Un recubrimiento biodegradable se puede definir como una matriz transparente, continua y delgada, que se crea alrededor de un alimento, generalmente mediante la inmersión del mismo en una disolución formadora del recubrimiento, con el fin de preservar su calidad y además servir de empaque ⁸. Una película biodegradable tiene forma de lámina sólida y se aplica envolviendo el producto en la misma ²³.

Los recubrimientos biodegradables activos mantienen la calidad y prolongan la vida útil de los frutos frescos y los vegetales, así como previenen el deterioro microbiano ¹⁰. El deterioro en los frutos es mayormente causado porque son biológicamente activos y en ellos ocurren procesos de transpiración (pérdida de humedad), respiración (intercambio de gases), maduración y otros procesos bioquímicos ²⁴.

Los recubrimientos biodegradables reducen la humedad y la migración de solutos. Su aplicación ofrece una solución plausible para obtener productos frescos, nutritivos y comestibles. Ellos sirven como barreras semipermeables a los gases y al vapor de agua, reduciendo la respiración y la pérdida de agua. Además, retrasan el deterioro y la senescencia de forma similar a las atmósferas modificadas ²⁵.

Los recubrimientos biodegradables deben cumplir con ciertas exigencias funcionales que les permiten controlar o aminorar las causas de la alteración en los alimentos a recubrir (Figura 1) ^26-31. Sin embargo, al recubrir un fruto u hortaliza para retardar la pérdida de humedad, es necesario que exista una cierta permeabilidad al O₂ y CO₂ para evitar una respiración anaeróbica que podría inducir desórdenes fisiológicos y una pérdida rápida de la calidad y vida en anaquel de los mismos ²³.

Los principales componentes de los recubrimientos y películas biodegradables son los carbohidratos (azúcares y polisacáridos), las proteínas y los lípidos. Los polisacáridos son macromoléculas conformadas por monosacáridos unidas por enlaces glicosídicos y su hidrólisis produce un gran número de moléculas de uno o más azúcares simples (monosacáridos) o sus derivados ³².

Los polisacáridos y las proteínas son polímeros que forman redes moleculares cohesionadas debido a una elevada interacción entre sus moléculas, lo que les confiere buenas propiedades mecánicas y de barrera a los gases O₂ y CO₂, por lo cual retardan la respiración y el envejecimiento de muchas frutas y hortalizas ⁷. Estos compuestos han sido ampliamente utilizados en el procesamiento de alimentos, en nanotecnología, medicina, biotecnología y en la agricultura ³³. Su empleo en los recubrimientos biodegradables ha sido ampliamente documentado como se muestra en la Tabla 1. Estos compuestos le aportan a las películas y recubrimientos dureza, nitidez, compacidad, viscosidad y adhesividad ¹³. Las fuentes de obtención de los polisacáridos es muy variada, pueden ser de origen vegetal (pectinas, celulosas, almidón, alginato, carragenina, entre otros) y animal (quitina) ¹².

La quitosana es uno de los polisacáridos más utilizados en la obtención de recubrimientos biodegradables. Su origen es a partir de la quitina, el segundo polisacárido más abundante en la naturaleza después de la celulosa. Es un polímero semisintético que se obtiene por desacetilación de la quitina, la cual se encuentra fundamentalmente en el exoesqueleto de crustáceos, aunque también se encuentra en menor proporción en las alas de algunos insectos, y en la pared celular de hongos, algas y otros ¹⁰. Desde el punto de vista químico, es un copolímero compuesto por unidades de N-glucosamina (D-GlcN) y N-Acetil glucosamina (D-GlcNAc) distribuidas al azar y unidas por enlaces glicosídicos β- (1-4) en una estructura rígida no ramificada. La quitosana se presenta como un material potencial para obtener recubrimientos biodegradables, mayormente por su capacidad para formar películas, su naturaleza no tóxica, suactividad antimicrobiana ⁴⁰, así como su biodegrababilidad y biocompatibilidad. Se reconoce que este polímero tiene propiedad desde barrera a los gases, por lo que asegura la disminución de la senescencia al evitar la respiración y la transpiración ¹⁰. Generalmente, la quitosana se disuelve en ácido acético, aunque también se ha utilizado el ácido láctico para estos fines ⁴¹.

La incorporación de un aditivo como el gluconato de calcio al recubrimiento a base de quitosana, incrementa el valor nutricional del fruto, debido a un aumento del contenido de calcio en este ³⁸. El calcio cumple un papel esencial en el mantenimiento estructural de las membranas y la pared celular. El entrecruzamiento del calcio con los grupos carboxilo libres en las cadenas de poligalacturonatos adyacentes presentes en la lameda media de la pared celular de las plantas, contribuye a la adhesión y cohesión entre las células ⁴².

Es por ello que un tratamiento con calcio puede incrementar la estabilidad de la pared celular y mejorar la resistencia a las enzimas secretadas por hongos fitopatógenos, mientras que el recubrimiento con quitosana reduce la respiración retrasando el proceso de maduración y el deterioro progresivo de los frutos producto de la senescencia.

Otro de los polisacáridos utilizados en los recubrimientos comestibles es la pectina. Las pectinas se localizan mayoritariamente en la lameda media de la pared celular primaria de las plantas, donde contribuyen a la adhesión entre las células del parénquima de los vegetales y a la fortaleza de sus tejidos ⁴³. Está compuesta fundamentalmente por dos regiones, una región urónica; extensa y regular, formada por unidades de ácido galacturónico unidos por enlaces del tipo α-(1,4), los que pueden estar parcialmente metilados, y la segunda compuesta mayoritariamente por ramnosas que portan cadenas laterales de azúcares neutros ⁴⁴.

Las pectinas se utilizan extensivamente en los alimentos procesados como resultado de sus propiedades gelificantes ⁴⁵. En determinadas condiciones son capaces de formar geles, característica por la cual se consideran un importante aditivo en los jamones, las jaleas, las mermeladas, así como en la industria de confección. Actualmente, las fuentes agrícolas de pectina están subutilizadas, aun cuando la pectina es un ingrediente alimenticio potencialmente importante, disponible y abundante en los desechos agrícolas. Precisamente, su aplicación farmacéutica y el beneficio nutricional adicional en una gran variedad de productos alimenticios incrementan el interés por este polisacárido ³⁹.

Los estudios sobre películas de pectinada tan mayormente de los años 1930 hasta 1950 ⁴⁶. Estos estudios se enfocaron en pectinas derivatizadas y en el uso de cationes polivalentes como el calcio. El estudio de películas a partir de pectinas de bajos metoxilos (<11 %) muestra que la resistencia a la tensión decrece con el incremento de los grupos metoxilo ⁴⁶. Las características físicas del gel son consecuencia de la formación de una red tridimensional o del entrecruzamiento entre las moléculas del polímero ⁴⁷. Las pectinas de bajos metoxilo, derivadas por una desesterificación controlada, forman geles en presencia de iones calcio y pueden ser utilizadas para desarrollar películas biodegradables. La pectina es altamente hidrofílica, puesto que se compone de al menos 17 tipos de monosacáridos, entre los cuales el ácido D-galacturónico es el más abundante, seguido por la D-galactosa o la L-arabinosa, unidos entre sí deforma covalente ⁴⁸. Por lo que la permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas de pectina sea bastante alta, en el mismo orden de magnitud que la del celofán y otras películas a base de carbohidratos ⁵¹.

En las últimas décadas se han estudiado las propiedades termomecánicas, microestructurales y viscoelásticas de películas a base de pectina, como la mezcla de pectina y almidón, llegando a la conclusión de que son altamente resistentes ⁴⁹.

El almidón es otro de los carbohidratos empleados en el desarrollo de recubrimientos biodegradables de forma individual o combinado, es muy utilizado debido a su abundancia y bajo costo. El almidón es un polisacárido de reserva constituido a partir de amilosa y amilopectina. Los recubrimientos a base de almidón son transparentes, incoloros, inodoros y tienen baja permeabilidad al oxígeno ⁵⁰. El almidón también se ha combinado con la carragenina para la formación de películas biodegradables altamente resistentes ⁵¹.

El carácter antimicrobiano en los recubrimientos biodegradables es un atributo muy deseado. En el caso de la quitosana, la actividad antimicrobiana se ha relacionado con la habilidad de este polímero para causar severos daños a nivel celular al micelio de los hongos tratados con este polímero ⁵². Sin embargo, se ha visto reforzada al combinarse con el sistema enzimático lactoperoxidasa en la conservación del mango ⁴¹.

La lactoperoxidasa es un sistema excelente para combatir los microorganismos patogénicos y tiene un amplio espectro antimicrobiano. La combinación de quitosana al 1 % con el sistema enzimático lactoperoxidasa es eficaz contra la contaminación microbiana y permite retrasar la maduración de la fruta sin alterar su calidad ⁴¹.También se ha empleado el complejo de Zinc II y Cerio IV con quitosana para preservar la fruta de azufaifa china, expandir la vida útil del fruto y reducir los residuos de pesticidas organofosforados.

El zinc es uno de los elementos micrometálicos esenciales más importantes en el cuerpo humano. Es un componente esencial en un número importante de proteínas y es indispensable para la estabilidad de las funciones catalíticas. Los iones cerio tienen una buena capacidad antibiótica ⁵³. A su vez, la quitosana se ha combinado con aceites esenciales de hierba de limón en la conservación del pimiento contra la antracnosis ⁵⁴, y de tomillo, canela y clavo en la conservación de la papaya frente a los hongos P. digitatumy C. Gloesosporioides donde propicia una mayor inhibición micelial en los estudios in vitro a una concentración de quitosana de 0,5 y 1 % ³⁸.

En el caso de los recubrimientos a base de pectina se han incorporado aceites esenciales de canela ¹⁵, limón, naranja ⁹ y nanoemulsiones de cinnamaldeido ⁵⁵, entre otros. Otro ejemplo es la modificación de la superficie de películas de polipropileno (PP) por multicapas de quitosano/pectina. En estas películas, la quitosana forma un complejo polielectrolito con la pectina, lo que posibilita la formación de una estructura estable de capas múltiples en la superficie de la película de PP, con la consiguiente formación de películas antimicrobianas mucho mejores que pueden ser utilizadas para fabricar excelentes materiales de embalaje para la protección de cultivos postcosecha ⁵⁶.

En general, los recubrimientos a base de polisacáridos como la quitosana y la pectina constituyen una pobre barrera a la humedad por el carácter hidrofílico que presentan. Es por ello que muchos trabajos se han encaminado a la combinación de estos polímeros con lípidos, resinas y ácidos grasos (Tabla 1), con el objetivo de regular el balance hidrofílico - lipofílico ³⁹.

Los lípidos se caracterizan por ser hidrofóbicos, presentan excelentes propiedades de barrera frente a la humedad, aunque su falta de cohesividad e integridad estructural resultan en malas propiedades mecánicas, lo que conduce a la formación de recubrimientos quebradizos. Los lípidos reducen la transpiración, la deshidratación, la abrasión en la manipulación posterior y pueden mejorar el brillo y la apariencia de muchos alimentos ⁸.

Las proteínas constituyen otro de los componentes empleados en los recubrimientos biodegradables. Entre las proteínas utilizadas para la producción de estos se destacan la caseína, la zeína y la gelatina entre otros. La caseína ha ganado protagonismo en el desarrollo de los recubrimientos por estar disponible comercialmente, tener la capacidad para actuar como un emulsificante, ser soluble en agua ⁵⁷ y producir recubrimientos transparentes y térmicamente estables ¹⁸. La combinación de la caseína y el almidón junto al glicerol y el extracto de barbatimón se han empleado en la conservación de la guayaba. Este recubrimiento alarga la vida útil de las guayabas, reduce la pérdida de peso y firmeza ¹⁸.

Otro de los ejemplos es la formación de películas biodegradables a partir de proteína de la quínoa enlazada con quitosana, formando películas resistentes sin el empleo de plastificantes, la adición de aceite esencial de girasol, mejora la permeabilidad al vapor de agua como resultado de las interacciones hidrofóbicas ⁵⁸. La zeína es una proteína de almacenamiento que se encuentra en los granos de maíz. Esta proteína tiene la característica de prevenir la oxidación y el desarrollo de los malos olores por sus excelentes propiedades de barrera de gases frente al oxígeno y el dióxido de carbono ⁵⁹.

Las películas de gelatina tienen propiedades efectivas como barrera de gases frente al oxígeno y el dióxido de carbono ⁶⁰.

Los plastificantes son sustancias no volátiles, de alto punto de ebullición, que cuando se añaden a otro material cambian las propiedades físicas o mecánicas de este ³⁹. Los polioles como el sorbitol y el glicerol plastifican efectivamente por su habilidad de reducir el enlace interno de hidrógeno mientras incrementan el espaciado intermolecular. Estos plastificantes disminuyen las fuerzas intermoleculares a lo largo de la cadena del polímero, incrementando la flexibilidad de la película mientras decrecen sus propiedades de barrera ⁶¹.También se han utilizado plastificantes en la obtención de recubrimientos biodegradables, tales como el sorbitol ⁶¹, glicerol ⁶², polietilenglicol ³⁷ y el puré de fruta bomba ⁵⁵.

La proporción en la que se encuentran los componentes en los recubrimientos es importante. Un estudio sobre la influencia de la cantidad de pectina y plastificante en las propiedades mecánicas del fruto reveló que un incremento de la cantidad de pectina y una disminución de la cantidad de plastificante incrementa la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad, mientras que el alargamiento a la ruptura se incrementa con el incremento de la concentración de ambos ⁶¹. De igual forma, un incremento de la concentración de pectina y plastificante afecta la PVA, debido al carácter hidrofílico de ambos compuestos. Sin embargo, la combinación con un lípido como la cera de abeja disminuye la PVA. A bajas concentraciones el lípido añadido incrementa la hidrofobicidad por lo que decrece la permeabilidad de la película. En concentraciones más altas, los lípidos podrían dar como resultado glóbulos más grandes durante la etapa de secado en la obtención de la película, contribuir a la interrupción de la estructura continua de las películas, y consecuentemente a una mayor PVA ⁶³.

Los estudios de recubrimientos formados a partir de metilcelulosa, ácido esteárico y polietilenglicol realizados por un método de emulsión, revelan que el incremento del volumen de ácido esteárico hasta un 22 % provoca una disminución de la PVA ³⁷. Sin embargo, el incremento del volumen de ácido esteárico por encima del 22 % con lleva a un aumento de la PVA, atribuido a un llenado inadecuado del volumen vacío al interior de los cristales de ácido esteárico por la matriz de metilcelulosa, lo que favorece la migración de la humedad. Por otro lado, el incremento de la PVA en películas de pectina y sorbitol a altas concentraciones de ambos, tal vez puede deberse a una mayor heterogeneidad producto de la distribución de glóbulos lipídicos (número de poblaciones) dentro de la matriz de pectina ⁶¹.

Los frutos y las verduras son una fuente invaluable de vitaminas y minerales en la dieta diaria de los humanos. Una adecuada conservación de estos, permite alargar la vida útil en la postcosecha. Los recubrimientos y las películas biodegradables han sido empleados con gran éxito en la conservación de la guayaba (Psidium guajava L.) ⁶⁴, la fruta bomba (Carica papaya L.) ⁶⁵, el mango (Mangifera indica L.) ⁶⁶, la naranja mandarina (Citrusreticula L.) ⁶⁷, la fresa (Fragaria ananassa Duch) ⁵⁸, el tomate (Lycopersicon esculentum Mill.) ⁶⁸, el pimiento (Capsicum annuum L.) ⁵⁴ y el pepino (Cucumis sativus L.) ²⁷ entre otros.

La aplicación práctica de los recubrimientos en la mayoría de los casos reduce la pérdida del peso y la tasa de maduración, e incrementa la vida útil de los frutos (Tabla 2). En el proceso de maduración durante el almacenamiento ocurren una serie de cambios físicos y bioquímicos que varían en función del tipo de fruto ⁹. Entre los cambios podemos encontrar la modificación del color a través de la alteración en el contenido de clorofilas, carotenoides y la acumulación de los flavonoides. A su vez, la modificación de la textura producto a la alteración del turgor celular y de la estructura de la pared celular por el metabolismo. Así como, la modificación de carbohidratos, ácidos orgánicos y compuestos volátiles, que afectan la calidad nutricional, el sabor y el aroma del fruto. Por último y no menos importante el aumento en la susceptibilidad al ataque de patógenos oportunistas que están asociados a la pérdida de integridad de la pared celular ²⁴.

Se reconoce que durante el proceso de maduración se incrementan los sólidos solubles totales (SST) debido al proceso de respiración ⁹, durante el cual ocurre la degradación de los carbohidratos y los ácidos orgánicos (ascórbico, cítrico y málico) producto a la utilización de estos como sustrato en el proceso de respiración ⁵⁴. El incremento del contenido de SST y la reducción de la acidez valorable constituyen indicadores del proceso de maduración ⁶⁹.

En el caso del tomate los recubrimientos a base de pectina incrementan la retención de ácido ascórbico, acidez valorable y azúcares totales durante el almacenamiento respecto al control ⁶⁵. Estos resultados son positivos pues indican un retraso en la maduración producto a la acción del recubrimiento, ya que limitan la permeabilidad al oxígeno, reduciendo la oxidación del ácido ascórbico, y limitando el empleo del ácido cítrico como sustrato en el proceso de respiración.

La combinación quitosana-ácido salicílico ha sido estudiada en la conservación de pepino a bajas temperaturas 2 °C ²⁷. Este estudio muestra que la combinación disminuye el daño que las bajas temperaturas causan en la superficie del pepino y que la acción combinada súpera a la de los componentes de forma individual. La quitosana-ácido salicílico también reduce la pérdida de peso y la tasa de respiración, provoca incrementos en el contenido de malondialdehído y la fuga de electrolitos, y mantiene un mayor contenido de SST, clorofila y ácido ascórbico.

Tanto la zeína como la gelatina han sido probadas exitosamente en la conservación postcosecha del mango ⁵⁹. Ambas proteínas combinadas con glicerol afectan positivamente la pérdida de peso, los SST, la acidez valorable, el pH, el contenido de azúcares totales y el contenido de carotenoides. Adicionalmente mantienen el contenido de fenoles totales y el ácido ascórbico en niveles altos comparados con el control ⁵⁹.

Al realizar aplicaciones prácticas de los recubrimientos es necesario tener en cuenta la concentración del carbohidrato o el componente en cuestión. Una concentración de quitosana al 1,5 % inhibe el crecimiento de los hongos durante el periodo de almacenamiento en la conservación de la fruta bomba, mientras que el incremento por encima del 2 % conlleva a una maduración inadecuada ⁷⁰.

En resumen, la aplicación de los recubrimientos biodegradables a los frutos y productos hortofrutícolas es sumamente importante porque alargan la vida de anaquel, permitiendo una mejora en la transportación y comercialización de estos. Este tipo de tecnología en nuestro país es sumamente atractiva para la conservación de los frutos exportables como la piña, el mango y el aguacate, así como, para la comercialización interna de la gran variedad de frutas y vegetales que se producen en nuestro mercado interno y para el abastecimiento de nuestras instalaciones turísticas.

Dentro de las características físicas a evaluar en los recubrimientos se encuentran el espesor de las películas a partir de la medida con un micrómetro ¹⁶. La determinación de la viscosidad permite estudiar las propiedades de flujo a distintas concentraciones de los polímeros. Generalmente para este análisis se emplea un reómetro para medir la viscosidad y las propiedades viscoelásticas de disoluciones a diferentes concentraciones de los polímeros ⁶¹. Los estudios de la superficie de las películas se realizan por microscopía electrónica de barrido ⁷³ o de fuerza atómica ⁷⁴, y la espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) permite identificar cambios estructurales realizados en los polímeros a partir de los cambios en las bandas de absorción características de los mismos ¹⁰. Estas técnicas permiten realizar un análisis estructural de la superficie de la película que brinda información sobre la composición de la misma.

Otro de los análisis a realizar es la permeabilidad al vapor de agua.

Este análisis es sumamente importante en los recubrimientos comestibles porque una baja permeabilidad retarda la pérdida de peso en el fruto, para ello se han desarrollado métodos gravimétricos entre los que se encuentra la norma ASTM E96-93 ⁷⁵. Este procedimiento se basa en la desecación previa de la membrana o película en un contenedor impermeable y la posterior puesta en contacto de este contenedor con nitrato de magnesio para mantener la humedad relativa de las películas al 53 %, posteriormente se guardan en desecadoras manteniendo la humedad relativa (HR) en 0 % con ayuda de una agente desecante como el cloruro de calcio a 25 °C. La tasa de transmisión al vapor de agua dividida entre la diferencia de presión de vapor a través de la película constituye la permeabilidad de la película ⁶¹. La permeabilidad multiplicada por el espesor de la película es la trasmisión al vapor de agua ⁷⁵.

Otro de los procedimientos es la norma ASTM E96/E96M-10 ⁷⁶ con algunas modificaciones, donde las membranas de 3 cm de diámetro, previamente almacenadas al menos durante 72 horas en una desecadora, se colocan en recipientes que contienen silicagel en su interior y se sellan herméticamente, cuidando que solo la membrana quede expuesta al vapor de agua. Los recipientes se pesan y se introducen en una desecadora que contiene una disolución saturada de KCl, que proporciona una actividad de agua constante e igual a 0,8434 a 25 ^oC. Posteriormente se coloca la desecadora en una cámara a temperatura constante. Los recipientes se extraen y se pesan en balanza analítica cada 24 horas. El cálculo de PVA se realiza a partir de la pendiente de la gráfica de la variación de la masa en el tiempo con el empleo de la (Ecuación 1). Se considera que el experimento concluye cuando no se observan incrementos en el peso de los recipientes.

Donde $\frac{∆m}{∆t}$ es la pendiente de la gráfica de peso en el tiempo y A es el área efectiva de la membrana en contacto con los vapores de agua ⁷⁷. La resistencia a la tensión (𝜏) es una de las propiedades mecánicas que se realizan para verificar la resistencia de las películas. Se lleva a cabo en un analizador de textura ¹⁶. En este análisis las muestras se estiran hasta la ruptura y la fuerza resultante se divide por la sección transversal de la película y 𝜏 se expresa en MPa. Además, la capacidad de estiramiento hasta la ruptura (CE) se calcula en porcentaje, con la (Ecuación 2), donde L_i y L_f son las longitudes inicial y final de las películas, expresadas en milímetros (mm) ¹⁶.

A biodegradable coating can be defined as a continuous, thin, transparent matrix that is created around a food, generally by immersing it in a coating-forming solution, in order to preserve its quality and also serve as a packaging ⁸. A biodegradable film is in the form of a solid sheet and is applied by wrapping the product in it ²³. Active biodegradable coatings maintain quality and extend the shelf life of fresh fruits and vegetables, as well as prevent microbial spoilage ¹⁰. The deterioration in the fruits is mainly caused because they are biologically active and transpiration (loss of humidity), respiration (gas exchange), maturation and other biochemical processes occur in them ²⁴. Biodegradable coatings reduce moisture and solute migration. Its application offers a plausible solution to obtain fresh, nutritious and edible products. They serve as semi-permeable barriers to gases and water vapor, reducing respiration and water loss. Furthermore, they delay deterioration and senescence in a similar way to modified atmospheres ²⁵.

Biodegradable coatings must meet certain functional requirements that allow them to control or lessen the causes of alteration in the foods to be coated (Figure 1) ^26-31. However, when coating a fruit or vegetable to delay moisture loss, it is necessary there be a certain permeability to O₂ and CO₂ to avoid anaerobic respiration that could induce physiological disorders and a rapid loss of quality and shelf life of themselves ^23).

The main components of biodegradable films and coatings are carbohydrates (sugars and polysaccharides), proteins and lipids. Polysaccharides are macromolecules made up of monosaccharides linked by glycosidic bonds and their hydrolysis produces a large number of molecules of one or more simple sugars (monosaccharides) or their derivatives ³².

Polysaccharides and proteins are polymers that form cohesive molecular networks due to a high interaction between their molecules, which gives them good mechanical properties and a barrier to O₂ and CO₂ gases, thus slowing down the respiration and aging of many fruits and vegetables ⁷. These compounds have been widely used in food processing, nanotechnology, medicine, biotechnology, and agriculture ³³. Its use in biodegradable coatings has been extensively documented as shown in Table 1. These compounds give the films and coatings hardness, sharpness, compactness, viscosity and adhesiveness ¹³. The sources of obtaining the polysaccharides are very varied; they can be of plant origin (pectins, cellulose, starch, alginate, carrageenan, among others) and animal (chitin) ¹².

Chitosan is one of the most widely used polysaccharides in obtaining biodegradable coatings. Its origin is from chitin, the second most abundant polysaccharide in nature after cellulose. It is a semi-synthetic polymer that is obtained by deacetylation of chitin, which is mainly found in the exoskeleton of crustaceans, although it is also found in a smaller proportion in the wings of some insects, and in the cell wall of fungi, algae and others ¹⁰. From a chemical point of view, it is a copolymer composed of units of N-glucosamine (D-GlcN), N-Acetyl glucosamine (D-GlcNAc) randomly distributed, and linked by β-(1-4) glycosidic bonds in a structure rigid unbranched. Chitosan is presented as a potential material to obtain biodegradable coatings, mainly due to its capacity to form films, its non-toxic nature, its antimicrobial activity ⁴⁰, as well as its biodegrabability and biocompatibility. This polymer is recognized to have gas barrier properties, thus ensuring decreased senescence by preventing respiration and perspiration ¹⁰. Chitosan is generally dissolved in acetic acid, although lactic acid has also been used for these purposes ⁴¹.

The incorporation of an additive such as calcium gluconate to the chitosan-based coating increases the nutritional value of the fruit, due to an increase in its calcium content ³⁸. Calcium plays an essential role in the structural maintenance of the membranes and the cell wall. The crosslinking of calcium with free carboxyl groups in adjacent polygalacturonate chains present in the mid lamella of the plant cell wall contributes to adhesion and cohesion between cells ⁴². That is why a treatment with calcium can increase the stability of the cell wall and improve resistance to the enzymes secreted by phytopathogenic fungi, while the coating with chitosan reduces respiration, delaying the maturation process and the progressive deterioration of the product fruits of senescence.

Another polysaccharide used in edible coatings is pectin. Pectins are located mainly in the middle lamella of the primary cell wall of plants, where they contribute to the adhesion between the cells of the plant parenchyma and the strength of their tissues ⁴³. It is mainly made up of two regions, a uronic region; Extensive and regular, made up of galacturonic acid units linked by α-(1,4)-type bonds, which may be partially methylated, and the second composed mainly of rhamnose that carry neutral sugar side chains ⁴⁴.

Pectins are used extensively in processed foods because of their gelling properties ⁴⁵. Under certain conditions, they are capable of forming gels, a characteristic for which they are considered an important additive in hams, jellies, jams, as well as in the clothing industry. Agricultural sources of pectin are currently underutilized, even though pectin is a potentially important food ingredient available and abundant in agricultural waste. Precisely, its pharmaceutical application and the additional nutritional benefit in a wide variety of food products increase the interest in this polysaccharide ³⁹.

Studies on pectin films date mostly from the 1930 to 1950 ⁴⁶. These studies focused on derivatized pectins and the use of polyvalent cations such as calcium. The study of films from low methoxyl pectins (<11 %) shows that the tensile strength decreases with the increase of the methoxyl groups ⁴⁶. The physical characteristics of the gel are the consequence of the formation of a three-dimensional network or of the cross-linking between the polymer molecules ⁴⁷. Low methoxyl pectins, derived by controlled deesterification, form gels in the presence of calcium ions and can be used to develop biodegradable films. Pectin is highly hydrophilic, since it is composed of at least 17 types of monosaccharides, among which D-galacturonic acid is the most abundant, followed by D-galactose or L-arabinose, and covalently linked to each other ⁴⁸. Hence, the water vapor permeability (PVA) of pectin films is quite high, in the same order of magnitude as that of cellophane and other carbohydrate-based films ⁵¹. Thermomechanical, microstructural and viscoelastic properties of pectin-based films, such as the mixture of pectin and starch, concluding that they are highly resistant ⁴⁹

Starch is another of the carbohydrates used in the development of biodegradable coatings individually or in combination; it is widely used due to its abundance and low cost. Starch is a reserve polysaccharide made from amylose and amylopectin. Starch-based coatings are transparent, colorless, and odorless and have low oxygen permeability ⁵⁰. Starch has also been combined with carrageenan to form highly resistant biodegradable films ⁵¹.

The antimicrobial character in biodegradable coatings is a highly desired attribute. In the case of chitosan, antimicrobial activity has been related to the ability of this polymer to cause severe damage at the cellular level to the mycelium of fungi treated with this polymer ⁵². However, it has been enhanced when combined with the lactoperoxidase enzyme system in the preservation of mango ⁴¹. Lactoperoxidase is an excellent system to combat pathogenic microorganisms and has a broad antimicrobial spectrum. The combination of 1 % chitosan with the lactoperoxidase enzyme system is effective against microbial contamination and allows delaying fruit ripening without altering its quality ⁴¹. Zinc II and Cerium IV complex with chitosan have also been used to preserve Chinese jujube fruit, extend the shelf life of the fruit and reduce residues of organophosphate pesticides. Zinc is one of the most important essential micrometallic elements in the human body. It is an essential component in a significant number of proteins and is essential for the stability of catalytic functions. Cerium ions have good antibiotic capacity ⁵³. In turn, chitosan has been combined with lemongrass essential oils to preserve pepper against anthracnose ⁵⁴, and thyme, cinnamon and clove to preserve papaya against P. digitatum and C fungi. gloesosporioides where it promotes greater mycelial inhibition in in vitro studies at a chitosan concentration of 0.5 and 1 % ³⁸.

In the case of pectin-based coatings, essential oils of cinnamon ^15), lemon, orange ⁹⁾ and cinnamaldehyde nanoemulsions ⁵⁵ have been incorporated, among others. Another example is the modification of the surface of polypropylene (PP) films by multilayers of chitosan/pectin. In these films, chitosan forms a polyelectrolyte complex with pectin, which enables the formation of a stable multilayer structure on the surface of the PP film, with the consequent formation of much better antimicrobial films that can be used to manufacture excellent packaging materials for post-harvest crop protection ⁵⁶.

In general, polysaccharide-based coatings such as chitosan and pectin constitute a poor moisture barrier due to the hydrophilicity they present. For this reason, many works have been aimed at combining these polymers with lipids, resins and fatty acids (Table 1), with the aim of regulating the hydrophilic-lipophilic balance ³⁹. Lipids are characterized by being hydrophobic, have excellent moisture barrier properties, although their lack of cohesiveness and structural integrity result in poor mechanical properties, leading to the formation of brittle coatings. Lipids reduce perspiration, dehydration, abrasion in subsequent handling, and can improve the gloss and appearance of many foods ⁸.

Proteins are another component used in biodegradable coatings. Among the proteins used for the production of these, casein, zein and gelatin stand out among others. Casein has gained prominence in the development of coatings because it is commercially available, has the ability to act as an emulsifier, is water soluble ⁵⁷ and produces transparent and thermally stable coatings ¹⁸. The combination of casein and starch together with glycerol and barbatimón extract has been used in the preservation of guava. This coating lengthens the shelf life of guavas, reduces weight loss and firmness ¹⁸.

Another example is the formation of biodegradable films from chitosan-bound quinoa protein, forming resistant films without the use of plasticizers, the addition of sunflower essential oil, improves water vapor permeability as a result of interactions hydrophobic ⁵⁸. Zein is a storage protein found in corn kernels. This protein has the characteristic of preventing oxidation and the development of bad odors due to its excellent gas barrier properties against oxygen and carbon dioxide ⁵⁹. Gelatin films have effective properties as a gas barrier against oxygen and carbon dioxide ⁶⁰.

Plasticizers are non-volatile, high-boiling point substances that, when added to another material, change the physical or mechanical properties of this material ³⁹. Polyols like sorbitol and glycerol effectively plasticize for their ability to reduce internal hydrogen bonding while increasing intermolecular spacing. These plasticizers decrease intermolecular forces along the polymer chain, increasing the flexibility of the film while decreasing its barrier properties ⁶¹. Plasticizers have also been used in obtaining biodegradable coatings, such as sorbitol ⁶¹, glycerol ⁶², polyethylene glycol ³⁷ and papaya puree ⁵⁵.

The proportion in which the components are found in the coatings is important. A study on the influence of the amount of pectin and plasticizer on the mechanical properties of the fruit revealed that an increase pectin for and a decrease in the amount of plasticizer increases the tensile strength and modulus of elasticity, while the elongation at break increases with increasing concentration of both ⁶¹. Similarly, an increase in the concentration of pectin and plasticizer affects PVA, due to the hydrophilic nature of both compounds. However, the combination with a lipid like beeswax lowers PVA. At low concentrations, the added lipid increases hydrophobicity, thus decreasing the permeability of the film. At higher concentrations, lipids could result in larger globules during the drying stage in obtaining the film, contribute to the interruption of the continuous structure of the films, and consequently to a higher PVA ⁶³. The studies of coatings formed from methylcellulose, stearic acid and polyethylene glycol carried out by an emulsion method, reveal that the increase in the volume of stearic acid up to 22 % causes a decrease in PVA ³⁷. However, the increase in the volume of stearic acid above 22 % leads to an increase in PVA, attributed to inadequate filling of the empty volume inside the stearic acid crystals by the methylcellulose matrix, which favors migration of moisture. On the other hand, the increase in PVA in pectin and sorbitol films at high concentrations of both may perhaps be due to a greater heterogeneity because of the distribution of lipid globules (number of populations) within the pectin matrix ⁶¹.

Fruits and vegetables are an invaluable source of vitamins and minerals in the daily diet of humans. An adequate conservation of these, allows extending the shelf life in the post-harvest. Biodegradable coatings and films have been used with great success in the preservation of guava (Psidium guajava L.) ⁶⁴, papaya (Carica papaya L.) ⁶⁵, mango (Mangifera indica L.) ⁶⁶, mandarin orange (Citrus reticula L.) ⁶⁷, strawberry (Fragaria ananassa Duch) ⁵⁸, tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) ⁶⁸, bell pepper (Capsicum annuum L.) ⁵⁴ and the cucumber (Cucumis sativus L.) ²⁷, among others.

The practical application of coatings in most cases reduces weight loss and ripening rate, and increases the shelf life of the fruits (Table 2). In the ripening process during storage, a series of physical and biochemical changes occur that vary depending on the type of fruit ⁹. Among the changes, we can find the modification of the color through the alteration in the content of chlorophylls, carotenoids and the accumulation of flavonoids. In turn, the modification of the product texture to the alteration of the cell turgor and the structure of the cell wall by metabolism. As well as, the modification of carbohydrates, organic acids and volatile compounds, which affect the nutritional quality, flavor and aroma of the fruit. Last but not least, the increased susceptibility to attack by opportunistic pathogens that are associated with loss of cell wall integrity ²⁴.

It is recognized that during the maturation process the total soluble solids (TSS) are increased due to the respiration process ⁹, during which the degradation of carbohydrates and organic acids (ascorbic, citric and malic) occurs due to the use of these as a substrate in the breathing process ⁵⁴. The increase in the TSS content and the reduction in the measurable acidity are indicators of the maturation process ⁶⁹.

In the case of tomato, pectin-based coatings increase the retention of ascorbic acid, measurable acidity and total sugars during storage compared to the control ⁶⁵. These results are positive since they indicate a delay in maturation due to the action of the coating, since they limit oxygen permeability, reducing the oxidation of ascorbic acid, and limiting the use of citric acid as a substrate in the respiration process.

The chitosan-salicylic acid combination has been studied in the conservation of cucumber at low temperatures of 2 °C ²⁷. These study shows that the combination reduces the damage caused by the low temperatures on the surface of the cucumber and that the combined action exceeds that of the components individually. Chitosan-salicylic acid also reduces weight loss and respiration rate, causes increases in malondialdehyde content and electrolyte leakage, and maintains a higher content of TSS, chlorophyll, and ascorbic acid.

Both zein and gelatin have been successfully tested in post-harvest preservation of mango ⁵⁹. Both proteins combined with glycerol positively affect weight loss, TSS, titratable acidity, pH, total sugar content, and carotenoid content. Additionally, they maintain the content of total phenols and ascorbic acid at high levels compared to the control ⁵⁹.

When carrying out practical applications of the coatings, it is necessary to take into account the concentration of the carbohydrate or the component in question. A chitosan concentration of 1.5 % inhibits the growth of the fungi during the storage period in the preservation of the pumpkin fruit, while the increase above 2 % leads to inadequate maturation ^70).

It concludes, the application of biodegradable coatings to fruits and fruit and vegetable products is extremely important because they extend shelf life, allowing for better transportation and marketing of these. This type of technology in our country is highly attractive for the preservation of exportable fruits such as pineapple, mango and avocado, as well as for the internal marketing of the wide variety of fruits and vegetables that are produced in our domestic market and for supplying our tourist facilities.

Among the physical characteristics to be evaluated in the coatings are the thickness of the films from the measurement with a micrometer ¹⁶. The determination of the viscosity allows studying the flow properties at different concentrations of the polymers. Generally, for this analysis, a rheometer is used to measure the viscosity and the viscoelastic properties of solutions at different concentrations of the polymers ⁶¹. Film surface studies are performed by scanning electron microscopy ⁷³ or atomic force ⁷⁴, and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) allows identifying structural changes made in the polymers from the changes in their characteristic absorption bands ¹⁰. These techniques allow for a structural analysis of the film surface that provides information on the composition of the film.

Another analysis to be performed is the permeability to water vapor. This analysis is extremely important in edible coatings because a low permeability slows down the loss of weight in the fruit. Gravimetric methods have been developed for this, among which is the ASTM E96-93 ⁷⁵ standard. This procedure is based on the prior drying of the membrane or film in a waterproof container and the subsequent contact of this container with magnesium nitrate to maintain the relative humidity of the films at 53 %. Later they are stored in desiccators maintaining humidity relative (RH) in 0 % with the help of a drying agent such as calcium chloride at 25 °C. The water vapor transmission rate divided by the difference in vapor pressure across the film constitutes the permeability of the film ⁶¹. The permeability multiplied by the thickness of the film is the transmission to water vapor ⁷⁵.

Another procedure is ASTM E96/E96M-10 ⁷⁶ with some modifications, where the 3 cm diameter membranes, previously stored for at least 72 hours in a desiccator, are placed in containers containing silica gel inside and they are hermetically sealed, taking care that only the membrane is exposed to water vapor. The containers in a desiccator are weighed and placed containing a saturated solution of KCl. It provides a constant water activity equal to 0.8434 at 25 °C. Subsequently, the desiccator is in a chamber at constant temperature placed. The containers are on an analytical balance every 24 hours removed and weighed. The calculation of PVA is made from the slope of the graph of the variation in mass over time using (Equation 1). The experiment is considered concluded when no increase in the weight of the containers is observed.

Where $\frac{∆m}{∆t}$ is the slope of the weight graph over time and A is the effective area of the membrane in contact with the water vapors ⁷⁷. Tensile strength (τ) is one of the mechanical properties that are performed to verify the resistance of the films. It is carried out in a texture analyzer ¹⁶. In the analysis the samples are stretched to rupture, the resulting force is divided by the cross section of the film, and τ is expressed in MPa. Furthermore, the stretching capacity to rupture (CE) is calculated in percentage, with (Equation 2), where Li and Lf are the initial and final lengths of the films, expressed in millimeters (mm) ¹⁶⁾ .