Development and characterization of edible and biodegradable nano-laminate coatings as vehicle of incorporation of functional and antimicrobial agents from Aloe vera, for extending shelf life of Lycopersicum esculentum Mill. (tomato)

Abstract

Doctoral Dissertation for PhD degree in Chemical and Biological Engineering.During the last decades, there has been an increasing demand for fresh fruits and vegetables forcing the food industry to develop new and better methods for maintaining food quality and extending shelf life. Great losses (from 20% to 80%) in the quality of fresh fruits have been reported; such losses occur from harvesting to final consumption. In this context, edible coatings offer a beneficial impact on the produce quality (e.g. acting as a selective gas barrier and presenting an antimicrobial effect) and also to the environment, by means of reducing food waste. Currently, the utilization of nanotechnology represents a good tool to overcome problems regarding the application of edible coatings, such as high water vapour permeability and poor mechanical properties in comparison with synthetic materials. Some advantages when these coatings are at nanoscale are: higher stability at the substrate surface, facility of preparation and lower concentration of materials are required. Also, these systems can provide additional protection for the produce, and can incorporate antimicrobial, antifungal and antioxidant substances into their structure. Based in these ideas, the main purpose of this thesis was the development and characterization of nano-laminate coatings using bioactive components of Aloe vera for extending the shelf life of tomato fruit (Lycopersicum esculentum Mill.). Tomato was utilized here as model, being of course possible to apply these systems to other fruits. Aloe vera fractions (gel and liquid) evidenced both antifungal and antioxidant activities, representing a good alternative to extend the shelf life of tomato fruit. Therefore, polyelectrolyte solutions based on alginate and chitosan and their optimal concentrations were selected to build nano-laminate coatings; also, the effect of surfactant and plasticizer concentrations was determined. The best formulations were selected based on their wettability on tomato fruit surface. On the other hand, nano-laminate coatings with carvacrol (directly applied or encapsulated into zein) also showed (in vitro) their potential to be a good candidate to improve the shelf-life of foodstuffs due to the improved barrier properties and antifungal activity. Nano-laminate films functionalized with bioactive fractions of A. vera (gel and liquid fraction) have shown good barrier properties and evidenced in vitro antifungal activity. The system based on alginate/chitosan functionalized with A. vera liquid fraction was selected in order to evaluate its effectiveness in vivo. Tomatoes coated with this system exhibited a lower weight loss and microbial contamination was delayed (mainly in terms of yeasts and molds), together with a reduction in the gas transfer rate and ethylene production during cold (11 °C and 90% relative humidity, RH) and room temperature (20 °C and 85% RH) storage of tomato fruits. It should be noted that nano-laminate coating technology is transferable to other fruit models (both climacteric and non-climacteric), being an attractive postharvest tool for extending the quality and shelf life of fruits and vegetables.Durante as últimas décadas, verificou-se uma crescente procura de frutas e vegetais frescos, o que obrigou a indústria alimentar a desenvolver novos e melhores métodos para manter a qualidade dos alimentos e prolongar a sua de vida de prateleira. Elevadas perdas (de 20% a 80%) na qualidade de frutos frescos foram reportadas; tais perdas ocorrem desde a colheita até o seu consumo final. Neste contexto, os revestimentos comestíveis oferecem um impacto benéfico sobre a qualidade do produto (por exemplo, atuando como uma barreira seletiva a gases e apresentando efeito antimicrobiano) e também para o meio ambiente, através da redução do desperdício de alimentos. Atualmente, o uso da nanotecnologia representa uma boa ferramenta para superar os problemas relacionados com a aplicação de revestimentos comestíveis, tais como a elevada permeabilidade ao vapor de água e fracas propriedades mecânicas em comparação com materiais sintéticos. Algumas vantagens quando estes revestimentos são à escala manométrica são: maior estabilidade na superfície do substrato, facilidade de preparação e menor concentração de materiais necessários. Adicionalmente, estes sistemas podem oferecer uma proteção adicional para o produto, e podem incorporar substâncias antimicrobianas, antifúngicas e antioxidantes na sua estrutura. Com base nestas ideias, o principal propósito desta tese foi o desenvolvimento e caracterização de revestimentos nano-laminados utilizando componentes bioativos de Aloe vera para prolongar a vida de prateleira do fruto de tomate (Lycopersicum esculentum Mill.). O tomate foi utilizado como modelo, sendo, naturalmente, possível aplicar estes sistemas a outros frutos. Ambas as frações de Aloe vera (gel e líquido) evidenciaram atividades antifúngicas e antioxidantes, o que representa uma boa alternativa para prolongar a vida de prateleira do fruto de tomate. Deste modo, soluções de polieletrólitos baseadas em alginato e quitosano e as suas concentrações ótimas foram selecionadas para construir revestimentos nano-laminados; além disso, determinou-se o efeito das concentrações de surfactante e plasticizante. As melhores formulações foram selecionadas com base na sua capacidade molhante da superfície do fruto de tomate. Por outro lado, os revestimentos nano-laminados com carvacrol (aplicado diretamente ou encapsulado em zeína) também demonstraram (in vitro) o seu potencial para serem bons candidatos para melhorar a vida de prateleira dos produtos alimentares devido às propriedades de barreira melhoradas e à atividade antifúngica. Os filmes nano-laminados funcionalizados com frações bioativas de A. vera (frações gel e líquida) demonstraram boas propriedades de barreira e evidenciaram atividade antifúngica in vitro. Selecionou-se o sistema baseado em alginato/quitosano funcionalizado com fração líquida de A. vera com a finalidade de avaliar a sua eficácia in vivo. Tomates revestidos com este sistema registaram a menor perda de peso e a contaminação microbiana foi retardada (principalmente em termos de leveduras e bolores), juntamente com uma redução da taxa de transferência de gás e produção de etileno durante armazenamento sob refrigeração (11 °C e 90% de humidade relativa, HR) e a temperatura ambiente (20 °C e 85% HR) de frutos de tomate. Finalmente, é importante referir que a tecnologia de revestimentos nano-laminados é transferível para outros frutos (climatéricos e não climatéricos), sendo uma ferramenta de pós-colheira atrativa para prolongar a qualidade e vida de prateleira de frutos e vegetais