AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE BIOFILMES PRODUZIDOS A BASE DE FÉCULA DE MANDIOCA E QUITOSANA

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Leite, R.H.L. (UFERSA) ; Pereira, K.R.A. (UFERSA) ; Santos, F.K.G. (UFERSA) ; Aroucha, E.M.M. (UFERSA) ; Junior, M.Q.S. (UFERSA) ; Fonseca, M.H.F. (UFERSA) ; Peixoto, P.H.A. (UFERSA) ; Barbosa, L.M. (UFERSA) ; Gonçalves, F.C.P. (UFERSA)

Resumo

O objetivo deste trabalho foi obter filmes de fécula de mandioca e quitosana, afim de se avaliar suas propriedades mecânicas e em paralelo se obter as influencias causadas entre as concentrações dos constituintes do biofilme em relação as propriedades mecânicas a partir da metodologia de superfície de resposta (MSR). A produção dos biofilmes foram a partir da mistura entre fécula de mandioca e quitosana para diferentes concentrações utilizando a técnica casting. Os resultados apontaram que a incorporação de quitosana resultou em um aumento na resistência à tração variando e redução no alongamento na ruptura e no módulo de Young. Com isto tem se que os biofilmes produzidos podem ser indicados para embalagens ou utensílios em geral a depender da aplicação.

Palavras chaves

Biofilmes; Propriedades mecânica; MSR

Introdução

Embalagens plásticas tem sido utilizadas ao longo dos anos para os mais diversos produtos de uso diário devido à sua baixa densidade, boas propriedades de isolamento térmico, resistência razoável e baixo custo (KAISANGSRI et al., 2014). No entanto, ao se degradar, o plástico se transforma em microplásticos com diferentes densidades, composição, cor e forma (DUIS et al., 2016). A presença desses materiais no meio ambiente causa impactos negativos na vida marinha e nos processos ecológicos: sua ingestão pelos animais aquáticos pode causar problemas intestinais, respiratórios e entre outros; sua alta concentração em ambiente aquático interfere na incidência da luz solar na água (dificultando a sobrevivência de algas e outros seres vivos) e sua ingestão pelos seres humanos pode provocar doenças respiratórias e cardiovasculares (PRATA, 2018; GUZZETTI et al., 2018; LU et al., 2019). Para contornar esses problemas, diversos trabalhos têm estudado a substituição dos plásticos convencionais (oriundos de fontes fósseis) por biodegradáveis (provenientes de fontes renováveis). Novos materiais vem sendo aplicados para desenvolver filmes biodegradáveis, os quais são obtidos de várias espécies de plantas, como grãos de cereais, tubérculos e fibras vegetais. O amido é formado pela amilose e amilopectina, que são polímeros de glicose, com alta disponibilidade e baixo custo (D’SILVA et al., 2015). Apesar das características biodegradáveis, os biopolímeros apresentam algumas desvantagens em relação ao desempenho. O transporte reduzido de vapor de água é um dos fatores desejáveis no filme de fécula como material de embalagem, e pode ser obtido através da mistura com polímeros como a quitosana. A maior hidrofobicidade da quitosana em comparação com a fécula de mandioca faz com que o filme obtenha maior resistência à umidade juntamente com o aumento da resistência mecânica (NOORBAKHSH-SOLTANI et al., 2018). A quitosana também apresenta propriedades antimicrobianas além de biodegradabilidade e não ser tóxica. (LOPEZ et al., 2014). Mesmo com trabalhos reportados na literatura quanto a produção e aplicação de filmes compostos a base de quitosana pode-se afirmar que o índice de pesquisa ainda é baixo, pois há limitações quanto as aplicações em tecnologias de alimentos (MUJTABA et al., 2019) Tendo em vista tudo o que foi aqui exposto, esse trabalho tem por objetivo produzir biofilmes poliméricos por meio do método de solução a base de fécula de mandioca e quitosana, analisando suas propriedades mecânicas, afim de se avaliar sua utilização em embalagens e utensílios em geral. Em paralelo foi avaliado as interações entre as concentrações dos constituintes do biofilme produzido a partir da metodologia de superfície de resposta.

Material e métodos

A fécula de mandioca do tipo I foi adquirida da empresa Alimentos Lopes (Brasil) e a quitosana da empresa Polymar (Brasil). Utilizado água destilada e ácido acético (CH3COOH) a 1% (v/v) na preparação das soluções com fécula e quitosana, respecivamente. E o glicerol foi adquirido da empresa Dinâmica Química Contemporânea (SP-Brasil). Os filmes foram produzidos a partir do método casting, utilizando de 1 a 3% de massa seca e compactos com o teor de glicerol fixado em 20% em relação à massa seca. A fécula, quitosana e glicerol foram pesados em uma balança analítica (AY220 da Marte) com resolução de 0,0001g, sendo suas composições pré- determinadas, para se obter uma estrutura concisa e que possibilitasse a realização dos ensaios mecânicos. As misturas puras foram inicialmente produzidas de acordo com cada composição do filme a ser avaliado, sendo para isto que cada mistura foi realizada sob agitação constante por um agitador magnético com aquecimento (Ref. 752A da Fisatom), por aproximadamente 40 min em um banho térmico, a uma temperatura de aproximadamente 90°C, até a completa gelatinização. A primeira mistura pura foi entre a fécula de mandioca, juntamente com o glicerol e a água destilada e a outra entre quitosana, juntamente com glicerol e ácido acético a 1% (v/v). Após a preparação das misturas puras de fécula de mandioca e quitosana foram medidas as composições de cada mistura e com o auxílio de uma proveta graduada. Enfatizando que para cada ponto da tabela anterior foi produzida uma mistura pura. 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. As espessuras dos corpos de prova foram obtidas em cinco pontos aleatórios com um micrômetro analógico da EDA com resolução de 0,01 mm.Os corpos de prova com dimensões de 2 mm x 10 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. Superfícies de respostas foram utilizadas para examinar as relações entre uma ou mais variáveis e um conjunto quantitativo de fatores experimentais. Esses métodos estatísticos foram empregados após uma triagem dos fatores importantes, que geralmente é realizada previamente por um planejamento fatorial. Após isso, foi preciso encontrar um dos níveis de fatores que maximizem a variável resposta estudada, limite de resistência a tração (LRT), módulo de elasticidade (ME) e alongamento na ruptura (Al), sendo matriz das condições experimentais e os respectivos valores reais e codificados é apresentada no item b) da figura 1.

Resultado e discussão

A figura 1 item a) mostra a influência da concentração dos constituintes dos filmes produzidos nas propriedades mecânicas. Dentre as composições estudadas, pode-se observar que os filmes 1/1 apresentaram maior limite de resistência a tração (LRT) com valor 9,341 ± 2,157 MPa, módulo de elasticidade (ME) 63,492 ± 28,884 MPa e alongamento na ruptura (AL) 23,401 ± 2,786. Nas demais composições é possível observar que com aumento na concentração de quitosana para uma mesma concentração de fécula, se eleva o LRT e módulo de elasticidade, e reduzindo o alongamento na ruptura. Sendo estas duas últimas propriedades explicadas provavelmente pela grande quantidade de bolhas produzida nas amostras, pela não dissolução completa da quitosana ao meio, ocasionando com isto concentradores de tensão nas amostras. Porém para maiores concentrações de fécula ao meio se obteve resultados satisfatórios para estas propriedades citadas, a uma menor concentração de quitosana. Um outro fator que deve enfatizar é que a concentração de glicerol foi constante (0,6%) para ambos os filmes produzidos, o que irá influenciar nestas propriedades, por ser um plastificante ao meio, garantir um maior alongamento na ruptura e menor módulo de elasticidade. Para avaliação dos efeitos causados pelas diferentes concentrações dos biofilmes produzidos, os resultados e discussão são apresentados em duas parte, sendo a primeira os gráficos das superfícies de resposta para cada variável dependente (itens a), b) e c)) e a segunda parte, o ajuste dos valores preditos e observados para cada modelo quadrático (itens d), e) e f)), os quais são apresentados na figura 2, sendo cada item a) Limite de Resistência à Tração (LRT), b) Alongamento na Ruptura (Al) ) e c) Módulo de Elasticidade (ME) e, d), e) e f) os gráficos dos valores preditos e observados para cada modelo obtido. Bem como os valores de R² de cada propriedade mecânica e o modelo codificado propostos para descrever o comportamento de cada variável podem ser observadas. A superfície desenvolvida para o LRT (MPa) informa que ambas as variáveis concentração de fécula de mandioca e quitosana, influenciam na resistência dos filmes. A fécula de mandioca para concentrações maiores que 1% torna o filme com características de um material frágil, isto para as mesmas concentrações de quitosana, sendo o valores médios reduzidos. Isto provavelmente se decorre ao fato de que a fécula de mandioca e glicerol serem de natureza hidrofílica, provocando uma absorção de água, e isto acarreta no desenvolvimento de concentradores de tensão, como visto por Rean et al. (2017). Porém com adição de quitosana na composição do filme, o a mesma proporciona um aumento no LRT, corroborando com estudo realizado por Ahmed (2016), em que afirma o aumento no LRT à medida que se aumenta a reticulação entre a matriz polimérica. A melhora também foi identificada segundo Bourtoom e Chinnan (2008), na qual se obtém tal efeito devido na composição química da quitosana se apresenta grupos de amina (NH2), e com a diluição em solução de ácido acético formam um polímero catiônico com a protonação dos grupos amina (NH3+), os quais formam ligação de hidrogênio com os grupo de hidroxila (OH-) presentes na fécula de mandioca, e as estruturas cristalinas ordenadas das moléculas da fécula de mandioca foram desfeitas devido o processo de gelatinização, derivando os grupos OH- sendo submetido a formar imediatamente ligações de hidrogênio com NH3 + da quitosana, elevando assim o LRT dos filmes. A superfície desenvolvida para o AL (%) informa que ambas as variáveis concentração de fécula de mandioca e quitosana, influenciam no alongamento na ruptura do filme, sendo que a quitosana exerce o parâmetro linear e quadrático decrescente, e isto ocorre por influência de formação de bolhas matriz do filme polimérico, ocasionando pontos de concetração de tensão, reduzindo com isto sua flexibilidade. Porém se obteve resultados satisfatórios para menores concentrações de quitosana isto a maiores concentrações de fécula de mandioca, o que de fato para estas concentrações se obteve menores ou isenta formação de bolhas. A superfície desenvolvida para o ME(MPa) é possível observar que tanto a quitosana como o amido de milho possuem influência, sendo que a quitosana a influência da flexibilidade conferida pela quitosana aumentando a plasticidade do material, para certa concentrações e logo em seguida sendo reduzida. O mesmo fato deve ser enfatizado, quanto a formação de bolhas na matriz, com acréscimo de quitosana na matriz polimérica. Esta, por sua vez, é uma propriedade diretamente proporcional ao módulo de elasticidade. Por outro lado, a fécula desempenha o parâmetro quadrático decrescente. Isso é observado, possivelmente, devido à presença da fragilidade aferida pelo amido reduzindo a plasticidade do material como analisado por Ren et al (2017). O R² obtido para cada modelo foram 0,71, 0,84 e 0,62 para LRT, AL e ME respectivamente, sendo estes valores abaixo de 0,9 (valores significativos), para o melhor ajuste do modelo quadrático. Apesar do modelos estarem com R²<0,9, os mesmos corroboraram com resultados que refletem com o que se há na literatura quanto ao filme obtido e suas respectivas propriedades mecânicas. E na segunda parte observa-se a qualidade nos ajustes de cada modelo obtido, através da figura 1, itens d), e) e f), sendo os gráficos de valores preditos versus observados, para d) LRT (MPa), e) AL(%) e f) ME (MPa), onde quanto mais os dados se ajustam à reta identidade, melhor é a qualidade do ajuste. Na qual se observa que os valores não foram muito dispersos para cada modelo quadrático obtido e ficaram próximos da reta obtida para cada parâmetro estudado.

a) Valores médios das propriedades mecânicas para biofilme e b) Matriz do valores reais e codificados relacionando as variáveis estudadas.


Gráficos de superfície de reposta a), b) e c), e dos valores preditos versus observados d), e) e f) dos modelos obtidos para cada variável estudada.

Conclusões

Nesta análise foram avaliados os diferentes parâmetros de concentração de quitosana e fécula de mandioca utilizados para obter os filmes homogêneos e compactos com o teor de glicerol fixado em 20% em relação à massa seca. A partir dos ensaios mecânicos se observa 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 fécula de mandioca. Por fim, o AL foi influenciado negativamente a partir da elevação teor de quitosana em determinadas concentrações e influenciado positivamente pelo aumento da concentração de teor fécula de mandioca em determinadas concentrações. Os modelos utilizados para análise foram representativos quanto os teores de quitosana e fécula de mandioca, pois interferem em todas as propriedades mecânicas analisadas como visto nos gráficos de superfície de reposta para cada modelo, além de ser tratado os dados na curva entre os valores preditos em relação aos observados. A partir desse estudo é possível observar que os filmes de fécula de mandioca podem melhorar o seu desempenho com a adição de determinadas concentrações de quitosana e glicerol, permitindo o desenvolvimento de filmes para uso como filmes de embalagem ou utensílios.

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, UFERSA – Campus Mossoró-RN, pelo apoio e suporte.

Referências

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