Smart polymer thin films: design, development and applications in the food industry and environmental remediation

Abstract

This PhD thesis focuses on the design, synthesis, characterization, and application of smart polymer thin films with sensing and/or reactive functionalities. The work is organized into two main application areas: the food industry and environmental remediation. Within the food sector, a reactive polymer film incorporating immobilized β galactosidase was developed for the production of lactose-free milk. In addition, a colorimetric polymer sensor was designed for the rapid determination of protein content in whey and whey protein concentrates using smartphone-based RGB image analysis. Furthermore, two novel polymeric sensors were developed for the quantification of betalains and the determination of antioxidant capacity in beetroot, providing rapid, simple, and low-cost analytical methodologies. In the field of environmental remediation, a reactive polymer film containing immobilized laccase was developed for the degradation of contaminants of emerging concern, including bisphenol A (BPA) and indigo carmine, demonstrating the potential of these materials as reusable heterogeneous catalytic systems. Finally, a multifunctional polymeric material capable of simultaneously detecting and removing itrate from drinking water was designed, integrating sensing and remediation into a single platform.

La presente tesis doctoral aborda el diseño, síntesis, caracterización y aplicación de films poliméricos inteligentes en forma de películas delgadas con funcionalidad sensora y/o reactiva. El trabajo se estructura en dos grandes bloques temáticos correspondientes a sus principales áreas de aplicación: la industria alimentaria y la remediación ambiental. En el ámbito alimentario, se desarrolló un film polimérico reactivo con β-galactosidasa inmovilizada para la producción de leche sin lactosa, así como un film sensor colorimétrico para la determinación rápida de proteínas en suero lácteo y concentrados proteicos mediante análisis RGB con smartphone. Asimismo, se diseñaron dos nuevos sensores poliméricos para la cuantificación de betalaínas y la determinación de la capacidad antioxidante en remolacha, proporcionando metodologías rápidas, sencillas y de bajo coste. En el ámbito de la remediación ambiental, se desarrolló un film polimérico reactivo con lacasa inmovilizada capaz de degradar contaminantes de interés como el bisfenol A (BPA) y el colorante índigo carmín, demostrando la viabilidad de estos materiales como sistemas heterogéneos reutilizables para procesos de descontaminación. Finalmente, se diseñó un material polimérico multifuncional capaz de detectar y eliminar nitratos en aguas de consumo, integrando en un único dispositivo las funciones de monitorización y remediación. En conjunto, los resultados obtenidos demuestran la elevada versatilidad de los films poliméricos inteligentes como plataformas funcionales para la inmovilización de moléculas bioactivas y receptores químicos, así como su potencial para el desarrollo de materiales sostenibles destinados a aplicaciones analíticas, biotecnológicas y medioambientales.