A new active and antimicrobial package for preservation of vegetables
[ENG] The food packaging industry is demanding new packages able to improve the quality of the packed products. In this regard some of the problems to be solved are the recyclable and compostable character of the materials, the antimicrobial properties of some substances to be involved in the packaging system and the optimum control of the internal atmosphere in the package. As a solution for these problems a new flow-pack active packaging design was proposed to be developed in this investigation, based on Polylactic acid (PLA)-coated cardboard trays, with some active substances embedded into this coating (plant essential oils and gases scavengers) and the suitable wrapping film. The antimicrobial effect of this new package was studied using plant essential oils embedded in the inner coating of the cardboard tray. Essential oils are aromatic and volatile liquids extracted from plants. The chemicals in essential oils are secondary metabolites, which play an important role in plant defense, as they often possess antimicrobial properties. The interest in essential oils and their application in food preservation have been amplified in recent years by an increasingly negative consumer perception of synthetic preservatives. Furthermore, food-borne diseases are a growing public health problem worldwide, calling for more effective preservation strategies. The antibacterial properties of essential oils and their constituents have been documented extensively. The main obstacle for using essential oil constituents as food preservatives is that they are most often not powerful enough as single components, and they cause negative sensorial effects when added in sufficient amounts to provide an antimicrobial effect. Exploiting synergies between different essential oils has been suggested as a solution to this problem. The effect of them in antimicrobial packaging systems has been little studied. Because of the latter the proposal for this research was the use of a combination of vanillin, and essential oils of clove, cinnamon and thyme as antimicrobials in the new model of package. Cardboard trays coated with a film of PLA were studied in order to obtain a new active packaging friendly with the environment. During this investigation the PLA showed active properties in relation with the control of the internal atmosphere of the package used to storage “Cherry” tomatoes. This polymer belongs to the family of aliphatic polyesters commonly made from α-hydroxy acids, which include polyglycolic acid or polymandelic acid, and are considered biodegradable and compostable. PLA is a thermoplastic, high-strength, high-modulus polymer that can be made from annually renewable resources to yield articles for use in either the industrial packaging field or the biocompatible/bioabsorbable medical device market. It is easily processed on standard plastics equipment to yield molded parts, film, or fibers. In addition, it can be used for food contact and are generally recognized as safe (GRAS). PLA is degraded by simple hydrolysis of the ester bond and does not require the presence of enzymes to catalyze this hydrolysis. The rate of degradation is dependent on the size and shape of the article, the isomer ratio, and the temperature of hydrolysis. Ethylene has diverse and significant effects on plant physiology. These are usually negative for the quality and shelf life of most horticultural products since this gas accelerates maturation and senescence. Modifications of the atmosphere inside the package can decrease O2 and increase CO2 in its interior, which allows the respiration and the production of ethylene by the fruit in the packaging to be reduced. O2 and CO2 modified atmosphere packages have been positively used to preserve fresh-cut tomatoes from damages. Also absorbent substances held on various inert support materials are commonly used to remove ethylene in various postharvest situations. Potassium permanganate (KMnO4) is usually used for this purpose, being added to different absorbent materials such as activated carbon, silica gel, aluminum oxide, and clay minerals like sepiolite, to complement the properties of the active packaging. For all the above the experimental design of this investigation consisted in the following research lines: - The study of antimicrobial activity of the plant essential oils, individually and combinations of them, “in vitro” and in a food model system. - Characterization of physical and water barrier properties, for the PLA-coated cardboard, with or without some gasses scavengers. - Assesment of the practical application of the latter results in a new active packaging design with ethylene adsorption and antimicrobial characteristics. This evaluation was performed using as model food “Cherry” tomatoes. The present work has yielded some interesting results for the packaging industry. The use of vanillin and the essential oils of clove, thyme and cinnamon showed effective antimicrobial activity against L. monocytogenes and E. coli O157:H7 “in vitro” and in the tested food model system at the concentrations used as food flavouring agent. The application of these substances in the PLA coating films has shown antimicrobial activity against the target strains studied in this work. Mixtures of plant essential oils of clove, thyme and cinnamon leaves with vanillin also inhibited the growth of L. monocytogenes showing a marked synergistic effect. It could be reasonable to use these mixtures to lower the individual sensorial impact on the packed food and to enlarge the spectrum of sensitive microorganisms to this antimicrobial activity. The physical properties (thickness, weight, smoothness) and water barrier properties of PLA-coated cardboard (Water vapor permeability (WVP), Water absorptivity (WA), wetting energy (WE), and contact angle (CA)) showed an improvement of impermeability. The use of clays additives (Clinoptinolite, Sepiolite, or Sepiolite- Permanganate) reported as gasses scavengers increased the water affinity of PLAcoated paperboard but not as much as the uncoated samples. The embedding of those clays additives in the PLA coating film helps to control the humidity in the internal atmosphere of the package. These results represent an advantage for the manufacture of cardboard trays with improved humidity behavior. The compostable and environmentally friendly nature of PLA amplifies these advantages. The best results were obtained for PLA 2% alone or with Clinoptinolite 1.5% or with 1% of Sepiolite Permanganate, these conditions were the most effective in increasing the water barrier properties of cardboard. These coatings are suitable for use in cardboard trays for the packaging, storage, and transport of foods such as fresh fruit and vegetables. The PLA coating on the inside of the cardboard trays has demonstrated a very significant effect on the adsorption of ethylene and water vapour, and can be used in active packaging systems intended to “Cherry” tomatoes to regulate both factors. When this new active packaging design is applied to the preservation of “Cherry” tomatoes it is shown that in early stages of storage, there is a little production of water vapour and a high production of ethylene, which is adsorbed in the PLA layer. In later stages, ethylene production in tomatoes falls and water vapour production increases, so that ethylene may be exchanged for water vapour in the PLA layer, allowing the progressive exit of small amounts of ethylene through the wall of the thin LDPE wrapping film. Passive modified atmosphere packaging in combination with active packaging using PLA-coated cardboard trays wrapped with thin LDPE film has significantly extended the shelf life of fresh tomatoes. This is a good solution for fresh tomato packaging compared with packaging systems using trays wrapped with macroperforated films because microbial safety is better, while ethylene concentration inside the package is controlled at the same time. In addition, with the studied active packaging system, there is a considerable saving of energy during the storage and distribution of fresh tomatoes, as the storage temperature is 20° C, much higher than the storage temperatures usually used with modified atmosphere packaging. As a result of this thesis work, a new active packaging system has been patented. This system is based on PLA-coated cardboard trays, wrapped and thermo-sealed with LDPE film (20 μm thickness), which allows to prolong the shelf life of fresh vegetables. Some claims of this patent consider the addition of clays additives and plant essential oils to the PLA coating film in order to enhance the preservation of the packed food, acting as gasses scavengers and antimicrobials respectively. [ESP]Se estudió el efecto antimicrobiano de este nuevo envase con aceites esenciales de plantas inmersos en el recubrimiento interior de PLA de la superficie de la bandeja de cartón. Los aceites esenciales son sustancias aromáticas y volátiles extraídas de las plantas, son metabolitos secundarios, que desempeñan un papel importante en la defensa de la planta, debido en gran parte a sus propiedades antimicrobianas. El interés por los aceites esenciales y su aplicación en la conservación de alimentos se ha incrementado en los últimos años debido a la percepción cada vez más negativa de los consumidores por los conservantes sintéticos. Por otra parte, las enfermedades transmitidas por alimentos son un problema creciente en la salud pública, lo que exige estrategias de conservación más eficaces. Las propiedades antibacterianas de los aceites esenciales y sus componentes se han documentado ampliamente. Los principales obstáculos para el uso aceites esenciales como conservantes de alimentos es que no son suficientemente potentes de manera individual y el efecto sensorial suele ser negativo cuando se añaden en cantidades suficientes para proporcionar un efecto antimicrobiano. La explotación de las sinergias entre los diferentes aceites esenciales ha sido sugerido como una solución a este problema. El efecto de ellos en los sistemas de envasado antimicrobianos ha sido poco estudiado, por lo que este trabajo de investigación se propuso el estudio de un envase activo utilizando como principios activos antimicrobianos una combinación de vainillina, y aceites esenciales de clavo, canela y tomillo. Las bandejas de cartón recubiertas con una película de PLA se estudiaron con el fin de obtener un nuevo envase activo reciclable y biodegradable. El PLA demostró propiedades activas en relación con el control de la atmósfera interna de un envase utilizado para almacenamiento de tomates "Cherry". Este polímero pertenece a la familia de los poliésteres alifáticos obtenidos a partir de ácidos α-hidroxiácidos, que incluyen ácido poliglicólico o ácido poli (mandélico), y son considerados biodegradables y compostables. El PLA tiene alta resistencia, es un termoplástico de alto módulo que se puede producir a partir de recursos renovables para producir artículos destinados al envasado industrial, dispositivos médicos, entre otros. Se procesa fácilmente en equipos de plástico estándar para producir piezas moldeadas, películas, o fibras. Además, puede ser utilizado para el contacto con alimentos y generalmente se reconoce como seguro (GRAS). Este plástico se degrada por simple hidrólisis del enlace éster y no requiere la presencia de enzimas para catalizar esta hidrólisis. La velocidad de degradación depende del tamaño y la forma, la relación de isómeros y la temperatura de la hidrólisis. En un envase destinado a productos frescos, sobre todo si son productos que liberan etileno podemos encontrar efectos diversos y significativos sobre el producto almacenado en dicho envase a lo largo de su vida útil. Estos efectos suelen ser negativos para la calidad de muchos productos frescos ya que este gas acelera la maduración y senescencia. Algunas modificaciones de la atmósfera interna del envase pueden disminuir los niveles O2 y CO2, lo que permite que la respiración y la producción de etileno por el producto envasado sean reducidas. El envasado en atmósfera modificadas de O2 y CO2 se ha utilizado de manera positiva para la conservación de vegetales frescos, ensaladas IV gama, frutas cortadas, etc. En este sentido también ha sido estudiado el uso de sustancias absorbentes de etileno, el permanganato potásico (KMnO4) es el más ampliamente conocido al igual que sus aplicaciones prácticas en la industria del envasado. Se utiliza generalmente en materiales de soporte, tales como carbón activado, gel de sílice, óxido de aluminio y minerales de arcilla (ej. sepiolita), para complementar las propiedades de un envasado activo. Por todo lo anterior, el diseño experimental de esta Tesis doctoral se basó en las siguientes líneas de investigación - El estudio de la actividad antimicrobiana de los aceites esenciales de las plantas, de forma individual y combinaciones de ellos, "in vitro" y en un sistema modelo de alimentos. - Caracterización de las propiedades físicas y barrera al agua para el cartón recubierto con PLA y con absorbentes de gases inmersos en el recubrimiento. - Evaluación de la aplicación práctica de los últimos resultados en un nuevo diseño de envases activos con adsorción de etileno y características antimicrobianas. Esta evaluación se realizó utilizando como modelo de productos frescos, tomates "Cherry". El presente trabajo ha dado algunos resultados interesantes para la industria del envasado. El uso de la vainillina y los aceites esenciales de clavo, tomillo y canela mostró actividad antimicrobiana efectiva contra L. monocytogenes y E. coli O157: H7 "in vitro" y en el sistema modelo de alimento probado con concentraciones habitualmente utilizadas como saborizante. La aplicación de estas sustancias en el recubrimiento de las películas de PLA ha demostrado actividad antimicrobiana frente a las cepas diana estudiadas en este trabajo. Las mezclas de aceites esenciales de plantas de clavo, tomillo y hojas de canela con vainillina también inhibieron sinérgicamente el crecimiento de L. monocytogenes. La utilización de estas mezclas puede ser razonable para reducir el impacto sensorial individual en el alimento envasado y para ampliar el espectro de microorganismos sensibles a esta actividad antimicrobiana. Las propiedades físicas (grosor, el peso, la suavidad) y las propiedades hidrofóbicas del cartón recubierto con PLA (permeabilidad al vapor de agua (PVA), capacidad de absorción de agua (WA), energía de humectación (NOS), y ángulo de contacto (CA)) mostraron una mejora en la impermeabilidad de la superficie interior del envase. El uso de arcillas (Clinoptinolita y sepiolita) y permanganato potásico como absorbentes de gases aumentó la afinidad por el agua de cartón recubierto de PLA, pero mucho menos que las muestras de cartón sin recubrir. La inmersión de estos absorbentes de gases en la película de revestimiento PLA ayudaron a controlar la humedad en la atmósfera interna del envase. Estos resultados representan una ventaja para la fabricación de bandejas de cartón con el comportamiento mejorado de la humedad interna. Las características como material biodegradable y reciclable del PLA incrementa sus ventajas como recubrimiento hidrofóbico. De acuerdo a nuestras observaciones, los mejores resultados fueron obtenidos con PLA 2%, PLA 2% con Clinoptinolita 1,5% y con PLA 2% con sepiolita-permanganato 1%, ya que estas condiciones fueron las más efectivas en el aumento de las propiedades barrera al agua del cartón. La caracterización hidrofóbica de los cartones con diferentes recubrimientos demostró que pueden ser utilizados para el envasado, almacenamiento y transporte de alimentos, como frutas y hortalizas frescas. Al mismo tiempo el recubrimiento de la superficie interior con PLA de las bandejas de cartón ha demostrado un efecto muy significativo en la adsorción de etileno y vapor de agua, y se puede utilizar en sistemas de envasado activo destinado a tomates "Cherry" para regular la atmósfera interior del envase. Cuando este nuevo envase activo se utiliza en la conservación de tomates "Cherry" se demuestra que en las primeras etapas de almacenamiento, hay una pequeña producción de vapor de agua y una alta producción de etileno, que es absorbido por la película de recubrimiento de PLA. En etapas posteriores, la producción de etileno en los tomates disminuye y aumenta la producción de vapor de agua, por lo que el etileno puede ser intercambiado por vapor de agua en la película de PLA, permitiendo la salida progresiva de pequeñas cantidades de etileno que difunde al exterior a través de la película de envoltura de polietileno de baja densidad (LDPE). Un envasado en atmósfera modificada pasiva en combinación con el envasado activo utilizando bandejas de cartón recubiertas con película de PLA y termosellados con película de LDPE ha prolongado de manera significativa la vida útil de los tomates envasados. Esta es una buena solución para el envasado de tomates frescos en comparación con los sistemas de envasado que utilizan bandejas envueltas con películas macro-perforadas porque mejora la seguridad microbiana y controla la concentración de etileno en el interior del envase al mismo tiempo. Además, con el sistema de envase activo desarrollado en este trabajo, se produce un ahorro considerable de energía durante el almacenamiento y la distribución de tomates frescos, porque permite que la temperatura de almacenamiento sea de 20° C, mucho más alta que las temperaturas de almacenamiento generalmente utilizadas en productos frescos envasados en atmósfera modificada. Como resultado de este trabajo de tesis, un nuevo sistema de envasado activo ha sido patentado. Este sistema se basa en bandejas de cartón recubiertos con PLA, envuelto y termo-sellado con película de LDPE (20 micras de espesor), lo que permite prolongar la vida útil de las hortalizas frescas almacenadas en el mismo. Algunas reivindicaciones de esta patente consideran la adición de arcillas y aceites esenciales de plantas a la película de revestimiento de PLA con el fin de mejorar la conservación de los alimentos envasados, en calidad de absorbentes de gases y antimicrobianos, respectivamente.
Tecnología de los alimentos, Microbiología, Bandeja de cartón, Productos vegetales, Conservación de alimentos, Packaging industry, Antimicrobial, Vegetables, Flow pack
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