Desarrollo y caracterización de recubrimientos comestibles con base en quitosano funcionalizado enzimáticamente - Zavaleta Avejar, Leonor (Universidad Autónoma Metropolitana, 2014)
Currently, there is a growing interest in sustainable polymers particularly in basic applications such as packaging, edible films and coatings which biodegrade under controlled conditions of storage in order to alleviate the growing global synthetic materials waste problem. In this regard, the chitosan and its derivatives have demonstrated great potential as biological packaging material due to its inherent antimicrobial power, non-toxic characteristics, filmforming material as well as their versatile physical and chemical properties as several researchers have highlighted in recent reviews. As a result of the interest in this biomacromolecule, a wide range of chitosan-based materials have been proposed by means of suitable chemical or enzymatic modifications onto the polymer backbone to improve its solubility in water, antimicrobial properties, flocculant capacity, absorbency and adhesiveness, while remaining biodegradable and biocompatible for potential applications in biomedicine, food or water treatment. Chemical modifications mainly consisted in the insertion of small functional groups such as alkyl, carboxymethyl, saccharides or oligosacharides for increasing the Ch solubility at neutral and alkaline pH without affecting its cationic character. Other compounds like cyclodextrins, and acids, such as p-aminobenzoic, lactobionic, sialic and polyacrylic have also been attached to confer removal capacity of textile dyes, drug delivery, wound healing, inhibition of microorganisms, antioxidant capacity and increasing hydrophilicity. Despite of the possibility to modify chitosan by chemical means, enzymatic modifications offer alternative routes, especially in products to be applied in foodstuffs due to minimized hazards associated with toxic reagents, in addition to mild and environmentally friendly reaction conditions. The enzyme grafting of hydrophobic alkyl side chains onto Chitosan has been successfully achieved in the present work using octyl gallate and horseradish peroxidase as biocatalyst. The chemical structures of the octyl gallate-grafted Ch were corroborated by ATR-FTIR, 1 HRMN, ζ potential, and amino group content, The properties of the resulting materials have been studied by rheology, Intrinsic viscosity, antioxidant capacity by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy and antimicrobial activity in order to envisage its potential applications. The antioxidant capacity of materials determined by EPR shows that in functionalized chitosans, the radical scavenging increases with grafting, which was related to the aromatic ring in the octyl gallate. The chitosan with the highest grafting exhibited an antioxidant capacity of 81%. The amino groups increased with the grafting degree, which is related to the antimicrobial activity. Solutions of the materials in acetic acid and lactic acid exhibited a shear-thinning flow behavior which also increased with the grafting. The viscoelastic properties of solutions were characterized by oscillatory shear measurement and the result showed fluid-like viscoelastic behavior. The elasticity of the solutions decreased with the plasticizer addition. The chitosan with a higher grafting degree in acetic acid solution displayed the best viscoelastic properties that offer structure and stability which are desirable for the development of films or coatings. The derivatives exhibited fungicidal activity in vitro against the phytopathogenic fungi Rhizopus stolonifer and Colletotrichum gloeosporioides. Additionally, edible films were prepared from chitosan-co-octyl gallate and characterized by gas barrier, mechanical and topological properties. Topologically edible films based on QOG2 and QOG2 glycerol has a slightly rough and porous structure, this was reflected in the increase of the mechanical and gas barrier properties, tensile strength, elongation percentage and water vapor permeability (10.33 ± 0.06 kPa, 4.11 ± 0.09 % y 6.35 ± 0.38 x 10⁻⁴ g mmh⁻¹ m⁻² kPa⁻¹ ). Regarding to the edible films it was found that the velocity of weight loss decreased compared to the control, the weight loss of the coated Anjou pears was 2%, while for the Ataulfo mangoes weight loss was 8%.; Actualmente, hay un creciente interés en los polímeros sustentables particularmente en aplicaciones básicas como el embalaje, películas y recubrimientos comestibles que se biodegradan en condiciones controladas de almacenamiento con el fin de atenuar el creciente problema de los desechos de materiales sintéticos a nivel mundial. Además se busca en éstos la baja o nula toxicidad, para el caso de películas comestibles. En este sentido, el Quitosano y sus derivados han demostrado un gran potencial como material de embalaje debido a su poder antimicrobiano inherente, baja toxicidad, material formador de película, así como sus propiedades físicas y químicas versátiles tal como lo han señalado varios investigadores en los últimos tiempos. El quitosano es un derivado desacetilado del biopolímero quitina que se encuentra principalmente en el exoesqueleto de crustáceos y en menor medida en algunos hongos. Un aspecto relevante y diferenciador del quitosano y que determina muchas de sus propiedades es el hecho de poseer grupos amino libres en sus unidades de repetición. Como resultado del interés en esta biomacromolécula, se ha propuesto una amplia gama de materiales con base en quitosano por medio de modificaciones químicas o enzimáticas sobre la cadena principal de este polisacárido para mejorar su solubilidad en agua, propiedades antimicrobianas, capacidad floculante, la absorbancia y adhesividad, sin dejar de ser biodegradable y biocompatible, para posibles aplicaciones en biomedicina, conservación de alimentos o el tratamiento de agua. Las modificaciones químicas consisten principalmente en la inserción de pequeños grupos funcionales tales como alquilo, carboximetilcelulosa, sacáridos u oligosacáridos para aumentar la solubilidad a pH neutro y alcalino sin afectar a su carácter catiónico. Otros compuestos tales como ciclodextrinas y ácidos (paminobenzoico, lactobiónico, siálico y poliacrílico) también se han utilizado para conferirle capacidad de eliminación de colorantes textiles, liberación controlada de fármacos, curación de heridas, inhibición de microorganismos, capacidad antioxidante y aumento de la hidrofilicidad. A pesar de la posibilidad de modificar este polímero por medios químicos, las modificaciones enzimáticas ofrecen rutas alternativas, especialmente cuando los materiales se aplicarán a productos alimenticios debido a que se minimizan los peligros asociados con los reactivos tóxicos, además las condiciones de reacción son suaves y amigables con el ambiente. En este sentido se realizó la inserción enzimática de cadenas alquílicas hidrofílicas en la cadena del quitosano utilizando octil galato (OG) y peroxidasa de rábano (HRP) como biocatalizador. La estructura química del compuesto quitosano-co-octil galato se corroboró por ATR-FTIR, 1 HRMN, potencial ζ, grupos aminos libres. Para predecir el potencial de aplicación del material resultante se estudiaron sus propiedades por reología, viscosidad intrínseca, capacidad antioxidante mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) y actividad antimicrobiana. La capacidad antioxidante determinada por EPR de los quitosanos funcionalizados mostró que la reducción en la intensidad de resonancia paramagnética del radical 1,1-difenil-2-picrilhidrazil (DPPH) incrementó con el grado de inserción, lo cual está relacionado con el anillo aromático del OG. El quitosano con mayor grado de inserción de OG exhibió una capacidad antioxidante hasta del 81%. Los grupos aminos incrementaron al aumentar el grado de inserción, lo cual está relacionado con mayor actividad antimicrobiana. Los materiales en solución de ácido acético o ácido láctico mostraron un comportamiento de flujo reodelgazante el cual incrementó con el grado de inserción. Las propiedades viscoelásticas de los materiales en solución se determinaron por métodos oscilatorios, los resultados mostraron un comportamiento viscoelástico de líquido. La elasticidad de las soluciones disminuyó con la adición del plastificante. El quitosano con mayor grado de inserción en solución de ácido acético tuvo propiedades viscoelásticas que le confieren estructura y estabilidad las cuales son deseables para el desarrollo de películas o recubrimientos. Los derivados tienen efecto fungistático in vitro sobre los hongos fitopatógenos Rhizopus stolonifer y Colletotrichum gloeosporioides. También se desarrollaron formulaciones para la elaboración de películas con base en los materiales obtenidos. Se caracterizó mediante propiedades de barrera, mecánicas y topológicas. Los valores de la permeabilidad al vapor de agua indican que las películas pueden ser empleadas para la conservación de frutas y vegetales. Topológicamente, las películas con glicerol presentaron una estructura ligeramente rugosa y con poros, esto se vio reflejado en las propiedades mecánicas y de barrera, así mismo se incrementó el esfuerzo a la tensión, el porcentaje de elongación así como la permeabilidad al vapor de agua (10.33 ± 0.06 kPa, 4.11 ± 0.09 % y 6.35 ± 0.38 x 10⁻⁴ g mmh⁻¹ m⁻² kPa⁻¹ ). En cuanto a las pruebas de aplicación de las películas obtenidas sobre frutos de pera D´Anjou y mango Ataulfo, se encontró que la velocidad de pérdida de peso disminuyó comparada con el control, la pérdida de peso de las peras Anjou recubiertas fue de 2 %, mientras que para los mangos Ataulfo la pérdida de peso fue 8 %.