Synthesis and characterization of nano and microparticles of biopolymers for food packaging applications

Abstract

[Abstract] The main aim of this thesis is the preparation and characterization of nano and microparticles of selected biopolymers addressed for food packaging and active food packaging applications. Two biopolymers have been selected for the nano and microparticles preparations: poly(3-hydroxybutyrate-co-3- hydroxyvalerate) (PHBV) and starch. The results for the PHBV showed spherical porous particles with wide variety of size distribution depending on the selected techniques and the procedure conditions. Starches from different botanical origins were used for preparing starch nanoparticles and starch/quercetin nanoparticles using the nanoprecipitation technique. The loading capacity, the release profile of the quercetin from the nanoparticles and therefore the antioxidant activity changed by changing the starch origin. Starch microparticles with donut-shaped morphology were prepared from starches of two different botanical origins and then loaded to thermoplastic starch (TPS) films. The TPS loaded with microparticles showed better thermal stability, less water vapour and oxygen transmission rates. The donut-shaped microparticles were also used as a carrier for quercetin within TPS films. The quercetin kept releasing during 4 to 11 days depending on the starch origin. The produced nano and microparticles provide many possibilities for improving some properties of the biopolymeric packaging films with the capacity for active delivery function for reasonable periods.

[Resumen] El objetivo de esta tesis es la preparación y caracterización de nano y micropartículas de biopolímeros para su uso en envases y embalajes alimentarios convencionales y activos. Se seleccionaron dos biopolímeros: Poli(3-hidroxibutirato-co- 3-hidroxivalerato) (PHBV) y almidón. Para el PHBV, los resultados mostraron partículas esféricas y porosas con una amplia variedad en la distribución de tamaños, en función de la técnica utilizada y las condiciones de preparación. Se han utilizado también almidones de diferentes orígenes botánicos en la preparación de las nanopartículas tanto de almidón solo como de almidón cargado con quercetina. La capacidad de carga, el perfil de liberación y el consiguiente cambio en la actividad antioxidante de la quercetina varía según el origen del almidón. Se prepararon micropartículas con forma de donut de dos almidones de diferente origen para su uso como relleno en filmes de almidones termoplásticos (TPS). Estos TPS cargados con las micropartículas mostraron mejor estabilidad térmica y menores tasas de transmisión de vapor de agua y oxígeno. Estas micropartículas se utilizaron también como portadores de quercetina dentro de los TPS. Las nano y micropartículas producidas proporcionan muchas posibilidades para mejorar algunas de las propiedades de los biofilmes usados en la industria de envase y embalaje alimentario y les confieren capacidad de liberación de compuestos activos durante periodos razonables.

[Resumo] O obxectivo desta tese é a preparación e caracterización de nano e micropartículas de biopolímeros para o seu uso en envases e embalaxes alimentarios convencionais e activos. Seleccionáronse dous biopolímeros: Poli(3-hidroxibutiratoco- 3-hidroxivalerato (PHBV) e amidón. No caso do PHBV, os resultados amosaron partículas esféricas e porosas cunha ampla variedade na distribución de tamaños en función da técnica utilizada e as condicións de preparación. Tamén, utilizáronse amidóns de orixes botánicas diferentes na preparación das nanopartículas, tanto as de só amidón como as de amidón cargado con quercetina. A capacidade de carga, o perfil de liberación e o cambio na actividade antioxidante da quercetina varía segundo a orixe do amidón. Ademais preparáronse micropartículas coa forma de donut de dous amidóns de orixe botánica diferente para o seu uso como recheo en filmes de amidóns termoplásticos TPS. Estes amosaron mellor estabilidade térmica e menores taxas de transmisión de vapor de auga e osíxeno. Estas micropartículas usáronse tamén como portadores de quercetina dentro dos filmes de TPS. As nano e micropartículas producidas proporcionan moitas posibilidades de mellora de algunha das propiedades dos biofilmes empregados na industria do envase e embalaxe alimentario, conferíndolles capacidade de liberación de compostos activos durante períodos razoables de tempo.