Characterization of the micro and nanostructure of biocide nanocomposites based in transparent titanium dioxide nanocoatings deposited on polymeric foils for food packaging applications

Abstract

Packaging provides containment and protects food products during distribution and storage from external and internal unfavorable conditions, such as water vapor, microorganisms, gases and odors. Nowadays consumers’ demands require the development functional packaging systems with enhanced quality and self-life such as active food packaging which directly interacts with the food product through a mechanism triggered by intrinsic and/or extrinsic factors. Due to the rise in deaths and hospitalizations related with food poisoning and foodborne diseases, much effort has been made to design efficient antimicrobial active packaging systems. Many antimicrobial agents are available, including both organic and inorganic. One of these potential agents is titanium dioxide (TiO2). Since the discovery of the photocatalytic potential of TiO2, there has been an increase in research and products that take advantage of this process for depollution and disinfection applications and, more recently, antimicrobial food packaging. Its strong photocatalytic yield is the result of the high oxidizing power under UV-light. Other attractive properties include high chemical stability, non-toxic to both human and the environment, and high availability and low cost. Despite its limitations, such charge recombination rate and need of an UV-light source, which decrease the overall effectiveness of photocatalytic, intensive research is turning TiO2 into one of the most effective antimicrobial agents in food packaging applications. With this in mind, TiO2 thin films were deposited on PET/PLA using pulsed DC magnetron sputtering technique, at room temperature. The films were characterized for their morphology (SEM), crystalline structure (XRD), optical properties and thickness (UV-vis-NIR spectrophotometry and FTIR), and wettability (dynamic contact angle). The photocatalytic activity was evaluated by photodegradation of rhodamine B under UV irradiation. The films produced were predominantly amorphous and showed no sign of photocatalytic activity due the lack of crystallinity structure thus being incapable of producing an antimicrobial response. However, some samples showed potential for crystalline growth, evidenced by broad protuberances in 2θ regions associated with anatase and rutile phases. All depositions in PLA exceeded the Tg, which lead to a complete dismissal of this polymer, while a few depositions in PET managed to keep the temperature below the polymer’s Tg, avoiding deformation and loss of mechanical viability of the polymer.

As embalagens providenciam contenção e protegem os alimentos durante a sua distribuição e armazenamento de condições externas e internas desfavoráveis como o vapor de água, microorganismos, gases e odores. Hoje em dia, as exigências dos consumidores requerem o desenvolvimento de sistemas funcionais para embalagens com qualidade e “tempo de prateleira” melhorados como, por exemplo, as embalagens activas que interagem directamente com o produto alimentar através de mecanismos activados por fatores intrínsecos e/ou extrínsecos. Devido ao crescente aumento de mortes e hospitalizações relacionadas com intoxicação alimentares e doenças transmitidas por alimentos, muito esforço tem sido dado ao design de embalagens alimentares com sistemas antimicrobianos eficientes. Muitos agentes antimicrobianos estão disponíveis, tanto orgânicos como inorgânicos. Um destes é o dióxido de titânio (TiO2). Desde a descoberta do seu potencial fotocatalítico, tem havido um aumento na investigação e produtos que se aproveitam desta característica, incluíndo aplicações na descontaminação e desinfecção e, mais recentemente, aplicações antimicrobianas nos alimentos. O seu forte potencial fotocatalítico é derivado de um elevado poder oxidativo, quando exposto a luz UV. Outras características incluem estabilidade química, não toxicidade para os humanos e o ambiente, disponibilidade e baixo custo. Apesar das suas limitações, como a taxa de recombinação de cargas e necessidade de um fon te e luz UV, que diminuí a eficiência do processo fotocatalítico, investigação está a tornar o TiO2 num dos principais agentes antimicrobianos de embalagens alimentares. Com isto em mente, filmes de TiO2 foram depositados em PET/PLA utilizando pulverização catódica por magnetrão pulsado. Os nanocompósitos produzidos foram caracterizados quanto à sua morfologia (SEM), estrutura cristalina (XRD), propriedades ópticas e espessura (espectrofotometria UV-vis-NIR e FTIR) e molhabilidade (ângulo de Contacto). A actividade fotocatalítica foi avalição por fotodegradação do corante rodamina B sob luz UV. Os filmes produzidos são predominantemente amorfos e não apresentam actividade fotocatalítica devido à ausência de uma estrutura cristalina, portanto são incapazes de produzir uma resposta antimicrobiana. Alguuns filmes apresentam potencial para crescimento cristalino devido à presença de proturberâncias em regiões associadas à fase anatase e rutile do TiO2 As temperaturas atingidas nas deposições ultrapassam a Tg do PLA mas no caso das deposições em PET, algumas deposições conseguem manter-se abaixo do mesmo.