Lignonanofibras de celulosa procedentes de residuos agrícolas para la formulación de envases alimentarios sostenibles y funcionales

Abstract

Se prevé que la población mundial aumente en un 12,5% en los próximos 30 años, propiciando un consumo sin precedentes que generará un cambio climático irreversible. Por todo ello, en el año 2021, la Comisión Europea inició el Pacto Verde Europeo. Según la Organización de las Naciones Unidas, los Objetivos de Desarrollo Sostenible constituyen un llamamiento universal a la acción para poner fin a la pobreza, proteger el planeta y mejorar las vidas y las perspectivas de las personas en todo el mundo. Fueron aprobados por todos los Estados Miembros de las Naciones Unidas como parte de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. Actualmente el modelo económico dominante conocido como “Economía Linear”, basado en la extracción, producción, consumo y desecho, es incompatible con la limitación de recursos y la capacidad de adaptación al impacto ambiental. De la insostenibilidad del modelo lineal surge un modelo de enfoque integrativo y regenerativo conocido como “Economía Circular”. Con este modelo se busca la preservación del capital natural mediante la selección de recursos naturales y su uso optimizado, para disminuir así los daños en el medio ambiente y ecosistemas. La elevada producción agrícola en España conlleva la generación de una gran cantidad de residuos agrícolas que deben ser gestionados. Estas aplicaciones podrían mejorarse mediante una valorización del producto y un uso más eficiente de los residuos agrícolas generados. Con la valorización se podría extraer de los residuos más energía y subproductos, disminuyendo así tanto el coste de la producción agrícola como la propagación de plagas y las emisiones de gases de efecto invernadero, potenciando el sistema de economía circular. La biomasa lignocelulósica la constituyen principalmente plantas o materiales de origen vegetal, suponiendo una fuente de carbono sostenible para la producción, mediante procesos de biorrefinería, de bioquímicos, bioetanol y biocombustibles, pudiendo sustituir a los polímeros derivados del petróleo. En este sentido, los residuos agrícolas lignocelulósicos suponen una fuente abundante y barata de fibras de celulosa, cuya composición principal (celulosa, hemicelulosa y lignina), estructura y propiedades las hacen aptas para su utilización. Para la obtención de las fibras celulósicas y posterior obtención de nanocelulosa, la biomasa es sometida a un pretratamiento, eliminando los demás componentes no celulósicos. En los últimos años ha aumentado la producción de nanocelulosa para su aplicación en el sector industrial (dispositivos electrónicos, cosméticos, dispositivos biomédicos y envases alimentarios) debido a sus excelentes propiedades mecánicas y físicas. En la presente Tesis Doctoral, en primer lugar, se identificaron los residuos de plantas hortícolas del tomate, pimiento y berenjena como nuevas fuentes de lignonanofibras de celulosa (LNFC). La pulpa celulósica se obtuvo mediante un proceso medioambientalmente respetuoso, energéticamente sostenible, sencillo y con bajo consumo de reactivos. Se analizó la composición química de las pulpas para estudiar su influencia en el proceso de nanofibrilación. Además, las fibras celulósicas fueron sometidas a pretratamiento mecánico y oxidación mediada por TEMPO (2,2,6,6-Tetrametil-piperidina-1-oxilo) seguido de una homogeneización a alta presión. Las LNFC obtenidas se caracterizaron en términos de rendimiento de nanofibrilación, demanda catiónica, contenido en carboxilos, morfología, cristalinidad y estabilidad térmica. Por último, las LNFC se añadieron como agente de refuerzo en cartón reciclado y se realizó una comparación de mejora con el proceso de batido mecánico industrial. Posteriormente, las LNFC obtenidas anteriormente se añadieron a una matriz polimérica de alcohol polivinílico (PVA) para la formulación de films. El objetivo principal fue mejorar las propiedades de los films obtenidos para el desarrollo de sistemas de envasado de alimentos más sostenibles y ecológicos. Se evaluaron las propiedades mecánicas, la cristalinidad, la resistencia térmica, la estructura química, la actividad antioxidante, las propiedades de barrera al agua y las propiedades ópticas. Por último, se diseñó un prototipo de envase alimentario a escala piloto, formulado a partir de con combinaciones de ácido poliláctico (PLA) y polibutileno adipato-co-tereftalato (Ecoflex®), e incorporando diferentes proporciones de nanofibras de lignocelulosa (LNFC) obtenidas a partir de un pretratamiento enzimático de residuos de paja de trigo. Se evaluaron las propiedades mecánicas, la cristalinidad, la resistencia térmica, la estructura química, la actividad antioxidante, las propiedades de barrera al agua y gases, y las propiedades ópticas. Además, se estudió su posible aplicación en el envasado de lechuga recién cortada simulando condiciones reales de fabricación, envasado y almacenamiento a escala piloto.

The world's population is expected to increase by 12.5% in the next 30 years, leading to unprecedented consumption and irreversible climate change. Therefore, in 2021, the European Commission l commencement the European Green Pact. According to the United Nations (UN), the Sustainable Development Goals are a universal call to action to end poverty, protect the planet and improve the lives and prospects of people everywhere. They were adopted by all UN Member States as part of the 2030 Agenda for Sustainable Development. Currently the dominant economic model known as the "Linear Economy", based on extraction, production, consumption and waste, is incompatible with resource limitation and resilience to environmental impact. From the unsustainability of the linear model emerges a model with an integrative and regenerative approach known as the "Circular Economy". This model seeks to preserve natural capital by selecting natural resources and optimising their use to reduce damage to the environment and ecosystems. The high agricultural production in Spain leads to the generation of a large amount of agricultural waste that needs to be managed. These applications could be improved through product recovery and a more efficient use of the agricultural waste generated. With valorisation, more energy and by-products could be extracted from the waste, thus reducing both the cost of agricultural production and the spread of pests and greenhouse gas emissions, boosting the circular economy system. Lignocellulosic biomass is mainly made up of plants or materials of plant origin, providing a sustainable source of carbon for the production, through biorefinery processes, of biochemicals, bioethanol and biofuels, which can replace petroleum-derived polymers. In this sense, lignocellulosic agricultural residues represent an abundant and cheap source of cellulose fibers, whose main composition (cellulose, hemicellulose and lignin), structure and properties make them suitable for use. To obtain cellulosic fibers and subsequently obtain nanocellulose, the biomass is subjected to pre-treatment, eliminating the remaining non-cellulosic components. In recent years, the production of nanocellulose for its application in the industrial sector (electronic devices, cosmetics, biomedical devices and food packaging) has increased due to its excellent mechanical and physical properties. In the present PhD thesis, firstly, vegetable plant residues from tomato, pepper and eggplant were identified as new sources of lignocellulose nanofibers (LCNF). The cellulosic pulp was obtained by an environmentally friendly, energy sustainable, simple and low reagent-consuming process. The chemical composition of the pulps was analysed to study its influence on the nanofibrillation process. In addition, the cellulosic fibers were subjected to mechanical pretreatment and TEMPO (2,2,6,6-Tetramethyl-piperidine-1-oxyl) mediated oxidation followed by high-pressure homogenisation. The obtained LCNF were characterised in terms of nanofibrillation yield, cation demand, carboxyl content, morphology, crystallinity and termal stability. Finally, the LCNF were added as a reinforcing agent in recycled paperboard and an improvement comparison with the industrial mechanical beating process was performed. Subsequently, the previously LCNF obtained, were added to polyvinyl alcohol (PVA) for film formulation. The main objective was to improve the properties of the obtained films for the development of more sustainable and environmentally friendly food packaging systems. Mechanical properties, crystallinity, thermal resistance, chemical structure, antioxidant activity, water barrier properties and optical properties were evaluated. Finally, a pilot-scale food packaging prototype was designed, formulated from combinations of polylactic acid (PLA) and polybutylene adipate-co-terephthalate (Ecoflex®), and incorporating different proportions of lignocellulose nanofibers (LCNF) obtained from an enzymatic pretreatment of wheat straw waste. Mechanical properties, crystallinity, thermal resistance, chemical structure, antioxidant activity, water and gas barrier properties, and optical properties were evaluated. In addition, their potential application in fresh-cut lettuce packaging was studied by simulating real manufacturing, packaging and storage conditions at pilot scale.