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Bioplásticos: últimas tendencias en el envase alimentario

Alejandro Devís y Miriam Gallur, Itene17/05/2013
Debido a las necesidades tanto de la industria química, de la industria de polímeros, así como de la de envase y embalaje y más concretamente de la industria de alimentación, se está invirtiendo tiempo y recursos en investigación y desarrollo con el fin de fabricar envases para alimentos que sean más sostenibles con el Medio Ambiente y más fáciles de reciclar. De esta manera, se respondería mejor y con más eficacia, tanto a los problemas ya existentes de generación de residuos como a las necesidades diarias de los consumidores.
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La base de la innovación en la industria del envase radica por una parte en el desarrollo de nuevos materiales con propiedades mejoradas, más sostenibles y económicamente viables, que a su vez sigan cumpliendo con los requerimientos necesarios para realizar la función básica del envase: contener, proteger y conservar, informar y facilitar su distribución. Sin embargo, la evolución experimentada en la sociedad junto con la industria en las últimas décadas hace que se le demande al envase, además de sus funciones básicas, presentar un buen diseño, que sea sostenible, fácil de usar, atractivo para el consumidor, que presente funcionalidades, etc. Estos requerimientos entre otros aspectos, hacen que las tendencias hayan tomado importancia en esta área y que estén actuando de fuerzas directrices en el sector de envase y embalaje para alimentación.

De entre las tendencias detectadas dentro del sector del envase y embalaje alimentario, las más importantes podrían resumirse en:

  • Coste sostenible: reducción de materiales de envase mediante la disminución en el número de materiales usados y en los espesores de los mismos, eliminando capas y buscando el empleo de materiales de envase más económicos para lograr un equilibrio entre coste y propiedades.
  • Nuevas funcionalidades: envasado activo e inteligente dando al envase una función dinámica de forma que interaccione con el producto o con el consumidor, con la finalidad de alargar la vida útil del producto envasado, disminuir el número de conservantes adicionados a los alimentos, o informar sobre las condiciones de los mismos.
  • Fuentes alternativas más respetuosas con el medio ambiente: envases biodegradables que cubran las exigencias del consumidor hacia un consumo más ecológico y medioambientalmente más sostenible, mediante el empleo de materiales procedentes de fuentes naturales o de residuos de la agricultura.
  • Aumento del valor añadido, nuevas aplicaciones: La aplicación de la nanotecnología en los envases, abre una nueva dimensión de ciertos materiales utilizando la misma con la finalidad de mejorar sus propiedades, sobretodo las propiedades barrera, o la resistencia térmica.

Biopackaging o ecopackaging: un compromiso sostenible con nuestros materiales de envase

De las tendencias identificadas, el aumento de la conciencia medio ambiental por parte del consumidor, junto con la presión de las nuevas leyes ambientales, ha llevado a la industria a invertir en materiales alternativos más sostenibles. La aplicación que más interés ha suscitado y en la que se ha invertido mayor cantidad de recursos científicos, técnicos y económicos, en los últimos años, ha sido el envase para alimentos. Hoy los envases biodegradables o el denominado ‘biopackaging’ son una realidad, dichos materiales proceden de fuentes renovables, bien extraídos de la biomasa, como la celulosa o el almidón, o bien producidos por microrganismos como los polihidroxialcanoatos (PHA). Los que mayor cuota de mercado poseen son aquellos que proceden de monómeros naturales que se han polimerizado sintéticamente como el poli (ácido láctico) (PLA) o los almidones termoplásticos (TPS).

Con el uso de biopolímeros para el desarrollo de nuevos materiales de envase se consigue una reducción de materiales poliméricos procedentes de fuentes no renovables, como el petróleo. Además, se alcanzarán beneficios medioambientales y económicos tanto en la producción de materias primas, ya que muchos de estos materiales se podrían obtener a partir de subproductos, y en un futuro, se pretende valorizarlos de nuevo o reducir en el coste de fin de vida de los nuevos materiales.

Los envases tradicionales protegen al producto, son baratos y parecen durar indefinidamente. Sin embargo, su durabilidad es un problema serio para el medio ambiente, buscando una solución a estos problemas, surge la necesidad de desarrollar plásticos obtenidos a partir de fuentes renovables, que se degraden cuando hayan finalizado su función de envase, sobretodo en aplicaciones de corta vida, como los productos frescos en alimentación, un ejemplo de estos materiales son los bioplásticos.

Cuando definimos bioplásticos o plásticos biodegradables hay que tener en cuenta los siguientes términos, la biodegradabilidad depende de la estructura química independientemente del origen, pero no todos los polímeros de origen natural son biodegradables y por otra parte existen polímeros de origen petroquímico que sí que lo son. Los bioplásticos engloban ambos grupos (1): los polímeros cuyo origen es una fuente renovable, llamados biopolímeros, y los que son biodegradables y cumplen con la norma de biodegradación y compostaje (UNE EN 13432) independientemente de su procedencia. (Quijada I., et al, 2007)

Los biopolímeros engloban todos aquellos polímeros que han sido producidos a partir de fuentes renovables, ya sean de origen vegetal o animal. En este grupo podemos encontrar polímeros obtenidos directamente de la naturaleza, como la celulosa, el almidón y proteínas como el suero o las gelatinas y también polímeros obtenidos a partir de microorganismos como el polihidroxibutirato y sus co-polímeros. Los biodegradables no necesariamente provienen de fuentes renovables, como podría ser la poli (ε-caprolactona), a pesar de que la gran mayoría que encontramos en el mercado provienen de monómeros naturales que se han polimerizado sintéticamente como el poli (ácido láctico) (PLA).

A pesar de que el sector de los materiales bioplásticos sigue generando inquietud, es un sector consolidado y dinámico, el crecimiento de su capacidad de producción, según datos de la Asociación Europea de Bioplásticos, presenta una tendencia exponencial, con una previsión para el año 2013 de 1,46 toneladas y el precio de estos materiales es cada vez más comparable con los polímeros convencionales.

Los bioplásticos presentan dos ventajas (2,3), que proceden de fuentes renovables, evitando el uso de fuentes fósiles y proporcionando una reducción en las emisiones de CO2, y que son biodegradables o compostables, proporcionando una reducción de los vertederos, además de poder ser valorizados, como fertilizantes o compost y producir biogás mediante la fermentación.

Según la Asociación European Bioplastics, la capacidad mundial de bioplásticos, basado en los anuncios de las compañías, incrementará desde 0,18 toneladas en el año 2008 hasta 1,71 en 2015 (4). Como bien indicábamos, uno de los sectores con mayor potencial como consumidor de estos materiales es el sector del envase y embalaje; así se presenta que de la producción total de bioplásticos, la previsión destinada al consumo de dicho sector será de un 37%.

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Figura 1. Distribución de materiales biodegradables por tipo.

En la Figura 1 quedan reflejados los bioplásticos que por su capacidad de producción y sus propiedades han recibido mayor atención que otros, como pueden ser el almidón, el poli (ácido láctico), los polihidroxialcanoatos o las mezclas de varios de ellos. A continuación, se muestran las definiciones, las propiedades y las aplicaciones de los bioplásticos más empleados en el sector de envase y embalaje alimentario.

Poli (ácido láctico) (PLA)

El poli (ácido láctico) (PLA) es un polímero obtenido a partir de almidón de maíz, mediante la fermentación del ácido láctico. Tras la fermentación el ácido láctico se somete a un proceso de polimerización, para formar el poli (ácido láctico), bioplástico más conocido como PLA.

La estructura molecular del PLA le confiere a este material una serie de ventajas muy interesantes. Por ejemplo, sus propiedades mecánicas se asimilan a las del PET y PS. Es un material que puede imprimirse sin tratamiento superficial. Presenta una termosoldabilidad a temperaturas inferiores a las de las poliolefinas y una alta transparencia. Es resistente a los productos acuosos y a las grasas, y además, su procesado es similar al de las poliolefinas (extrusión, inyección y termoformado)

Hoy en día es frecuente encontrar en el mercado una gran cantidad de envases como bandejas, botellas o bolsas flexibles, fabricados a partir de PLA.

Almidón termoplástico (TPS)

Durante las últimas décadas, el almidón, polímero anhidroglucosídico, ha atraído considerablemente la atención como material biodegradable para envases, debido a su abundancia y bajo coste (5). El almidón esta compuesto por dos isómeros, amilosa (estructura lineal) y amilopectina (estructura altamente ramificada), cuya proporción depende de la fuente de origen. Como bioplástico, el almidón termoplástico (TPS) puede ser procesado empleando plastificantes y convertido en plástico. El papel de los plastificantes es destruir el almidón granular, mediante la rotura de los puentes de hidrógeno de las macromoléculas de almidón, acompañado de una depolimerización de parte del almidón. Su naturaleza hidrofílica hace que el TPS sea susceptible a los ataques de la humedad y provoque cambios significantes de estabilidad dimensional y en las propiedades mecánicas (6). Actualmente existen diferentes variedades de TPS, que combinan poliésteres con almidones nativos de diversos orígenes, como maíz, patata o guisante y que presentan propiedades diferentes. Esta variación hace que el TPS destaque por su versatilidad en sus propiedades, al poder ser modificado fácilmente con aditivos superficiales, además de tener unas buenas propiedades de sellabilidad y de imprimibilidad sin tratamiento superficial.

Bioplásticos a partir de bacterias

Otra de las familias de polímeros biodegradables a la que se le augura un buen futuro son los polihidroxialcanoatos (PHAs), obtenidos a partir de fermentación bacteriana. Las bacterias pueden crecer en cultivo y el plástico ser extraído fácilmente. Una de sus características es su versatilidad, ya que existen más de cien monómeros diferentes, hidroxivalerato, butirato, etc., que en función de la variabilidad de la posición de sus grupos funcionales y grados de polimerización varían las propiedades finales del polímero sintetizado. Estos polímeros son completamente biodegradables, de carácter termoplástico, con una alta cristalinidad, elevada temperatura de fusión, buena resistencia a los disolventes orgánicos y muy buenas propiedades de resistencia mecánica, lo que hace que sean comparables en su comportamiento con poliolefinas como el polipropileno, con la ventaja frente a éstas de ser de origen renovable, biodegradables y además biocompatibles. Sus propiedades térmicas y mecánicas varían en función de su composición, por lo que son polímeros muy versátiles.

En función de la longitud de la cadena lateral, los PHA muestran una mayor cristalinidad (PHA de cadena corta, análogos al polipropileno) o se comportan como elastómeros, más parecidos al polietileno (PHA de cadena media, mcl-PHA). Además, los PHA son hidrofóbicos y muestran bajas permeabilidades al oxígeno y al vapor de agua, por lo que hacen que sean materiales potenciales para el desarrollo de envases biodegradables.

Investigación y desarrollo en materiales biodegradables para el sector alimentario

Centros de investigación como el Instituto Tecnológico de Embalaje, Transporte y Logística (Itene) realizan una importante labor en investigación, tanto a nivel europeo como a nivel nacional mediante el desarrollo de proyectos de I+D+i. Esta labor ha permitido enfocar la investigación en nuevos materiales más sostenibles para aplicaciones de envase alimentario, hacia el desarrollo de materiales biocomposites de manera que sea posible en pocos años, el uso de materiales biodegradables o procedentes de fuentes renovables en gran parte de aplicaciones de la industria del envase y embalaje alimentario.

Desde los ámbitos de nuevos materiales avanzados y nanocomposites de Itene, se han llevado a cabo diferentes proyectos en los que se han desarrollado materiales sostenibles para su uso en el envasado de alimentos.

Un ejemplo de ello, es el desarrollo de un bionanocompuesto basado en PLA y nanoarcillas modificadas superficialmente. El nuevo material desarrollado (7) surge para paliar la inexistencia de bioplásticos en el mercado con unas propiedades aceptables para el envasado de líquidos y bebidas en botellas, debido a la baja resistencia térmica y la elevada permeabilidad del material empleado. Dicho material mejora la resistencia mecánica y térmica del PLA así como reduce la permeabilidad a gases, y conserva la capacidad de biodegradarse, por ello es una buena opción para aplicaciones de envases en inyección, como botellas. Con el uso de los aditivos desarrollados en Itene se ha logrado alcanzar un aumento de la carga máxima soportada por compresión en las botellas fabricadas, así como una mejora en las propiedades térmicas de las mismas que ha permitido hacerlas más resistentes a altas temperaturas evitando la deformación y el colapso en aplicaciones de llenado en caliente. Estas mismas botellas presentaron una mejora en sus propiedades barrera de aproximadamente un 40% de reducción de la transmisión al vapor de agua y una reducción a la mitad, de la permeabilidad al oxígeno, como puede apreciarse en la Tabla 1.

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Tabla 1: Transmisión al vapor de agua (WVTR) y transmisión de oxígeno (OTR) de botellas de PLA y PLA con nanoarcilla modificada obtenidas en Itene.

Otro de los desarrollos que se está llevando a cabo en Itene es la obtención de mezclas a la carta de distintos bioplásticos, con el fin de aunar propiedades y reducir costes de materiales. Bioplásticos comerciales como el almidón termoplástico y los poli (hidroxialcanoatos) presentan buenas propiedades para el procesado pero no alcanzan los requerimientos necesarios para ser utilizados como material de envase, sobre todo en aplicaciones de alta barrera. Por ello una de las vías para la mejora de sus propiedades es su aditivación con nanorefuerzos. Dentro del VII programa marco, Itene junto con 6 empresas y 2 centros de investigación en el proyecto Traysrenew (8), acaban de presentar una bandeja a partir de almidón termoplástico y sus mezclas con PLA, PHAs y nanofibras de celulosa para el envasado de carne de pollo, dicha bandeja mantiene las propiedades de conservación del producto durante su vida útil y es 100% biodegradable.

Otro de los desarrollos llevados a cabo en Itene para la obtención de bandejas termoconformadas para el envasado de productos frescos, mostradas en la Figura 4a, es la aditivación de mezclas de PLA y PHB con cargas inorgánicas. En la Figura 4b pueden observarse la mejora de las propiedades de permeabilidad al vapor de agua y al oxígeno con distintos nanorefuerzos.

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Figura 2. Permeabilidad al O2 de films de PLA-PHB sin y con nanorefuerzos.

Conclusiones

Actualmente la I+D+i en materiales para el sector de envase y embalaje permite utilizar materiales alternativos más sostenibles que -cumplan con las tendencias clave demandadas por los consumidores, junto con las demandadas por los convertidores, fabricantes de materias primas y usuarios finales de envase. El sector de los materiales bioplásticos es un sector dinámico y en continuo crecimiento, permitiendo hoy por hoy que haya reducido su precio de venta y que en un futuro próximo sea comparable al de los polímeros convencionales.

En este artículo, hemos identificado los grupos de biopolímeros más empleados hoy en aplicaciones de envase alimentario, todos ellos están en continuo desarrollo mejorando sus procesos de síntesis y obtención para aumentar su capacidad de producción, en el caso del PLA, se pretende llegar a una producción de 1,5 toneladas en 2013. También hemos identificado los nuevos productores de materias primas biodegradables y los nuevos materiales con mayor potencial de desarrollo en un futuro próximo. En cuanto a aplicaciones, los biopolímeros actuales cubren una parte importante del abanico de necesidades de productos para el sector de envase y embalaje. Así, podemos encontrar bandejas termoformadas fabricadas con almidón y PLA, bolsas u otros envases por inyección que cumplen con las normativas de biodegradación y compostabilidad.

Pero hoy por hoy existen aplicaciones del sector alimentario que no están cubiertas, sobretodo aquellas con requerimientos de propiedades barrera al oxígeno, vapor de agua, o requerimientos de resistencia térmica. Mediante el desarrollo de materiales compuestos se pueden obtener soluciones de valor añadido para estas aplicaciones concretas de envasado alimentario, siempre tratando de reducir costes en el sector de envase y embalaje, que está en constante innovación. El empleo de la nanotecnología en los bioplásticos está permitiendo alcanzar nichos donde hace unos años era impensable, alcanzando propiedades muy interesantes, reducciones de la permeabilidad al oxígeno de un 40%, resistencias térmicas que posibiliten el llenado en caliente, etc.

Hacia este desafío es donde se dirige la I+D+i, tanto de centros tecnológicos como de empresas y grupos de investigación a nivel mundial; con las técnicas de síntesis de nanoaditivos a la carta y las tecnologías de procesado adecuadas, podemos lograr obtener materiales plásticos biodegradables a partir de orígenes renovables donde sus propiedades no sean un problema, sino una ventaja que aporte a la empresa usuaria diferenciación en sus materiales de envase y que garantice la seguridad alimentaria y la calidad de sus productos, cumpliendo así con los consumidores y con nuestro entorno futuro.

  1. Asociación Europea de Bioplásticos
  2. Tharanathan RN. Biodegradable films and composite coatings: past, present and future. Trends Food Sci Tech. 2003 Mar;14(3):71-78.
  3. Gross RA, Kalra B. Biodegradable polymers for the environment. Science. 2002 Aug 2;297(5582):803-807.
  4. European Bioplastics. Driving the evolution of plastics.2011
  5. Gross, R. (2002). Biodegradable polymers for the environment. Science, 297, 803
  6. Raquez J, Nabar Y., Srinivasan M., Boo-Young S., Narayan R., Dubois P. Maleated thermoplastic starch by reactive extrusion. Carbohydrate Polymers, 2008, 74, 159–169
  7. Polymer nanocomposite comprising polylactic acid reinforced with the modified phyllosilicate. Nº Internacional Publicacción: WO 2012/017026 A1
  8. http://www.traysrenew.eu/

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