Estructuras celulares biobasadas a partir de proteínas fibrilares de colágeno

Abstract

El objetivo de este trabajo es obtener estructuras celulares de colágeno como alternativa a los embalajes alimentarios de origen sintético. Para ello, se estudió con el Diseño de Experimento (DoE), las variables experimentales (plastificante, entrecruzante, tiempo, temperatura y pH de la disolución) que afectan a las propiedades mecánicas de los filmes precursores (necesarios para el proceso de espumado). A través de técnicas de caracterización microestructural, se determinaron las relaciones entre las estructuras y las propiedades mecánicas finales de los filmes obtenidos. Se encontró que el porcentaje de plastificante (glicerina) es el factor determinante para las propiedades finales. Finalmente, fueron elegidos ocho tipos de precursores diferenciales para estudiar la relación de sus propiedades mecánicas con el proceso de espumado y con las propiedades mecánicas finales del material celular resultante. Se empleó el proceso de espumado de disolución de gas con sCO2. Los resultados demostraron que, independientemente del tipo de filme estudiado, el colágeno es sensible al proceso de saturación en sCO2, ya que no permite medir su saturación en él y además experimenta una pérdida de peso molecular que imposibilita llevar a cabo la fase de expansión en agua, por el aumento de la hidrosolubilidad. Al cambiar el medio de expansión (horno), los materiales celulares, aunque mostraron estructuras heterogéneas con tamaños de celdas entre 2 y 120 μm, alcanzaron una pérdida de densidad cercana al 80 % sin apenas perder dureza con respecto al sólido. Todos estos fenómenos abren una importante ventana para seguir avanzando en el conocimiento de estas estructuras

The aim of this study is to develop collagen cellular structures as an alternative to synthetic food packaging materials. To achieve this, we utilised Design of Experiment (DoE) methodologies to examine the experimental variables (plasticiser, cross-linker, time, temperature, and pH solution) that influence the mechanical properties of precursor films, which are crucial for the foaming process. Microstructural characterisation techniques were employed to elucidate the relationships between the microstructures and the final properties of the obtained films. It was found that the plasticiser content (glycerine) is the most significant factor in determining these properties. Finally, eight distinct types of precursor films were selected to study the relationship between their mechanical properties and the foaming process, as well as the final mechanical properties of the obtained cellular material. The foaming was conducted using the gas dissolution process in supercritical CO2 (sCO2). The results demonstrated that, regardless of the type of film studied, collagen exhibits sensitivity to the sCO2 saturation process. This sensitivity precludes accurate measurement of CO2 saturation and results in a molecular weight loss that prevents effective expansion in water due to increased solubility. When the expansion medium was changed to an oven, the resulting foams exhibited heterogeneous structures with cell sizes ranging from 2 to 120 μm. Despite this heterogeneity, the foams achieved a density reduction of approximately 80 % while maintaining nearly the same hardness as the solid precursor. These findings provide a significant opportunity for further research and development in understanding and utilising these structures