Ανάπτυξη βιοδιασπώμενων υλικών συσκευασίας από μικροφύκη Spirulina και αξιολόγηση των ιδιοτήτων αλληλεπίδρασης με το νερό

Abstract

Η παρούσα διπλωματική μελέτη εστιάζει στη σύνθεση και το χαρακτηρισμό βιοδιασπώμενων μεμβρανών συσκευασίας τροφίμων με βάση τη βιομάζα του κυανοβακτηρίου Spirulina platensis (σπιρουλίνα), ως μια βιώσιμη εναλλακτική λύση έναντι των υλικών που προέρχονται από το πετρέλαιο. Επιπλέον, στο πλαίσιο των δοκιμών παρασκευής επιτυχούς μεμβράνης από μικροφύκη με τις επιθυμητές ιδιότητες, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με το στέλεχος Nannochloropsis, καθώς και η επίδραση διαφορετικών πλαστικοποιητών (γλυκερόλη, ελαϊκό οξύ) και γαλακτωματοποιητών/επιφανειοδραστικών ουσιών (κόμμι ξανθάνης, αραβικό κόμμι, λεκιθίνη, Tween 20). Οι παραγόμενες μεμβράνες χαρακτηρίστηκαν ως προς το πάχος τους, τις ιδιότητες φραγμού στην υγρασία, την περιεκτικότητά τους σε υγρασία, τη διαλυτότητα στο νερό, την προσρόφηση νερού, την υδροφιλικότητά τους μέσω της μέτρησης της γωνίας επαφής, καθώς και το χρώμα τους. Κατά την μελέτη της γωνίας επαφής παρατηρήθηκε μορφολογική ανομοιογένεια μεταξύ των δύο όψεων των μεμβρανών, κατευθύνοντας την εστίαση της μελέτης προς την χρήση των γαλακτωματοποιητών. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων έδειξαν ότι ο ρυθμός διαπερατότητας σε υδρατμούς αυξήθηκε με την προσθήκη Tween 20 (52,38±1,12 g/h×m2) και με την προσθήκη λεκιθίνης (38,97±1,56 g/h×m2) συγκριτικά με τη μεμβράνη μόνο από σπιρουλίνα (26,41±1,52 g/h×m2) καθώς και της διαπερατότητας σε υδρατμούς (4,39±0,34 g×m/kPa×h×m2), με την προσθήκη Tween 20 (10,05±0,34 g×m/kPa×h×m2) και με την προσθήκη λεκιθίνης (6,24±0,46 g×m/kPa×h×m2). Η προσθήκη των γαλακτωματοποιητών δεν επηρέασε το πάχος των μεμβρανών, ούτε την περιεκτικότητα και διαλυτότητα σε νερό και προσρόφηση νερού. Τέλος, η αξιολόγηση των οπτικών ιδιοτήτων ανέδειξε την επίδραση της ξήρανσης των μεμβρανών στο αρχικό χρώμα της σκόνης, καθώς η τιμή γωνίας απόχρωσης (hue angle, h°) της σκόνης υποδηλώνει μια κίτρινη απόχρωση (148,13±0,70°), ενώ αντίστοιχη τιμή h° της μεμβράνης υποδηλώνει πράσινη απόχρωση (212,41±8,39°). Συνεπώς, η βιομάζα της σπιρουλίνας αντιπροσωπεύει ένα πολλά υποσχόμενο βιοπολυμερές για τη δημιουργία σταθερών βιοδιασπώμενων φιλμ, ανοίγοντας τον δρόμο για περαιτέρω βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων φραγμού τους για μελλοντικές εφαρμογές τους στη συσκευασία τροφίμων.Abstract The present thesis focuses on the synthesis and characterization of biodegradable food packaging films based on the biomass of the cyanobacterium Spirulina platensis, serving as a sustainable alternative to petroleum-derived materials. Furthermore, as part of the tests for the preparation of a successful microalgae membrane with the desired properties, tests were carried out with the Nannochloropsis strain, as well as the effect of different plasticizers (glycerol, oleic acid) and emulsifiers/surfactants (xanthan gum, gum arabic, lecithin, Tween 20). The fabricated films were characterized in terms of thickness, barrier properties, moisture content, water solubility, water absorption, surface hydrophilicity via water contact angle measurements and color. During the contact angle analysis, morphological inhomogeneity was observed between the two sides of the films, directing the focus of the study toward the utilization of the emulsifiers. The results demonstrated an increase in the water vapor transmission rate (26.41±1.52 g/h×m²) with the addition of Tween 20 (52.38±1.12 g/h×m²) and lecithin (38.97±1.56 g/h×m²), as well as the water vapor permeability (4.39±0.34 g×m/kPa×h×m²), with the addition of Tween 20 (10.05±0.34 g×m/kPa×h×m²) and with the addition of lecithin (6.24±0.46 g×m/kPa×h×m²). The addition of emulsifiers did not affect film thickness, moisture content, water solubility and water absorption capacity. Finally, the evaluation of optical properties highlighted the effect of film drying on the initial powder color, as the hue angle (h°) of the powder indicated a yellow hue (148.13±0.70°), whereas that of the film indicates a green hue (212.41±8.39°). In conclusion, Spirulina biomass represents a promising biopolymer for fabricating stable biodegradable films, paving the way for further optimization of their barrier properties for future food packaging applications.