Aplicaciones de La Nanotecnología en El Embalaje Alimentario

Aplicación de la Nanotecnologíaen el Envasado de Alimentos

Manuel ArrueboInstituto de Nanociencia de Aragón (INA)

Universidad de Zaragoza23/11/2009

La cifraLa cifra: E: El envasadol envasado representa el mayor sector de uso de los plásticos con una producción mundial de más de 12 millones de toneladas/año, lo que representa¼ de la producción total de plásticos de USA. [Critical Reviews in Food Science and Nutrition,47:411–433 (2007)]

IMPORTANCIA DEL EMBALAJE EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA:IMPORTANCIA DEL EMBALAJE EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA:La cifraLa cifra: 1/3 de la comida hecha para consumo humano se tira a la basura en UK.UK tira comida por un valor de £20bn anualmente. El 21% de toda la basura comerciales comida o bebida. [Thankappan (2005) From Fridge Mountains to Food Mountains? Tackling the UK Food Waste Problem, Food Waste, Cardiff Centre for Ethics, Law and Society, Cardiff University, 1-15]

¿Qué puede aportar la Nanotecnología al envasado?1. Envases más resistentes 2. Envases más impermeables o permeoselectivos3. Envases con adsorbentes (O2, H2O, etileno) o emisores de gases (CO2, EtOH)4. Envases con propiedades ópticas, térmicas, etc. que informen sobre el estado

del producto5. Envases con biosensores para detectar patógenos6. Envases de liberación controlada (bactericidas, antioxidantes, enzimas, etc.)7. Envases autolimpiantes8. Envases biodegradables

¿Existen actualmente productos en el mercado deque incluyan Nanotecnologías?

Del inventario realizado en Agosto de 2009 existen en el mercadoen el mercado:1015 productos o líneas de producto que incluyen nanotecnologías

[http://www.nanotechproject.org/index.php?id=44]

[A.D. Maynard, Nature 444 16 November (2006)]

La venta de productos que incorporan nanotecnologías produjo en 2005 más de 30 billones de dólares. Lux Research estima que en 2014la cifra rondará los $2.6 trillones [The Woodrow Wilson International Center for Scholars]

El crecimiento anual ha sido de 100 productos/año

Cosmética, alimentación, salud

http://nanotechproject.org/87

CáncerInmunosupresoresTerapia hormonalColesterolControl del apetitoSustitutivos óseosSustitutivos químicosAgentes de contraste (MRI)FármacosEquipos de diagnósticoHerramientas médicas

El sector de alimentación y bebidas incluye Nanotecnología en sus productos

De esos productos, 98 están relacionados con la alimentación y las bebidas

adhesivos

antiadherente

antibacteriano

Pintura aislante en tuberías

Tupperware®antibacteriano

Aceite de colza con

nutraceuticals

Daewoo ®Samsung ®

antibacterianosantibacteriano Barreras

contra O2Suplementos

Filtración H2O

antiadherente

Funciones tradicionales del embalaje alimentarioHacia el consumidor

(herramienta de marketing)

protec

ción

conve

niencia

comunicación

contención

FUNCIONESDEL EMBALAJE

activ

o

inteligente

Frente a la degradación

Versátil para contener

distintos tamaños y formas

Comodidad, ahorro de tiempo

1. Envases más resistentes2. Envases más impermeables o permeoselectivos3. Envases con adsorbentes (O2, H2O, etileno) o emisores de gases (CO2, EtOH)4. Envases con propiedades ópticas, térmicas, etc. que informen sobre el estado


NANONANO

Un material nanométrico (en al menos una de sus dimensiones) disperso en una matriz polimérica.

•Se obtienen materiales con propiedades muy superiores al polimero originalcon la adición de cantidades muy bajas de nanomaterial (< 5 wt. %).

Mejores propiedades mecánicas, térmicas, de barrera, de resistencia al fuego, resistencia química, conductividad, magnetismo, estéticas.

1. Envases más resistentes. Nanocomposite poliméricos

Nanocomposites

Matrizpolimérica

Material nanoestructurado

SiO2

TiO2

MMT

NT

Polietileno (PE)Producción: 1/3 de la total de plásticosPropiedades: baja densidad, buena procesabilidad y bajo costoDesventajas: baja resistencia mecánica y al calor

Poliamida (PA)Propiedades: baja viscosidad, alta resistencia al impacto, resistencia química y amplio rango de temperaturasDesventajas: sensible a la humedad

Polipropileno (PP)Es uno de los plásticos con mayor crecimiento en los últimos años y se prevé que su consumo continúe creciendo más que el de los otros grandes termoplásticos Propiedades: alta resistencia a la temperatura, tensión, impacto, químicaDesventajas: debajo de 0 ºC es frágil y quebradizo

1. Envases más resistentes

Tubos y fibrasisométricasParámetros a controlar:

• Relación de aspecto (Longitud/diámetro)• Naturaleza del material de relleno• Orientación de las fibras, láminas, tubos, etc.• Funcionalización (compatibilización química entre el nanoaditivo y lamatriz polimérica)• Adición de surfactantes


Interacción superficial

Buena dispersión

Refuerzo mecánico

i) nano-rellenos laminados

ii) nanomateriales basados en carbón

iii) nanopartículas inorgánicas

iv) nanofibras y nanotubos inorgánicos

v) POSS (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)

[Source: ISI web of Knowledge]

Mezclado por fusión

No requieres solventes orgánicosVersátilSe realiza para el procesado de la matriz

Se mezclan a alta temperatura y alta cizalla


In situ polimerización: intercalación del monómero entre las láminas que constituyenla arcilla o el silicalto laminar.

In situ polimerización mediante sembrado: unir covalentemente el monómero sobre la superficie de la arcilla o silicato laminar y llevar a cabo la polimerización.

Intercalación en solución: hinchar la arcilla con un solvente y disolver dicho polímeroen dicho solvente. Se mezclan ambas dispersiones y las cadenas de polímero desplazan el solvente de la dispersión de los nanomateriales.

Intercalación por fundido: ambos materiales se mezclan a una temperatura por encima de la temperatura de fusión del polímero, se exfolian las arcillas laminares por fuerzas de cizalla.

Silicatos laminares (de Si4+, Al3+, Mg2+, Fe3+, Li+) con cationes de compensaciónIintercalados entre láminasHidróxidos dobles laminados (LDHs) (Al(OH)3, Mg(OH)2, con cargas compensadaspor aniones


2. Envases más impermeables o permeoselectivos

Nylon 6 relleno con arcillas (Durethan® KU 2-2601, Bayer):Barrera contra la humedad, el secado y el oxígenoAlta resistencia mecánica

O2 degrada la grasa de la carne y del queso y los vuelve blanquecinos:

Antiguamente: Polyamida 6 Barata Alimentos no muy delicadosEtilenvinil alcohol Caro Más impermeable

Ahora: Durethan® Barato Muy impermeableImperm® Barato Muy impermeable

Con 50% de humedades casi impermeable

Mejora la cristalizacióndel polímero

brillo

Beall 2000 (INTERFASE)(polímeros amorfos)En torno a 50-100 nm desde la superficie del nanofiller se observa mayor empaquetamiento del polímero:Mayor resistencia la difusión del gas

2. Envases más impermeables o permeoselectivos

REQUERIMIENTOS DEL NANOFILLER:

Alta impermeabilidad a O2, alta transparencia, baja constante de pérdida dieléctrica para que no absorba las MW como envase alimentario.

Membranas semipermeables

LbL (Layer by Layer assembly): Formación de capas nanométricas mediante adsorción secuencial de polielectrolitos cargados opuestamente sobre un soporte sólido

Químicas:LbLSol-gelDip-coating

Físicas:PECVDSputteringEvaporationPlasma sprayElectroplating

Nanocomposites2. Envases más impermeables o permeoselectivos

1. Envases más resistentes2. Envases más impermeables o permeoselectivos3. Envases con adsorbentes (O2, H2O, etileno) o emisores de vapores (CO2, EtOH)4. Envases con propiedades ópticas, térmicas, etc. que informen sobre el estado


NANONANO

3, 4, 5. Sensores basados en MEMS y en NEMS

H2OCO2EtOHH2S

Termógrafoque registra 4000

puntos de temperatura (entre -40°C y +70°C)

Sensores ópticos que indican si la

atmósfera modificada seha perdido o no (i.e.,

sensores de CO2)

RFID tag


Coste?, Privacidad?


[N. Sozer et al. Trends in Biotechnology 27(2) 2009]

Biosensor: vida, temperatura y presencia de patógeno

SIRA Tech.®

6. Envases de liberación controlada (bactericidas, antioxidantes, enzimas, etc.)

Protección de nutracéuticals (flavonoides, ginseng, etc.), encapsular aromas, enmascarar sabores no deseados, prebióticos (oligosacáridos de frutas),probióticos (bifidus), vitaminas, etc.

Aprobación FDA para alimentación: carragenano, qitosano, gelatina,ácido poliláctico, ácido glicólico, y alginato.

Objetivo: aumentar la biodisponibilidad (S/V), solubilidad, etc.

ENCAPSULACIÓN

Nanotubos de proteínas de la leche

Caseinamicelas de 100 nm


Tupperware®antibacteriano

Daewoo ®Samsung ®

antibacterianos

Bactericidas: Basados en Plata o en TiO2 nanoparticulados


¿Por qué la plata tiene efecto bactericida?Ag+ se une a los distintos grupos tiol y fósforo presentesen proteínas del interior celulary del ADN produciendo la muertecelular. Además produce cambiosestructurales en las paredes nuclear y celular. [M. Rai et a. Biotech. Advances 27 (2009) 76‐83]

Ventaja frete a antibiVentaja frete a antibióóticos:ticos:Menor resistencia bacterianaMenor resistencia bacteriana


• TiO2 es fotocatalítico generando la peroxidación de los fosfolípidos que forman la pared celular (se emplea la radiación UV de la luz solar)

•Nano-quitosano (protonado superficialmente)

•Péptidos (i.e.,nisina crea poros en las membranas bacterianas)




NANONANO

TiO2 como autolimpiante:Grasas, aceites, material orgánica, etc. adherida en el envase

ACTUALMENTE:Extraídos u obtenidos de biomasa (polisacáridos, proteínas, polipéptidos)

Polimerización de bio-monómeros obtenidos de biomasa o de mezclas petróleo/biomasa (ácido poliláctico, bio-poliéster)

Polímeros producidos por micro-organismos o bacteriasmodiicadas genéticamente (xantano, polihidroxibutirato (PHB), PBS, etc.)

Desventajas:QuebradizosBajas temperaturas de fusiónAlta permeabilidad a gases y vaporesBaja resistencia mecánicaElevado coste (para algunos polímeros)

Polycaprolactona (desventaja: funde a 60ºC y el vapor de agua permea fácilmente a sutravés

Se rellena con silicatos (MMT, hidrotalcita, etc.)En algunos casos se busca otro valor añadido: se enlaza iónciamentebenzoato sódico con la hidrotalcita dando un polímero biodegradable y antiséptico

8. Envases biodegradables

Nanotecnología

Nanocopmposites

Materbi from Novamont-Italy

Biopar from Biop. Germany. El almidón generalmente se mezcla con otros poliésteres alifáticosbiodegradables (i.e.,Ecoflex de BASF or Bionolle)


BIONANOCOMPOSITES

4 microfibras unidas porhemicelulosa y lignina

Microfibraselementales

Microfibra unida porcadenas de celulosa

Cadena de celulosa

Celulosa microcristalina está comercializada por FMC y por otras empresas

VALORES MECÁNICOS COMO REFORZANTES SÓLO 7 VECES INFERIORES A LOS CNTs

Otros aditivos: quitosan, silica, almidón (todos nanoparticulados)


Los materiales que se usan para fabricar en embalaje siguen las regulacionespara “sustancias en contacto con alimentossustancias en contacto con alimentos” dentro del apartado:“Aditivos alimentariosAditivos alimentarios”.

Legislación

Si las propiedades del material cambian es necesario hacer una nueva petición de aplicabilidad

FDA regula productos no tecnologías. De momento sólo hay legislación para nanoproductos que incorporan Ag, los cuales siguen la misma legislación que los pesticidas.

ISO TR 12885 Nanotechnologies-Health and safety practices in occupational settings relevant to Nanotechnologies.

Avella et al. (2005) demostraron que la migración de nanoarcillas rellenando un film de almidón es mínima en el envasado de vegetales.

Estudios toxicológicos son necesarios así como desarrollaranalíticas específicas para determinar nano en alimentos

Percepción pública: La nanotecnología aplicada al envasado tiene mayor aceptación que la nanotecnología aplicada al alimento

Para que no ocurra lo mismo que con los OMG se tienen que demostrar efectosbeneficiosos tangibles para el consumidor con la Nanotecnología

“Nano-inside” tiene menos aceptación que “nano-outside”

Percepción pública

http://www.europarl.europa.eu/



Resumen/conclusión

NANO

[email protected] de Nanociencia de Aragón (INA)

Universidad de Zaragoza

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