Active and intelligent bionanocomposites for food packaging

Abstract

A produção de plásticos, baseados no uso de combustíveis fósseis, está a aumentar e estima-se que esta tendência continuará no futuro com impactos ambientais consideráveis. Os bioplásticos são uma alternativa amiga do ambiente. Biopolímeros como quitosana já foram adotados com sucesso para produzir bioplásticos que agem como substitutos do plástico em embalagem. A quitosana foi selecionada devido às suas numerosas vantagens para embalagem alimentar, principalmente devido às suas atividades antioxidantes e antimicrobiana. Por outro lado, o dióxido de titânio foi selecionado como aditivo devido à sua capacidade de retirar oxigénio do ambiente e devido à possibilidade de poder ser facilmente funcionalizado para a formação de um sensor. Isto permitiria a formação de uma embalagem ativa e inteligente na proteção do alimento. Assim, nanopartículas homogéneas arredondadas e monofásicas de anatase de dióxido de titânio (TiO2) foram usadas para melhorar os filmes de quitosana, criando um bionanocompósito. Estas nanopartículas de TiO2 foram produzidas por síntese hidrotermal, tendo sido otimizadas as condições de síntese, como a temperatura e tempo, para selecionar as condições que originam as nanopartículas com as caraterísticas desejadas. As condições escolhidas para a produção do TiO2 foram 200 ºC e 2,5 h devido ao tamanho, dispersão e tipo de nanoparticulas de TiO2 produzidas. Os filmes de quitosana foram preparados com cerca de 9 mg de nanopartículas de TiO2. Para criar uma embalagem ativa e inteligente compostos fenólicos (principalmente antocianinas) de arroz preto (Oryza sativa L. Indica) foram adicionados para funcionalizar o TiO2 (4,1 mg de extrato por filme). Os filmes foram caracterizados em relação à sua atividade antioxidante, humidade, solubilidade, hidrofobicidade da superfície e propriedades mecânicas. Os melhores resultados foram obtidos nos filmes com nanopartículas e compostos fenólicos e foi demonstrado que a forma como cada componente é adicionado altera as suas propriedades. Os melhores resultados foram o aumento da atividade antioxidante, diminuição da solubilidade e da elasticidade, elongação e resistência à tração no filme composto por pigmento e TiO2,. No entanto nestes últimos três parâmetros, a sua diminuição pode ser um aspeto positivo ou negativo dependendo das propriedades desejadas para o filme e o produto alimentar a embalar

Plastic production based in fossil fuels is rising, and predictions supports it continuous and enhanced use, with consequent environmental damage. Bioplastics are an environmentally friendly alternative. Biopolymers as chitosan have already been successfully used to produce bioplastics that act as plastic substitutes in packaging. Chitosan was chosen for its numerous advantages for food packaging namely due to its antioxidant and antimicrobial activities. On the other hand, TiO2 was selected due to its oxygen scavenging ability and due to its possibility to be easily functionalised to create a sensor. This would allow the construction of an active and intelligent packaging for food protection. Thus, monophasic anatase homogeneous round-shaped nanoparticles of titanium dioxide (TiO2) were used as filler to improve the chitosan films, creating a bionanocomposite. These TiO2 nanoparticles were produced via a hydrothermal method and its synthesis was optimized testing various reaction times and temperatures to find the conditions that create TiO2 nanoparticles with the desired features. The conditions used for the chosen TiO2 were 200 ºC and 2.5 h due to the size, dispersion and TiO2 of the nanoparticles produced. The chitosan films were prepared with about 9 mg of TiO2 nanoparticles. To develop an active and intelligent food packaging, phenolic compounds (mainly anthocyanins) from black rice (Oryza sativa L. Indica) were used to functionalise the TiO2 (4.1 mg of extract in each film). The films were characterised regarding its antioxidant activity, humidity, solubility, surface hydrophilicity and mechanical properties. The best results were from films with both nanoparticles and phenolic compounds, and it was established that the order in which they are added alters its properties. The more notable improvements are an increase in antioxidant activity and a decrease in solubility, elasticity, elongation and tensile strength in the film containing pigment and TiO2. However, the reduction of the later three properties can either be positive or negative, it depends on desired properties for the film for a chosen food product