Desenvolvemento de polímeros sustentables paira o envasado de alimentos

2021/04/27 Ainara Sangroniz Agudo

• Kimika
• Birziklatzea
• Materialak

A Organización das Nacións Unidas ha publicado varios obxectivos de desenvolvemento sustentable. Entre eles atópanse a redución da fame, o mantemento da seguridade alimentaria e a mellora da alimentación. Paira facer fronte a estes retos existen varias opcións, entre as que se atopa o alargar a supervivencia dos alimentos co envasado adecuado.

Con todo, o XXI. Os plásticos utilizados paira o envasado no século XVIII crearon un grave problema pola mala xestión dos residuos. O obxectivo desta tese doutoral foi a necesidade de desenvolver novos materiais ambientalmente sustentables paira solucionar este problema.

Envasado paira a redución de residuos alimentarios

Segundo estudos realizados pola Organización das Nacións Unidas paira a Alimentación e a Agricultura (FAO), o 14% dos alimentos producidos no mundo estráganse antes de chegar á tenda. Segundo a FAO, en 2019, máis de 690 millóns de persoas atopábanse en situación de fame. Por iso, é imprescindible reducir a xeración de residuos alimentarios, neste reto é urxente o uso de envases adecuados. Os envases garanten a calidade e seguridade dos alimentos durante o transporte, almacenamento e consumo do produto. Hai que ter en conta que os alimentos poden verse danados por cambios físicos, químicos ou biolóxicos.

No envasado utilízanse materiais como o metal, vidro, cartón e plástico (Figura 1). Cada tipo de material ten as súas vantaxes e inconvenientes. Por exemplo, o metal e o vidro son impermeables, é dicir, os gases ou vapores externos non atravesan o recipiente e recíclanse facilmente. Con todo, teñen algúns inconvenientes: por unha banda, gástase gran cantidade de enerxía paira procesar estes materiais, e por outro, son moi pesados, o que repercute no transporte, xa que se consome máis combustible.

Os plásticos, con todo, son baratos, fáciles de procesar e lixeiros. Con todo, nos últimos anos a xestión inadecuada dos residuos de plástico xerou un grave problema ambiental. Na actualidade existen tres formas de xestionar os residuos de plástico: o depósito en vertedoiro, a reciclaxe mecánica (as propiedades físicas do material resultante deste proceso son peores) e a incineración en incineradoras. Todas estas alternativas presentan una serie de desvantaxes que resultan pouco sustentables co medio ambiente. Paira facer fronte a este problema propuxéronse solucións como a utilización de biodegradables ou a utilización de polímeros químicamente reciclables.

Polímeros: materiais de envasado

Os materiais poliméricos utilizados no envasado deben ter certas características: deben ser transparentes, ter boas propiedades barreira e ter boas propiedades mecánicas.

Antes de explicar que son boas características barreira, hai que entender que é a permeabilidade. Os polímeros, a diferenza do vidro e o metal, son permeables a diversos gases. É dicir, as moléculas pequenas poden atravesar o polímero, polo que o transporte das moléculas de gas prodúcese desde o interior do colector ao medio ambiente e viceversa (Figura 2). O transporte deste gas ou vapor pode danar o produto envasado. Doutra banda, poden perderse os compostos aromáticos dos alimentos, reducindo a súa calidade. En consecuencia, é moi importante coñecer a características barreira dos polímeros a utilizar no envasado. En xeral, considérase que un material presenta boas características barreira cando a súa permeabilidade a gases e vapores é baixa.

Paira a selección do material do envase teranse en conta as características do produto a envasar (figura 3). Por exemplo, as froitas e hortalizas respiran, polo que o material que se utiliza no envasado debe ser permeable ao osíxeno e ao dióxido de carbono. No caso da carne vermella, o material debe ser permeable ao osíxeno, de non ser así a carne perderá a súa cor vermella, adquirindo unha cor marronáceo. En produtos como o pan hai que evitar a entrada de auga paira manter una textura crujiente. O material utilizado paira o envasado da cervexa debe evitar a entrada de osíxeno ao alterar as propiedades organolépticas do produto. Por tanto, como se indicou, os materiais deben ter propiedades adecuadas a cada alimento. Con todo, en xeral, o principal reto da área de envasado é a obtención de materiais de baixa permeabilidade a gases e vapores.

Actualmente, os materiais máis utilizados no envasado son o polietileno, o polipropileno e o tereftalato de polietileno, polo seu baixo custo e polas súas propiedades físicas. Con todo, este tipo de materiais non son biodegradables, senón que una vez utilizados acumúlanse en vertedoiros ou no medio ambiente, aumentando o problema dos residuos de plástico.

Polímeros biodegradables: solución de residuos de plástico?

Una solución a este problema pode ser o uso de polímeros biodegradables, xa que en determinadas condicións degrádanse mediante a obtención de sustancias como a biomasa, o dióxido de carbono ou a auga. Desta forma evítase a xeración de residuos e foméntase a economía circular.

Os polímeros biodegradables máis utilizados son a polilactida e a policaprolactona, pero presentan algúns inconvenientes: en xeral, as propiedades mecánicas son inadecuadas pola súa fraxilidade e por outra banda, presentan una alta permeabilidade a gases e vapores. Existen varias opcións paira mellorar as características destes materiais, sendo una delas a mestura con polímeros con mellores propiedades. Isto permite mellorar as propiedades dos polímeros biodegradables dunha maneira económica e sinxela. Esta mestura pode ser miscible ou inmiscible. Normalmente os polímeros son inmiscibles, é dicir, divídense en dúas fases, do mesmo xeito que o aceite e a auga non se mesturan. O obxectivo é conseguir una mestura miscible, xa que este tipo de mesturas teñen mellores propiedades físicas.

Nesta tese estudouse o polímero biodegradable poli(adipato-co-tereftalato de butilas) (PBAT) polas súas propiedades mecánicas aptas paira a súa utilidade no envasado. Presenta una alta permeabilidade a gases e vapores en canto á súa características barreira. Por iso, paira mellorar as propiedades do PBAT mesturouse coa resina fenoxi (PH), que presenta una permeabilidade baixa (Figura 4). As mesturas obtidas son miscibles no amplo rango de composición analizado. No que respecta á características barreira, obsérvase una notable melloría, xa que só a adición dun 25% de resina fenoxi reduce significativamente a permeabilidade ao vapor de auga e limoneno. Doutra banda, estudouse a degradación destas mesturas paira estudar a influencia da adición de fenoxia na degradación. Aínda que a degradación das mesturas é máis lenta que en PBAT, a súa velocidade de degradación é similar á polilactida ou policaprolactona. Por tanto, pódese concluír que as mesturas obtidas son aptas paira o seu uso no envasado.

Polímeros reciclables químicamente

Nos últimos anos, os polímeros reciclables químicamente espertaron gran interese. Estes polímeros, una vez utilizados, poden ser reciclados mediante a recuperación de compostos iniciais. A reciclaxe química e a reciclaxe mecánica antes mencionado son totalmente diferentes. Na reciclaxe mecánica os residuos plásticos se trituran e clasifican segundo o tipo de polímero. A continuación, cada tipo de polímero quéntase e dáse forma paira obter una peza nova. Debido ao reprocesado do material, as propiedades deterióranse, polo que este procedemento non se pode repetir tantas veces como se desexe (Figura 5).

Doutra banda, no que respecta á reciclaxe química, paira entender o proceso é necesario coñecer primeiro como se forman os polímeros. Como se pode observar na figura 5 (ver apartado de reciclaxe química), os polímeros son cadeas longas formadas por unidades repetitivas. Por exemplo, se a unidade repetitiva é una perla, a cadea de polímero é o colar que se forma unindo una perla coa outra. Una vez utilizado o polímero pódese reciclar químicamente recuperando as perlas iniciais e con elas pódese volver formar o colar. Por tanto, estes materiais son infinitamente reciclables e as súas propiedades físicas non se perden.

Os polímeros reciclables químicamente presentan algúns problemas: por unha banda, é moi difícil obter un material totalmente reciclable e, por outro, se se recicla con facilidade, as propiedades físicas do material son deficientes, por exemplo, non presentan propiedades mecánicas adecuadas paira o seu uso no envasado. Por iso, os polímeros deste tipo que se estudaron até o momento non poden substituír aos que se utilizan actualmente no mercado.

Nesta tese procedeuse a sintetizar polímeros baseados en butirolactona paira a súa utilización no envasado de alimentos. Tal e como se pode apreciar na figura 6, a <br class="xliff-newline" /> Ademais, a un carbono do anel úneselle un átomo de osíxeno. Esta estrutura de cinco átomos contribúe á reciclaxe química do polímero. O poli (>-butirolactona) ten excelentes propiedades mecánicas, pero a súa permeabilidade a gases e vapores é alta, polo que non é adecuada paira o seu uso en envasado (Figura 6). Doutra banda, produciuse una transformación da <br class="xliff-newline" /> Leste polímero é tamén químicamente reciclable, pero neste caso presenta propiedades opostas: a súa permeabilidade aos gases e vapores é moi baixa, o que supón una vantaxe paira o envasado, pero as súas propiedades mecánicas son inadecuadas pola súa fraxilidade (Figura 6).

Por todo iso, ambos monómeros combináronse paira obter copolímeros (Figura 7). Como se pode apreciar na figura, a permeabilidade do copolímero ao vapor de auga é moi inferior á do polietileno tereftalato (PET) e á da polilactida (PLA). As propiedades mecánicas do copolímero son mellores que as do polietileno tereftalato e a polilactida, que é fráxil. En consecuencia, estes novos materiais poden substituír aos polímeros utilizados actualmente no mercado.

Bibliografía

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. • Síntese, 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.D. Rosa, Biodegradable polymers for food packaging: a review, Trends Food Science and Technology, 19, 634-643, 2008.

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

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