1
Artículo recibido 2 de agosto de 2023
Publicado 25 de septiembre de 2023
Películas comestibles a base de proteína de suero de quesería activadas
con miel y antimicrobianos
Osuna, Mariana B. a,b,c; Freiner, Noelia V. a; Romero, Cecilia A.a; Bertola, Nora C. c,d
a Universidad Nacional del Chaco Austral (UNCAus), Chaco, Argentina
marianao@uncaus.edu.ar; noefreitner.111@gmail.com; ceciliaromero@uncaus.edu.ar
b Instituto de Investigaciones en Procesos Tecnológicos Avanzados (INIPTA), Consejo
Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) – UNCAus, Chaco, Argentina.
marianao@uncaus.edu.ar
c Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Buenos Aires,
Argentina. marianao@uncaus.edu.ar; bertolanora@gmail.com
d Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos (CIDCA) - CONICET,
Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA),
Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Buenos Aires, Argentina. bertolanora@gmail.com
ORCID Nora Bertola 0000-0003-3603-6905
ORCID Cecilia Romero 0000-0001-8437-7363
ORCID Mariana Osuna 0000-0001-5133-392X
ORCID Noelia Freitner 0009-0000-9837-4083
Resumen
Se evaluó la influencia de la adición de miel de Apis mellifera y sorbato de potasio (SK)
sobre las propiedades mecánicas, de barrera y ópticas de películas comestibles simples o
compuestas activas a base de proteína aislada de suero de quesería (WPI) y/o pectina.
Para ello, se prepararon películas simples (PS) de WPI y películas compuestas (PC) de
WPI+pectina, utilizando como plastificantes: glicerol, miel o combinación de ambos y
se adicionó como antimicrobiano SK. En comparación con las PS con glicerol, la miel
2
produjo películas más elásticas, menos rígidas, menos permeables al vapor de agua y
con mayor barrera a la luz UV (BUV). Por otro lado, el SK produjo PC menos
permeables al vapor de agua y, PS y PC con miel menos rígida. Por lo que, los
resultados indican que la miel y el SK tienen potencial como plastificante en películas.
Además, las películas con miel y SK presentaron la mejor BUV. En conclusión, estas
podrían ser utilizadas como nuevos biomateriales activos para la protección de
alimentos.
Palabras clave: biomateriales, plastificantes, sorbato de potasio.
Abstract
Whey protein-based edible films activated with honey and antimicrobials
In this study, the influence of the addition of Apis mellifera honey and potassium
sorbate (SK) on the mechanical, barrier and optical properties of edible active simple or
compound films based on whey protein isolate (WPI) and/or pectin was evaluated. For
this, simple films (PS) of WPI and composite films (PC) of WPI+pectin were prepared,
using glycerol, honey or a combination of both as plasticizers and SK as an
antimicrobial. When compared to glycerol-plasticised PS, honey produced films that are
more elastic, less rigid, less permeable to water vapour, and with a higher barrier to UV
light (BUV). On the other hand, SK produced less permeable PC to water vapour and
less rigid PS and PC with honey. Therefore, the results indicate that honey and SK have
great potential as a plasticizer in films. In addition, films with honey and SK presented
the best BUV. In conclusion, these films could be used as new active biomaterials for
food protection.
Keywords: biomaterials, plasticizers, potassium sorbate.
3
INTRODUCCIÓN
La creciente contaminación ambiental debido a la dificultad en el reciclado del
material de embalaje sintético ha alentado a los investigadores hacia el desarrollo de
películas biodegradables. Muchos polisacáridos y proteínas tienen buenas propiedades
de formación de película y se utilizan con frecuencia para su formulación [1]. Mediante
la adición de sustancias funcionales y bioactivas en la matriz, las películas/
recubrimientos comestibles pueden transformarse en sistemas activos [2]. Según Hassan
y col. [3] este método ha surgido como un sustituto respetuoso con el medio ambiente
de los recubrimientos no comestibles tradicionales. La proteína de suero de leche
aislada (WPI) es un polímero versátil que produce una película que es insípida,
transparente, flexible, impermeable a los compuestos hidrófobos, termosellable y una
buena barrera al oxígeno [4, 5]. Sin embargo, una alta permeabilidad al vapor de agua y
la baja resistencia a la tracción se consideran como desventajas de las películas de WPI.
Las pectinas pueden ser extraídas de la cáscara de los cítricos u orujo de manzana, que
son residuos de la industria elaboradora de jugos. Debido a su biodegradabilidad,
biocompatibilidad, comestibilidad y a sus propiedades, la pectina es adecuada para la
elaboración de películas comestibles que permiten el desarrollo de envases activos para
alimentos [6]. Las mezclas de proteínas y polisacáridos pueden dar como resultado
complejos proteína-polisacárido que formarán películas con propiedades físicas
ventajosas. Las mezclas de proteínas y polisacáridos en la solución dan como resultado
una separación de fases que puede ser asociativa (atracción entre polímeros) o
segregativa (repulsión entre polímeros). Durante la separación asociativa, los
biopolímeros de cargas opuestas pueden reticularse mediante interacción electrostática y
formar una fase rica en biopolímeros (coacervado) y la otra en disolvente. Esta
separación también se conoce como coacervación compleja y se puede aplicar para
preparar películas comestibles compuestas, con el objetivo de mejorar las propiedades
funcionales de las mismas [7]. Las películas biodegradables necesitan un agente
plastificante para evitar que se vuelvan quebradizas debido a las fuertes interacciones
intermoleculares ya que el plastificante reduce los enlaces intermoleculares entre las
cadenas de polímeros, modifican las propiedades mecánicas y producen películas más
flexibles[6].
4
La miel de Apis mellifera es una solución concentrada de una mezcla compleja
de azúcares de los cuales la fructosa y la glucosa son los principales contribuyentes [8].
Hasta la fecha, existen pocos trabajos utilizando la miel de Apis mellifera como un
plastificante en películas. Soininen, Heinämäki y Yliruusi [9] estudiaron los efectos de
la miel de acacia sobre las películas de WPI sobre las propiedades mecánicas y de
barrera a la humedad, encontrándose que la miel de acacia es aplicable en las películas
de WPI.
Osuna y col. [8] analizaron el efecto plastificante de la miel de Apis mellifera
sobre las propiedades mecánicas, fisicoquímicas y ópticas de las películas de WPI en
comparación con el glicerol. Una forma de reducir la cantidad de conservantes
adicionados en alimentos es utilizar los recubrimientos comestibles como soportes
activos, los cuales proveen por difusión una concentración eficaz de dichos agentes en
la superficie del alimento inhibiendo el desarrollo de microorganismos contaminantes.
Si bien resulta beneficiosa la incorporación de distintos aditivos en la formulación de
los recubrimientos y películas, debe tenerse en cuenta que estos pueden afectar sus
propiedades mecánicas y de barrera. Por lo tanto, se plantea, evaluar la influencia de
la adición de miel de Apis mellifera y sorbato de potasio (antimicrobiano) sobre las
propiedades mecánicas, de barrera y ópticas de películas comestibles activas
simples o compuestas a base de proteína aislada de suero de quesería y/o pectina.
1 MATERIALES Y MÉTODOS
1.1 Materiales
El aislado de proteína de suero de queso (WPI) fue proporcionado por Arla
Foods Ingredients S.A. (Arla Foods Ingredients, Córdoba, Argentina). La pectina con
alto contenido de metoxilo (Andre tipo APA103), extraída de orujo de manzana, fue
suministrada por Grupo Saporiti S.A (Buenos Aires, Argentina). La miel de Apis
mellifera fue suministrada por Mieles del Chaco S.A. (Chaco, Argentina).
5
1.2 Métodos
1.2.1 Elaboración de películas simples (PS)
Se elaboraron PS a partir de WPI (8% p/p), concentración determinada en
trabajos anteriores [8], utilizando el método de moldeo y deshidratación (casting)
descripto por Azeredo y col. [10]. Se preparó una solución formadora de películas (SFP)
de WPI, se ajustó el pH a 7 y se desnaturalizaron térmicamente las proteínas mediante
un calentamiento a 80°C por 30 min. Posteriormente, se añadieron glicerol, miel o la
combinación de miel–glicerol (proporción 3:1) como plastificantes y SK como
antimicrobiano (Tabla 1). Se colocaron 7 g de cada SFP en placas descartables y se
secaron a 25°C y 60% de HR durante 12 h. Las películas se despegaron de las placas y
se acondicionaron durante 72 h a temperatura ambiente y a una HR de 53,5-53,7 %.
Tabla 1. Formulaciones de películas a base de WPI y/o pectinas plastificadas con glicerol, miel
o combinación miel y glicerol, con o sin antimicrobianos.
Formulaciones
Polímero formador
Plastificantes
Sorbato de
potasio
g/ 100 g
SFP
WPI
g/ 100 g
SFP
Pectina
g/ 100 g
SFP
Glicerol
g/ 100 g
polímero
Miel-
Glicerol
g/ 100 g
polímero
FSG
8
-
40
FSGS
8
40
0,5
FSM
8
FSMG
8
60
FSMGS
8
60
0,5
FCG
2,08
2,08
40
FCGS
2,08
2,08
40
0,5
FCM
2,08
2,08
FCMS
2,08
2,08
0,5
1.2.2 Elaboración de las películas compuestas (PC)
Las PC se obtuvieron por el método de coacervación compleja descripto por
Silva y col. [7]. Las dos soluciones madres, WPI (8%) y pectina (2,85%) se mezclaron
de manera de obtener una proporción 1:1 con respecto al peso de cada polímero y se
ajustó el pH final a 3. Seguidamente, se adicionó miel o glicerol como plastificantes y
SK como antimicrobiano (Tabla 1). Se colocaron 15 g de cada formulación en placas
6
descartables, se secaron a 40°C y 60% de HR durante 12 h. Finalmente, las películas se
despegaron de las placas y se acondicionaron de la misma forma que las PS.
1.2.3 Caracterización de las películas
1.2.3.1 Espesor, humedad, solubilidad y permeabilidad al vapor de agua
El espesor de se midió al menos en cinco puntos diferentes utilizando un
micrómetro (CM-8826FN, BYQTEC, China). La humedad de las películas se determinó
por duplicado midiendo la pérdida de peso de las mismas, al secarse a 105ºC.
La humedad se calculó como porcentaje de agua eliminada y se expresó como g de agua
por 100 g de muestra. La solubilidad en agua de la película se midió según Gontard y
col. [11]. La medición de la permeabilidad al vapor de agua (WVP) se realizó por
triplicado utilizando el método gravimétrico, basado en la norma ASTM E96 [8]. La
WVP se expresó como g/Pa s m.
1.2.3.2 Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas se determinaron por ensayos de tracción por
quintuplicado según método ASTM D882-02 [12] utilizando un Textural Analyzer CT3
(Brookfield, WI, EE.UU.) utilizando muestras de 70 mm x 10 mm. La resistencia a la
tracción (TS), el módulo de Young (E) y la elongación a la rotura (EB) se obtuvieron a
partir de las curvas fuerza-deformación utilizando el software Texture Analyzer CT3.
1.2.3.3 Propiedades de barrera al UV y a la luz
La barrera a los rayos UV y a la luz visible se midieron utilizando un
espectrofotómetro Thermo Scientific Genesys 10S UV-Visible (EE.UU.). El porcentaje
de transmitancia (% T) de las muestras de película se midieron a 280 y a 600 nm y el
valor de transparencia se calculó como log %T600 dividido el espesor (mm)[7].
1.3 Análisis estadístico
Se llevó a cabo un análisis de la varianza utilizando el programa estadístico
InfoStat (UNC, Argentina), en el cual se usó el método de comparación Tukey para
evaluar las diferencias entre muestras para un nivel de significancia de 0,05.
7
2 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
2.1 Efecto del tipo de plastificante sobre las propiedades mecánicas, fisicoquímicas
y de barrera de las películas
Las películas obtenidas eran homogéneas y fáciles de manipular, sin embargo,
las PS plastificadas sólo con miel se notaban más frágiles al desmoldarlas. En las PS, la
miel produjo un deterioro de las propiedades mecánicas (Figura 1) ya que los valores de
elongación resultaron muy bajos comparados a los obtenidos en las películas
plastificadas con glicerol, lo que podría impedir la formación de un recubrimiento
efectivo sobre los alimentos. Por esta razón se planteó la utilización de una combinación
de la miel con glicerol en las películas de WPI. Cuando se utilizó esta combinación de
plastificantes, las PS resultaron más resistentes respecto a las PS plastificadas solo con
miel o sólo con glicerol. La elongación fue similar en las PS con glicerol. La presencia
de la pectina en las PC produjo mayores valores de elongación respecto a las PS de WPI
y menores valores de E para los distintos plastificantes utilizados, lo que indica una
mayor flexibilidad de las películas. Las PC plastificadas con miel y las PS plastificadas
con miel+glicerol presentaron el mayor valor de TS de todas las formulaciones.
Figura 1. Propiedades mecánicas de películas a base de WPI y pectina, miel, glicerol con y sin
antimicrobianos. Diferentes letras en la misma columna indican diferencias significativas entre
todas las muestras (A,B) o entre todas las películas del mismo tipo, simples o compuestas (a,b) .
El espesor de las películas obtenidas varió entre 74,87 a 91,27 um, pero no se
observaron diferencias significativas entre las muestras (Tabla 2).
8
Tabla N° 2. Propiedades fisicoquímicas de PS o PC a base de WPI y/o pectina, miel y/o glicerol
y con o sin adición de sorbato de potasio.
Formulaciones
Espesor
(µm)
Humedad
(%)
Solubilid
ad (%)
WVP
(×10−11g./ s
m.Pa.)
FSG
89,83±7,3
6Aab
18,31±0,96
Aa
42,78±1,
5Aab
17,41±1,58BCc
FSGS
80,44±0,6
1Aab
19,8±1,18A
a
45,13±1,
18Aa
18,69±0,18Cc
FSM
91,27±8,6
5Ab
17,96±0,72
Aa
43,1±0,7
5Aab
8,66±0,39Aa
FSMG
74,87±7,4
9Aab
21,07±1,35
Aa
38,15±0,
64Aa
11,61±1,14ACab
.
FSMGS
73,4±5,49
Aa
28,05±2Bb
53,2±6,5
8Ab
12,83±0,64ABC
b
FCG
87,2±7,45
Aa
37,26±1,95
Cb
71,41±8,
8Ba
28,05±1,55Dc
FCGS
87,53±8,9
Aa
44,64±4,6D
c
83,49±2,
31Ba
18,53±1,16Cb
FCM
80,93±
8,97Aa
17,47±0,42
Aa
74,35±2,5
2Ba
27,23±3,15Dc
FCMS
82,73±5,5
9Aa
16,45±1,82
Aa
79,62±2,4
Ba
7,25±0,06Aa
Diferentes letras en la misma columna indican diferencias significativas entre todas las muestras
(A,B) o entre todas las películas del mismo tipo, simples o compuestas (a,b).
En cambio, la adición de glicerol produjo cambios significativos en la
humedad, dando valores superiores para las PC con este plastificante. Esto puede
deberse a la naturaleza hidrofílica del glicerol que tiende a formar puentes de hidrógeno
con el agua y aumentar la humedad de las mismas [13]. La solubilidad de las PC fue
superior a la de las PS (Tabla 2). Esto es debido a la presencia de pectina, la cual
presenta un alto grado de higroscopicidad y a que al reducir el pH de la solución de WPI
y realizar el tratamiento térmico, la proteína se desplegó y expuso su carga positiva, lo
que permitió la interacción con la pectina y la formación del complejo proteína-
polisacárido reduciendo así los enlaces disulfuro y el poder de la red de proteínas. Los
valores de solubilidad de las PC fueron similares a los obtenidos por Silva y col. [7].
9
Las PC mostraron mayor WVP que las PS, probablemente porque se reduce la
cohesión estructural de la matriz proteína-proteína, aumentando el volumen libre hasta
la difusión de vapor. Además, las moléculas de pectinas son altamente hidrofílicas, lo
que favorece las interacciones con las moléculas de vapor de agua. La miel produjo una
disminución significativa de la WVP en las PS en comparación con las plastificadas con
glicerol. Las PS de WPI que contenían miel resultaron menos permeables al vapor de
agua en un 50 % en comparación con las plastificadas con glicerol, mientras que, las
películas plastificadas con miel y glicerol disminuyeron un 43 % la WVP.
Un comportamiento similar fue observado por Soininen, Heinämäki y Yliruusi
[9] y Osuna y col. [8] cuando utilizaron miel como plastificante de películas de WPI. La
presencia de miel perturba la difusión del agua a través de la película y se refleja en una
velocidad de transmisión de vapor de agua más bajo [14].
Todas las películas eran transparentes (Figura 2, derecha), pero la adición de
SK produjo en las PS reducción de la transparencia volviéndose algo traslúcidas, opacas
y amarillentas. Todas las PC eran amarillentas por la presencia de la pectina, pero
transparentes. La barrera a los rayos UV y la transparencia de las películas expresadas
mediante la Transmitancia a 280 y 600 nm respectivamente se muestran en la Figura 2.
Figura 2. Transmitancia a 280 nm (a) y a 600 nm (b) y fotos de la apariencia visual de las
películas obtenidas. Diferentes letras en la misma columna indican diferencias significativas
entre todas las muestras (A,B) o entre todas las películas del mismo tipo, PS o PC (a,b).
10
Si bien todas las muestras absorbieron radiación UV, las películas plastificadas
con miel presentaron mayor absorbancia a la radiación que aquellas plastificadas con
glicerol, ya que se pudo verificar una reducción significativa de la Transmitancia a 280.
Las PS de
WPI con glicerol o miel+glicerol mostraron una transparencia excelente con un 88,7 %
y 89,9 del T600 respectivamente, mientras que, las PC mostraron una transparecía de
alrededor del 75% y no fueron afectadas por la incorporación de miel. Por lo tanto, las
películas plastificadas con miel presentaron una mejor barrera a los rayos UV, lo que
podría dar mayor protección al alimento que las películas plastificadas con glicerol.
2.2 Efecto del agregado de sorbato de potasio sobre las propiedades mecánicas y
fisicoquímicas de las películas
La incorporación de SK modifica las propiedades mecánicas de las PS
plastificadas con miel y glicerol o sólo glicerol, produciendo una disminución en E y TS
y un aumento en la EB, por lo tanto, se comporta como plastificante (Figura 1). El SK
puede modificar la red de polímeros al interrumpir y disminuir la intercadena del
polímero, actuando como plastificante [15]. Por otra parte, la adición de SK produjo un
aumento de la humedad en las PC plastificadas con glicerol y las PS plastificadas con
miel y glicerol (Tabla 2). La adición de SK sólo afectó la solubilidad de las PS
plastificadas con miel y glicerol, aumentando su valor. Los resultados de humedad y
solubilidad fueron similares a los obtenidos por Kowalczyk y col. [16] para películas de
gelatina adicionada con SK. El carácter hidrofílico del SK podría facilitar el acceso de
las moléculas de agua a la matriz polimérica, lo que dio como resultado una hidratación
acelerada y, posteriormente, la lixiviación de los constituyentes de la película.
La incorporación de SK produjo una disminución significativa de la WVP en
las formulaciones de PC respecto a su misma formulación sin adición del
antimicrobiano. Además, el SK aumentó la absorción de la radiación UV, reduciendo
significativamente %T280 y también afectó la transmisión de la luz visible (%T600) en
las PS, es decir, las volvió menos transparentes. La adición de SK produjo una
reducción de entre 40% al 54% de la transmisión de la luz visible en las PS. Las
películas con menor transparencia presentan mejor barrera a la radiación UV que
aquellas con mayor transparencia [7], esta tendencia se observó en nuestro estudio al
11
adicionar SK. Si bien, la transparencia es positiva para el control visual del estado del
alimento, una alta transparencia en envases puede facilitar la fotooxidación de productos
alimenticios ricos en grasas [17]. Por lo que las PS de WPI plastificadas con miel y/o
glicerol adicionadas con SK pueden ser excelentes envases para alimentos ricos en
grasas.
CONCLUSIÓN
La adición de la miel de Apis mellifera y/o el sorbato de potasio modificó las
propiedades fisicoquímicas, mecánicas y ópticas de las películas simples y compuestas
a base de WPI analizadas. En comparación con las películas simples con glicerol, la
miel produjo películas más elásticas, menos rígidas, menos permeables al vapor de agua
y con mayor barrera a la luz UV. Por otro lado, el sorbato de potasio aumentó la
humedad en las películas compuestas con glicerol y la solubilidad en películas simples
con miel+glicerol; mientras que, produjo películas compuestas menos permeables al
vapor de agua y, películas simples y compuestas con miel menos rígida. Además, las
películas con miel y SK presentaron la mayor barrera a la luz UV dando mayor
protección al alimento contra la oxidación. Estos resultados sugieren que estas películas
pueden explotarse como nuevos biomateriales activos para la protección de alimentos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. Nawab, F. Alam, M. Haq, Z. Lutfi, and A. Hasnain, Int. J. Biol. Macromol., 98,
869, 2017.
[2] W. Cruz Diaz, Cinética de liberación de extractos de propóleos desde una película
base almidón, Universidad De La Habana, La Habana, 2014.
[3] B. Hassan, S. Chatha, A. Hussain, K. Zia, and N. Akhtar, Int. J. Biol. Macromol.,
109, 1095, 2018.
12
[4] M. Perez-Gago, M. Serra, M. Alonso, M. Mateos, and M. del Río, Postharvest Biol.
Technol., 36 (1), 77, 2005.
[5] J. Rubilar, R. Zúñiga, F. Osorio, and F. Pedreschi, Carbohydr. Polym., 123, 27,
2015.
[6] P. Perez Espitia, W. Du, R. Avena-Bustillos, N. Ferreira Soares, and T. McHugh,
Food Hydrocoll., 35, 287, 2014.
[7] K. Silva, T. Fonseca, L. Amado, M. Mauro, Food Packag. Shelf Life, 16, 122,
2018. [8] M. Osuna, A. Michaluk, A. Romero, M. Judis, and N. Bertola,
Biopolymers, 113(8), e23519, 2022.
[9] J. Soininen, J. Heinämäki, and J. Yliruusi, Food Bioprod. Process., 91 (4), 440,
2013.
[10] H. Azeredo, R. Morrugares-Carmona, N. Wellner, K. Cross, B. Bajka, K. Waldron,
Food Chem., 198, 101, 2016.
[11] N. Gontard, C. Duchez, J. Cuq, S. Guilbert, Int. J. Food Sci. Technol., 29, 39, 1994.
[12] ASTM International, ASTM D882-18. 2018.
[13] F. Biodegradáveis and À. Amido, Biotecnol. en el Sect. Agropecu. y Agroindustrial,
10 (1), 182, 2012.
[14] N. Mohd Azam and K. Amin, Int. Conf. Innov. Res., 209 (1), 1, 2017.
[15] E. Chevalier, A. Chaabani, G. Assezat, F. Prochazka, and N. Oulahal, Food
Packag. Shelf Life, 16 (January), 41, 2018.
[16] D. Kowalczyk, M. Kordowska-Wiater, M. Karaś, E. Zięba, M. Mężyńska, and A.
Wiącek, Food Hydrocoll., 101, 105539, 2020.
[17] P. Velásquez, G. Montenegro, L. Valenzuela, A. Giordano, G. Cabrera-Barjas, and
O. Martin-Belloso, Food Hydrocoll., 124 (October), 2022.