Antimicrobial activity and physicochemical characterization of thermoplastic films based on bitter cassava starch, nanocellulose and rosemary essential oil

Abstract

Extended shelf-life of many foods is a modern requirement that has been achieved by means of fossil-based plastic films despite their environmental issues. Recently, starchbased, fully biodegradable thermoplastics are gaining momentum as packaging material; however, if they are in contact with food, aspects such storage, water interaction and spoilage due to microorganisms must be considered. Essential oils are of great interest due to their antimicrobial action, so incorporating these compounds into natural polymers can promote a longer shelf life through active packaging. In this study, antibacterial activity, optical, mechanical and barrier properties of thermoplastic starch (TPS) films based on cassava starch (Manihot esculenta Crantz) and rosemary essential oil (REO) were studied. Furthermore, the effect of cellulose nanocrystals (CNC) on TPS properties were surveyed. Film mechanical properties and those related to the interaction with water, showed that the highest resistance and barrier properties corresponded to the TPS/CNC 15% film, while adding oil to the films increased morphological heterogeneity, contributed to reduce tensile strength, and increased water solubility and water vapor permeability. Likewise, TPS films containing rosemary oil showed enhanced antibacterial activity mostly against E. coli and S. aureus bacteria and A. niger fungus. Therefore, adding essential oils as natural additives favors using these biocomposites as functional packaging, and as potential replacements for singleuse plastics.La vida útil prolongada de muchos alimentos es un requisito moderno que se ha logrado mediante películas plásticas de origen fósil a pesar de sus problemas ambientales. Recientemente, los termoplásticos totalmente biodegradables a base de almidón están ganando impulso como material de embalaje; sin embargo, si están en contacto con alimentos, se deben considerar aspectos como almacenamiento, interacción con el agua y deterioro por microorganismos. Los aceites esenciales son de gran interés debido a su acción antimicrobiana, por lo que la incorporación de estos compuestos a polímeros naturales puede promover una vida útil más larga a través de envases activos. En este estudio se estudió la actividad antibacteriana, las propiedades ópticas, mecánicas y de barrera de películas de almidón termoplástico (TPS) a base de almidón de yuca (Manihot esculenta Crantz) y aceite esencial de romero (REO). Además, se estudió el efecto de los nanocristales de celulosa (CNC) sobre las propiedades del TPS. Las propiedades mecánicas de la película y las relacionadas con la interacción con el agua, mostraron que las mayores propiedades de resistencia y barrera correspondieron a la película TPS/CNC 15%, mientras que la adición de aceite a las películas aumentó la heterogeneidad morfológica, contribuyó a reducir la resistencia a la tracción y aumentó la solubilidad en agua. y permeabilidad al vapor de agua. Asimismo, las películas de TPS que contienen aceite de romero mostraron una actividad antibacteriana mejorada principalmente contra las bacterias E. coli y S. aureus y el hongo A. niger. Por tanto, añadir aceites esenciales como aditivos naturales favorece el uso de estos biocompuestos como envases funcionales, y como potenciales sustitutos de los plásticos de un solo uso.