequilla comunes. Las latas utilizadas tenían una capacidad de 250 mL, también se evaluaron dos tipos de tapas con y sin cierre ajustable. Para realizar las mediciones del oxígeno residual se utilizó un analizador de gas PBI Dansensor Check Mate 9900 O2/CO2. En una primera serie de ensayos se evaluaron las etiquetas adhesivas para ello en la cara interna de las tapas se pegaron las etiquetas, a todas las tapas se les realizó una pequeña perforación y se les pegó un septum por donde se harían las medidas. Las latas se llenaron con 200 mL de agua que simulaba el volumen ocupado por la mantequilla, dos veces al día se abrían las latas y se retiraban 25 mL simulando el consumo habitual, y el aumento de volumen en el espacio de cabeza debido al consumo gradual de la mantequilla. Durante el ensayo los envases se almacenaban a 5 ºC. Paralelamente se testaron los saquitos; en este caso en la lata se colocaron arandelas de vidrio en el interior de la lata sobre las que se colocaron los saquitos absorbedores para de este modo evitar el contacto directo con el agua. Los resultados obtenidos indicaron que los saquitos eran más eficientes que las etiquetas adhesivas en la eliminación del oxígeno a lo largo del tiempo, con los primeros se consiguieron valores inferiores a 3% durante 150 h. Es interesante señalar que estas condiciones cubrirían el período de consumo del envase de mantequilla. Por otra parte también se observó que las concentraciones de oxígeno más bajas se detectaban en los envases con tapas ajustables lo que sugiere que el tipo de tapa así como la permeabilidad de los materiales son factores importantes que hay que tener en cuenta. Estos sistemas han demostrado que son eficaces en reducir los niveles de oxígeno en los envases de mantequilla y pueden ser una buena opción para proteger la mantequilla de la oxidación y de esta forma extender la vida comercial. En los capítulos sexto y séptimo se describe un procedimiento analítico para la determinación de los coeficientes de partición de varios migrantes modelo entre diferentes materiales. En el capítulo sexto se determinaron los coeficientes de partición de los analitos seleccionados entre el polietileno de baja densidad (LDPE) y el propileno (PP) y el LDPE y “nanocomposites” de polipropileno (naPP) y en el capítulo séptimo los ensayos se llevaron a cabo con LDPE y poliamida (PA) y LDPE y “nanocomposites" de poliamida (naPA). Los nanomateriales están siendo objeto de numerosas investigaciones, estos materiales se caracterizan porque los propios materiales o alguno de sus componentes tienen al menos una dimensión, del orden de 100 nm o menos. En la escala 1-100 nm los materiales exhiben unas propiedades físicas y químicas que son significativamente diferentes de las propiedades que poseen esos mismos materiales a escala macro. Una de las aplicaciones que ha despertado gran interés en el área del envasado alimentario es el desarrollo de nuevos materiales con propiedades mejoradas para su uso como materiales en contacto con alimentos. Desde el punto de vista de la seguridad química de los materiales es interesante señalar que la presencia de nanopartículas en la matriz polimérica puede tener influencia sobre el proceso de migración desde el envase al alimento de determinadas sustancias, con efectos negativos para la salud del consumidor. En el estudio que se describe en los capítulos sexto y séptimo como migrantes modelo se seleccionaron las siguientes substancias: 1,4-difenilbutadieno (DPBD), triclosan, benzofenona, difenil ftalato, (DPP), isopropiltioxantona (ITX), butilhidroxitolueno (BHT), Uvitex OB, y bisfenol A (BPA). Las substancias elegidas tienen propiedades físico-químicas diferentes y se utilizan comúnmente en la fabricación de materiales de envasado. Así por ejemplo la benzofenona y el ITX son fotoiniciadores, el DPP es un plastificante, y el BHT es un aditivo antioxidante. La incorporación de los migrantes modelo en los films de LDPE se realizó mediante extrusión. Para llevar a cabo los ensayos para la determinación de los coeficientes de partición, los films de LDPE aditivados se pusieron en contacto con una de las caras de los otros materiales, PP, naPP, PA o naPA, el conjunto se envolvió en papel de aluminio se introdujo en el interior de una bolsa de plástico y se incubó bajo unas condiciones de tiempo y temperatura determinadas. Las temperaturas de ensayo fueron 60 y 80 ºC. Los analitos se extrajeron desde los materiales con etanol; las condiciones del proceso de extracción fueron 70 ºC y 6 h. La determinación se realizó por HPLC con detectores de FLD y DAD, se optimizaron tres gradientes de elución. Para el análisis de benzofenona, DPBD y Uvitex OB la elución se llevó a cabo utilizando una fase móvil compuesta por agua Milli-Q y una solución de tetrahidrofurano (THF) 30% en metanol. Las longitudes de onda seleccionadas fueron 256 nm para la benzofenona 330 nm para el DPBD y 372 nm para el Uvitex OB. Para el DPP, ITX y BHT se empleó un gradiente de acetonitrilo (ACN) y agua Milli-Q. El DPP y el BHT se determinaron utilizando el detector de diodos (DAD) a una longitud de onda de 205 nm y en el caso del ITX se usó el detector de fluorescencia (FLD), las longitudes de onda seleccionadas fueron em 410 nm, ex 250 nm. Para el análisis del triclosan y BPA el gradiente utilizado también estaba formado por de ACN y agua Milli-Q, la detección se realizó por DAD para el triclosan (205 nm) y FLD para el BPA (em 305 nm, ex 225 nm). La separación se llevó a cabo en los tres casos utilizando una columna Kromasil ODS C18 column (25 x 0.32 cm I.D., 5 μm particle size) termostatizada a 30 ºC. El flujo empleado era de 0,5 mL/min. En los estudios llevados a cabo con PP y naPP, los migrantes modelo, benzofenona, DPP, DPBD, BHT, ITX y, triclosan presentaron un KLDPE/PP próximo a 1, lo cual era de esperar debido a la composición del LDPE Y PP, en el caso del Uvitex OB y BPA, el equilibrio aún no se había alcanzado a la finalización del ensayo 60 ºC (70 días) o 80 ºC (60 días). El peso molecular, estructura química y propiedades fisicoquímicas como la polaridad, solubilidad, etc. de los migrantes así como el material del envase son factores importantes que afectan al coeficiente de partición. Por otra parte, el empleo de naPA en los materiales de envasado en vez de la poliamida convencional puede resultar interesante desde el punto de vista de la seguridad alimentaria ya que con ellos se puede afectar a la solubilidad de sustancias de distintos rangos de peso molecular y polaridad Palabras clave: Polímeros de impronta molecular; Modelado de la migración; Nuevos materiales para el envasado alimentario.