Desenvolupament de polímers sostenibles per a l'envasament d'aliments

2021/04/27 Ainara Sangroniz Agudo

• Kimika
• Birziklatzea
• Materialak

L'Organització de les Nacions Unides ha publicat diversos objectius de desenvolupament sostenible. Entre ells es troben la reducció de la fam, el manteniment de la seguretat alimentària i la millora de l'alimentació. Per a fer front a aquests reptes existeixen diverses opcions, entre les quals es troba l'allargar la supervivència dels aliments amb l'envasament adequat.

No obstant això, el XXI. Els plàstics utilitzats per a l'envasament en el segle XVIII han creat un greu problema per la mala gestió dels residus. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral ha estat la necessitat de desenvolupar nous materials ambientalment sostenibles per a solucionar aquest problema.

Envasat per a la reducció de residus alimentaris

Segons estudis realitzats per l'Organització de les Nacions Unides per a l'Alimentació i l'Agricultura (FAO), el 14% dels aliments produïts en el món s'espatllen abans d'arribar a la botiga. Segons la FAO, en 2019, més de 690 milions de persones es trobaven en situació de fam. Per això, és imprescindible reduir la generació de residus alimentaris, en aquest repte és urgent l'ús d'envasos adequats. Els envasos garanteixen la qualitat i seguretat dels aliments durant el transport, emmagatzematge i consum del producte. Cal tenir en compte que els aliments poden veure's danyats per canvis físics, químics o biològics.

En l'envasament s'utilitzen materials com el metall, vidre, cartó i plàstic (Figura 1). Cada tipus de material té els seus avantatges i inconvenients. Per exemple, el metall i el vidre són impermeables, és a dir, els gasos o vapors externs no travessen el recipient i es reciclen fàcilment. No obstant això, tenen alguns inconvenients: d'una banda, es gasta gran quantitat d'energia per a processar aquests materials, i per un altre, són molt pesats, la qual cosa repercuteix en el transport, ja que es consumeix més combustible.

Els plàstics, no obstant això, són barats, fàcils de processar i lleugers. No obstant això, en els últims anys la gestió inadequada dels residus de plàstic ha generat un greu problema ambiental. En l'actualitat existeixen tres maneres de gestionar els residus de plàstic: el dipòsit en abocador, el reciclatge mecànic (les propietats físiques del material resultant d'aquest procés són pitjors) i la incineració en incineradores. Totes aquestes alternatives presenten una sèrie de desavantatges que resulten poc sostenibles amb el medi ambient. Per a fer front a aquest problema s'han proposat solucions com la utilització de biodegradables o la utilització de polímers químicament reciclables.

Polímers: materials d'envasament

Els materials polimèrics utilitzats en l'envasament han de tenir certes característiques: han de ser transparents, tenir bones propietats barrera i tenir bones propietats mecàniques.

Abans d'explicar què són bones característiques barrera, cal entendre què és la permeabilitat. Els polímers, a diferència del vidre i el metall, són permeables a diversos gasos. És a dir, les molècules petites poden travessar el polímer, per la qual cosa el transport de les molècules de gas es produeix des de l'interior del contenidor al medi ambient i viceversa (Figura 2). El transport d'aquest gas o vapor pot danyar el producte envasat. D'altra banda, poden perdre's els compostos aromàtics dels aliments, reduint la seva qualitat. En conseqüència, és molt important conèixer les característiques barrera dels polímers a utilitzar en l'envasament. En general, es considera que un material presenta bones característiques barrera quan la seva permeabilitat a gasos i vapors és baixa.

Per a la selecció del material de l'envàs es tindran en compte les característiques del producte a envasar (figura 3). Per exemple, les fruites i hortalisses respiren, per la qual cosa el material que s'utilitza en l'envasament ha de ser permeable a l'oxigen i al diòxid de carboni. En el cas de la carn vermella, el material ha de ser permeable a l'oxigen, en cas contrari la carn perdrà el seu color vermell, adquirint un color marronáceo. En productes com el pa cal evitar l'entrada d'aigua per a mantenir una textura cruixent. El material utilitzat per a l'envasament de la cervesa ha d'evitar l'entrada d'oxigen en alterar les propietats organolèptiques del producte. Per tant, com s'ha indicat, els materials han de tenir propietats adequades a cada aliment. No obstant això, en general, el principal repte de l'àrea d'envasament és l'obtenció de materials de baixa permeabilitat a gasos i vapors.

Actualment, els materials més utilitzats en l'envasament són el polietilè, el polipropilè i el tereftalato de polietilè, pel seu baix cost i per les seves propietats físiques. No obstant això, aquest tipus de materials no són biodegradables, sinó que una vegada utilitzats s'acumulen en abocadors o en el medi ambient, augmentant el problema dels residus de plàstic.

Polímers biodegradables: solució de residus de plàstic?

Una solució a aquest problema pot ser l'ús de polímers biodegradables, ja que en determinades condicions es degraden mitjançant l'obtenció de substàncies com la biomassa, el diòxid de carboni o l'aigua. D'aquesta forma s'evita la generació de residus i es fomenta l'economia circular.

Els polímers biodegradables més utilitzats són la polilactida i la policaprolactona, però presenten alguns inconvenients: en general, les propietats mecàniques són inadequades per la seva fragilitat i d'altra banda, presenten una alta permeabilitat a gasos i vapors. Existeixen diverses opcions per a millorar les característiques d'aquests materials, sent una d'elles la mescla amb polímers amb millors propietats. Això permet millorar les propietats dels polímers biodegradables d'una manera econòmica i senzilla. Aquesta mescla pot ser miscible o inmiscible. Normalment els polímers són inmiscibles, és a dir, es divideixen en dues fases, igual que l'oli i l'aigua no es barregen. L'objectiu és aconseguir una mescla miscible, ja que aquest tipus de mescles tenen millors propietats físiques.

En aquesta tesi s'ha estudiat el polímer biodegradable poli(adipat-co-tereftalato de butilas) (PBAT) per les seves propietats mecàniques aptes per a la seva utilitat en l'envasament. Presenta una alta permeabilitat a gasos i vapors quant a les seves característiques barrera. Per això, per a millorar les propietats del PBAT s'ha barrejat amb la resina fenoxi (PH), que presenta una permeabilitat baixa (Figura 4). Les mescles obtingudes són miscibles en l'ampli rang de composició analitzat. Pel que fa a les característiques barrera, s'observa una notable millora, ja que només l'addició d'un 25% de resina fenoxi redueix significativament la permeabilitat al vapor d'aigua i limoneno. D'altra banda, s'ha estudiat la degradació d'aquestes mescles per a estudiar la influència de l'addició de fenoxia en la degradació. Si bé la degradació de les mescles és més lenta que en PBAT, la seva velocitat de degradació és similar a la polilactida o policaprolactona. Per tant, es pot concloure que les mescles obtingudes són aptes per al seu ús en l'envasament.

Polímers reciclables químicament

En els últims anys, els polímers reciclables químicament han despertat gran interès. Aquests polímers, una vegada utilitzats, poden ser reciclats mitjançant la recuperació de compostos inicials. El reciclatge químic i el reciclatge mecànic abans esmentat són totalment diferents. En el reciclatge mecànic els residus plàstics es trituren i classifiquen segons la mena de polímer. A continuació, cada tipus de polímer s'escalfa i es dóna forma per a obtenir una peça nova. A causa del reprocessament del material, les propietats es deterioren, per la qual cosa aquest procediment no es pot repetir tantes vegades com es desitgi (Figura 5).

D'altra banda, pel que fa al reciclatge químic, per a entendre el procés és necessari conèixer primer com es formen els polímers. Com es pot observar en la figura 5 (veure apartat de reciclatge químic), els polímers són cadenes llargues formades per unitats repetitives. Per exemple, si la unitat repetitiva és una perla, la cadena de polímer és el collaret que es forma unint una perla amb l'altra. Una vegada utilitzat el polímer es pot reciclar químicament recuperant les perles inicials i amb elles es pot tornar a formar el collaret. Per tant, aquests materials són infinitament reciclables i les seves propietats físiques no es perden.

Els polímers reciclables químicament presenten alguns problemes: d'una banda, és molt difícil obtenir un material totalment reciclable i, per un altre, si es recicla amb facilitat, les propietats físiques del material són deficients, per exemple, no presenten propietats mecàniques adequades per al seu ús en l'envasament. Per això, els polímers d'aquest tipus que s'han estudiat fins al moment no poden substituir als que s'utilitzen actualment en el mercat.

En aquesta tesi s'ha procedit a sintetitzar polímers basats en butirolactona per a la seva utilització en l'envasament d'aliments. Tal com es pot apreciar en la figura 6, la <br class="xliff-newline" /> A més, a un carboni de l'anell se li uneix un àtom d'oxigen. Aquesta estructura de cinc àtoms contribueix al reciclatge químic del polímer. La poli (>-butirolactona) té excel·lents propietats mecàniques, però la seva permeabilitat a gasos i vapors és alta, per la qual cosa no és adequada per al seu ús en envasament (Figura 6). D'altra banda, s'ha produït una transformació de la <br class="xliff-newline" /> Aquest polímer és també químicament reciclable, però en aquest cas presenta propietats oposades: la seva permeabilitat als gasos i vapors és molt baixa, la qual cosa suposa un avantatge per a l'envasament, però les seves propietats mecàniques són inadequades per la seva fragilitat (Figura 6).

Per tot això, tots dos monòmers s'han combinat per a obtenir copolímers (Figura 7). Com es pot apreciar en la figura, la permeabilitat del copolímer al vapor d'aigua és molt inferior a la del polietilè tereftalato (PET) i a la de la polilactida (PLA). Les propietats mecàniques del copolímer són millors que les del polietilè tereftalato i la polilactida, que és fràgil. En conseqüència, aquests nous materials poden substituir als polímers utilitzats actualment en el mercat.

Bibliografia

FAO, IFAD, UNICEF, WFP and WHO, The state of food security and nutrition in the world 2020. FAO, Rome, 2020.

J.V. Koros, Barrier Polymers and Structures. American Chemical Society, Washington, 1990.

J. Areizaga, M. Cortázar, J.M. Elorza, J.J. • Síntesi, Madrid, 2002.

R.A. Gross, B. Kalra, Biodegradable polymers for the environment, Green Chemistry, 297, 803–807, 2002.

V. Siracusa, P. Rocculi, S. Romani, M.Sr. Rosa, Biodegradable polymers for food embalatge: a review, Trends Food Science and Technology, 19, 634-643, 2008.

X. Tang, E.I.X. Chen, Toward infinitely recyclable plastics derived from renewable cyclic esters. Chem, 5, 284-312, 2019.

G.W. Coates, I.D.I.L. Getzler, Chemical recycling to monomer for an ideal, circular polymer economy, Nature Reviews Materials, 5, 501-516, 2020