Biopolímerosen la

industria alimentaria

Paula Fajardo BernárdezANFACO-CECOPESCANuevas Tecnologías de Conservaciónpfajardo@anfaco.es

Envases monodosis y porciones individuales, adaptados a cambiosen la unidad familiar.Conveniencia: platos preparados, comida para llevar, microondables, autocalentables …

Tendencias actuales en envasado:

Situación actual

Aumento consumo de plástico

• Polietilén tereftalato

• Polietileno, de alta, mediana y baja densidad

• Polipropileno

• Cloruro de polivinilo (PVC)

• Poliestireno

• Copolímeros EVOH, PVdC…

Materiales plásticos usados en la industria alimentaria

Durabilidad Persistentes en el medio ambiente

Síntesis• Uso de compuestos tóxicos

• Generación subproductos tóxicos

Consumo de fuentes no renovables y energía

Desventajas:

Evitar deterioroquímico

Materiales plásticos usados en la industria alimentaria

¿Qué exigencias le pone el alimento al envase?

Evitar deterioromicrobiológico

Evitar deteriorofísico

Barrera al oxígeno, a la luz y a la humedad

Barrera a la humedad, resistente, estable.

Barrera al oxígenoy a la humedad

Cada material presenta unas características específicas:

Materiales plásticos usados en la industria alimentaria

Barrera a Resistencia térmica Resistencia química

OtrascaracterísticasMaterial Humedad Gases Congelación Esterilización

LDPE Alta Muy baja Buena, -50ºC No resist. <90ºC Excelente Termosellable

HDPE Alta Muy baja Buena, -40ºC Acept. ≈ 110ºC Excelente Termosellable

PP Alta Baja Baja, -20ºC Buena ≈135ºC Excelente TermosellableTransparente

PS Baja Baja Baja, -10ºC No resist. <70ºC Sensible a acetonas,ésteres

Frágil

PVC Alta Moderada Baja, -10ºC No resist. <70ºC Buena/Sensible a acetonas

Termoformable

PVdC Muy alta Muy alta Baja, -10ºC No resist. <90ºC Buena/Sensible a acetonas

Alta barrera paramulticapa

PET Moderada Moderada Buena, -40ºC Buena 120-200ºC Buena/Sensible a ácidos, fenoles

Alta resistenciamecánica

PA Alta Alta Buena, -40ºC Buena ≈130ºC Buena/Sensible a ácidos, fenoles

Resistencia mecánica

EVOH Baja Muy alta Buena, -40ºC Buena ≈130ºC Excelente Alta barrera paramulticapa

Datos cedidos por Dr. Ramón Catalá

Mezcla de materiales en sistemas multicapa:

Foto de Alcion Plasticos S.L.

Materiales plásticos usados en la industria alimentaria

• Polietilén tereftalato

• Polietileno, de alta, mediana y baja densidad

• Polipropileno

• Cloruro de polivinilo (PVC)

• Poliestireno

• Copolimeros EVOH, PVdC…

Materiales plásticos usados en la industria alimentaria

Durabilidad Persistentes en el medio ambiente

Síntesis• Uso de compuestos tóxicos

• Generación subproductos tóxicos

Consumo de fuentes no renovables y energía

Desventajas:

Dificulta su reutilización y reciclado

BioplásticoPlásticos procedentesde fuentes renovables

Bioplástico

Bioplásticos: biopolímeros de origen natural procedentes de fuentes renovables.

Bioplástico no tiene porqué ser biodegradable!! Biopolietileno a partir de melaza de caña de azúcar

Plástico degradable: Al final de su vida útil es desechado y comienza a cambiarquímicamente por influencia de agentes ambientales que lo transforman en sustanciassimples o componentes menores que eventualmente se asimilan por el medio ambiente.

Biodegradable

Compostable

Desintegrable

Fotodegradable

Oxodegradable

http://quimica-biologia-12-13.wikispaces.com/

Biodegradable

Un plástico es biodegradable cuando,aprovechándonos de las necesidades de energía dediferentes microorganismos existentes en muydiversos escenarios medioambientales,conseguimos eliminar, de manera eficaz y enadecuados tiempos y condiciones de seguridad, losdiferentes productos fabricados con ese materialplástico.

León

Bosque húmedo Desierto Enterrado fondo lago

Veluwe. HolandaSahara. MarruecosO Caurel

Polímeros biodegradables

Bio-PVC?

Celulosa bacateriana

La norma europea EN 13432 (≈ ASTM D-6400 y a la ISO 17088) :• biodegradarse en al menos un 90%, dando únicamente agua y CO2,• en condiciones estandarizadas de temperatura (preferíblemente a58⁰C) .• en un tiempo no superior a seis meses.• no debe haber más de un 10% de partículas superiores en tamaño a2 mm.• concentraciones de metales pesados en el material no debensuperar los límites establecidos por agencias medioambientales comola EPA americana.

Compostable

Polímeros compostables: Polímeros biodegradables sometidos a una degradacióncontrolada bajo condiciones de compostaje industrial o comercial y que además cumplenunos criterios de calidad.

Un plástico compostable debe ser también biodegradable peroun plástico biodegradable no tiene porque ser compostable.

Oxodegradable: se descompone por un proceso de etapas múltiples usando aditivosquímicos para iniciar la degradación (radiación UV, calor…), se reduce el peso moleculardel polímero quedando un remanente susceptible de biodegradación.

bolsas de polietileno aditivadas que se venden como foto-oxodegradables

Fotodegradable: se degrada por acción de la radiación UV solar fragmentándose en partículas de menor tamaño.

Todos los plásticos comerciales son fotodegradables

Biodesintegrable: plástico mezcla de parte orgánica con poliolefinas (mezcla de almidóncon PP, PE). Los microorganismos degradan la parte orgánica quedando sin atacar la fracción polimérica.

Oxo-, foto- degradable, biodesintegrable

Películas comestibles y envases

Durabilidad , resistencia y buenas propiedades barrera: Alimentos larga vida útil.

Plástico

Ceras, Caseína, Suero de leche, ProteínasGluten, Almidón, Quitosano, Alginatos.

Biopolímeros

Películas comestibles Envases

Películas comestibles

Fajardo et al. 2010. Journal of food Engineering 101. pp 349-356

Balaguer et al. 2012. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 59, 6689-6695Fajardo et al. 2013 en revisión

Películas comestibles y sustanciasantimicrobianas

Quitina y Quitosano

Gluten (gliadinas)

Biopolimeros implantados comercialmente

• Derivados de almidón

• Derivados de celulosa

• Derivados de ácido poliláctico

• Copoliesteres

• Polihidroxialcanoatos (PHA)

• Derivados de proteínas

Emergentes:

Biopolimeros derivados de almidón

• Almidón constituido por dos polímeros, amilosa y amilopectina.

• Muy hidrófilo y las películas son muy baja barrera al vapor de agua.

• Propiedades mecánicas varían con tiempo y humedad debido a recristalación con el envejecimiento y efecto plastificante del agua.

• Buena barrera a O2.

• Puede extruirse en presencia de plastificantes como agua o polioles, obteniéndose un material termoplástico.

• Las principales fuentes de almidón son:

Almidón con diferentes propiedades

Almidón temoplástico

Bioplásticos con 100% almidón o mezcla en distintas concentraciones con otros materiales sintéticos o naturales : PBS (polibutileno succinato) , PBSA (polibutileno succinatoadipato).

Ejemplo de producto comercial:

• Bioplásticos que utilizan componentes vegetales, como almidón de maíz junto con otros polímeros biodegradables . Diferentes “grados”• Procesable con todas las técnicas convencionales aplicadas a los plásticos sintéticos• Biodegradable y compostable• Diferentes productos para agricultura (acolchado, bridas), catering (platos, cubiertos, vasos, bandejas), envases (frutas y verduras, cereales, productos de panadería frescos), accesorios, juguetes …

Novamont, Italia

Almidón temoplástico

High barrier long life, low cost, recyclable packaging through special injection moulding process (co-injection) to

applications in the non-cooked seafood packaging sector

www.thinfish.euProductos que no necesitan tratamiento térmico: frescos, en salazón, en salmuera, en vinagre, ahumados.

Coordinator

Almidón temoplástico

Celulosa

• Polímero no ramificado formado por la unión de moléculas de D-glucosa a través de enlace β 1,4 O glucosídico.

• Forma una estructura fibrosa cristalina resistente al agua.

• Su solubilidad en agua puede ser incrementada tratando con álcali seguido porreacción con ácido cloroacético, cloruro de metilo u óxido de polipropileno,obteniéndose metilcelulosa (MC), carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilcelulosa(HPC), hidroxipropil metil celulosa (HMPC).

• Los éteres de celulosa forman películas transparentes, flexibles, solubles en agua, resistentes a grasas y aceites.

• La biodegradabilidad de los éteres de celulosa disminuirá conforme aumenta el nivel de sustitución de los grupos –OH.

Celulosa regenerada, celofán

Fibras madera

NaOHCS2

VISCOSA

H2SO4Na2SO4

Eliminación sulfuros

Adición plastificantes

Celulosa regeneradaCELOFÁN

Extrusión

Jacques E. Brandenberger

Sustituído en la mayoríade usos por:

Polipropileno biorientadoBOPP

NatureFlexTM (Innovia Films)

• Buenas propiedades barrera, similares a BOPP.

• Recubrimientos que aportan distintos grados de barrera a la humedad según producto a envasar.

• Termosellables e imprimibles.

• Compostable.

Barrera luz ultravioleta

Polihidroxialcanoatos (PHA)

• Los PHA son poliésteres de reserva producidos por bacterias sometidas a condiciones deestrés, las cuales las sintetizan en varias formas químicas (variabilidad de la posición desus grupos funcionales, variedad de monómeros, grados de polimerización) con distintaspropiedades:

- Diferentes puntos de fusión, cristalización- Flexibilidad, resistencia a la tracción- Velocidad de biodegradación

• Como material base para la fermentación se utilizancarbohidratos (glucosa, sacarosa, fructosa), así comoaceites vegetales y glicerina. Como especiesbacterianas, entre otras Azospirillum brasilense, Alcalígenes eutrophus, Azotobacter chroococcum, Bacillus subtilis…. http://www.bio-on.it/what.php

http://www.olipha.eu

Polihidroxialcanoatos (PHA)

• Propiedades generales similares al polietileno.

•Resistentes a grasas y disolventes.

•Son estables a los rayos UV, en contraste con otros bioplásticos como el PLA, y tienen

baja permeabilidad al agua y media a gases y aromas.

• Son muy sensibles a la degradación térmica.

•En general los PHA’s son termoplásticos y pueden procesarse con las técnicas

convencionales en forma de películas, inyección y extrusión.

•Las principales dificultades para su procesamiento proviene de la absorción de humedad.

•Se han desarrollado más de 150 PHA. El polihidroxibutirato (PHB) y el polihidroxivalerato

(PHV) son los de mayor uso comercial.

P3HB

Hasta 2012 Mirel TM lo comercializaba la empresa Telles, fruto de la unión de Metabolix y Archer Daniels Midland.

PHAs a partir fermentación cañade azúcar

Ácido poliláctico (PLA)

• Biopolímero obtenido por polimerización del ácido láctico procedente de la fermentación de biomasa

(almidón de maíz, patata, caña de azúcar).

•Presenta dos enantiómeros (D y L) y la relación entre el contenido de ambos determina sus propiedades.

• Características comparables a polímeros tradicionales ≅ PET

• Adecuado para medias y bajas temperaturas.

• No resiste altas temperaturas.

• Propiedades dependientes de la humedad relativa.

• Procesable por las técnicas convencionales aplicadas a

polímeros sintéticos (inyección, extrusión en lámina y film, soplado, termoformado…..

• Es compostable y se degrada en 60-180 días.

Ácido poliláctico (PLA)

Biopolímeros: otros usos

Juguetes

Agricultura

www.novamont.com

http://es.biomebioplastics.com/

Medicina y cuidadopersonal

Textil

Ingeo™ Fiber NatureWorks® LLC

Ventajas

1. Proceden de recursos renovables. Contribución para disminuir

la dependencia del petróleo.

3. Pueden reducir residuos desechables de actividades agrícolas e

industriales que se utilizan como materia prima.

2. Biodegradables y en general compostables.

4. Reducen consumo de energía.

5. Procesable por las técnicas convencionales aplicadas a polímeros sintéticos, no

requieren inversión significativa.

6. Materiales con características y propiedades asimilables a las de la mayor parte de

polímeros convencionales.

7. Aptos para el envasado de alimentos.

8. Buena aceptación por parte del consumidor (Eco-marketing).

Desventajas y controversia

• Propiedades barrera y mecánicas en algunos casos no son satisfactorias

Ej: PLA presenta alta permeabilidad a gases, almidón a vapor de agua y PHA es quebradizo

• ¿Compatibles con sistemas de Reciclabilidad y compostaje actuales? Necesario la separación previa de los artículos de plástico bioresistentes

• Resulta difícil competir económicamente con algunos plásticos convencionales. Precio de las materias primas: oferta-demanda. Mayor demanda de bioplásticos mayor será la extracción de recursos naturales.

• Biopolímeros y alergenos alimentarios: gluten, soja, marisco

Estrategias de mejora

1. Mezclas con diferentes polímeros biodegradables

naturales o sintéticos: propiedades específicas

de cada biopolímero.

Bio-Flex®

3. Mejora de las tecnologías de preparaciónde envases, ej: co-inyección simultánea.

2. Sistemas multicapa.

Naturflex de Innovia´s + Mater-Bi de Novamnont(Alcan Packaging).

Estrategias de mejora

5. Segunda generación de bioplásticos: Polímeros convencionales (PE, PET, PA…) obtenidosde fuentes naturales. Tercera generación de bioplásticos: polímeros convencionales y biopolímeros obtenidos a partir de fuentes no alimentarias (desechos industriales, algas…)

4. Nanotecnología aplicada a biopolímeros: NANOCOMPOSITES.

6. Sistemas de reciclaje y compostaje máseficientes y específicos.

ECODISEÑO

Biopolímerosen la

industria alimentaria

Foto de http://www.aitzina.org/

Paula Fajardo BernárdezANFACO-CECOPESCANuevas Tecnologías de Conservaciónpfajardo@anfaco.es