Desarrollo de polímeros sostenibles para el envasado de alimentos

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Figura . Materiales utilizados en el envasado: metal, vidrio, cartón y polímero. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

La Organización de las Naciones Unidas ha publicado varios objetivos de desarrollo sostenible. Entre ellos se encuentran la reducción del hambre, el mantenimiento de la seguridad alimentaria y la mejora de la alimentación. Para hacer frente a estos retos existen varias opciones, entre las que se encuentra el alargar la supervivencia de los alimentos con el envasado adecuado.

Sin embargo, el XXI. Los plásticos utilizados para el envasado en el siglo XVIII han creado un grave problema por la mala gestión de los residuos. El objetivo de esta tesis doctoral ha sido la necesidad de desarrollar nuevos materiales ambientalmente sostenibles para solucionar este problema.

Envasado para la reducción de residuos alimentarios

Según estudios realizados por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), el 14% de los alimentos producidos en el mundo se estropean antes de llegar a la tienda. Según la FAO, en 2019, más de 690 millones de personas se encontraban en situación de hambre. Por ello, es imprescindible reducir la generación de residuos alimentarios, en este reto es urgente el uso de envases adecuados. Los envases garantizan la calidad y seguridad de los alimentos durante el transporte, almacenamiento y consumo del producto. Hay que tener en cuenta que los alimentos pueden verse dañados por cambios físicos, químicos o biológicos.

En el envasado se utilizan materiales como el metal, vidrio, cartón y plástico (Figura 1). Cada tipo de material tiene sus ventajas e inconvenientes. Por ejemplo, el metal y el vidrio son impermeables, es decir, los gases o vapores externos no atraviesan el recipiente y se reciclan fácilmente. Sin embargo, tienen algunos inconvenientes: por un lado, se gasta gran cantidad de energía para procesar estos materiales, y por otro, son muy pesados, lo que repercute en el transporte, ya que se consume más combustible.

Los plásticos, sin embargo, son baratos, fáciles de procesar y ligeros. Sin embargo, en los últimos años la gestión inadecuada de los residuos de plástico ha generado un grave problema ambiental. En la actualidad existen tres formas de gestionar los residuos de plástico: el depósito en vertedero, el reciclado mecánico (las propiedades físicas del material resultante de este proceso son peores) y la incineración en incineradoras. Todas estas alternativas presentan una serie de desventajas que resultan poco sostenibles con el medio ambiente. Para hacer frente a este problema se han propuesto soluciones como la utilización de biodegradables o la utilización de polímeros químicamente reciclables.

Polímeros: materiales de envasado

Los materiales poliméricos utilizados en el envasado deben tener ciertas características: deben ser transparentes, tener buenas propiedades barrera y tener buenas propiedades mecánicas.

Figura . Los materiales utilizados para el envasado protegen al alimento del medio exterior, como el oxígeno o el vapor de agua. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

Antes de explicar qué son buenas características barrera, hay que entender qué es la permeabilidad. Los polímeros, a diferencia del vidrio y el metal, son permeables a diversos gases. Es decir, las moléculas pequeñas pueden atravesar el polímero, por lo que el transporte de las moléculas de gas se produce desde el interior del contenedor al medio ambiente y viceversa (Figura 2). El transporte de este gas o vapor puede dañar el producto envasado. Por otro lado, pueden perderse los compuestos aromáticos de los alimentos, reduciendo su calidad. En consecuencia, es muy importante conocer las características barrera de los polímeros a utilizar en el envasado. En general, se considera que un material presenta buenas características barrera cuando su permeabilidad a gases y vapores es baja.

Figura . Dependiendo del tipo de alimento a envasar, el material debe tener unas características determinadas. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

Para la selección del material del envase se tendrán en cuenta las características del producto a envasar (figura 3). Por ejemplo, las frutas y hortalizas respiran, por lo que el material que se utiliza en el envasado debe ser permeable al oxígeno y al dióxido de carbono. En el caso de la carne roja, el material debe ser permeable al oxígeno, de lo contrario la carne perderá su color rojo, adquiriendo un color marronáceo. En productos como el pan hay que evitar la entrada de agua para mantener una textura crujiente. El material utilizado para el envasado de la cerveza debe evitar la entrada de oxígeno al alterar las propiedades organolépticas del producto. Por lo tanto, como se ha indicado, los materiales deben tener propiedades adecuadas a cada alimento. Sin embargo, en general, el principal reto del área de envasado es la obtención de materiales de baja permeabilidad a gases y vapores.

Actualmente, los materiales más utilizados en el envasado son el polietileno, el polipropileno y el tereftalato de polietileno, por su bajo coste y por sus propiedades físicas. Sin embargo, este tipo de materiales no son biodegradables, sino que una vez utilizados se acumulan en vertederos o en el medio ambiente, aumentando el problema de los residuos de plástico.

Polímeros biodegradables: ¿solución de residuos de plástico?

Una solución a este problema puede ser el uso de polímeros biodegradables, ya que en determinadas condiciones se degradan mediante la obtención de sustancias como la biomasa, el dióxido de carbono o el agua. De esta forma se evita la generación de residuos y se fomenta la economía circular.

Los polímeros biodegradables más utilizados son la polilactida y la policaprolactona, pero presentan algunos inconvenientes: en general, las propiedades mecánicas son inadecuadas por su fragilidad y por otra parte, presentan una alta permeabilidad a gases y vapores. Existen varias opciones para mejorar las características de estos materiales, siendo una de ellas la mezcla con polímeros con mejores propiedades. Esto permite mejorar las propiedades de los polímeros biodegradables de una manera económica y sencilla. Esta mezcla puede ser miscible o inmiscible. Normalmente los polímeros son inmiscibles, es decir, se dividen en dos fases, al igual que el aceite y el agua no se mezclan. El objetivo es conseguir una mezcla miscible, ya que este tipo de mezclas tienen mejores propiedades físicas.

Figura . Se han preparado mezclas PBAT/PH y se ha medido la velocidad de transmisión del vapor de agua y limoneno, es decir, la permeabilidad. Ed. Ainara Sangroniz

En esta tesis se ha estudiado el polímero biodegradable poli(adipato-co-tereftalato de butilas) (PBAT) por sus propiedades mecánicas aptas para su utilidad en el envasado. Presenta una alta permeabilidad a gases y vapores en cuanto a sus características barrera. Por ello, para mejorar las propiedades del PBAT se ha mezclado con la resina fenoxi (PH), que presenta una permeabilidad baja (Figura 4). Las mezclas obtenidas son miscibles en el amplio rango de composición analizado. En lo que respecta a las características barrera, se observa una notable mejoría, ya que sólo la adición de un 25% de resina fenoxi reduce significativamente la permeabilidad al vapor de agua y limoneno. Por otro lado, se ha estudiado la degradación de estas mezclas para estudiar la influencia de la adición de fenoxia en la degradación. Si bien la degradación de las mezclas es más lenta que en PBAT, su velocidad de degradación es similar a la polilactida o policaprolactona. Por tanto, se puede concluir que las mezclas obtenidas son aptas para su uso en el envasado.

Polímeros reciclables químicamente

En los últimos años, los polímeros reciclables químicamente han despertado gran interés. Estos polímeros, una vez utilizados, pueden ser reciclados mediante la recuperación de compuestos iniciales. El reciclaje químico y el reciclado mecánico antes mencionado son totalmente diferentes. En el reciclado mecánico los residuos plásticos se trituran y clasifican según el tipo de polímero. A continuación, cada tipo de polímero se calienta y se da forma para obtener una pieza nueva. Debido al reprocesado del material, las propiedades se deterioran, por lo que este procedimiento no se puede repetir tantas veces como se desee (Figura 5).

Figura . Los residuos de plástico son recogidos y llevados a instalaciones adecuadas para su reciclaje. El reciclaje mecánico y el reciclaje químico son muy diferentes. Ed. Ainara Sangroniz, Pixabay

Por otro lado, en lo que respecta al reciclaje químico, para entender el proceso es necesario conocer primero cómo se forman los polímeros. Como se puede observar en la figura 5 (ver apartado de reciclaje químico), los polímeros son cadenas largas formadas por unidades repetitivas. Por ejemplo, si la unidad repetitiva es una perla, la cadena de polímero es el collar que se forma uniendo una perla con la otra. Una vez utilizado el polímero se puede reciclar químicamente recuperando las perlas iniciales y con ellas se puede volver a formar el collar. Por tanto, estos materiales son infinitamente reciclables y sus propiedades físicas no se pierden.

Los polímeros reciclables químicamente presentan algunos problemas: por un lado, es muy difícil obtener un material totalmente reciclable y, por otro, si se recicla con facilidad, las propiedades físicas del material son deficientes, por ejemplo, no presentan propiedades mecánicas adecuadas para su uso en el envasado. Por ello, los polímeros de este tipo que se han estudiado hasta el momento no pueden sustituir a los que se utilizan actualmente en el mercado.

En esta tesis se ha procedido a sintetizar polímeros basados en butirolactona para su utilización en el envasado de alimentos. Tal y como se puede apreciar en la figura 6, la <br class="xliff-newline" /> Además, a un carbono del anillo se le une un átomo de oxígeno. Esta estructura de cinco átomos contribuye al reciclado químico del polímero. La poli (>-butirolactona) tiene excelentes propiedades mecánicas, pero su permeabilidad a gases y vapores es alta, por lo que no es adecuada para su uso en envasado (Figura 6). Por otro lado, se ha producido una transformación de la <br class="xliff-newline" /> Este polímero es también químicamente reciclable, pero en este caso presenta propiedades opuestas: su permeabilidad a los gases y vapores es muy baja, lo que supone una ventaja para el envasado, pero sus propiedades mecánicas son inadecuadas por su fragilidad (Figura 6).

Figura . Se presenta la síntesis de dos polímeros químicamente reciclables. Dependiendo de las condiciones de reacción se puede obtener polímero (collar) o monómero inicial (perlas). Ed. Ainara Sangroniz

Por todo ello, ambos monómeros se han combinado para obtener copolímeros (Figura 7). Como se puede apreciar en la figura, la permeabilidad del copolímero al vapor de agua es muy inferior a la del polietileno tereftalato (PET) y a la de la polilactida (PLA). Las propiedades mecánicas del copolímero son mejores que las del polietileno tereftalato y la polilactida, que es frágil. En consecuencia, estos nuevos materiales pueden sustituir a los polímeros utilizados actualmente en el mercado.

Figura . La combinación de dos tipos de monómeros da lugar a copolímeros con las características de ambos homopolímeros, es decir, buenas propiedades barrera y mecánicas. El gráfico muestra la velocidad de transmisión de vapor de agua para el copolímero sintetizado, el PET (uno de los materiales más utilizados en el mercado) y el PLA (uno de los polímeros biodegradables más importantes). Ed. Ainara Sangroniz

Bibliografía

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