Desarrollo y caracterización de películas biodegradables de celulosa combinada con quitosano y alcohol polivinílico

Abstract

RESUMEN: La celulosa se considera una alternativa para la creciente demanda del desarrollo de nuevos envases alimentarios ecológicos y biocompatibles. El objetivo de este estudio fue desarrollar películas a base de celulosa, tanto de origen vegetal como bacteriano. Las películas a base de celulosa vegetal se obtuvieron disolviendo celulosa microcristalina mediante el método de disolución de NaOH/urea, seguido de un proceso de coagulación en solución de ácido acético. Las películas a base de celulosa bacteriana se obtuvieron por fermentación de la bacteria acética Komagataeibacter xylinus en un medio de cultivo comercial. Las películas a base de celulosa se combinaron con alcohol polivinílico (PVOH) y quitosano con el objetivo de reforzar las propiedades mecánicas y ópticas. Se obtuvieron modelos polinomiales para describir el efecto de la formulación sobre las propiedades mecánicas (resistencia a la rotura, porcentaje de elasticidad, tenacidad, módulo de Young, resistencia a la punción y elongación de punción), permeabilidad al vapor de agua, adsorción de agua, solubilidad y propiedades ópticas. La morfología, las propiedades estructurales y térmicas de las películas se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido, análisis espectral (FT-IR y UV-VIS-NIR) y calorimetría diferencial de barrido. Además, se analizó el efecto del contenido de humedad sobre las propiedades mecánicas, de barrera y ópticas. Los resultados mostraron una mejora significativa de las propiedades mecánicas y ópticas mediante la adición de quitosano y alcohol polivinílico. Se observó una disminución en los valores de permeabilidad al vapor de agua de las películas compuestas con respecto a los polímeros puros. La calorimetría diferencial de barrido mostró que las interacciones que tuvieron lugar entre celulosa-quitosano-alcohol polivinílico aumentaron la estabilidad térmica del compuesto polimérico. Debido a la porosidad de las películas de celulosa, el quitosano y el PVOH penetraron en la matriz de celulosa, promoviendo una estructura más compacta, aumentando la resistencia mecánica y mejorando la transparencia y la opacidad de las películas a base de celulosa. Las diferencias en la conformación y organización de las fibras de celulosa a nivel de microestructura entre la celulosa bacteriana y la celulosa regenerada, afectaron a la interacción y difusión de quitosano y PVOH a través de la matriz de celulosa. La estructura tridimensional de la celulosa bacteriana, con mayor porosidad y superficie de contacto con respecto a la celulosa regenerada, facilitó la difusión del quitosano y el PVOH a través de la estructura, observando un mayor efecto de refuerzo del quitosano y PVOH en la matriz celulósica. Debido a estas diferencias estructurales, se observó un mayor efecto del quitosano y PVOH sobre las propiedades mecánicas y ópticas de las películas a base de celulosa bacteriana que sobre las películas a base de celulosa regenerada. En ambos casos, fue posible desarrollar películas con valores óptimos de transparencia, manteniendo bajos valores de transmitancia en la región de luz ultravioleta, mostrando propiedades extraordinarias de barrera contra la radiación UV. Debido a la naturaleza hidrofílica de los materiales, se observó una modificación de las propiedades mecánicas, de permeabilidad y ópticas en función del contenido de humedad de las muestras. Los resultados permiten predecir el comportamiento de las películas en función de la humedad relativa del ambiente que rodea a la película. Los resultados mostraron que es factible obtener películas a base de celulosa con propiedades mecánicas y de barrera adecuadas y excelentes propiedades de protección contra la radiación UV. Estos materiales podrían ser útiles para posibles aplicaciones de envasado en la industria alimentaria o como alternativa parcial a las películas sintéticas. ABSTRACT: Cellulose is considered an alternative to the growing demand for the development of new biodegradable and biocompatible food packaging. The purpose of this study was to develop cellulose-based films, both of vegetable and bacterial origin. The vegetable cellulose-based films were obtained by dissolving microcrystalline cellulose, using the NaOH/urea dissolution method, followed by a coagulation process in acetic acid solution. Bacterial cellulose-based films were obtained by fermentation of the acetic bacteria Komagataeibacter xylinus in a commercial culture media. The cellulose-based films were combined with polyvinyl alcohol (PVOH) and chitosan in order to reinforce the mechanical and optical properties of the composite films. Polynomial models were obtained to describe the effect of the formulation on the mechanical properties (tensile strength, percentage of elongation, toughness, Young's modulus, burst strength and distance to burst), water vapor permeability, water adsorption, solubility and optical properties. The morphology, the structural and thermal properties of the films were evaluated by scanning electron microscopy, spectral analysis (FT-IR and UV-VIS-NIR) and differential scanning calorimetry. In addition, the effect of moisture content on mechanical, barrier and optical properties was analyzed. The results showed a significant improvement of the mechanical and optical properties by adding chitosan and polyvinyl alcohol. A decrease in the water vapor permeability values of the composite films was observed with respect to the pure polymers. Differential scanning calorimetry showed that the interactions that took place between cellulose-chitosan-polyvinyl alcohol increased the thermal stability of the polymer blend. Due to the porosity of the cellulose films, chitosan and PVOH penetrated the cellulose matrix, promoting a more compact structure, increasing mechanical resistance and improving the transparency and opacity of cellulose-based films. The differences in the conformation and organization of the cellulose fibers at the microstructure level between bacterial cellulose and regenerated cellulose affected the interaction and diffusion of chitosan and PVOH through the cellulose matrix. The three-dimensional structure of bacterial cellulose, with greater porosity and contact surface with respect to regenerated cellulose, facilitated the diffusion of chitosan and PVOH through the structure, observing a greater reinforcing effect of chitosan and PVOH in the cellulosic matrix. Due to these structural differences, a greater effect of chitosan and PVOH was observed on the mechanical and optical properties of bacterial cellulose based films than on regenerated cellulose-based films. In both cases, it was possible to develop films with optimal transparency values, keeping low transmittance values in the ultraviolet light region, showing extraordinary barrier properties against UV radiation. Due to the hydrophilic nature of the materials, a modification of the mechanical, permeability and optical properties was observed depending on the moisture content of the samples. The results allow predicting the behavior of the films based on the relative humidity of the environment surrounding the film. The results showed that it is feasible to obtain cellulose based films with adequate mechanical and barrier properties and excellent protection properties against UV radiation. These materials could be useful for possible packaging applications in the food industry or as a partial alternative to synthetic films.