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Envases y embalajes eficientes e innovadores
El desarrollo de nuevos envases y embalajes en la industria alimentaria se ha posicionado como uno de los factores más importantes dentro del sector. Esto se debe a la necesidad de crear envases más eficientes desde un punto de vista medioambiental y que posean las características físicas y mecánicas necesarias para conservar los alimentos. En la actualidad, el desarrollo de envases basados en biopolímeros se encuentra en auge y se prevé que seguirá estándolo en los próximos años. En el Centro de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de Extremadura (Cicytex) detallan los últimos avances en este artículo.
28 de febrero de 2023, 14:22
La producción global de plásticos en el año 2020, sin incluir la de los plásticos reciclados, fue de más de 360 millones de toneladas, de las cuales aproximadamente 55 millones se produjeron en Europa1. De esta cantidad, solo se enviaron 10,2 millones de toneladas a centros de reciclaje dentro y fuera de Europa, por lo que la mayoría de estos plásticos acaban convirtiéndose en desperdicios que afectan de manera muy negativa tanto a ecosistemas terrestres como marinos2. De todas las toneladas de plásticos producidas, el 40,5% se destinó al packaging1. Dentro de este porcentaje, los plásticos más utilizados fueron polipropileno (PP) y polietileno (PE), ambos usados en la industria alimentaria para envasar y conservar alimentos1 debido a las ventajas que presentan3:
- Disponibilidad y bajos costes.
- Resistencia al desgarre y a la tracción.
- Buena barrera frente a oxígeno y dióxido de carbono.
- Anhidros y termosellables.
Los biopolímeros plásticos, o bioplásticos, se pueden definir como plásticos con características similares a aquellos obtenidos a base de productos petroquímicos utilizados tradicionalmente pero que, o bien tienen su origen en materiales renovables, o bien pueden descomponerse mediante la actividad de microorganismos. Es decir, estos compuestos pueden proceder de una materia prima renovable, y además ser biodegradables y no generar sustancias tóxicas para el medioambiente ni para el ser humano.
La palabra bioplástico puede referirse a plásticos sintetizados a base de biomasa y fuentes renovables, como el ácido láctico, así como a plásticos producidos a base de combustibles fósiles pero que además incluyan compuestos que puedan ser utilizados como sustrato por los microorganismos6 y que, por lo tanto, también sean biodegradables. Asimismo, existen bioplásticos considerados como tal debido a que su origen procede de una fuente renovable, pero no son biodegradables debido a sus características físicas y químicas.
Estos biopolímeros son moléculas de gran tamaño formadas por monómeros, las cuales constituyen la unidad base de su estructura. El proceso mediante el cual se obtienen los polímeros a partir de los monómeros se denomina polimerización. Las características físicas y químicas de un polímero dependen del monómero del cual estén formados y de los enlaces químicos entre ellos, así como del proceso de polimerización que se ha seguido.
En consecuencia, estas condiciones afectarán a su vez a las propias características físicas y químicas del bioplástico que se obtenga, así como al proceso de degradación de este, denominado biodegradación. Del tipo de enlace químico que haya formado entre los monómeros dependerá que los microorganismos puedan degradar el material mediante reacciones enzimáticas, aunque las cadenas poliméricas también pueden degradarse mediante otros procesos químicos, como la hidrólisis4, o agentes externos como la radiación solar. El ciclo de carbono de los biopolímeros, así como su reciclaje y biodegradabilidad, se muestran en la Figura 1.
En cuanto a los tipos de bioplásticos, se puede atender a su biodegradabilidad, así como a su origen, para establecer una clasificación7:
- Bioplásticos no biodegradables de fuentes renovables: producidos a partir de fuentes renovables pero que tras ser modificados químicamente durante su producción se tornan no biodegradables.
- Bioplásticos biodegradables de origen fósil: su origen son combustibles fósiles que, tras exposición a las condiciones del medioambiente, pueden degradarse en sus monómeros simples.
- Bioplásticos biodegradables de fuentes renovables: no solo tienen un origen renovable, sino que también pueden ser biodegradados por microorganismos. A su vez, estos bioplásticos pueden clasificarse en tres tipos también atendiendo a su origen:
- Agropolímeros: celulosa, pectina y almidón.
- Biopoliésteres a partir de microorganismos.
- Proteínas animales: quitina, queratina, quitosano y gelatina.
Producción de biopolímeros y aplicaciones
La producción actual de bioplásticos representa menos del 1% de los más de 360 millones de toneladas de plásticos producidas anualmente 8. Desde 2020 se ha producido una ligera disminución de la fabricación de plásticos no biodegradables, y un ligero aumento de la fabricación de bioplásticos, estimándose que esta producción siga aumentando hasta el 2% en los próximos años 8. De los bioplásticos producidos en el pasado año 2021, alrededor del 48% se destinaron a producir embalajes 8.El desarrollo de biopolímeros con propiedades térmicas y de barrera han mejorado su aplicabilidad como packaging de alimentos y bebidas, y, de esta manera, poder sustituir a los plásticos no biodegradables utilizados tradicionalmente. Del total de los bioplásticos producidos, un 64% eran biodegradables, mientras que el resto eran de origen renovable o no biodegradable8.
En la actualidad existen líneas de investigación centradas en el desarrollo de bioplásticos con diferentes orígenes y aplicaciones, como pueden ser:
• Ácido poliláctico (PLA): formado por monómeros de ácido láctico, el cual se obtiene generalmente mediante fermentación. Por tanto, tiene un origen renovable, y además es biodegradable, produciendo CO2, agua y materia orgánica en su degradación, que pueden ser utilizados por plantas para la fotosíntesis, y generando de esta manera una menor huella de carbono. Se utiliza ampliamente en packaging debido a sus bajos costes de producción, fuerza mecánica y flexibilidad9.
• Bioplásticos derivados de celulosa: la celulosa es un polisácarido compuesto de monómeros de glucosa por lo que es un polímero encontrado de manera natural en la naturaleza. Las moléculas presentes en los bioplásticos a base de celulosa están unidas por enlaces de tipo puente de hidrógeno, lo cual favorece la rápida biodegradación, pero a la vez les confiere unas propiedades mecánicas poco deseables para su uso como packaging. En este sentido, se está investigando la mezcla de celulosa con otros polímeros compatibles (como el quitosano) para mejorar sus propiedades mecánicas como bioplástico10, o bien utilizarlo como aditivo en la producción de otros polímeros, aumentando así la biodegradabilidad de estos9.
• Quitosano: compuesto derivado de la quitina, polisacárido encontrado en el exoesqueleto de artrópodos como insectos y crustáceos. El quitosano puede ser utilizado para desarrollar bioplásticos biodegradables7 como, por ejemplo, aquellos desarrollados a partir de quitosano y almidón, los cuales pueden tener excelentes características mecánicas, además de una biodegradabilidad de unos cinco a diez días11 permitiendo su uso como aditivo para mejorar las propiedades físicas del material7.
• Policaprolactona (PCL): es un poliéster sintético biodegradable que se obtiene a partir de la polimerización de la caprolactona12. Se caracteriza por tener débiles propiedades barrera y pobres características mecánicas, por lo que sus aplicaciones en la industria del packaging son limitadas. Sin embargo, puede utilizarse en conjunto con otros polímeros, como la celulosa o el ácido poliláctico, para mejorar sus propiedades4.
• Bio-polietileno: se produce a partir de etanol obtenido a su vez del jugo de caña de azúcar o de la remolacha azucarera, por lo que se obtiene de materiales renovables. Sus propiedades físicas y mecánicas son muy parecidas a las del polietileno, pero tras ser modificado para producir biopolímeros mediante el proceso de polimerización se tornan no biodegradables7.
En la Tabla 1 se muestran algunos ejemplos de bioplásticos y sus usos actuales. Tras observar los ejemplos presentados en la tabla, así como aquellos explicados anteriormente, puede concluirse que el uso de bioplásticos como packaging, así como en otros sectores, se encuentra en alza, y solo es esperable que siga creciendo en los próximos años.
NOTAS
(1) Plastics Europe. Plastics-the Facts 2021. Disponible en https://plasticseurope.org/wp-content/uploads/2021/12/Plastics-the-Facts-2021-web-final.pdf
(2) A. Guzman, N. Gnutek and H. Janik. Chemistry and Chemical Technology 5: 115-122 (2010).
(3) V. Siracusa, P. Rocculi, S. Romani and M. Dalla Rosa. Trends in Food Science and Technology 19: 634-643 (2008).
(4) Y. Zhong, P. Godwin, Y. Jin and H. Xiao. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research 3: 27-35 (2019).
(5) S. Mehdi Emadian, T. T. Onay and B. Demirel. Waste Management 59:526-536 (2017).
(6) F. Muneer, H. Nadeem, A. Arif and W. Zaheer. Polymer Science, Series C: 63 (2021).
(7) European Bioplastics. Disponible en https://www.european-bioplastics.org/
(8) S. Nanda, B. R. Patra, R. Patel, J. Bakos and A. K. Dalai. Environmental Chemistry Letters 20: 379-395 (2022).
(9) J. S. Yaradodi, N. R. Banapurmath, S. V. Ganachari, M. E. M. Soudagar. N. M. Murabak, S. Hallad, S. Hugar and H. Fayaz. Scientific Reports 10: 21960 (2020).
(10) M. Hasan, R. F. I. Rahmayani and Munandar. International Conference on Advanzed Materials for Better Future 333 (2017).
(11) B. Azimi, P. Nourpanah, M. Rabiee and S. Arbab. Journal of Engineered Fiber and Fabrics 9: 74-90 (2014).
(12) Y. Pan, M. Farmahini-Farahani, P. O’Hearn, H. Xiao and H. Ocampo. Journal of Bioresources and Bioproducts 3:106-113 (2016).
