La principal razón por la cual estas nanoarcillas mejoran las propiedades de los polímeros son las interacciones superficiales fuertes entre la matriz y la carga (Chen y col. 2002).
Se ha reportado en bibliografía las mejoras que las mismas ejercen en matrices poliméricas sintéticas, tanto termoplásticos como termorrígidos (Kim y col 2005, Aranda y Ruiz-Hitzky 1992, Kojima y col 1993, Lam y col 2005), así como también en polímeros biodegradables como: poliláctico polihidroxibutirato, polibutilen succinato, poliesteres alifáticos, policaprolactonas, polivinilalcoholes, almidón, celulosa, quitosano y gelatina (Zheng y col. 2002, Sinha Ray y Bousmina 2005, Thellen y col 2005, Wanga y col 2005). Entre ellas pueden mencionarse: mayor retardamiento a la llama y estabilidad térmica, menor absorción de agua, mayor resistencia mecánica y módulo elástico, mejores propiedades barrera, mayor estabilidad dimensional, mayor claridad y menor densidad.
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24 En particular, las propiedades barrera de los materiales poliméricos pueden ser mejoradas por incorporación de cantidades pequeñas de nanoarcillas. Los resultados de varios trabajos muestran que la transmisión de oxígeno para películas de poliamida-nanoarcillas es aproximadamente la mitad que para el caso de las no modificados (Hay y Shaw, 2003), y también se ha reportado la disminución del vapor de agua en sistemas reforzados con arcilla. Estos resultados han despertado el interés en la aplicación de nanoarcillas para envases para alimentos, tanto rígidos como flexibles.
La dispersión completa de las capas de arcilla en un polímero optimiza el número de elementos de refuerzo disponibles para soportar la aplicación de una carga y evitar grietas en el material. El acoplamiento entre la gran área superficial de la arcilla y la matriz polimérica facilita una interacción que permite tales mejoras mecánicas. Además, las capas impermeables de la arcilla, generan un camino tortuoso a los permeantes les cuesta más atravesar el nanocompuesto (Figura 1.11). Las propiedades de barrera mejoran la resistencia química, disminuyen la absorción de disolvente y provocan el retardamiento a la llama de los nanocompuestos de polímero-arcilla, lo cual surge por la obstaculización de la vía de difusión a través de los nanocompuestos.
Figura 1.11: Representación esquemática del camino tortuoso que debe recorrer una molécula para atravesar un material nanocompuesto.
Las capas de montmorillonita exfoliadas en la matriz proteica, además de mejorar las propiedades fisicoquímicas de las películas proteicas, podrían llegar a actuar como captores
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25 de etileno y de humedad -ya que se ha encontrado que otras arcillas presentan estas actividades (Han, 2005). Por otra parte, si estas formulaciones fueran activadas por algún tipo de aditivo con capacidad antioxidante o antimicrobiana, por ejemplo, la presencia de la arcilla en este sistema podría actuar como modulador de la liberación del principio activo (Mascheroni y col., 2010)
Sin embargo, hay muchas dudas acerca de los nanomateriales. El principal riesgo de la exposición del consumidor a las nanopartículas frente al envasado de alimentos es probable que sea a través de la migración potencial de las nanopartículas en los alimentos y bebidas. Hay información científica limitada acerca de la migración de la mayoría de los tipos de nanopartículas (NPs) desde el material de envase hacia los alimentos, como también sobre los consiguientes efectos toxicológicos. Es razonable asumir que la migración puede ocurrir, por eso es imprescindible la información adecuada acerca de los efectos de la exposición crónica de las nanopartículas en la salud humana (de Azeredo, 2009). Hasta la fecha, solo hay un estudio publicado que ha determinado la migración de minerales (Fe, Mg, Si) de películas en base a almidón biodegradable y nanoarcilla (Avella y col., 2005). Los resultados de este estudio mostraron una tendencia no significativa en los valores de Fe y Mg en vegetales envasados, pero un aumento consistente en los niveles de Si (principal componente de las nanoarcillas.
En este contexto el objetivo general de este trabajo de tesis fue:
Estudiar la aplicabilidad de proteínas de soja en la obtención de materiales biodegradables y nanocompuestos con potencial aplicación en envases de alimentos y adhesivos amigables con el medio ambiente
Por qué proteínas de soja?
La elección de las proteínas de soja como materias primas para la formación de los materiales de este trabajo se basa en que:
i) Argentina se encuentra entre los primeros productores mundiales de soja, con una producción de 54 millones de toneladas y 18,5 millones de hectáreas sembradas para la
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26 campaña 2009/2010 (datos obtenidos de Secretaría de Agricultura, Ganadería, Pesca y Alimentación de la Nación).
ii) por la alta concentración proteica que tiene su semilla (40%, expresado en gramos de proteína por gramo de semilla en base seca (Pearson, 1982)
iii) dentro de las agroproteínas, es de las más económicas
iii) en nuestro laboratorio se cuenta con una vasta experiencia en el estudio de estas proteínas, sus características estructurales y sus propiedades funcionales, y entre ellas la capacidad de formar películas biodegradables y comestibles.
La soja pertenece a la familia de las leguminosas y sus granos contienen aproximadamente un 40 % de proteínas. Estas proteínas se encuentran disponible comercialmente en tres
for as ue difiere e el co te ido proteico, estas so , la hari a de soja (≈ 50-59 % de
proteína), los concentrados (65-7 % de proteí a , y aislados proteicos (SPI, ≥ 90% (Pérez- Gago, 2012). El mayor contenido proteico de los aislados, favorecen su habilidad para la formación de películas (Netravali y col., 2007). Es posible obtener estos aislados a partir de la torta residual de la industria aceite, lo que implicaría un mejor aprovechamiento de este cultivo, y disminuir su precio (Remondetto y col., 2002)
Entre las proteínas de soja se han identificado dos fracciones principales: albúminas - solubles en agua- y globulinas -solubles en soluciones salinas-, 80 % de las cuales son proteínas de almacenamiento con estructura globular - que consisten principalmente de las globulinas 7S ( -conglicinina) y 11S (glicinina). Las fracciones de proteína de soja han sido caracterizadas por sus coeficientes de sedimentación en gradientes de sacarosa (2S, 7S, 11S y 15S) (Pearson, 1983). La fracción 2S (20 % del total de proteínas) es de bajo peso molecular (8-20 kDa) y se compone principalmente de inhibidores de tripsina (Wolf, 1970). La globulina 7S (35 % del total de proteínas) es un trímero de masa molecular entre 180-200 kDa formado por 4 subunidades, de las cuales la (72 kDa), ´ (68 kDa) y (52 kDa) son las más importantes mientras que la subunidad (con un peso molecular similar a ) es un componente minoritario. Todas estas subunidades tienen secuencias de aminoácidos similares y son pobres en cisteína, metionina y triptofano. La globulina 11S (52 % del total de las proteínas) es un hexámero de peso molecular 320-380 kDa, cuyas 6 subunidades están
co puestas de u polipéptido ácido A (pI ácido, ≈ 5 kDa y u polipéptido ásico B (pI
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27 cisteína, metionina y triptófano que la globulina 7S (Nielsen, 1985 a y b; Thanh y Shibasaki, 1977; Staswick, 1984). Por último, la fracción 15S minoritaria son polímeros de la 11S (Wolf, 1970).
Por otra parte, las películas en base a aislado proteico de soja son más claras, suaves y flexibles en comparación con otras películas en base a otras proteínas vegetales, y además tienen propiedades barrera a los gases muy altas en comparación con aquellas películas preparadas a partir de lípidos y polisacáridos (Guilbert, 1986).
El trabajo de tesis desarrollado se centra en los siguientes objetivos específicos.
Objetivos específicos
1. Estudiar la formación de materiales nanocompuestos en base a proteínas de soja y montmorillonita natural por casting, analizando el efecto de distintas variables de la formulación, tales como:
i) la concentración de MMT
ii) el tipo y concentración de plastificante iii) el pH de la dispersión inicial
sobre las propiedades de los materiales nanocompuestos resultantes.
2. Estudiar la formación de los materiales nanocompuestos en base a proteínas de soja y montmorillonita por otras técnicas de procesamiento a escala planta piloto:
i) spread coating ii) termocompresión
3. Estudiar la formación de polvos nanocompuestos en base a proteínas de soja –MMT como materias primas para la formación de películas.
4. Estudiar el efecto de variar la MMT natural por otras químicamente modificadas en el refuerzo de matrices proteicas de soja
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28 5. Estudiar la activación de los materiales nanocompuestos en base a proteínas de soja y MMT con aceite esencial de clavo.
6. Evaluar la efectividad de las películas en base a proteínas de soja – MMT y aceite esencial de clavo como envase de alimentos, en particular en la conservación de pescado