PRODUÇÃO DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS DE MATRIZES NATURAIS: ALGINATO DE SÓDIO E MESOCARPO DE COCO BABAÇU

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Materiais

Autores

Alves Lopes, I. (UFMA) ; Coelho Paixão, L. (UFMA) ; Souza da Silva, L.J. (UFMA) ; D. Barros Filho, A.K. (UFMA) ; Amorim Santana, A. (UFMA)

Resumo

Este trabalho teve como objetivo elaborar formulações de compósitos poliméricos naturais a base de mesocarpo de coco babaçu, alginato e glicerol, reticulado com solução de cloreto de cálcio dihidratado (1%, p/p), a fim de verificar o efeito desses componentes quanto a ω, S, δ e PVA, para o 1º e 2º estágio. Os biopolímeros foram confeccionados segundo a técnica casting. Em geral, os biopolímeros apresentaram boa aparência, flexíveis, transparentes e boas propriedades funcionais. Quanto ao tratamento estatístico, apresentaram valores de ω, S, δ e PVA menores que no 1º estágio, o que era de se esperar, uma vez que quando se aplica uma reticulação complementar os filmes tendem a fechar a cadeia através das ligações iônicas e covalentes, tornando-os menos higroscópicos.

Palavras chaves

Biopolímero; Mesocarpo de coco babaçu; Alginato de sódio

Introdução

Compósitos naturais formados a partir de biopolímeros como proteínas e polissacarídeos causam baixo impacto ao meio ambiente e são considerados possíveis substituintes dos polímeros derivados do petróleo (não biodegradável) em muitas aplicações específicas (SILVA et al., 2016). A demanda por materiais sustentáveis tem feito crescer o interesse por essa área de pesquisa nos últimos anos. Eles têm uma vasta aplicabilidade e sua utilização depende de vários parâmetros. São confeccionados geralmente segundo a técnica casting, que consiste em espalhar uma solução filmogênica sobre uma placa, cuja espessura é controlada pela quantidade de massa vertida, que posteriormente é submetido à secagem em estufa. Essa técnica tem mostrado bons resultados quando se refere à escala laboratorial, já para escala industrial recomenda-se a utilização do “processo de extrusão” (SEIXAS et al., 2013; MALI et al., 2010). Os babaçuais cobrem cerca de 196 mil km2 do território brasileiro, com ocorrência concentrada nos estados do Maranhão, Tocantins e Piauí, na região conhecida como Mata dos Cocais (CARRAZZA et al., 2012). Este coco é constituído por quatro partes aproveitáveis, sendo elas a casca, formada pelo epicarpo (11%), mesocarpo (23%) e endocarpo (59%) e amêndoas (7%). No entanto, a casca normalmente é desperdiçada durante os processos de quebra manual (EMBRAPA, 1984). Dessa maneira, tem crescido o desenvolvimento de alternativas que ampliem o seu uso. O mesocarpo, camada abaixo do epicarpo, é geralmente transformado em farinha e aplicado na alimentação humana. Para obtenção desta, são necessárias várias etapas de processamento, que se inicia com a coleta do coco e finaliza com o armazenamento do produto final, passando pelos processos de seleção, lavagem, descascamento, retirada, secagem e moagem do floco, e peneiramento. Na sua composição química está presente, principalmente, 66,51% de amido, 6,8% de fibra alimentar, 1,19% de proteínas, 0,29% de extrato etéreo (CARRAZZA et al., 2012), dentre outros elementos. O amido é formado pela amilopectina e amilose, está última possui propriedades física, química e funcional para formar géis e filmes (MALI, 2010). Portanto, levando em consideração a alta concentração de amido no mesocarpo, torna-se viável a aplicação do mesmo na produção de biopolímeros. O alginato é um polissacarídeo extraído de algas marrons denominadas Phaeophyceae, que em termos moleculares, consiste em copolímeros de ligações 1-4 de ácido β-D-manurônico (M) e ácido α-L-gulurônico (G), de composição variável e estrutura sequencial. Além das aplicações nas indústrias alimentícia e farmacêutica, ele é também considerado um potencial componente estrutural de filmes e coberturas devido às suas propriedades coloidais únicas, que incluem espessamento, estabilização, suspensão, formação de filme, produção do gel e estabilização de emulsão (MOE et al., 1995). De acordo com Bierhalz et al. (2014) as diferentes fontes de alginato e as variações em sua estrutura influenciam uma das principais características desse polissacarídeo: a capacidade de formar géis termoestáveis na presença de íons divalentes (como íons de cálcio, por exemplo). A reticulação da estrutura polimérica com cálcio reduz consideravelmente a solubilidade em água dos filmes de alginato assim como sua flexibilidade, dessa forma, adiciona-se um plastificante a fim de melhorar as propriedades físicas e mecânicas. A escolha deste depende da sua compatibilidade com o polímero e o solvente utilizados, no caso de biopolímeros de alginato de sódio, o glicerol é o plastificante que provou ser bastante prático e eficiente (SANTANA E KIECKBUSCH, 2013). A partir do exposto, foram elaborados biopolímeros utilizando diferentes concentrações de mesocarpo de coco babaçu, alginato e glicerol, e reticulando com cloreto de cálcio dihidratado, a fim de avaliar o efeito desses componentes nas características finais desses filmes no 1º e 2º estágio.

Material e métodos

2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1. Material A matéria-prima utilizada foi o alginato de sódio obtido de algas Macrocystis Pyrifera (Isofar, Brasil); mesocarpo de coco babaçu (comércio local de São Luís, MA - foi moido em moinho de bolas e peneirado em peneira de 270 mesh); glicerol (Dinâmica, Brasil) como plastificante e cloreto de cálcio dehidratado (Merck, Brasil) como agente reticulante. 2.2. Confecções dos compósitos Em termos gerais, a elaboração dos biopolímeros seguiu dois estágios que aqui chamaremos de 1º e 2º Estágio. No 1º Estágio, o alginato de sódio e mesocarpo de coco babaçu (Tabela 1) era dissolvido em 400 mL de água destilada, em um becker de 600 mL, sob agitação magnética constante. Em seguida era adicionado o plastificante (Tabela 1). A solução era aquecida a 70 ºC usando uma manta aquecedora (Fisaton, modelo 67, Brasil) e, na seqüência, adicionava-se 30 mL da solução pré-reticuladora (1,0% de CaCl22H2O), mantendo a temperatura em 70 ºC, sob intensa agitação. Os filmes foram obtidos pela técnica casting, isto é, alíquotas de 70 g da solução foram vertidas em placas de petri (15 cm de diâmetro) de vidro que foram secados a 40 ºC em estufa com recirculação de ar (Fanem, modelo 099EV, Brasil) durante 24 horas. Após a secagem, os filmes foram removidos do suporte e armazenados a uma UR de 52 % e temperatura de 25 ºC por 48 horas. No 2º Estágio, esses pré-filmes são submetidos a um tratamento por imersão em 50 mL de uma solução aquosa de cloreto de cálcio (3%) a temperatura ambiente para uma reticulação complementar. Os filmes assim tratados eram retirados do banho, deixados escorrer e colocados sobre uma placa de acrílico, com as bordas dos filmes fixadas pelo peso de uma moldura feita com tubo de aço inoxidável para evitar o enrugamento. Na sequência, essas placas eram inseridas em um secador tipo túnel. Os filmes eram submetidos a um fluxo paralelo de ar, a uma temperatura de 30 ºC e UR acima de 60 % por 24 horas. 2.2. Caracterização dos compósitos e análise estatística dos dados Os biopolímeros foram caracterizados quanto ao seu aspecto visual (avaliação subjetiva através da observação visual e tátil, buscando biopolímeros homogêneos - ausência de partículas insolúveis e coloração uniforme, contínuos - ausência de rupturas ou zonas quebradiças, flexíveis e com superfície lisa), conteúdo de umidade (determinado por gravimetria em estufa a 105 ºC durante 24 h), solubilidade (determinadas segundo metodologia proposta por Irissin-Mangata et al. (2001) utilizando um Shaker, com agitação de 175 rpm, à 25 °C durante 24 horas), espessura (utilizando micrômetro digital com resolução de 0,01 mm) e permeabilidade ao vapor de água (determinada gravimetricamente em ambiente a 25 °C, de acordo com o método E95-96 (ASTM, 1995)). Uma análise de variância e teste de Tukey foram empregados para determinar diferenças estatisticamente significantes (p<0,05) entre os médias usando o software Statistica V9 (Statsoft, T

Resultado e discussão

Após a realização dos 9 ensaios do 1º estágio, fez-se a caracterização dos biopolímeros segundo seu aspecto visual, que, em geral, apresentaram-se visualmente atrativos, homogêneos, transparentes, sem zonas quebradiças, com boa flexibilidade e facilidade em desprender do suporte. Algumas formulações observaram-se poucas manchas e levemente mais opaca. Contudo isto não inviabilizou a utilização destas. Como relataram Maniglia et al. (2017), a redução da transparência dos biopolímeros pode ser justificada pela maior quantidade de lipídios, proteínas presentes no mesocarpo do coco babaçu. Após a aplicação da solução reticuladora (2º estágio), os biopolímeros apresentaram-se mais compactos e resistente e menos flexíveis, porém sem zonas quebradiças. Na Tabela 2 foram organizados os valores médios e desvio padrão das propriedades físicas estudadas no 1º e 2º estágio. Através de comparações múltiplas, exemplificou-se o teste de Tukey pela inserção de letras alfabéticas. Houve variações consideráveis do conteúdo de umidade e solubilidade para as diferentes formulações, sendo esses valores médios de 36,4 (ensaios 3 e 6) a 46,5 % (ensaio 2), 11,8 (ensaio 2) a 24,3 % (ensaio 7) e de 13,7 (ensaio 6) a 22,3 % (ensaio7), 4,2 (ensaio 6) a 14,0 % (ensaios 2 e 7), respectivamente, para o 1º e 2º estágio (Tabela 2). Maniglia et al. (2017), em seus estudos sobre filmes preparados com a farinha ou amido de mesocarpo do babaçu, encontraram valores menores de umidade (7,33 a 11,82 %), comparados com os obtidos no 1º estágio e próximo dos encontrados no 2º estágio. Já para a solubilidade, os valores obtidos por estes autores, foram próximos aos encontrados no 1º estágio (24,32 a 39,02%). Estatisticamente, os valores de umidade para todos os ensaios realizados no 1º estágio não diferiram. Já para a solubilidade houve variação ao nível de 5 % de significância. Comparando os tratamentos sem e com aplicação da reticulação complementar, a umidade e solubilidade dos ensaios apresentaram diferença estatística, obtendo valores menores no 2º estágio, confirmando as expectativas. Este fato pode ser explicado pelo fechamento da cadeia poliméricas ocorrida pelo acréscimo de cloreto de cálcio aplicado no segundo tratamento, fazendo com que os biopolímeros tornassem menos higroscópicos. Bierhalz et al. (2014), estudando filmes de alginato plastificado com glicerol em dois tratamentos (1º e 2º estágio), observaram o mesmo comportamento encontrado nesta pesquisa. A espessura dos biopolímeros composto de mesocarpo de coco babaçu e alginato como matrizes, não apresentaram significância estatística entre os ensaios em cada tratamento. Porém, fazendo uma comparação entre os tratamentos, somente os ensaios 3 e 6 apresentaram-se iguais, sendo que os demais ensaios do 2º estágio se apresentaram menores que os do 1º, indicando que a aplicação destes filmes numa segunda solução de cloreto de cálcio, torna-os menos espessos. Segundo Santana e Kieckbusch (2013), uma determinação precisa da espessura dos biopolímeros é importante, pois funciona como base para cálculo de várias propriedades funcionais dos filmes e é fundamental para a análise da repetibilidade. Entretanto, a espessura dos filmes ainda é um desafio para a comercialização de biopolímeros, pois enquanto os filmes de polietileno possuem espessura baixa e são resistentes à permeação do vapor de água, os filmes confeccionados com alginato e mesocarpo de coco babaçu, por exemplo, ainda deixam muito a desejar em relação a esta característica. Apesar de obter baixos valores comparados com outros na literatura (BIERHALZ et al.; 2014; LOPES et al., 2017) Os PVA’s menores foram obtidos no ensaio 1 nos dois tratamentos, com valores de 2,5 e 1,4 g.mm/m2.dia.kPa para o 1º e 2º estágio, respectivamente. Comparando os tratamentos, os ensaios 2 e 6 obtiveram valores estatisticamente iguais. Entretanto, os demais ensaios do 2º estágio se apresentaram menores que os do 1º, mostrando que com a imersão destes biopolímeros em uma segunda solução reticuladora torna-os menos permeáveis, podendo futuramente ser comparados com os filmes comerciais a base de polietileno. Para uma melhor comprovação dos dados obtidos, tanto no 1º estágio quanto no 2º estágio, recomenda-se fazer uma otimização, com vista na microscopia, utilizando os ensaios 1, 4 e 7 (valores iguais de concentração de mesocarpo de coco babaçu – 1 g) levando em consideração a análise de PVA e os ensaios 5 e 6 (valores iguais de alginato e glicerol – 7,5 g e 4,0 g, respectivamente) levando em consideração as análises de umidade, solubilidade e espessura.

tabela 01


tabela 02

Conclusões

Os biopolímeros elaborados apresentaram, em geral, visualmente atrativos, com coloração uniforme, ausência de rupturas e boas propriedades funcionais tanto para o 1º estágio quanto para o 2º estágio. Porém, no 2º estágio eles apresentaram-se mais compactos com maior resistência e ausência de zonas quebradiças. As diferentes concentrações de mesocarpo, alginato e glicerol tiveram influências marcantes sobre as propriedades das físicas como PVA e solubilidade. Entretanto, para a espessura e umidade esta influência não foi acentuada. Fazendo uma comparação dos tratamentos, os biopolímeros após a aplicação da solução reticuladora apresentaram menos espessos, permeáveis e higroscópicos, apresentando valores estatisticamente inferiores para o 2º estágio. Para melhor comparação dos ensaios, é recomendável fazer novas caracterizações, como por exemplo, uma microscopia que indicará a incorporação dos materiais na cadeia polimérica.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Laboratório de Engenharia de Produtos e Processos em Biorrecursos e a FAPEMA pelo suporte financeiro.

Referências

ASTM. Standard test methods of water vapor transmission of materials. American society for testing and materials, Philadelphia, E 96-95, 1995.
BIERHALZ, A. C. K. et al. Effect of calcium and/or barium crosslinking on the physical and antimicrobial properties of natamycin-loaded alginate films. Food Science and Technology, v. 57, p. 494-501, 2014.
CARRAZZA, L. R.; ÁVILA, J. C. C. e; SILVA, M. L. da. Manual tecnológico de aproveitamento integral do fruto e da folha do babaçu. 2. ed. Brasília: ISPN, 2012.
EMBRAPA. Babaçu: programa nacional de pesquisa. Brasília: Embrapa-DDT, 1984.
IRISSIN-MANGATA, J.; BAUDUIN, G.; BOUTEVIN, B.; GONTARD, N. New plasticizers for wheat gluten films. European polymer journal, v. 37, p. 1533-1541, 2001.
LOPES, I. A.; SANTOS JR, J.; DA SILVA, D. S.; DA SILVA, L. J. S.; BARROS FILHO, A. K. D.; VILLA-VÉLES, H. A.; SANTANA, A. A. Characterization of pectin biofilms with the addition of babaçu mesocarp and whey protein concentrate. American Journal of Materials Science, v. 7, nº. 3, p. 64-70, 2017.
MALI, S.; GROSSMANN, M. V.; YAMASHITA, F. Filmes de amido: produção, propriedades e potencial de utilização. Semina: ciências agrárias, v. 31, n.1, p.137-156, 2010.
MANIGLIA, B. C; TESSARO, L.; LUCAS, A. A.; TAPIA-BLÁCIDO, D. Bioactive films based on babaçu mesocarp flour and starch. Food hydrocolloids, v. 70, p. 383-391, 2017.
MOE, S. T. et al. Alginates. In A. M. Stephen (ED). Food polysaccharides and their applications. 2. ed. New York: Marcel Dekker, p. 289-334, 1995.
SANTANA, A. A.; KIECKBUSCH, T. G., Physical evaluation of biodegradable films of calcium alginate plasticized with polyols. Brazilian Journal of Chemical Engineering, v.30, n.4, p.835- 845, 2013.
SEIXAS, F. L. et al. Biofilms composed of alginate and pectin: effect of concentration of crosslinker and plasticizer agentes. Chemical engineering transactions, v. 32, p. 1693-1698, 2013.
SILVA, K. S.; MAURO, M. A.; GONÇALVES, M. P.; ROCHA, C. M. R. Synergistic interactions of locust bean gum with whey proteins: Effect on physicochemical and microstructural properties of whey protein-based films. Food Hydrocolloids, v. 54, p. 179-188, 2016.