Active Food Packaging incorporating Extracts from Seaweed, Plants and Fruits By-products: development, characterization and effectiveness

Abstract

Food active packaging is a relatively recent food packaging concept whose main goal is to increase foods’ shelf-life and to maintain or improve organoleptic characteristics, by deliberated interaction with the packaged food. This interaction may be due to the transfer of active compounds from the package to the food surface and in this case active food packaging works as a releasing system.Seaweeds, aromatic plants, and fruits by-products are well-known for their powerful biological activities, namely antimicrobial and antioxidant activity. From these matrixes, extracts, and essential oils with high content in active compounds can be obtained and applied in polymeric matrices in order to obtain active packaging.The main goal of this PhD thesis was to develop, characterize and evaluate the effectiveness of new active food packaging materials incorporating extracts from seaweeds, aromatic plants, or fruits by-products. The new active packaging will be antioxidant and/or antimicrobial and their effectiveness will be evaluated using model foods.Extracts from the brown seaweed Fucus vesiculosus L., green tea (Camellia sinensis L.) leaves, rosemary (Rosmarinus officinalis L.) leaves, by-products of several juices’ formulations and by-products of lemon (Citrus limon), orange (Citrus × sinensis), pomegranate (Punica granatum) and grape (Vitis vinifera) were obtained through solvent extraction with ethanol, a food-grade solvent. The highest antioxidant capacity was found in the rosemary and pomegranate by-products extracts. The F. vesiculosus L. extract was incorporated into a whey-protein based packaging by casting method. The addition of the extract to the whey-protein based film successfully improved the thickness, tensile strength, and the film’ elastic modulus, but diminished the film’ water vapor permeability. Also, the active film was able to inhibit the fresh poultry meat’ lipid oxidation for a maximum storage time of 25 days at 4 °C.From the comparative studies among the juices and Citrus fruits’ by-product extracts, lemon by-products revealed the highest antioxidant activity. The extract was incorporated into polylactic acid (PLA) and low-density polyethylene-based (LDPE) packages and used to pack almonds and raw beef meat, as model foods. The LDPE showed higher efficiency in delaying the almonds lipid oxidation, and the migration assays showed that the LDPE retain more phenolic compounds than the PLA active packaging. Furthermore, the PLA with the lemon by-products extract successfully inhibit the meat microbiological count until 6th day of storage.Pomegranate peels and pomegranate peels extract were incorporated into PLA active films, and their chemical, mechanical, optical and barrier properties were evaluated. Two active PLA-based packages were produced: with 3% of pomegranate peel (PLA/3PP) and with 3 % of pomegranate peel extract (PLA/3PPE). Phenolic compounds, punicalagin (A+B) and ellagic acid, were both successfully quantified both in the pomegranate by-products and extract. The films were also applied to meat and grounded almond to evaluate their antioxidant and antimicrobial potential. Despite the films’ effect on the almond were not clear, both PLA/3PE and PLA/3PP showed antimicrobial and antioxidant activity when applied to meat, having inhibited the malonaldehyde formation for 11 storage days and microbiological growth in the same period. PLA packages containing green tea extract (GTE), rosemary extract (RE) and a mixture of both, were produced and used to pack ground almonds and beef meat. The main identified phenolic compounds in the GTE were catechin, epigallocatechin gallate, epicatechin, rutin and gallic acid, while in the RE the main phenolic compounds were carnosic acid, carnosol and rosmarinic acid. However, the RE presented a higher content in total phenolic compounds than the GTE. Five active PLA-based films were manufactured: PLA with 2 and 4 % of GTE (PLA/2GTE and PLA/4GTE), PLA with 2 and 4 % of RE (PLA/2RE and PLA/4RE); and PLA with 2% of each extract (PLA/2GTE/2RE). The PLA/2RE and PLA/4RE were the most effective in delaying the almonds lipid oxidation. Altogether, 11 active food packages were produced with natural extracts, of which 10 were based on biodegradable polymers (whey protein or PLA). Regarding the PLA packaging, none of the extracts significantly altered the PLA structure. All the active packaging were effective in reducing lipid oxidation, especially when applied to raw beef, an ideal model food for in vivo evaluation of antioxidant and antimicrobial properties of active food packaging with natural extracts.

O conceito de embalagens alimentares ativas é relativamente recente, tendo como objetivo aumentar o tempo de vida útil dos alimentos e manter ou melhorar as características organoléticas do alimento, através da interação deliberada entre a embalagem e o alimento embalado. Esta interação pode ser feita através da migração de compostos ativos da embalagem para a superfície do alimento embalado atuando, neste caso, como um sistema de libertação.Algas, plantas aromáticas e subprodutos de fruta são conhecidos pelas suas atividades biológicas, nomeadamente as atividades antioxidantes e antimicrobianas. Através destas matrizes, extratos e óleos essenciais com alto teor em compostos bioativos podem ser obtidos e aplicados em matrizes poliméricas de forma a obter uma embalagem ativa.O principal objetivo desta tese de doutoramento consistiu em desenvolver, caracterizar e avaliar a eficácia de novos materiais alimentares ativos, incorporando extratos de algas, plantas aromáticas ou subprodutos de fruta. Estes novos materiais ativos terão uma ação antioxidante e/ou antimicrobiana e a sua eficácia será avaliada em alimentos modelo. Extratos da macroalga F. vesiculosus L., folhas de chá verde (C.sinensis L.) e de alecrim (R.officinalis L.), subprodutos de várias formulações de sumos de fruta e subprodutos de limão (C.limon), laranja (Citrus × sinensis), romã (P.granatum) e uva (V.vinifera) foram obtidos através de um método de extração com solvente utilizando etanol, um solvente de grau alimentar. A maior capacidade antioxidante foi observada nos extratos de alecrim e subprodutos de romã.O extrato de F. vesiculosus L. foi incorporado numa embalagem ativa à base de proteína de soro de leite pelo método de casting. A incorporação do extrato melhorou a espessura, a resistência à tração e a elasticidade do filme de proteína de soro de leite, diminuindo a permeabilidade ao vapor de água do filme. O filme ativo foi eficaz na redução da oxidação lipídica na carne de frango crua por um tempo máximo de armazenamento de 25 dias a 4 °C.Dos estudos comparativos entre os subprodutos de sumos e frutas cítricas, o extrato de subprodutos de limão revelou a maior capacidade antioxidante. O extrato foi então incorporado em embalagens à base de ácido poliláctico (PLA) e polietileno de baixa densidade (LDPE), que foram posteriormente testadas em amêndoas e carne crua. A embalagem ativa de LDPE apresentou a maior eficácia em retardar o aparecimento de produtos resultantes da oxidação lipídica das amêndoas. Os ensaios de migração realizados mostraram também que a embalagem de LDPE retém durante mais tempo os compostos fenólicos do que a embalagem ativa de PLA. No que diz respeito aos ensaios com a carne, a embalagem ativa de PLA foi eficaz em inibir o crescimento de microrganismos ao longo de 6 dias de armazenamento.O extrato e os subprodutos de romã foram incorporados em embalagens de PLA e as suas propriedades químicas, mecânicas, óticas e de barreira foram avaliadas. Com a incorporação dos subprodutos e do extrato da romã, foram produzidas duas embalagens: com 3% de subprodutos de romã (PLA/3PP) e 3% de extrato de romã (PLA/3PPE). Os compostos fenólicos, punicalagina (A+B) e ácido elágico, foram ambos identificados e quantificados no extrato e nas cascas de romã. As embalagens ativas foram utilizadas para embalar amêndoas e carne crua para avaliar o seu potencial antioxidante e antimicrobiano. Apesar do efeito das embalagens ativas não ser claro na amêndoa, ambas as embalagens foram eficazes na inibição da formação de malonaldeído durante 11 dias de armazenamento como na inibição do crescimento microbiano durante o mesmo período.Embalagens ativas de PLA com extrato de chá verde (GTE), extrato de alecrim (RE) e uma mistura de ambos foram concebidas e utilizadas para embalar amêndoa e carne crua. Os principais compostos fenólicos identificados no GTE foram a catequina, epigalocatequina galato, epicatequina, rutina e ácido gálico, enquanto no RE os principais compostos fenólicos foram o ácido carnósico, o carnosol e o ácido rosmarínico. No entanto, o RE apresentou um maior conteúdo em compostos fenólicos totais do que o extrato de chá verde. Ao todo, foram concebidos cinco filmes de PLA: PLA com 2 e 4 % de GTE (PLA/2GTE e PLA/4GTE), PLA com 2 e 4 % de RE (PLA/2RE e PLA/4RE) e PLA com 2% de GTE e 2 % de RE (PLA/2GTE/2RE). O PLA/2RE e PLA/4RE foram os mais eficazes em retardar a oxidação lipídica da amêndoa.Ao todo, foram produzidas 11 embalagens alimentares ativas com extratos naturais, das quais 10 com base em produtos biodegradáveis (proteína de soro de leite e PLA). Relativamente às embalagens de PLA, nenhum dos extratos alterou significativamente a estrutura do mesmo. Todas as embalagens se mostraram eficazes na redução da oxidação lipídica, especialmente quando aplicadas à carne crua, um alimento modelo ideal ppara a avaliação in vivo das propriedades antioxidantes e antimicrobianas das embalagens ativas com extratos naturais.