Los investigadores desarrollan envases biodegradables a base de plantas a partir de fibras naturales Nueva investigación

(MENAFN- The Conversation) Jie Wu, estudiante de posgrado en ingeniería, estudiaba un tipo de escarabajo blanco llamativo que se encuentra en el sudeste asiático e intentaba descubrir cómo imitar su brillante color cuando un descubrimiento inesperado interrumpió el experimento.

Jie y yo esperábamos identificar pigmentos blanqueadores naturales que pudieran usarse en papel y pinturas. El exoesqueleto blanco del escarabajo está hecho de un compuesto llamado quitina, que es un tipo de carbohidrato — uno que también se encuentra comúnmente en caparazones de cangrejo y langosta.

Primero, Jie extrajo nanofibras de quitina de caparazones de cangrejo obtenidos de residuos alimentarios, que son químicamente iguales a las que se encuentran en los escarabajos blancos. Pero en lugar de crear un material blanco como se pretendía, Jie produjo películas densas y transparentes. Las nanofibras se ensamblaban con mayor facilidad en películas compactas que en las estructuras porosas que Jie deseaba.

Por capricho, Jie midió la tasa a la que el oxígeno pasaba a través de la película. El resultado fue sorprendente: la barrera permitía pasar menos oxígeno que muchos plásticos de embalaje existentes.

Ese hallazgo fortuito en 2014 cambió el enfoque de mi equipo de estudiantes de ingeniería, que pasó de centrarse en el color a la embalaje. Nos preguntamos si los materiales naturales podrían rivalizar en rendimiento con los plásticos comunes. Desde entonces, nuestro equipo ha utilizado este descubrimiento para crear películas biodegradables que ofrecen una alternativa más sostenible y efectiva al embalaje plástico.

Desafíos del embalaje plástico

El embalaje plástico se usa comúnmente para proteger alimentos, productos farmacéuticos y de cuidado personal. Estos plásticos mantienen fuera la humedad y el oxígeno del aire, para que los productos permanezcan frescos y seguros.

La mayoría de los embalajes tienen varias capas que trabajan juntas para mantener el aire fuera, pero estas capas dificultan la reutilización y el reciclaje. Como resultado, la mayor parte de este embalaje barrera de plástico se desecha en vertederos como materiales de un solo uso.

Muchos investigadores han buscado alternativas que sean renovables, biodegradables o reciclables, pero igual de efectivas. En Georgia Tech, mi equipo de estudiantes y postdoctorados ha dedicado más de una década a abordar este problema. Este camino comenzó con ese escarabajo.

Construyendo una mejor barrera

La quitina está ampliamente disponible en residuos alimentarios y en hongos, y se usa en productos como filtros de agua y apósitos para heridas. Sin embargo, nuestros primeros intentos de escalar la tecnología de películas basada en el experimento inspirado en el escarabajo fracasaron.

En 2018, el equipo dio un paso importante al usar rociado para crear capas de nanomateriales de quitina y celulosa. La celulosa, como la quitina, es un polímero de carbohidratos — una cadena de unidades de carbohidratos repetidas — y se obtiene de las plantas. Estos materiales naturales abundantes tienen cargas eléctricas opuestas, lo que llevó a un mejor rendimiento de barrera cuando los combinamos que cualquiera de los materiales por separado.

En este método, el equipo rociaba una capa de quitina, seguida de una capa de celulosa. Las cargas opuestas entre la quitina y la celulosa creaban una atracción a largo alcance que unía las capas formando una interfaz densa.

Luego, en colaboración con Meisha Shofner, científica de materiales, y Tequila Harris, ingeniera mecánica, otros estudiantes demostraron que estos recubrimientos podían aplicarse con técnicas escalables de rollo a rollo. Los métodos de recubrimiento rollo a rollo son preferidos en la industria porque las capas se aplican de forma continua a grandes bobinas de un material base, como papel u otros plásticos biodegradables.

Aún así, la humedad representaba un gran desafío, limitando las aplicaciones en el mundo real. La humedad hinchaba la película, permitiendo que más oxígeno se filtrara.

Luego vino otro avance. En 2024, otra colaboradora, Natalie Stingelin, y yo descubrimos que dos componentes alimentarios comunes resistían el vapor de agua cuando se combinaban: carboximetilcelulosa — que se encuentra en el helado, por ejemplo — y ácido cítrico.

El resultado fue una película que dificultaba la transmisión de humedad. El ácido cítrico reaccionaba con la celulosa formando enlaces cruzados, que son uniones químicas que unen las moléculas de celulosa. Una vez unidos, reducían la absorción de humedad de la película.

Integramos este nuevo descubrimiento con el trabajo previo combinando el ácido cítrico y la celulosa, y luego vertiendo esta mezcla como una película independiente sobre un sustrato, como la quitina.

Sin embargo, esa formulación no tenía fuertes propiedades de barrera al oxígeno porque no contenía los nanomateriales de celulosa altamente cristalinos de nuestra primera película. El logro más reciente de nuestro equipo, en octubre de 2025, combina las innovaciones anteriores. Como resultado, hemos creado una película de origen biológico que es una excelente barrera tanto para oxígeno como para humedad.

Escalando la producción

Cuando se funden en películas delgadas, estos componentes se autoorganizan en una estructura densa que resiste la hinchazón por vapor de agua. Las pruebas mostraron que incluso con un 80% de humedad, la película igualaba o superaba a los plásticos de embalaje comunes.

Los materiales son renovables, biodegradables y compostables. Nuestro equipo ha presentado varias solicitudes de patente y estamos trabajando con socios de la industria para desarrollar usos específicos en embalaje.

Un desafío que enfrentan las aplicaciones es la limitada oferta de los componentes de origen biológico en comparación con el alto volumen de plásticos convencionales. Como cualquier material nuevo, tomará tiempo a los fabricantes desarrollar cadenas de suministro a medida que las películas comiencen a usarse.

Por ejemplo, la demanda del mercado por quitina purificada es pequeña en este momento, ya que se usa en aplicaciones de nicho, como apósitos para heridas y filtración de agua. Debido a sus múltiples usos, el embalaje podría aumentar esa demanda del mercado.

El siguiente desafío es escalar desde las películas experimentales hasta la producción industrial, lo cual probablemente tomará varios años. El equipo está explorando técnicas de recubrimiento rollo a rollo y trabajando con socios industriales para integrar estos materiales en las líneas de embalaje existentes.

La política y la demanda de los consumidores también jugarán un papel. A medida que los gobiernos impulsen prohibiciones de plásticos de un solo uso y las empresas establezcan metas de sostenibilidad, las películas de origen biológico podrían convertirse en parte de la solución.

La historia de este avance me recuerda que la ciencia a menudo avanza a través de resultados inesperados. De un intento fallido de imitar el color de un escarabajo a una alternativa prometedora al plástico, esta investigación demuestra cómo la curiosidad puede conducir a soluciones para algunos de nuestros mayores desafíos.