Materiales biodegradables con nanopartículas de plata con capacidad antimicrobiana para mejorar los procesos de conservación de alimentos

Abstract

En el presente trabajo de Tesis se sintetizaron nanopartículas de plata (AgNPs) directamente en la matriz polimérica de almidón de maíz nativo, mediante una metodología simple, de fácil implementación, caracterizando las mismas mediante técnicas espectrofotométricas y de microscopía electrónica. El uso de almidón de maíz como estabilizador permitió acoplar la síntesis de AgNPs a la suspensión filmogénica y así, obtener películas nanocompuestas en pocos pasos, optimizando tanto el tiempo de procesamiento como el consumo de energía y reactivos. Los procesos de acoplamiento requieren un ajuste previo de las concentraciones de los reactivos y los tiempos de reacción para obtener las AgNPs en la suspensión filmogénica. Finalmente se obtuvieron materiales nanocompuestos, sin que se vea afectada la capacidad filmogénica de la suspensión de almidón. Fueron evaluadas las propiedades ópticas, mecánicas, de barrera, y antimicrobianas de las películas desarrolladas. Las películas obtenidas con diferentes concentraciones de AgNPs (0; 14,3; 28,6; 71,5 y 143 ppm) resultaron homogéneas e incoloras a simple vista. A continuación se estudió el efecto del contenido de almidón de maíz nativo (1; 3 y 5% p/v) en el desarrollo de materiales nanocompuestos con 143 ppm de AgNPs sintetizadas in situ. Las concentraciones ensayadas permitieron sintetizar los AgNP in situ y las suspensiones mantuvieron su capacidad filmógena, independientemente del contenido de almidón. Las películas con 1% de almidón, fueron difíciles de manipular. Las películas nanocompuestas con 5% de almidón mostraron mejores propiedades mecánicas y de barrera debido al aumento del contenido de almidón, pero no evidenciaron un refuerzo de la matriz por la incorporación de AgNPs, mientras que las películas con un 3% de almidón mostraron propiedades mecánicas y de barrera óptimas, atribuidas al refuerzo de los AgNP. En cuanto a la capacidad antimicrobiana, todas las películas nanocompuestas inhibieron el crecimiento de microorganismos. Por último se evaluó el potencial de los materiales obtenidos como posible envase activo, el cual puede prolongar la vida útil de los alimentos. Con este fin se seleccionó un producto alimenticio fresco de humedad intermedia, como es el queso. Para ello fue preciso evaluar el desarrollo microbiano luego del almacenamiento en condiciones adecuadas. Por otro lado se optimizó la síntesis de nanopartículas de plata utilizando los compuestos activos del jugo de limón (AgNP L). Las nanopartículas obtenidas se incluyeron de manera eficiente en las formulaciones de películas a base de almidón, estudiando las propiedades relevantes que condicionan su aplicación en el área de envasado. Las películas nanocompuestas resultaron con un tono anaranjado el cual se vio incrementado con la concentración de AgNP L (14,3 - 143 ppm). Al igual que para las películas con nanopartículas de plata obtenidas in situ, se pudieron evaluar las propiedades ópticas, mecánicas y de barrera de los nuevos materiales. Tanto la permeabilidad al vapor de agua como la resistencia mecánica a la tracción se vieron mejoradas por la incorporación de 71,5 ppm de AgNP L, lo que indica el refuerzo de la matriz polimérica. Además, el contenido de ácido cítrico proporcionado por el jugo de limón también afectó las propiedades relevantes de la película a base de almidón. En cuanto a la capacidad antimicrobiana, se evidenció un efecto sinérgico entre los compuestos activos del jugo de limón y las nanopartículas de plata, siendo Salmonella spp. las bacterias más sensibles. Estos materiales nanocompuestos se utilizaron como separadores para extender la vida útil de pan lacteado fresco en rodajas. Aplicando un mecanismo de síntesis verde top-down se obtuvieron nanopartículas de plata asistidas por ablación láser en medio líquido (AgNP F). Las AgNP F fueron sintetizadas en una suspensión de almidón utilizando un láser de Ti:Za (Titanio:Zafiro) de pulsos ultracortos. Por microscopía de transmisión electrónica se determinó el diámetro medio de las nanopartículas siendo de 6 nm con morfología esférica. Una vez caracterizadas fueron incluidas en suspensiones filmogénicas de almidón de maíz al 3 % de forma tal de obtener películas nanocompuestas con una concentración final de Ag de 143 ppm. Para el desarrollo de los materiales se utilizó la técnica de casting. La inclusión de las AgNP F no afectó la capacidad filmogénica de las formulaciones. Las películas fueron homogéneas, no presentaron grietas ni poros a la observación por microscopía electrónica de barrido, pero resultaron de un color amarillo intenso. Las propiedades relevantes estudiadas para la aplicación de los materiales nanocompuestos como envases de alimentos fueron, citotoxicidad, migración y biodegradabilidad. El ensayo de citotoxicidad indicó que las películas conteniendo AgNPs obtenidas por ablación láser resultaron ser las más tóxicas, ya que disminuían la viabilidad celular en aproximadamente un 70% para las células Caco-2 y en un porcentaje menor para las células Vero. Por este motivo se descartaron para su posible aplicación como envases de alimentos. La exposición a NPs afecta también a las líneas fagocíticas como macrófagos. El estudio del efecto de las películas nancompuestas sobre la línea THP-1 diferenciada a macrófagos indicó que después de las AgNP F, las AgNP sintetizadas in situ fueron las que más afectaron su viabilidad. En general, el efecto citotóxico de las nanopartículas y materiales nanocompuestos depende fuertemente del tamaño de las NPs, su potencial Z y agente de recubrimiento. Los modelos aplicados al estudio de la migración de plata desde las películas nanocompuestas hacia los simulantes seleccionados (agua, ácido acético 3% y etanol 15 %), indicaron que la liberación de Ag ocurría más fácilmente desde las muestras con AgNP L. Sin embargo, el análisis del contenido de plata liberado en función del tiempo demostró que esta concentración era menor que para el caso de las películas con AgNP sintetizadas in situ. Si bien se pudo cuantificar el contenido de metal liberado éste fue menor a lo estipulado por la norma de la Unión Europea (Reglamento de la UE n° 10/2011). La biodegradación de los materiales se vio afectada por la incorporación de nanopartículas, sin embargo tanto las películas con AgNPs in situ, como las que contenían AgNP L se degradaron en un porcentaje ≥ 50 % al cabo de 90 días. Finalmente se estudió la aplicación de las películas nanocompuestas en el área de alimentos. Se desarrollaron envases activos por termosellado de los materiales conteniendo AgNP in situ (143 ppm) los cuales permitieron extender la vida útil en 7 días en quesos de pasta blanda. Las películas nanocompuestas con agregado de 71,5 ppm de AgNP L se utilizaron como separadores de rebanadas de pan lacteado. Por último, se evaluaron los costos de producción y el marco legislativo vigente que contempla a este tipo de materiales, siendo necesario aún avanzar en este sentido.