DEGRADAÇÃO BIÓTICA DE ESPUMAS DE AMIDO TERMOPLÁSTICO COM RECOBRIMENTOS DE QUITOSANA E POLIÁCIDO LÁCTICO

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Materiais

Autores

Bergel, B.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Machado da Luz, L. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL) ; Campomanes Santana, R.M. (UFRGS)

Resumo

O poliestireno expandido (EPS) é um material muito utilizado e quando descartado se torna um problema ao ambiente, pois não é biodegradável e sua reciclagem é limitada. Uma alternativa a este problema é substituir o EPS em embalagens de uso único por espumas de amido termoplástico (TPS), pois são biodegradáveis. O problema no uso do TPS é seu caráter hidrofílico, o que compromete seu uso em ambientes úmidos. Como solução, pode-se utilizar a quitosana ou o poliácido láctico como recobrimento para as espumas TPS, pois são materiais mais hidrofóbicos que o TPS e também são biodegradáveis. Neste trabalho objetivou-se estudar a influencia destes recobrimentos na biodegradação de espumas de TPS. Resultados indicam que estes recobrimentos protegem a espuma TPS e retardam sua biodegradação.

Palavras chaves

TPS; Quitosana; PLA

Introdução

O poliestireno expandido (EPS) é largamente utilizado em embalagens alimentícias de uso único, pois apresenta grandes vantagens como: baixa densidade, isolamento térmico e baixo custo. Porém, o EPS pode causar grandes impactos ao meio ambiente se eliminado de maneira incorreta, pois possui tempo de degradação muito longo. Devido ao impacto ambiental causado por estas embalagens poliméricas sintéticas, embalagens utilizando materiais biodegradáveis surgem como a principal solução. Dentre os materiais biodegradáveis utilizados para substituir o EPS, a espuma de termoplástico de amido (TPS) desperta interesse, pois possui características que se aproximam do EPS (CASTILLO et al., 2013; CINELLI et al., 2006; SHOGREN et al., 1998; SHOGREN; LAWTON; TIEFENBACHER, 2002). Além disso, o amido é abundante, possui baixo custo, é biodegradável e não apresenta toxicidade. Espumas feitas a base de TPS são produzidas facilmente a partir de uma pasta de amido formada pela mistura de água, amido e glicerol. Esta pasta passa por um processo de expansão térmica e o vapor liberado no processo forma a estrutura porosa do interior da espuma (PORNSUKSOMBOON et al., 2016; SHOGREN et al., 1998). Apesar das diversas vantagens da utilização do amido termoplástico como embalagem, este material possui grande capacidade de absorção de água e sensibilidade à umidade do ambiente, o que compromete seu uso devido a perda das suas propriedades físicas e mecânicas. Isso ocorre devido a grande higroscopia do amido. Uma forma de tentar evitar ou minimizar a absorção de água e a sensibilidade à umidade da espuma TPS é recobrir a superfície deste material com um material mais hidrofóbico (BANGYEKAN; AHT-ONG; SRIKULKIT, 2006; GLENN, G. et al., 2007; SHEY, J. et al., 2006). Polímeros como a quitosana e o poliácido láctico (PLA) podem ser empregados para esta função, pois são mais hidrofóbicos que o amido e também são biodegradáveis. A quitosana, um polissacarídeo obtido por desacetilação parcial da quitina, é amplamente utilizado na formação de filmes e recobrimentos, devido à sua abundância, comportamento termoplástico, biodegradabilidade, atividade antimicrobiana, excelente biocompatibilidade e relativa hidrofobicidade (BOF et al., 2015; DANG; YOKSAN, 2015). Já o PLA é um poliéster alifático derivado de fontes renováveis, como amido e cana-de- açúcar, e também apresenta biodegradabilidade, biocompatibilidade e hidrofobicidade. A formação de recobrimentos com estes polímeros biodegradáveis em espumas TPS pode aumentar a resistência à absorção de água e manter as propriedades destas espumas, em especial sua biodegradabilidade (PREECHAWONG et al., 2005). Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi estudar a influência de recobrimentos de quitosana e PLA na degradação biótica de espumas TPS.

Material e métodos

Produção das espumas TPS e revestimento: As espumas TPS foram produzidas a partir de amido, água e glicerol. Os componentes foram misturados em temperatura de 70°C até a pasta se tornar homogênea. O produto obtido foi colocado em um molde pré-aquecido. Este molde foi colocado em prensa hidráulica modelo Solar SL11, onde ocorreu o processo de compressão e termo expansão da pasta de amido. Soluções de quitosana e PLA 6 % m/v foram então aplicadas na superfície das espumas TPS. Ensaio de degradação biótica via câmara respirométrica: Os ensaios de biodegradação foram realizados em erlenmeyers, onde um tubo falcon com pequenos orifícios foi acoplado na parte superior, selando os frascos. Dentro do erlenmeyer foi adicionada uma camada de perlita (3 g), uma camada de terra (60 g) onde se enterrou as amostras (± 0,7 g) e por cima novamente uma camada de perlita (3 g). Também foram adicionados 10 mL de água deionizada. Dentro do tubo falcon foi colocado 20 mL de solução de hidróxido de sódio (NaOH). Os erlenmeyers foram colocados em estufa a 60 °C. A metodologia preparada foi de acordo com as normas ASTM D 5338-11 e ASTM D5988-12. A Figura 1 apresenta uma representação das câmaras respirométricas utilizadas no ensaio de biodegradação. A cada três dias, as soluções de NaOH dos tubos falcon foram retiradas e tituladas com solução de ácido clorídrico (HCl). Antes da titulação, adiciona-se cloreto de bário (BaCl₂) e indicador fenoftaleína à solução de NaOH. Após as titulações, uma nova solução de NaOH foi adicionada ao tubo falcon que novamente foi acoplado ao erlenmeyer (Martins, 2015). O ensaio foi realizado medindo-se a liberação de CO₂ produzido a partir do metabolismo de organismos vivos que utilizam o carbono presente nas espumas TPS como fonte de alimento, como mostra a reação: C_polímero + O₂ → CO₂ + H₂O + C_resíduo A medição desta liberação foi feita através da captura do CO2 por substância alcalina (NaOH). Quando o CO₂ entra em contato com o NaOH forma o carbonato de sódio (Na₂CO₃), que é precipitado com uma solução aquosa de cloreto de bário (BaCl₂), formando o carbonato de bário (BaCO3) como demonstra as seguintes equações: CO₂ + 2 NaOH → Na₂CO₃ + H₂O Na₂CO₃ + BaCl₂ → BaCO₃ + 2 NaCl A quantidade de NaOH dos frascos que não reagiu com o CO₂ reage por titulação com igual quantidade de HCl, de acordo com a reação: NaOH + HCl → NaCl + H₂O Para a determinação da quantidade de CO₂ liberada por cada amostra, utiliza-se a massa de CO₂ liberado pelas amostras (mg) – a massa de CO₂ liberada pelo branco (CATTO, 2015).

Resultado e discussão

Degradação Biótica das Espumas de TPS A câmara respirométrica é um sistema de compostagem em solo simulado, onde ocorre a biodegradação, deixa a amostra analisada em contato com a terra (onde estão os microrganismos) e o oxigênio que será consumido. A Figura 1 apresenta uma representação de câmara respirométrica. Os microrganismos presentes no solo degradam a amostra, consomem o oxigênio e liberam o CO₂ (GRIMA et al., 2001). A Figura 2 apresenta o seguimento do perfil da liberação de CO₂ proveniente da biodegradação das espumas de TPS sem e com recobrimentos de quitosana e PLA. Pode-se notar que as formulações estudadas liberaram grandes quantidades de CO₂ em comparação com o EPS comercial, o qual liberou quantidades de CO₂ insignificantes. Este resultado indica que os materiais estudados são biodegradáveis (VERCELHEZE et al., 2013). Como pode ser visto a partir das curvas de liberação de CO₂, a biodegradação das amostras começou pouco tempo após o inicio do experimento. Dentro de 7 dias a espuma de amido de batata já havia liberado 227 mg de CO₂, enquanto que as espumas com recobrimentos de quitosana e PLA haviam liberado 178 mg e 131 mg respectivamente. Após 32 dias, a produção de CO₂ atingiu um patamar estável, indicando que a parte mais rapidamente biodegradável já havia sido consumida (PUSHPADASS, Heartwin A. et al., 2010; PUSHPADASS, Heartwin Amaladhas et al., 2008). A espuma de amido sem recobrimento teve a maior taxa de biodegradação. Este resultado é atribuído a atividade enzimática dos microrganismos presentes no solo em materiais de amido, pois o amido é facilmente assimilado, degradado e utilizado como fonte de carbono (VERCELHEZE et al., 2013). A presença dos recobrimentos de quitosana e PLA reduziu a taxa de biodegradação das espumas de amido. No solo, a água difunde-se pela estrutura do material, inchando este e facilitando a ação dos microrganismos, o que gera um aumento no número destes, e que consequentemente aumenta a biodegradação do material (SELIGRA et al., 2016). Os recobrimentos de quitosana e PLA diminuem a absorção de água e umidade das espumas de amido (BERGEL; LUZ, DA; SANTANA, 2017; PREECHAWONG et al., 2005), consequentemente a reprodução e a proliferação dos microrganismos tornam-se mais difíceis, o que diminui a taxa de biodegradação (MAITI; RAY; MITRA, 2012; SELIGRA et al., 2016). Preechawong et al., (2005) estudaram a degradação enzimática de espumas híbridas de PLA/amido e os resultados encontrados sugerem que a presença de PLA também tornou as espumas menos subservientes à hidrolise enzimática.

Representação de uma câmara respirométrica (MARTINS, 2015)


Degradação biótica via câmara respirométrica em solo simulado das espumas de amido.

Conclusões

No presente trabalho foi estudada a influência de recobrimentos de quitosana e PLA na biodegradação de espumas de TPS. Todas as espumas de TPS avaliadas apresentaram liberação de grandes quantidades de CO₂, o que indica a biodegradabilidade destes materiais. Dentre os recobrimentos estudados, o recobrimento de PLA foi o que mais retardou a biodegradação da espuma, o que indica uma maior proteção contra a entrada de água e microorganismos no material.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPQ pelo financiamento ao projeto de pesquisa.

Referências

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