Obtenção e Caracterização de Filmes Compostos por Amido de Milho e Quitosana

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Gonçalves, F.C.P. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Leite, R.H.L. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Silva Junior, M.Q. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Fonseca, M.H.F. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Barbosa, L.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Pereira, K.R.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA) ; Peixoto, P.H.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI ÁRIDO - UFERSA)

Resumo

Os filmes produzidos foram compostos por amido de milho e quitosana a partir de um planejamento experimental com variações de matéria seca utilizando a técnica casting. As misturas foram preparadas através da combinação do amido de milho com a água destilada e a solução de quitosana foi produzida a partir da diluição do ácido acético, à 1%, em ambas as soluções ocorreu a incorporação do glicerol à 20%. O objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar os filmes de amido de milho e quitosana. Os resultados apontaram que a incorporação de quitosana resultou em um aumento na resistência à tração e alongamento na ruptura e uma diminuição no módulo de Young. Os resultados indicam que estes filmes biodegradáveis poderiam ser utilizados como filmes de embalagens para diversas aplicações.

Palavras chaves

Filmes; Biodegradáveis; Embalagens

Introdução

Diversas questões ambientais atentam os comandos mundiais, em meio a elas o aumento populacional, o colapso dos recursos e a crescente na produção de resíduos são as basais. Dentre as indústrias que contribuem ativamente para a produção de resíduos não biodegradáveis estão as indústrias de embalagens plásticas, cujos plásticos derivados de petróleo refletem cerca de um quinto do volume dos resíduos urbanos (RAMÍREZ et al., 2011; PRACHAYAWARAKORN et al., 2013; FADEYIBI et al., 2014). Com isso, para que esses problemas fossem sanados, ocorreu um aumento quanto a procura por materiais que beneficiem o desenvolvimento sustentável limitando os impactos ambientais (KOROL; BURCHART-KOROL; PICHLAK, 2015). É possível obter tais materiais com base em muitos resíduos, além de diversos deles possuírem o caráter renovável, diminuindo a formação de resíduos, poluição e gases de efeito estufa (GURUNATHAN; MOHANTY; NAYAK, 2015; DAS; BHATTACHARYYA; SARMAH, 2016). Diversos materiais poliméricos são fabricados com a base de combustíveis fósseis e estes são empregados amplamente na produção de materiais em várias indústrias, com ênfase na de embalagem. Tais produtos são não-renováveis e biorecalcitrantes, retratando um severo problema ambiental (KOROL; BURCHART- KOROL; PICHLAK, 2015; AZEREDO; ROSA; MATTOSO, 2017). A fim de sanar essa questão, ocorreu um acréscimo na produção mundial dos materiais biopoliméricos, estes são biodegradáveis e provenientes de uma imensa variedade de recursos renováveis (DICKER et al., 2014). Umas das alternativas promissoras é a produção de filmes biodegradáveis. Estes podem ser empregados em embalagens ou incorporados em soluções que contenham polímeros sintéticos para diminuir custos e elevar a disponibilidade dos materiais biodegradáveis com fins comerciais (GANIARI; CHOULITOUDI; OREOPOULOU, 2017). O emprego de filmes e revestimentos biodegradáveis proporciona vários benefícios, tais como: origem não poluente, adequadas propriedades mecânicas, altiva capacidade de barreira, apropriados atributos sensoriais, simples aplicação, estabilidade microbiana e utilização de matérias-primas de baixo custo de obtenção e processamento (BALDWIN et al., 2011; SPITIA et al., 2014). As propriedades dos filmes biodegradáveis podem variar com base na composição, obtenção, aplicação, espessura e o acondicionamento (ROBERTSON, 2012). Inúmeros trabalhos analisaram a fabricação de biopolímeros com base em proteínas (do trigo, do leite, gelatina e colágeno) e polissacarídeos (quitosana, amido e goma xantana) (FERNANDES et al., 2015). Os polissacarídeos é uma classe de materiais que se destaca dentre esses materiais ambientalmente sustentáveis. Os biopolímeros, como o amido ou fécula, possuem alta biodegradabilidade, baixo custo, além do fato deste ser um recurso renovável. Todavia, essa classe possui baixa flexibilidade, alta fragilidade, bem como alta absorção de umidade (NARKCHAMNAN; SAKDARONNARONG, 2013). Apesar dos filmes e revestimentos de polissacarídeos apresentarem adequadas propriedades de barreira contra gases e lipídeos, estes formam uma barreira pobre ao vapor da água (ELSABEE; ABDOU, 2013; LECETA et al., 2015). Considerando estes aspectos, diversas linhas de pesquisas buscam melhorias nessas características e plastificantes como glicerol e outros polióis estão sendo incorporados à estas composições de biopolímeros visando um avanço na estrutura e propriedades destes, dentre os quais a fécula de mandioca (RAMÍREZ et al., 2011, 2014; LARA; SALCEDO, 2016), amido de milho (MUSCAT et al., 2014; SALEH et al., 2017) e fécula de batata (LIANG; LUDESCHER, 2015; BALAKRISHNAN et al., 2017). Outro polissacarídeo promissor é a quitosana. Esse polissacarídeo catiônico possui natureza atóxica e biodegradável. É derivada principalmente da reação termoquímica alcalina de desacetilação parcial da quitina, que é farta na natureza e localizada em exoesqueletos de crustáceos como caranguejo, camarão e lagosta, além de outras fontes como insetos, moluscos, fungos e algas (ZARGAR et al., 2015). Um excelente filme pode ser aperfeiçoado com as característica da quitosana produzindo um polímero adequado para um vasto conjunto de aplicações. Cada aplicação requer um filme de quitosana com propriedades físico-químicas e biológicas específicas, incluindo as propriedades térmicas, de barreira, antimicrobiana, mecânica e etc. (MUJTABA et al., 2019). Nesse contexto, este trabalho tem a finalidade de obter filmes biodegradáveis a partir do amido de milho (Zea mays) e da quitosana por meio da técnica casting e caracterizá-lo quanto às suas propriedades mecânicas. Esses componentes foram selecionados tendo em vista a sua abundância na região do semi-árido e a possibilidade de serem produzidos com tecnologias adaptadas à realidade da região. Esta avaliação será feita através de um planejamento experimental, no qual serão obtidos modelos representativos das superfícies de resposta que correlacionem as propriedades à composição.

Material e métodos

Materiais O amido de milho foi adquirido da empresa 3 Corações Alimentos S.A. (Brasil). A quitosana foi adquirida da empresa Polymar (Brasil) e os plastificantes, água destilada e glicerol (Dinâmica Química Contemporânea, São Paulo, Brasil), foram utilizados na produção dos biofilmes. Foi utilizado um planejamento experimental com variação da quantidade de matéria seca, possuindo 3 repetições do ponto central, resultando em 11 experimentos, a fim de obter um modelo de segunda ordem. As variáveis independentes utilizadas foram, as composições de quitosana (QT) e amido de milho (AM). Enquanto as variáveis dependentes avaliadas foram limite de resistência a tração (LRT), módulo de elasticidade (ME) e alongamento na ruptura (Al). Procedimento de preparação de filme Os filmes foram produzidos a partir do método casting com variação de 0 à 3% de massa seca. Os materiais foram pesados em uma balança analítica de precisão digital com resolução de 0,0001g. A solução de quitosana foi preparada pela dissolução do pó de quitosana (1,5 e 3g) em 100 ml de solução aquosa de ácido acético (CH3COOH) à 0,1% a 90°C com agitação de 600 rpm por aproximadamente 40 minutos. A solução de amido (1,5 e 3g / 100 ml) foi preparado pela dispersão do amido de milho em água destilada à 95°C com agitação de 600 rpm por 50 minutos até obter a completa gelatinização do amido. O glicerol, como plastificante, foi adicionado à solução de quitosana e solução de amido na concentração de 20% em peso de quitosana e amido, respectivamente. Após a preparação das misturas puras de amido de milho e quitosana foram medidas as composições de cada mistura e com o auxílio de uma proveta graduada e, em seguida, foram compostos os pontos apresentados anteriormente na Tabela 1.Em seguida, as misturas foram postas em bandejas (15 mm x 15 mm) e encaminhadas para secagem em uma estufa com renovação de ar (TE-394/1 da TECNAL) do Laboratório de Análise Química da UFERSA a uma temperatura de 50°C durante 05 horas. Medição da espessura dos biocompósitos As espessuras dos corpos de prova foram obtidas em cinco pontos aleatórios com um micrômetro analógico da EDA com resolução de 0,01 mm. Ensaio Mecânico Os corpos de prova com dimensões de 20 mm x 100 mm, foram ensaiados para aquisição das propriedades mecânicas (limite de resistência a tração, módulo de elasticidade e alongamento na ruptura) de acordo com a norma ASTM D3039M em uma máquina universal de ensaios (DL 10000 da EMIC) do Laboratório de Ensaios Mecânicos da UFERSA, com uma célula de carga de 5kN a uma temperatura de 23°C, com uma velocidade de ensaio de 5 mm/min. Análise Estatística Os dados obtidos através do planejamento foram avaliados com base no software Statistica® 12.5 (StatSoft, Inc., USA). Foi utilizada uma análise dos valores preditos em função dos valores observados para o modelo ajustado de cada resposta.

Resultado e discussão

PROPRIEDADES MECÂNICAS Superfícies de Respostas Em um filme biodegradável deve existir determinada resistência mecânica e alongamento apropriado que possibilite a coesão e integridade durante o emissão ou acessão de esforços. Os modelos codificados propostos para descrever o Limite de Resistência à Tração (LRT), o Módulo de Elasticidade (ME) e o Alongamento na Ruptura (Al) são descritos pelas Eqs. (1), (2) e (3). LRT=-4,871051+2,751537×QT+0,22381×〖QT〗^2+10,60038×AM-0,1558681×AM^2- 3,647805×QT×AM. Eq. (1) ME=71,93899-4,800171×QT-3,895335×QT²-50,30616×AM+12,1695×AM²+20,7604×QT×AM. Eq. (2) AL=-12,3163+4,1314×QT+3,4215290551776×QT^2+40,59996*AM-0,8316×AM^2- 18,60774×QT×AM. Eq. (3) As superfícies de resposta exibidas na Figura 1 foram elaboradas para verificar a interação entre dois componentes dos filmes, amido de milho e quitosana, sobre (a) Limite de Resistência à Tração (LRT), (b) Módulo de Elasticidade (ME) e (c) Alongamento na Ruptura (Al). Analisando a Figura 1 (a) Limite de Resistência à Tração (LRT), é possível verificar que tanto o teor de amido de milho como o teor de quitosana influenciam na resistência das amostras, com base no modelo (Eq. 1.). O amido de milho desempenha um parâmetro quadrático decrescente. Isso ocorre em virtude de que o amido possui um caráter de natureza hidrofílica, juntamente ao glicerol, resultando em um filme de carácter frágil. O amido de milho concede a matriz do filme elevada fragilidade em decorrência dos processos de absorção de água que podem acarretar o desenvolvimento de concentradores de tensão, originando os defeitos, derivados do processo em questão, alterando as propriedades mecânicas do filme e reduzindo a resistência mecânica como visto por Ren et al (2017). Por outro lado, a quitosana desempenha um parâmetro quadrático crescente. Isso implica que a adição de quitosana proporciona um aumento expressivo no LRT dos filmes. A melhora do LRT é alcançada devido a uma elevada formação de ligação de hidrogênio intermolecular entre NH3+ da espinha dorsal da quitosana e OH- do amido de milho. Os grupos amina (NH2) da quitosana foram prolongadas para NH3+ na solução de ácido acético, e por outro lado, as estruturas cristalinas ordenadas das moléculas de amido foram desfeitas devido o processo de gelatinização, derivando nos grupos OH- sendo submetido a formar imediatamente ligações de hidrogênio com NH3 + da quitosana, elevando assim o LRT dos filmes, como visto por Bourtoom e Chinnan (2008). De acordo com a Equação 2 e a Figura 1 (b) Módulo de Elasticidade (ME) é possível observar que tanto a quitosana como o amido de milho possuem influência sobre o ME. A quitosana desempenha o parâmetro quadrático decrescente. Isso devido a influência da flexibilidade conferida pela quitosana aumentando a plasticidade do material. Esta, por sua vez, é uma propriedade diretamente proporcional ao módulo de elasticidade. Por outro lado, o amido de milho desempenha o parâmetro quadrático crescente. Isso é observado, possivelmente, devido à presença da fragilidade aferida pelo amido reduzindo a plasticidade do material como analisado por Ren et al (2017). Com base na Equação 3 e analisando a Figura 1 (c) Alongamento na Ruptura (Al) tanto a quitosana como o amido de milho influenciam no alongamento dos filmes. A quitosana exerce o parâmetro linear e quadrático crescente. Isso ocorre por influência da sua elevada flexibilidade, como citado anteriormente. Alongamento na ruptura dos filmes de quitosana e amido de milho elevou-se de acordo com o aumento da concentração de quitosana, porém diminuiu com a mais alta concentração de quitosana analisada. A taxa de flexibilidade dos filmes é decorrente da concentração de quitosana e devido à interação das cadeias plastificantes e poliméricas que facilitam o deslizamento da corrente e contribuem assim para aperfeiçoar a flexibilidade geral e a mobilidade da cadeia. Já o com presença do amido se verifica que estas satisfazem o parâmetro quadrático decrescente. Isso se deve, possivelmente, em função da sua hidrofilicidade que fragiliza a amostra e compromete a plasticidade dos filmes, como visto por Liu et al (2013). Valores preditos e valores observados Inicialmente, é possível observar que os valores de R² das propriedades mecânicas dos filmes de amido de milho e quitosana, contidos na Tabela 2, foram elevados resultando em uma baixa diferença entre os valores preditos e observados. Na Figura 2, é possível observar a dispersão dos valores observados em relação aos valores preditos. A diferença entre os valores preditos e observados evidencia que o modelo quadrático escolhido foi o mais ajustável a essa análise, além de sua capacidade em predição das propriedades mecânicas dos filmes para as composições de amido de milho e quitosana empregadas no estudo realizado. Tanto na Figura 2 a) LRT (MPa) como na Figura 2 c) AL (%) é possível observar uma maior concentração dos valores observados próximos aos início da reta de valores preditos. Isso é caracterizado devido ao valor do R² ser, respectivamente, 0,74794 e 0,76669, sendo dessa forma considerados, os valores observados, como mediais quando comparados aos valores de predição. Já na Figura 2 b) ME (MPa) é possível observar uma maior dispersão dos valores observados ao longo da reta de valores preditos e isso é caracterizado pelo elevado valor de R², 0,93958, corroborando que o modelo obtido é adequado para predição.

Superfícies de resposta para (a) Limite de Resistência à Tração (LRT), (b) Módulo de Elasticidade (ME) e (c) Alongamento na Ruptura (Al) dos filmes.


Gráficos de valores preditos e observados para (a)Limite de Resistência à Tração (LRT),(b) Módulo de Elasticidade (ME) e (c) Alongamento na Ruptura.

Conclusões

Nesta análise foram avaliados os diferentes parâmetros de concentração de quitosana e amido de milho utilizados para obter os filmes homogêneos e compactos com o teor de glicerol fixado em 20% em relação à massa seca. Os filmes foram caracterizados mecanicamente a partir do ensaio de tração, o qual se pôde obter valores de Limite de Resistência a Tração (LRT), Módulo de Elasticidade (ME) e Alongamento na Ruptura (Al). Com a caracterização foi possível observar que o LRT aumenta de acordo com o aumento da concentração de quitosana e que o mesmo ocorre um decréscimo de acordo com o aumento do teor de amido de milho. Já o ME decresce de acordo com a elevação da concentração de quitosana e seu crescimento ocorre e prol do aumento do teor de amido de milho. Por fim, o Al foi influenciado positivamente a partir da elevação teor de quitosana e influenciado negativamente pelo aumento da concentração de amido de milho. Os modelos utilizados para análise foram significativos e confirmaram que os teores de quitosana e o amido de milho interferem em todas as propriedades mecânicas analisadas como visto nos gráficos de modelos preditos em relação aos observados. A partir desse estudo é possível observar que os filmes de amido de milho podem melhorar o seu desempenho com a adição de determinadas concentrações de quitosana permitindo o desenvolvimento de filmes para uso como filmes de embalagem de diversas aplicações.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Universidade Federal Rural do Semiárido – UFERSA Campus Mossoró-RN, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais, pelo apoio e suporte.

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