Estudio de la obtención de oligoquitosano y su aplicación en películas de quitosano/oligoquitosano para la preservación de alimentos

Abstract

La presente Tesis se basa en la optimización de la obtención de oligoquitosanos por degradación oxidativa, la caracterización de los biopolímeros obtenidos y su aplicación en películas para recubrimiento. Se estudiaron las mejores condiciones de obtención de oligómeros por el Método de Taguchi utilizando un Arreglo Ortogonal L9. Fueron seleccionadas tres variables controlables: concentración de H2O2 (10%; 12,5%; 15%) volumen del reactivo (etanol 98%) utilizado en la precipitación de los oligómeros (90,0 mL; 150,0 mL; 210,0 mL) y tiempo de reposo para lograr una mejor precipitación (15 min; 30 min; 60 min). La variable respuesta fue el peso de los oligómeros de quitosano obtenidos. Los oligoquitosanos fueron caracterizados determinando peso molecular, grado de polimerización, RX, FTIR y se estudió la solubilidad de los mismos. Las condiciones operacionales óptimas resultaron, H2O2 en una concentración del 12,5%, calentamiento en horno microondas (700 W) durante 4 min, precipitación de los oligoquitosanos con 150 mL de etanol 98% y posteriormente se liofilizaron. Los análisis realizados para la caracterización permiten concluir que los oligoquitosanos obtenidos tienen una solubilidad del 98% con un grado de polimerización igual a 2. Con el objetivo de evaluar la acción antimicrobiana de los oligómeros se realizaron ensayos sobre una bacteria Gram negativa, Escherichia coli O157:H7 (ATCC 25922) y una Gram positiva, Staphylococus Aureus (ATCC 25923). Los resultados permitieron concluir que el oligoquitosano ingresaría a la célula de E. coli (Bacteria Gram -), debido a que posee una capa delgada de peptidoglicano, lo cual no ocurre con S. aureus, quien por pertenecer a la familia de bacterias Gram +, está constituida por una capa gruesa de peptidoglicano que impide el ingreso del oligo. La solución mezcla (oligoquitosano/quitosano) en E. coli, mejoró el efecto con respecto al del quitosano y del oligoquitosano, individualmente, esto puede deberse a que el quitosano perturbó la pared celular permitiéndole al oligoquitosano ingresar al interior de la célula. Se estudió la solubilidad a distintas temperaturas del oligómero. Se estudió la aplicación del oligoquitosano como película o recubrimiento, debido al bajo grado de polimerización, los oligos no tienen propiedades filmogénicas, por esta razón, quitosano se utilizó como base de las películas. Se realizaron diferentes formulaciones, quitosano 0,25% en ácido acético 0,1% y quitosano con oligoquitosano (0,10, 0,25 y 0,50%). Se determinaron: peso molecular, viscosidad, grado de desacetilación, humedad, cenizas del quitosano y del oligoquitosano. Las películas obtenidas se caracterizaron determinando su apariencia, el espesor, homogeneidad y estructura superficial por SEM, FTIR, color y opacidad, propiedades mecánicas y permeabilidad al vapor de agua. La capacidad antimicrobiana se testeó contra dos bacterias patogénicas que contaminan los alimentos: Escherichia coli y Staphylococcus aureus, y contra dos hongos, Aspergillus spp y Penicillium spp. Los estudios realizados nos permitieron concluir que el quitosano y los oligoquitosanos son capaces de formar películas que tienen espesor uniforme, y buena apariencia, son homogéneas y fáciles de manipular, poseen buenas propiedades de barrera al vapor de agua y mecánicas. Y que las formulaciones con 0,10 y 0,25% de oligoquitosano reducen el crecimiento de S. aureus y E.coli en la zona de contacto. De los estudios realizados podemos concluir que las propiedades funcionales de las películas de quitosano pueden ser modificadas cuando se combinan con oligoquitosano, aumentando la capacidad antimicrobiana. Por todo lo estudiado, el quitosano y sus derivados, con sus propiedades y funciones, podrían convertirse en un futuro cercano, en material de envase o recubrimiento de uso corriente en alimentos.

This Thesis is based on the optimization of the production of chitooligomers by oxidative degradation, characterization of the obtained biopolymers and application in films. The best conditions for oligomers obtention were studied by Taguchi method with an orthogonal array L9. Three controllable variables were selected: H2O2 concentration (10%; 12.5%; 15%), ethanol volume for chitooligomers precipitation (90.0 mL; 150.0 mL; 210.0 mL) and resting time for getting better precipitation (15 min, 30 min, 60 min). Response variable was chitooligomers weight. Obtained oligomers were characterized determining molecular weight, degree of polymerization, RX, FTIR and derivatives solubility. The best operational conditions resulted 12.5% H2O2 concentration, microwave heating (700 W) 4 min, 150 mL ethanol 98% for chitooligomers precipitation and freeze-drying. Chitooligomers obtained have 98% solubility and polymerization degree 2. Oligomers antimicrobial activity was tested against Gram negative Escherichia coli O157:H7 (ATCC 25922) and Gram positive Staaphylococus Aureus (ATCC 25923). Results showed that chitooligomers enter in E. coli cell (Bacteria Gram -) because it has a thin peptidoglycan layer. S. aureus (Gram +) has a thick layer, that blocks oligochitosan entrance. Chitosan/oligomers mixture improved antimicrobial effect in respect to chitosan or oligomers each of them alone, this could be due to chitosan disturbed the wall cell allowing chitooligomers enter into the cell. Chitooligomers application as films was studied. Chitooligomers have no filmogenic properties because of a low degree of polymerization then chitosan was used as films base. Different formulations were made: chitosan 0,25% in acetic acid 0.1% and chitosan with chitooligomers (0.10, 0.25 y 0.50%). For chitosan and chitooligomers characterization, molecular weight, viscosity, deacetilation degree, water content and ash were determined. Solubility at different temperatures were studied for chitooligomers. Films obtained were characterized determining: appearance, thickness, Fourier Transform Infrared (FTIR), homogeneity and appearance by Scanning Electronic Microscopy (SEM), optical properties like opacity, UV barrier capacity and color, mechanical properties and water vapor permeability (WVP). Antimicrobial activity was tested against Escherichia coli ATCC 25922, Staphylococcus aureus ATCC 27933, Aspergillus spp. and Penicillium spp. We can conclude that films based on chitosan/oligomers had uniform thickness and good appearance, and they were homogeneous and easy to handle. Have good mechanical properties and were WVP barrier. Films presented a higher opacity than control ones. Antimicrobial capacity was good demonstrating that films with chitosan oligomers at 0.10 and 0.25% concentration reduced S. aureus and E. coli growth in the contact zone. Hence, it is going to be no surprise if we witness a widespread use of chitosan and chitooligomers films in tomorrow food packaging.