Effect of processing methods and onion peel on gas barrier, physicochemical, and mechanical properties of starch-based bioplastics

Abstract

Food waste is a concerning problem which has a negative impact on the environment and on society. Therefore, there is a big responsibility and awareness to reduce food waste production, but also to find alternatives to add value to these wastes. Agrifood byproducts are a potential source of compounds to produce bioplastics, such as starch-based films. Furthermore, being a waste valorization, they do not represent any competition to the food industry and end-products while minimizing our dependency on petrochemical-based polymers and thus, strength the concept of circular economy. In this work, starch-based films with the incorporation of onion peel powder (OP) were developed. These films barrier properties made by different processing techniques, namely solvent casting and thermomechanical mixing followed by hot-pressing were further evaluated. In addition, the influence of the additive concentration and the processing techniques on the chromatic, physicochemical, mechanical, and antioxidant properties were studied. The starch-based films from solvent casting showed a heterogeneous distribution of the OP particles, while, those made by hot-pressing, a homogeneous distribution. With the incorporation of OP, in both techniques, the developed films present a yellowish coloration and increased hydrophobicity. Furthermore, only the films made by solvent casting kept their characteristic transparency. In the solvent casting technique, the incorporation of the OP increased the rigidity of the films, while in the thermomechanical technique, the films were more flexible and stretchable and had a lower tensile strength. In both techniques, with the increase of the OP concentration, the antioxidant activity increased, with the hot-pressing films presented higher antioxidant activity. For the barrier properties of the starch-based film, the water vapour transmission rate (WVTR) decreased for the films made by solvent casting while no significant variation is observed for the films made from hot-pressing. For O₂, CO₂ and N₂ permeability, only for O₂ and CO₂ permeability was observed only for the films made by solvent casting with 20 wt% of OP. (3.20·10ˉ⁷ barrer and 9.68·10ˉ⁹ barrer, respectively). The starch-based films with the incorporation of OP, in both techniques, had shown promising characteristics for the food packaging application, having good barrier properties, improved mechanical properties, stability in the presence of water, and high antioxidant activity.

O desperdício alimentar é um grande problema que tem um impacto negativo no meio ambiente e na sociedade. Desta forma, há uma grande responsabilidade e consciencialização em reduzir a produção de desperdício alimentar bem como, em encontrar alternativas para valorizar esses desperdícios. Os subprodutos agroalimentares apresentam-se como uma fonte potencial de compostos para a produção de bioplásticos, como os filmes à base de amido. Por outro lado, apresentando-se como uma valorização de um resíduo, não representam qualquer competição para a indústria alimentar enquanto minimizam a dependência de produtos petroquímicos fortalecendo assim, o conceito de economia circular. Neste trabalho, foram desenvolvidos filmes à base de amido com a incorporação de pó de casca de cebola (OP). São estudadas as propriedades de barreira dos filmes com diferentes concentrações do aditivo OP desenvolvidos por diferentes técnicas de processamento, nomeadamente evaporação do solvente e mistura termomecânica seguida da termocompressão. Foram ainda estudadas as propriedades cromáticas, físico-químicas, mecânicas e antioxidantes em função da concentração do aditivo e da técnica de processamento. Os filmes à base de amido feitos por evaporação do solvente apresentam uma distribuição heterogénea das partículas de OP, enquanto os filmes de mistura termomecânica uma distribuição homogénea. Com a incorporação de OP, em ambas as técnicas, os filmes apresentam uma coloração amarelada e aumentam a sua hidrofobicidade, no entanto, apenas na técnica de solvente casting os filmes continuaram com a sua transparência característica. Na técnica de evaporação do solvente, a incorporação do OP aumenta a rigidez dos filmes, enquanto na técnica de mistura termomecânica, os filmes mostram-se mais flexíveis e esticáveis e com menor resistência à tração. Em ambas as técnicas, com o aumento da concentração de OP, a atividade antioxidante aumenta, sendo que os filmes da técnica de mistura termomecânica têm uma maior atividade antioxidante. Para as propriedades de barreira dos filmes à base de amido, a taxa de transmissão de vapor de água (WVTR) diminuiu para os filmes obtidos por evaporação do solvente enquanto para os filmes por mistura termomecânica não se observou uma variação significativa com o aumento da concentração de OP. Para a permeabilidade ao O₂, CO₂ e N₂ apenas ocorrer permeabilidade do O₂ e CO₂ nos filmes feitos por evaporação de solvente com 20 wt% de OP, tendo uma permeabilidade de 3.20·10ˉ⁷ barrer e 9.68·10ˉ⁹ barrer, respetivamente. Os filmes termoplásticos de amido com a incorporação do pó de casca de cebola, em ambas as técnicas, mostraram características promissoras para aplicação em embalagens alimentares, apresentando boas propriedades de barreira, melhores propriedades mecânicas e estabilidade na presença de água e alta atividade antioxidante.