Investigadores desarrollan envases biodegradables de origen vegetal a partir de fibras naturales: nueva investigación

Jie Wu, un estudiante de posgrado en ingeniería, estaba estudiando una especie de llamativo escarabajo blanco que se encuentra en el sudeste asiático y tratando de descubrir cómo imitar su color brillante 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 que también se encuentra comúnmente en los caparazones de cangrejos y langostas.

Primero, Jie extrajo nanofibras de quitina de caparazones de cangrejo obtenidas de desechos de alimentos que son químicamente iguales a las que se encuentran en los insectos blancos. Pero en lugar de crear un material blanco como se predijo, Jie produjo películas densas y transparentes. Las nanofibras se ensamblan más fácilmente en películas apretadas que en las estructuras porosas que Jie quería.

Un intento de imitar el llamativo color blanco de los escarabajos Ciphochilus llevó a los investigadores a un descubrimiento único. Olimpia1lli/Wikimedia Commons, CC BI-NC-ND

Por capricho, Jie midió la velocidad a la que el oxígeno pasa a través de la película. El resultado fue sorprendente: la barrera dejó pasar menos oxígeno que muchos envases de plástico existentes.

Ese hallazgo fortuito en 2014 cambió el enfoque de mi equipo de estudiantes de ingeniería de la pintura al embalaje. Preguntamos si los materiales naturales pueden igualar el rendimiento de los plásticos comunes. Desde entonces, nuestro equipo ha utilizado este descubrimiento para crear películas biodegradables que ofrecen una alternativa más sostenible y eficiente a los envases de plástico.

Retos de los envases de plástico

Los envases de plástico se utilizan habitualmente para proteger alimentos, productos farmacéuticos y productos de cuidado personal. Este plástico evita la entrada de humedad y oxígeno del aire, por lo que los productos se mantienen frescos y seguros.

La mayoría de los envases tienen varias capas que trabajan juntas para evitar la penetración del aire, pero estas capas dificultan los esfuerzos de reutilización y reciclaje. Como resultado, la mayor parte de estos envases protectores de plástico terminan en vertederos como material 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 universitarios y postdoctorados pasó más de una década abordando este problema. Este viaje comenzó con ese error.

Construyendo una mejor barrera

La quitina está ampliamente disponible en los desechos de alimentos y en los hongos, y se utiliza en productos como filtros de agua y apósitos para heridas. Sin embargo, nuestros primeros intentos de ampliar la tecnología cinematográfica basada en el experimento inspirado en los insectos fracasaron.

En 2018, el equipo dio un importante paso adelante utilizando un recubrimiento por pulverización 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 abundantes materiales naturales tienen cargas eléctricas opuestas, lo que condujo a un mejor rendimiento de la barrera cuando los combinamos que cualquiera de los materiales por separado.

En este enfoque, el equipo dispersó una capa de quitina y luego una capa de celulosa. Las cargas opuestas entre la quitina y la celulosa crearon una atracción duradera entre ellas que une las capas para crear una interfaz densa.

Posteriormente, en colaboración con Meisha Shofner, científica de materiales, y Tequila Harris, ingeniera mecánica, otros estudiantes demostraron que estos recubrimientos podían aplicarse mediante técnicas escalables de rollo a rollo. En la industria se prefieren los métodos de recubrimiento rollo a rollo porque los recubrimientos se aplican continuamente a grandes rollos de material sustrato, como papel u otros plásticos biodegradables.

El recubrimiento rollo a rollo permite a los fabricantes aplicar fácilmente capas delgadas de recubrimiento a un material base, llamado sustrato.

Sin embargo, la humedad fue un desafío importante, lo que limitó cualquier aplicación en el mundo real. La humedad hinchó la película, permitiendo que se filtrara más oxígeno.

Luego vino otro gran avance. En 2024, otra colaboradora, Natalie Stingelin, y yo descubrimos que dos componentes alimentarios comunes son resistentes al vapor de agua cuando se combinan: la carboximetilcelulosa (que se encuentra en el helado, por ejemplo) y el ácido cítrico.

El resultado fue una película que dificultaba la transferencia de humedad. El ácido cítrico reaccionó con la celulosa para formar enlaces cruzados, que son compuestos químicos que unen las moléculas de celulosa. Una vez unidos, redujeron la absorción de humedad de la película.

Integramos este nuevo descubrimiento con trabajos anteriores combinando ácido cítrico y celulosa, y luego moldeamos esta mezcla como una película independiente cubriéndola 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 último logro de nuestro equipo, de octubre de 2025, combina las innovaciones anteriores. Como resultado, hemos creado una película de base biológica que es una excelente barrera tanto para el oxígeno como para la humedad.

Película de protección contra el oxígeno y el vapor de agua compuesta por una mezcla de celulosa y quitina. J. Carson Meredith Aumento de la producción

Cuando se moldean en películas delgadas, estos componentes se autoorganizan en una estructura densa que resiste la hinchazón por el vapor de agua. Las pruebas han demostrado que incluso con un 80 % de humedad, la película iguala o supera a los envases de plástico convencionales.

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

Un desafío al que se enfrentan las aplicaciones es el suministro limitado de componentes de origen biológico en comparación con la gran cantidad de plásticos convencionales. Como ocurre con cualquier material nuevo, a los fabricantes les llevaría tiempo desarrollar cadenas de suministro a medida que las películas comiencen a utilizarse.

Por ejemplo, la demanda del mercado de quitina purificada es actualmente baja, ya que se utiliza en aplicaciones específicas como apósitos para heridas y filtración de agua. Por su variedad de usos, los envases podrían aumentar esa demanda del mercado.

El próximo desafío es la transición del cine experimental a la producción industrial, lo que probablemente llevará varios años. El equipo está investigando técnicas de recubrimiento rollo a rollo y trabajando con socios de la industria para integrar estos materiales en las líneas de embalaje existentes.

La política y la demanda de los consumidores también influirán. A medida que los gobiernos presionan para prohibir los plásticos de un solo uso y las empresas establecen objetivos de sostenibilidad, las películas de origen biológico podrían convertirse en parte de la solución.

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