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Publicação
Development of biopolymer films from Opuntia spp. Mucilage for food packaging application
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
This Ph.D thesis explores the valorization of Opuntia ficus-indica residues, cladodes and
fruit peels, as sustainable sources of polysaccharides and natural pigments for the development of bio-based intelligent food packaging. The work combined extraction, material characterization, and functional testing to demonstrate the feasibility of transforming these agro-industrial by-products into value-added biopolymer systems.
Initially, polysaccharide-based edible coatings were evaluated on prickly pear fruits. Coatings formulated from pectin, alginate, chitosan, and starch effectively delayed weight loss, maintained firmness and color, and reduced microbial growth during storage, confirming the potential of natural polymers in food preservation.
Subsequently, pectin was extracted from Opuntia cladodes using optimized conditions
established through response surface methodology. The extracted pectin exhibited a low degree of esterification and high galacturonic acid content. Betalain-rich extracts were obtained as natural colorants with high pH sensitivity.
Composite films were developed by blending pectin extracted from cladodes and com-
mercial pectin (OFIPC) incorporating montmorillonite (MMT), betalain-rich extracts with or
without calcium crosslinking. MMT addition improved mechanical resistance and barrier
properties, crosslinking modulates the microstructure and permeability, while betalains conferred colorimetric sensitivity to pH changes. The films demonstrated distinct color transitions in response to ammonia released during salmon spoilage, confirming their functionality as freshness indicators. The films combined strong mechanical performance with low water vapor permeability and rapid chromatic response. exhibited balanced barrier properties, and a color transition from pink to yellow in response to volatile amines generated during fish spoilage.
Overall, this work represents a step toward waste valorization and the circular use of
plant residues. The research demonstrated that Opuntia ficus-indica is a promising source of biopolymers and pigments for sustainable smart packaging. It highlights the potential of circular approaches that convert agricultural residues into intelligent materials, contributing to reduced plastic dependency and improved food quality monitoring.
Esta tese explora a valorização dos resíduos de Opuntia ficus-indica, nomeadamente cladódios e cascas dos frutos, como fontes sustentáveis de polissacáridos e pigmentos naturais para o desenvolvimento de embalagens alimentares inteligentes à base de biopolímeros. O trabalho combinou etapas de extração, caracterização de materiais e ensaios funcionais, demonstrando a viabilidade de transformar estes subprodutos agroindustriais em sistemas bio-poliméricos de valor acrescentado. Inicialmente, foram avaliados revestimentos edíveis à base de polissacáridos aplicados em figo-da-índia. As formulações de pectina, alginato, quitosano e amido mostraram-se eficazes na redução da perda de massa, na manutenção da firmeza e da cor, e na diminuição do crescimento microbiano durante o armazenamento, confirmando o potencial dos polímeros naturais na conservação de alimentos. Posteriormente, a pectina foi extraída dos cladódios sob condições otimizadas por metodologia de superfície de resposta. A pectina obtida apresentou baixo grau de esterificação e elevado teor de ácido galacturónico. Extratos ricos em betalaínas foram igualmente extraídos dos frutos demonstrando elevada sensibilidade ao pH. Foram então desenvolvidos filmes combinando pectina extraída dos cladódios com pectina comercial (OFIPC), montmorilonite (MMT), extratos ricos em betalaínas e, com reticulação com cálcio. A adição de MMT melhorou a resistência mecânica e as propriedades de barreira, a reticulação modulou a microestrutura e a permeabilidade e as betalaínas conferiram sensibilidade colorimétrica a variações de pH. Os filmes apresentaram mudanças visíveis de cor de rosa para amarelo em resposta à amónia libertada durante a deterioração de salmão, comprovando a sua funcionalidade como indicadores de frescura. De forma geral, este trabalho representa um avanço na valorização de resíduos vegetais e na aplicação dos princípios da economia circular. Demonstrou-se que Opuntia ficus-indica é uma fonte promissora de biopolímeros e pigmentos para o desenvolvimento de embalagens sustentáveis e inteligentes, capazes de reduzir a dependência de plásticos e melhorar a monitorização da qualidade dos alimentos.
Esta tese explora a valorização dos resíduos de Opuntia ficus-indica, nomeadamente cladódios e cascas dos frutos, como fontes sustentáveis de polissacáridos e pigmentos naturais para o desenvolvimento de embalagens alimentares inteligentes à base de biopolímeros. O trabalho combinou etapas de extração, caracterização de materiais e ensaios funcionais, demonstrando a viabilidade de transformar estes subprodutos agroindustriais em sistemas bio-poliméricos de valor acrescentado. Inicialmente, foram avaliados revestimentos edíveis à base de polissacáridos aplicados em figo-da-índia. As formulações de pectina, alginato, quitosano e amido mostraram-se eficazes na redução da perda de massa, na manutenção da firmeza e da cor, e na diminuição do crescimento microbiano durante o armazenamento, confirmando o potencial dos polímeros naturais na conservação de alimentos. Posteriormente, a pectina foi extraída dos cladódios sob condições otimizadas por metodologia de superfície de resposta. A pectina obtida apresentou baixo grau de esterificação e elevado teor de ácido galacturónico. Extratos ricos em betalaínas foram igualmente extraídos dos frutos demonstrando elevada sensibilidade ao pH. Foram então desenvolvidos filmes combinando pectina extraída dos cladódios com pectina comercial (OFIPC), montmorilonite (MMT), extratos ricos em betalaínas e, com reticulação com cálcio. A adição de MMT melhorou a resistência mecânica e as propriedades de barreira, a reticulação modulou a microestrutura e a permeabilidade e as betalaínas conferiram sensibilidade colorimétrica a variações de pH. Os filmes apresentaram mudanças visíveis de cor de rosa para amarelo em resposta à amónia libertada durante a deterioração de salmão, comprovando a sua funcionalidade como indicadores de frescura. De forma geral, este trabalho representa um avanço na valorização de resíduos vegetais e na aplicação dos princípios da economia circular. Demonstrou-se que Opuntia ficus-indica é uma fonte promissora de biopolímeros e pigmentos para o desenvolvimento de embalagens sustentáveis e inteligentes, capazes de reduzir a dependência de plásticos e melhorar a monitorização da qualidade dos alimentos.
Descrição
Palavras-chave
Opuntia ficus-indica pectin mucilage betalains biopolymer films intelligent food packaging