Migración de productos de degradación de poli(ácido láctico) de envases a simulantes de alimentos. Estudio espectroscópico

Resumen

Cada dia surgen nuevos e interesantes avances en la produccion de polimeros enfocados a mejorar nuestra calidad de vida. Sin embargo, la excesiva explotacion de los polimeros producidos en masa para envases desechables ha provocado que, en todo el mundo, la contaminacion por plasticos se haya convertido en un grave problema. Desde que comenzo a abordarse el tema de la lucha contra el cambio climatico, la reduccion de las reservas de petroleo y la preocupacion por la acumulacion de residuos plasticos en oceanos y suelos, se ha impulsado una reciente investigacion sobre el desarrollo de nuevos polimeros obtenidos de fuentes naturales renovables. Entre ellos destacan los bioplasticos biodegradables, capaces de reducir significativamente el impacto medioambiental. Entre los bioplasticos mas prometedores se encuentra el poli(acido lactico) (PLA), el cual posee caracteristicas similares al PET y al poliestireno. Debido a su biodegradabilidad, sus buenas propiedades opticas y mecanicas y su facil procesabilidad, este bioplastico se emplea en numerosas aplicaciones, como el envasado de alimentos. Debido a esto, las previsiones del mercado apuntan a que la capacidad productiva global del PLA aumentara cuatro veces entre 2014 y 2020. Por ello, se ha planteado la posibilidad de reutilizar y reciclar estos materiales y, asi, reducir las cantidades de materia prima necesarias. No obstante, para comprobar si el reciclado mecanico del PLA es viable, se debe comparar las propiedades del material reciclado con las del material virgen. Entre estas propiedades destacan las propiedades mecanicas, las propiedades opticas, las propiedades de transporte y la estabilidad y la resistencia a la degradacion. La idea central en este proyecto es estudiar la migracion, es decir, la transferencia de sustancias de los envases a los alimentos. El uso creciente de materiales biodegradables para el envasado, como el PLA, y la posibilidad de degradacion durante el contacto con los alimentos han originado la preocupacion por la migracion de productos de descomposicion tales como monomeros, oligomeros y otros productos de degradacion. Entre los posibles migrantes, se encuentran el acido lactico, la lactida, el acido lactoil-lactico y oligomeros. Tras un periodo corto de tiempo, estos migrantes pueden reaccionar obteniendose como producto final el acido lactico. Dado que el acido lactico en cantidades elevadas resulta toxico para el cuerpo humano, es imprescindible estudiar que cantidad de acido lactico migra al alimento que se encuentra en contacto con PLA. Este estudio debe realizarse en condiciones similares en el PLA virgen y en el PLA reciclado, para poder comparar los resultados y comprobar que el PLA reciclado no presenta una migracion inaceptable al alimento contenido. En este proyecto se ha estudiado la migracion en el PLA virgen, y mas adelante se estudiara, en otro proyecto dentro del mismo grupo de investigacion, la migracion en PLA reciclado, para comparar los resultados. Para llevar a cabo este estudio, se extruyo PLA y se elaboraron filmes de espesor similar a los envases de alimentos en una prensa de platos calientes. Despues, dichos filmes se sumergieron en agua desionizada y en un medio basico a una temperatura de 40 oC durante 30 dias y a 60 oC durante 48 horas. De esta manera, se ha podido estudiar el comportamiento del PLA a lo largo del tiempo a distintas temperaturas y el efecto del pH sobre la migracion de productos de degradacion al medio. Los resultados se han comparado con la migracion en una disolucion de acido acetico, que esta reconocida como un simulante adecuado de alimentos acidos. Para caracterizar los filmes de material virgen en este trabajo, antes y despues de la inmersion en los diferentes medios, se ha empleado la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Los productos migrados a los simulantes de alimentos se han caracterizado mediante espectroscopia UV-Visible. Ademas, este estudio servira para estudiar la posibilidad del empleo de espectroscopia UV-Visible para la caracterizacion de los productos migrados de la degradacion del PLA, un metodo rapido que ademas esta disponible en la mayoria de los laboratorios. Inicialmente, se han caracterizado en ambos medios los espectros UV del acido lactico y la lactida. Esto ha permitido obtener informacion para detectar la presencia de acido lactico y/o lactida en los liquidos estudiados, mediante una banda de absorcion a 212 nm. Ademas, aparece una banda debil a 270 nm que es mas intensa en el caso de la lactida. En este estudio, se ha podido comprobar que la espectroscopia UV aporta informacion util sobre la naturaleza quimica de los productos de degradacion de PLA que migran al liquido. En primer lugar, los espectros medidos en agua a 40 oC muestran una evolucion temporal siendo diferentes a distintos tiempos debido a que los productos que migran del PLA al agua son diferentes en funcion del tiempo de degradacion o a que dichos productos se degradan con el paso del tiempo. Ademas, en estas condiciones no se libera acido lactico desde el PLA ni se forma en cantidades apreciables en 30 dias. Por otro lado, se observan bandas a 252, 236 y 224 nm que pueden corresponder a diferentes oligomeros y dimeros del acido lactico. Los resultados son diferentes cuando el ensayo se hace a 60 oC, por encima de la Tg del PLA. Se observa la presencia de acido lactico en el medio, resultado de la migracion directa desde el plastico o de la hidrolisis de los productos migrados, que sera mas rapida a 60 que a 40 oC. En medio basico, se observa un comportamiento similar al observado en agua. A 60 oC en medio basico aparecen dos bandas a 221 y 240 nm que aumentan de intensidad. Sin embargo, en este caso no se observa la formacion de acido lactico. La cinetica es similar en ambos medios, con diferencias proximas a las incertidumbres. La unica pequena diferencia es que inicialmente la migracion parece mas rapida en NaOH, aunque luego parece que crece mas en agua. Esto podria indicar que la degradacion del PLA por hidrolisis no es catalizada por bases de manera importante. Para caracterizar el PLA y comprobar los cambios estructurales se midio el espectro infrarrojo de las diferentes muestras (FTIR). En el espectro, se observa que se ha producido la cristalizacion del PLA sumergido a 60 oC en ambos medios como consecuencia de un aumento del orden molecular, reduciendo la permeabilidad y alterando sus propiedades mecanicas. Ademas, los espectros muestran que se ha desarrollado en ambos medios una mezcla de diferentes formas cristalinas. Por otro lado, se ha comparado los resultados con una disolucion de acetico al 3 %, para relacionar los resultados con la degradacion de PLA en los simulantes de alimentos. Los espectros muestran que en medio acido se producen mayores cambios estructurales, sugiriendo que la degradacion de PLA es mayor. Esto indica que los acidos catalizan la degradacion hidrolitica, formandose mas moleculas pequenas y se facilita la cristalizacion del PLA. En breve los resultados obtenidos en este proyecto con PLA virgen seran comparados con los resultados correspondientes al PLA reciclado, que se mediran en otros proyectos dentro del mismo grupo de investigacion. El objetivo es evaluar si la degradacion y migracion del reciclado son comparables a las del virgen y obtener asi informacion para saber si el reciclado puede usarse en envases. En resumen, en este proyecto se ha estudiado la migracion de productos de degradacion de PLA virgen, y el efecto que tiene en esa migracion la naturaleza del medio (mas especificamente el pH). Se han estudiado tambien las transformaciones que sufre el PLA en contacto con los diferentes medios. Se ha demostrado que la espectroscopia UV puede aportar informacion sobre los productos de migracion.