Films activos combinados con nanopartículas para el envasado de productos sensibles al oxígeno

Este artículo examina brevemente las últimas tendencias de investigación de los sistemas de envase, basadas en el efecto combinado de agentes activos que absorben el oxígeno residual del envase y la incorporación de nanopartículas para obtener films que proporcionan una barrera física mejorada a gases.

Fundamentalmente, los últimos desarrollos de envasado combinan el concepto de barrera activa (absorbedor de oxígeno) con el de barrera pasiva (nanopartículas) para obtener films de alta barrera especialmente indicados para el envasado de productos que se deterioran rápidamente en presencia de oxígeno.

En este sentido Gaiker está trabajando en un proyecto de especialización, financiado por el programa Saiotek del Departamento de Industria, Comercio y Turismo del Gobierno Vasco, en el desarrollo de film con propiedades barrera mejoradas combinando los conocimientos adquiridos en el desarrollo de films activos con la experiencia en el procesado de sistemas con nanopartículas.

El concepto de envase activo ha sido considerado como uno de los más innovadores dentro del sector de envase, siendo especialmente importante en el envasado de alimentos, donde las funciones del envase son principalmente proteger al producto y extender su tiempo de caducidad.

El envase activo se define como una estructura de envase o un sistema de envasado que responde a los cambios que ocurren en el medio con el fin de asegurar la seguridad y estabilidad del producto hasta su consumo. Concretamente, los absorbedores de oxígeno son dispositivos o films que reaccionan químicamente con el oxígeno hasta eliminarlo de la atmósfera de envasado.

Por otra parte, el campo de los nanocomposites arcilla- polímero está generando un gran interés en los últimos tiempos. Actualmente, la arcilla más utilizada es la montmorillonita, su origen es volcánico y está constituida fundamentalmente por alúmina y sílice.

Los nanocomposites proporcionan grandes mejoras en las propiedades del polímero. Estas partículas a escala nano pueden mejorar propiedades tales como rigidez, propiedades barrera, reciclabilidad, retardante de llama y temperatura del calor de distorsión.

La combinación de una barrera al oxígeno activa (absorbedores de oxígeno) con una barrera al oxígeno pasiva (nanopartículas) proporciona una vía nueva para el desarrollo de nuevos polímeros de alta barrera al oxígeno. Asimismo, permiten obtener una mejora en propiedades tales como: barrera a olores y sabores, dureza, resistencia al calor (para el llenado de productos calientes) y resistencia a grasas y aceites; propiedades todas ellas de gran interés en el sector de envase.

Matriz plástica con absorbedores de oxígeno.

El concepto de barrera activa viene dado por la capacidad de los absorbedores de reaccionar químicamente con el oxígeno eliminándolo de la atmósfera de envasado. Por lo tanto, el absorbedor no es una barrera física (pasiva) al oxígeno sino una barrera química que proporciona una transmisión al oxígeno considerablemente más baja respecto al polímero de partida.

El efecto de un absorbedor de oxígeno es limitado, una vez que reacciona con el oxígeno el polímero vuelve a tener las mismas propiedades barrera que tenía antes de la incorporación del absorbedor. Así, el efecto de la barrera activa al oxígeno será proporcional a la cantidad (porcentaje en peso), reactividad y distribución del absorbedor en la matriz plástica.

En los últimos años, los desarrollos basados en la incorporación de componentes absorbedores de oxígeno en films han crecido considerablemente. Normalmente, estos componentes incluyen un metal oxidable, un promotor de la oxidación y un relleno. Este tipo de mecanismos de absorción de oxígeno se activan en presencia de humedad8. En el caso de productos secos la activación se realiza mediante pigmentos fotosensibles[7,10,11].

El concepto de barrera pasiva viene dado por el impedimento físico que proporcionan las nanopartículas al paso de oxígeno. Las nanopartículas proporcionan significantes mejoras en las propiedades del polímero con niveles de carga muy bajos.

En recientes estudios de investigación [4] se ha demostrado que las nanopartículas proporcionan notables mejoras en el polímero además de las propiedades barrera al oxígeno. Estas mejoras abarcan:

• Propiedades mecánicas. Ej. resistencia, estabilidad dimensional.
• Menor permeabilidad a gases, agua e hidrocarburos.
• Estabilidad térmica.
• Retarda la llama y reduce la emisión de humos.
• Resistencia química.
• Apariencia superficial.
• Claridad óptica.

En el caso de barrera a gases, los datos proporcionados por varias fuentes indican que la proporción de oxígeno transmitida en composites poliamida- arcilla reducen considerablemente la permeabilidad respecto al polímero sin modificar. Datos adicionales ponen de manifiesto la importancia de la cantidad de arcilla incorporada en el polímero y la proporción anchura/espesor de la nanopartícula para la mejora de la barrera. Tanto Ube Industries como Süd-Chemie [3] han trabajado con este tipo de composites para aplicaciones de envasado. El desarrollo de nuevas formulaciones de nanocomposites de polímero-arcilla se espera aporten envases que aumenten considerablemente el tiempo de vida útil de muchos alimentos.

Asimismo, se está llevando a cabo una investigación conjunta entre Triton Systems y la armada americana para el desarrollo de un material de envase con prestaciones barrera mejoradas. El objetivo es conseguir un sistema de envasado, no refrigerado, capaz de conservar el alimento durante tres años [6].

La capacidad de las nanoarcillas de reducir la transmisión al paso de solventes a través de polímeros tipo poliamida ha sido demostrada por De Bievre y Nakurama de Ube Insustries. Los datos aportados muestran una reducción significativa en la transmisión de fuel a través de poliamida 6/66 después de la incorporación de la nanoarcilla. Como resultado, se ha abierto un amplio campo de aplicación de estos polímeros en depósitos y líneas de paso de fuel en coches [1].

Actualmente, Gaiker está trabajando en el desarrollo de nuevos materiales con propiedades ignífugas y barrera mejoradas.

Matriz plástica con láminas de nanoarcilla

Las últimas tendencias de envasado combinan en un sólo producto el concepto de barrera activa (absorbedor de oxígeno) y él de barrera pasiva (nanopartículas) para obtener films de alta barrera especialmente indicados para el envasado de productos que se deterioran rápidamente en presencia de oxígeno.

Honeywell [2] trabaja en el desarrollo de sistemas que combinan barreras activas y pasivas en poliamidas. Las nanopartículas incorporadas mediante técnicas de procesado en fundido proporcionan la barrera pasiva mientras la barrera activa la proporciona un absorbedor de oxígeno. Los resultados de transmisión al oxígeno muestran sustanciales beneficios, respecto al polímero base, aportados por la incorporación de nanoarcillas (entre un 15-20 %, con beneficios adicionales aportados por el sistema combinado activo/pasivo). Akkapedi sugiere que la dificultad que proporcionan las nanopartículas al paso de gas retrasa la transmisión de oxígeno a través del composite y conduce las moléculas a los compuestos absorbedores de oxígeno, dando lugar a estructuras con una permeabilidad muy próxima a cero durante un periodo de tiempo considerable [9].

Matriz plástica con absorbedores de oxígeno y láminas de nanoracilla

La utilización de materiales de envase activos y más concretamente de absorbedores de oxígeno permite retardar y minimizar el proceso de degradación y adulteración de muchos alimentos, aumentando el tiempo de vida útil de los mismos. La tecnología de envase activo es un área de gran interés con un enorme potencial de aplicación en el sector alimentario.

La mejora en las propiedades que ofrecen los nanocomposites respecto al polímero base permite su aplicación en numerosos sectores industriales: automoción, cables, microengranajes, envase, etc. Concretamente, las propiedades barrera que ofrecen los nanocomposites de arcilla ha despertado un creciente interés en el envasado de alimentos (en aplicaciones flexibles y rígidas) y en depósitos y líneas de combustible.

La combinación de absorbedores de oxígeno, que proporcionan una barrera química al oxígeno, con nanopartículas, que proporcionan una barrera física, ha abierto un interesante campo de investigación permitiendo el desarrollo de nuevos materiales barrera especialmente indicados para el envasado de productos muy sensibles al oxígeno y que precisen otras propiedades adicionales tales como barrera a sabores y olores o dureza.

[1] De Bièvre, B.; Nakamura, K. UBE Europe. “Polyamide Nanoclay Hybrids at UBE”. Nanocomposites 2002. Conference Paper. January 2002.

[2] Defendini, B. Honeywell Europe. “AEGIS Barrier Resins: Combining Nanocomposites with Oxygen Scavengers”. Nanocomposites 2002. Conference Paper. January 2002.

[3] Engelhardt, T. Süd-Chemie AG. “Processing and Applications of Nanofil Clay-Based Nanocomposite Fillers. Nanocomposites 2002. Conference Paper. January 2002.

[4] van Es, M. ”Polymer-Clay Nanocomposites. The Importance of Particle Dimensions”. 12 Nov. 2001.

[5] Hay J.N.; Shaw S.J. A Review of Nanocoposites 2000”. DERA Chair of materials Chemistry. University of Surrey, U.K.

[6] Koene B. Triton Systems, Inc. “High barrier Nanocomposite materials and Applications”. Nanocomposites 2002. Conference Paper. January 2002.

[7] Nielsen, T. “Active Packaging: A Literature Review”. The Swedish Institute for Food and Biotechnology, 1997, Nº 631.

[8] Rooney M. L. "Active Food Packaging". Ed. Blackie Academic & Profesional. (1995).

[9] Socci, E.P.; Akkapedi, M.K. et al. “New High Barrier, Oxygen Scavenging Polyamides for Packaging Applications”. ANTEC 2001. Paper 455:1721-1725.

[10] Thomas, J.; Espinel, K. “Polymeric Oxygen Scavenging Systems and its Packaging Applications”. Poster at IFT, Annual Meeting June 24, 1998.

[11] Vermeiren, L.; Devlieghere, F.; van Beest, M; de Kruijf, N.; Debevere, J., “Developments in Active Packaging of Foods”. Trends in Food science and Technology 10 (1999) pp. 77-86.