Extraction of antioxidant compounds from seeds of Sterculia apetala plant and production of polylactic acid films for active food packaging solutions

Problems such as food wastage or pollutant wastes are driving the need for innovative technologies for food products conservation and the development of different smart applications able to positively influence the market and life quality. The production of “active” films for food packaging has become an important research and development field. The direct interaction of the packaging with the food product permits to decrease microbial growth and/or to delay oxidation processes taking place during the storage. The research is looking for innovative substances of natural origins for decreasing the use of the synthetic ones (such as BHA or BHT) which are not well accepted by the customer who shows preference for products entirely made with totally safe and natural ingredients. In this work, the antioxidant properties of extracted compounds from seeds of Sterculia apetala (a plant from Centre America) are investigated with both quantitative and qualitative methods in order to add further results to the relatively poor existing literature research on these plant’s beneficial properties. The used laboratory techniques consist of radical scavenging assays such as ORAC or ABTS analysis for the investigation of the antioxidant activity and Folin-Ciocalteau analysis for the TPC quantification. Different methodologies for phenolic compounds extraction are distinguished in conventional or non-conventional techniques using batch or continuous extraction conditions. The estimation of the effective diffusion coefficient in a continuous solid-liquid extraction highlighted the dependence of the diffusion rate on temperature and kind of solvent. The comparison of these techniques shows the possibility to obtain the same (or better) results decreasing processes time and using environmental-friendly solvents, aspects that are nowadays really important at both laboratory and industrial scale production. Also, different fatty acids were extracted by Sterculia apetala seeds and investigated with Gas Chromatography technique in order to individuate in the raw material other possible interesting chemical species besides antioxidants. “Active” films were firstly prepared dissolving a solid polymer of biological origin such as polylactic acid (PLA) with the incorporation of an active agent. The addition of gallic acid, a natural phenolic compound with high antioxidant activity, permitted to prepare a reference test for investigating the abilities of the used PLA in releasing it into solutions of food simulants. Once extracted a sample with high antioxidants content from Sterculia apetala seeds, the same experiments were performed in order to prepare films with the addition of this extract and investigating the behaviour in the same conditions of the reference test. The films were analysed detecting the amount of released antioxidant compounds into a solvent in both batch and continuous solvent flow conditions. Thermal behaviour and microstructural composition of mentioned films were investigated with the use of the Differential Scanning Calorimetry (DCS) and the Fourier-Transform Infrared (FTIR) techniques for obtaining a good characterization of the produced films.

La necessità di risolvere problemi come spreco di cibo e produzione di imballaggi non riciclabili porta allo sviluppo di nuove tecnologie per migliorare la conservazione dei prodotti alimentari, fornendo valide soluzioni in grado di influenzare positivamente il mercato e la qualità della vita. La produzione di film “attivi” per l’imballaggio degli alimenti è recentemente divenuta un campo di sperimentazione promettente e dinamico. La diretta interazione tra il materiale di packaging e la superficie del prodotto, permette la diminuzione di crescita microbica o il ritardo dei processi di degrado ossidativo nei cibi durante il periodo di conservazione. La ricerca scientifica si sta ampiamente impegnando nello sperimentare nuovi metodi (o migliorare quelli già esistenti) per l’estrazione di antiossidanti naturali ottenibili da diverse piante con lo scopo di sostituire i composti sintetici (come BHA o BHT) con equivalenti di origine naturale, in modo da ottenere prodotti ben accetti dal consumatore. In questo progetto, i composti antiossidanti estratti da semi di Sterculia apetala (una pianta originaria del Centro America), sono stati analizzati utilizzando le tecniche di laboratorio di quantificazione di composti fenolici totali (TPC) con il metodo di Folin-Ciocalteau e di analisi dell’attività antiossidante con i metodi ORAC e ABTS. Le diverse tecniche di estrazione di composti fenolici sperimentate si distinguono in estrazioni convenzionali e non convenzionali in condizioni di estrazione solido-liquido batch o continua. La stima dei coefficienti di diffusività nel caso di estrazione solido-liquido continua ha evidenziato la dipendenza della velocità di diffusione rispetto a temperatura e tipo di solvente. Gli evidenti vantaggi dell’utilizzo delle tecniche non convenzionali permettono di ottenere gli stessi (o migliori) risultati con le convenienze di riduzione del tempo di operazione e l’uso di solventi non inquinanti, aspetti molto vantaggiosi sia per la sperimentazione di laboratorio che per la produzione industriale. L’ulteriore estrazione di acidi grassi dai semi di Sterculia apetala e la conseguente individuazione qualitativa e quantitativa tramite Gas Cromatografia di massa ha permesso una caratterizzazione più completa dei componenti del campione studiato. Diversi film “attivi” sono stati preparati dissolvendo un polimero biodegradabile di origine naturale (acido polilattico) in diclorometano e successivamente aggiungendo alla soluzione un agente attivo. L’incorporazione di acido gallico (un composto naturale con elevata attività antiossidante) nella matrice polimerica dei film ha permesso l’ottenimento di un test di riferimento per lo studio delle abilità di rilascio da parte del polimero in solventi detti “simulanti alimentari”. Una volta estratto un campione dai semi di Sterculia apetala con relativamente elevata quantità di composti antiossidanti, gli stessi film polimerici sono stati prodotti con l’aggiunta dell’estratto ottenuto e i relativi test sono stati condotti nelle le stesse condizioni operative del test di riferimento. Le caratteristiche termiche e di composizione microstrutturale dei film prodotti sono state analizzate con le tecniche di Scansione Calorimetrica Differenziale (DSC) e di Spettroscopia a Infrarossi in Trasformata di Fourier (FT-IR).