ÁREA
Química de Materiais
Autores
Martins, M.L. (UFERSA) ; Gomes, (UFPB) ; Leite, R.H.L. (UFERSA) ; Aroucha, E.M.M. (UFERSA) ; Santos, F.K.G. (UFERSA) ; Nascimento, F.J.S.C. (UFERSA) ; Soares, M.Y.T. (UFERSA) ; Bezerra, M.C.M. (UFERSA)
RESUMO
A finalidade deste trabalho foi avaliar o efeito da composição de biocompósitos a base de amido de milho nos parâmetros de cor utilizando um planejamento de mistura simplex-centroide. Para a produção foi utilizado o método de moldagem e foi observado um aumento no valor de a* dos biocompósitos com o aumento das concentrações da cera de carnaúba e fibra da folha da coroa do abacaxi, enquanto que com o aumento da concentração do amido de milho ocorreu uma redução no valor de a*. O valor de b* aumentou com a elevação na concentração de cera de carnaúba e reduziu com o aumento na concentração do amido de milho. Enquanto que o valor de L reduziu com o aumento da concentração da fibra e aumentou com a elevação da concentração do amido e da cera, especialmente em baixas concentrações da fibra.
Palavras Chaves
Cera de carnaúba; Fibra da folha do abacaxi; Moldagem
Introdução
Com o aumento da produção e uso de embalagens plásticas nos últimos anos em todo o mundo, surge uma preocupação com a sustentabilidade dos recursos e a quantidade de resíduos gerados. A fim de contribuir para solução deste problema, vários estudos vêm sendo realizados com o objetivo de melhorar o gerenciamento destes resíduos plásticos propondo um modelo de economia circular (ROBAIANA et al., 2020; LOMBARDI; RANA; FELLNER, 2021; PICUNO et al., 2021; PINCELLI et al., 2021). Uma das propostas desse modelo é a articulação resíduos-recursos para recolocar matérias-primas secundárias no mercado (ROBAIANA et al., 2020). A folha da coroa do abacaxi, uma fibra lignocelulósica, aparece como um desses resíduos agrícolas com potencialidade de se tornar matéria-prima, especialmente na produção de biocompósitos, que são materiais biodegradáveis e produzidos a partir de fontes renováveis (TODKAR; PATIL, 2019). A adição de fibras lignocelulósicas nos biocompósitos tem a finalidade de aumentar a resistência mecânica, visto que possuem uma resistência mais elevada que as matrizes biopoliméricas, elevando a resistência por meio da transferência de tensão, conforme observado por outros autores (ENGEL; AMBROSI; TESSARO, 2019; GOMES et al., 2019; MALEKZADEH; TATARI; FIROUZABADI, 2023). Outro recurso obtido a partir de fontes renováveis e utilizado na produção de biocompósitos é a cera de carnaúba, que por possuir uma característica hidrofóbica, aumenta a resistência à absorção de água pelos biocompósitos, em especial os de matrizes de amido que apresenta um caráter hidrofílico (SANTOS et al., 2017; DEVI et al., 2022). Além das propriedades mecânicas e de absorção de água dos biocompósitos, as suas propriedades ópticas devem ser consideradas, visto que a cor dos polímeros utilizados na indústria de embalagens são fundamentais na comercialização e atração do cliente (KAZEMI et al., 2023). Dessa forma, este trabalho tem por finalidade avaliar o efeito dos componentes amido de milho, cera de carnaúba e fibra da folha da coroa do abacaxi nos parâmetros de cor a* (variação entre o verde e o vermelho), b* (variação entre o amarelo e o azul) e L (variação entre o branco e o preto) dos biocompósitos produzidos pelo método de moldagem (casting) utilizando um planejamento de mistura simplex-centroide.
Material e métodos
Os biocompósitos foram produzidos pelo método de moldagem (casting) utilizando 35% de massa seca. Para a produção foram utilizados amido de milho, cera de carnaúba tipo I, fibra da folha da coroa do abacaxi em pó (entre 0,250 e 1,000 mm), glicerol e Tween 80. A pesagem dos materiais foi realizada em uma balança analítica de precisão digital (AY220 da Marte) com resolução de 0,0001g. Em um banho térmico a 90°C e sob agitação constante em um agitador magnético com aquecimento LUCA-0851 da Lucadema foram misturados o amido de milho, o glicerol e a água destilada, até a gelatinização completa do amido. Enquanto que a cera de carnaúba e o Tween 80 foram misturados sob agitação constante a 90°C, até formar uma emulsão, na qual o amido gelatinizado foi adicionado em pequenas quantidades até homogeneizar. O pó da folha da coroa do abacaxi foi incorporado a esta mistura. Subsequentemente, os biocompósitos foram prensados e, após desmoldados, encaminhados para secagem em uma estufa com renovação de ar TE- 394/1 da TECNAL a 60°C durante 72 h. Foi realizada a medição da cor dos biocompósitos usando um colorímetro portátil CR-10 da Konica Minolta, obtendo-se assim a luminosidade (L) e as coordenadas a* e b*. Foram realizadas cinco medidas para cada corpo-de-prova e calculada a média. Para o estudo do padrão de resposta foi utilizado um planejamento experimental de mistura simplex-centroide com três variáveis independentes, que foram os teores de polímero, cera e fibra. Estas variáveis codificadas (pseudocomponentes) estão escritas em função dos componentes originais, onde o pseudocomponente rico em polímero (A) é composto por 80% de amido de milho e 20% de glicerol, o rico em cera (C) por 75% de cera de carnaúba e 25% de Tween 80, enquanto que o rico em fibra (F) por 100% de fibra da folha da coroa do abacaxi. As variáveis dependentes avaliadas foram L, a* e b*, para as quais foi realizado um ajuste de um modelo de regressão polinomial linear quadrático para a* e L, que pode ser observado na Equação 1, e por um modelo de regressão polinomial linear para b*, conforme observado na Equação 2. Y= αAXA + αCXC + αFXF + αACXAXC + αAFXAXF + αCFXCXF (Eq. 1) Y= αAXA + αCXC + αFXF (Eq. 2) Onde Y é a variável dependente, αA, αC, αF, αAC, αAF e αCF são os coeficientes de regressão, enquanto que XA, XC e XF são as variáveis independentes associadas aos pseudocomponentes ricos em polímero, cera e fibra, respectivamente. Um planejamento de mistura simplex-centroide consiste de 2k – 1 pontos, onde k é o número de componentes, portanto o delineamento para três componentes foi composto por 7 ensaios com duas repetições no ponto central (HINKELMANN; KEMPTHORNE, 2008). As proporções em cada ponto de mistura podem ser observadas na Tabela 1. O software Statistica® 12.5 (StatSoft, Inc., USA) foi utilizado na análise dos dados para plotagem das curvas de contorno, análise de variância e teste F para verificar se os modelos eram estatisticamente significativos com p < 0,05.
Resultado e discussão
Na Tabela 1 é possível observar os valores médios dos parâmetros de cor a*, b* e
L dos biocompósitos, bem como a composição dos pseudocomponentes e seus valores
codificados.
A luminosidade (L) varia de 0 (preto/opaco) a 100 (branco), enquanto que a
coordenada a* representa verde (negativo) e vermelho (positivo), e a coordenada
b* representa azul (negativo) e amarelo (positivo) (MENEZES et al., 2021). Dessa
forma, é possível observar que os efeitos visuais mais pronunciados foram
encontrados nos tons avermelhado e amarelado, visto que todos os valores de a* e
b* foram positivos. Os valores médios da luminosidade (L) indicam um
escurecimento com relação aos biopolímeros de amido, sem a presença de fibras
lignocelulósicas, os quais apresentam valores elevados entre 84,36-92,3
(CARISSIMI; FLÔRES; RECH, 2018; BOEIRA et al., 2022; MALEKZADEH; TATARI;
FIROUZABADI, 2023). Dessa forma, a cor apresentada pelos biocompósitos foi um
amarelo alaranjado mais escuro, conforme a aparência na Figura 1 (d). Essa
tonalidade torna a aplicação desses biocompósitos limitada à indústria de
embalagens de produtos não afetados pela alteração da cor branca.
Na Tabela 2 é possível observar os coeficientes de regressão, bem como os
valores de R2 e Raj (ajustado) dos modelos obtidos para a*, b* e L. Alguns
coeficientes foram ignorados para a obtenção do melhor ajuste e somente os
coeficientes de regressão significativos foram utilizados na construção do
modelo.
Na Figura 2 podem ser visualizadas as curvas de contorno geradas para verificar
o comportamento dos parâmetros a*, b* e L em função da composição dos
biocompósitos.
Os valores de a* dos biocompósitos foram ajustados com um modelo quadrático (p <
0,05; R2 = 0,954), cujos coeficientes de regressão podem ser observados na
Tabela 1, juntamente com a curva de contorno deste modelo na Figura 1 (a).
Com o aumento da concentração de XA, referente ao amido, ocorre uma redução no
valor de a*, que é indicada pelo baixo coeficiente de regressão deste
componente, que é 9,566. Isso também pode ser observado com a diminuição dos
valores médios de a* nos ensaios 3, 6 e 1, os quais apresentam em sua composição
50%, 65% e 80% do biopolímero de amido, nessa ordem. Isso pode ser explicado
pela cor branca intrínseca ao amido, o que faz com que os valores de a* estejam
mais próximos de 0, como observado em outros trabalhos com um valor de a* baixo
em biopolímeros sem adição de reforço, com valores de 1,81 (BOEIRA, et al.,
2022), 0,80-1,60 (TIRADO et al., 2019) e – 0,02 (PELISSARI et al., 2017). Por
outro lado, com o aumento da concentração tanto de XC, referente à cera, quanto
de XF, correspondente à fibra da folha do abacaxi, há um aumento no valor de a*,
especialmente com a elevação deste último componente, que apresenta um
coeficiente de regressão de 11,701, enquanto o coeficiente de regressão de XC é
10,566. Além disso, em baixas concentrações de cera há um aumento exponencial do
valor de a*, visto que há uma elevação no valor da relação positiva
significativa entre XA e XF. Observa-se também um aumento nos valores médios de
a* com o aumento de XC nos ensaios 1, 4 e 2, que possuem, respectivamente, 10%,
25% e 40% de cera na composição. Esse mesmo comportamento é observado com o
aumento de XF nos ensaios 2, 5 e 3, os quais apresentam, respectivamente, 10%,
25% e 40% de fibra. Santos et al. (2017) também observaram um aumento no valor
de a* com a adição de cera de carnaúba em filmes de quitosana, enquanto que o
aumento desse parâmetro com a elevação da fibra da folha do abacaxi, está
relacionado à presença da lignina na estrutura das fibras lignocelulósicas
(NITHIKARNJANATHARN; SAMSALEE, 2022; MALEKZADEH; TATARI; FIROUZABADI, 2023) como
é o caso da fibra utilizada neste trabalho que possui entre 4,4% e 15,4% de
lignina em sua composição (TODKAR; PATIL, 2019).
Os valores de b* dos biocompósitos foram ajustados com um modelo linear (p <
0,05; R2 = 0,872), do qual os coeficientes de regressão podem ser observados na
Tabela 1 e a curva de contorno na Figura 1 (b).
Pode-se observar um aumento no valor de b* com o aumento da concentração de XC,
o que é indicado pelo seu coeficiente de regressão de 37,355, bem como pelo
aumento nos valores médios de b* com o aumento de XC nos ensaios 1, 4 e 2, que
possuem, nesta ordem, uma concentração de 10%, 25% e 40% de cera em sua
composição. Esse comportamento pode ser explicado pelo tom de amarelo intrínseco
à cera de carnaúba tipo 1 (SANTOS et al., 2017). Com o aumento da concentração
de XA, é visto uma redução no valor de b*, indicada pelo seu coeficiente de
regressão de 34,195. Esse comportamento é igualmente observado pela redução nos
valores médios de b* com o aumento da concentração do biopolímero de amido de
milho nos ensaios 3, 6 e 1, os quais apresentam em sua composição 50%, 65% e 80%
do biopolímero de amido, respectivamente. Isso é devido à cor branca inerente ao
amido e que faz com que os valores de b* diminuam, se aproximando de 0. Enquanto
que a variação na concentração de XF, que corresponde à fibra da folha do
abacaxi, praticamente não apresenta variação no valor de b*.
Os valores da luminosidade (L) dos biocompósitos foram ajustados com um modelo
quadrático (p < 0,05; R2 = 0,976), cujos coeficientes de regressão podem ser
observados na Tabela 1, junto com a curva de contorno deste modelo na Figura 1
(c).
Com o aumento na concentração de XF, correspondente à fibra da folha da coroa do
abacaxi, é possível observar uma redução abrupta no valor de L, principalmente
em baixas concentrações de amido, o que eleva o valor da relação negativa
significativa entre XC e XF com coeficiente de regressão igual a – 9,504. Esse
comportamento é indicado por meio do seu baixo coeficiente de regressão de
43,481, assim como pela redução nos valores médios de L com a diminuição de XF
nos ensaios 2, 5 e 3, que apresentam em sua composição, respectivamente, 10%,
25% e 40% de fibra. Isso ocorre devido à presença da lignina nas fibras
lignocelulósicas, a qual reduz a luminosidade dos biocompósitos como também foi
observado por Nithikarnjanatharn e Samsalee (2022) e Malekzadeh, Tatari e
Firouzabadi (2023). Por outro lado, foi observado um aumento no valor de L com a
elevação da concentração de XC, que corresponde à cera de carnaúba,
especialmente em baixas concentrações de XF, o que reduz o valor da relação
negativa significativa entre XC e XF. Esse aumento pode ser visto por meio do
elevado coeficiente de regressão no valor de 51,799 e pelo aumento nos valores
médios de L com o aumento de XC nos ensaios 1, 4 e 2, que possuem,
respectivamente, uma concentração de 10%, 25% e 40% de cera de carnaúba em sua
composição. Esse comportamento pode ser devido à elevada luminosidade da cera de
carnaúba tipo 1. Pode-se observar também um ligeiro aumento no valor de L com o
aumento da concentração de XA, que é referente ao biopolímero de amido. Esse
comportamento é indicado pelo seu coeficiente de regressão no valor de 44,521, o
qual é um pouco maior que o coeficiente de regressão de XF, bem como pelo
ligeiro aumento nos valores médios de L dos biocompósitos com o aumento de XA
nos ensaios 3, 6 e 1, os quais apresentam em sua composição, respectivamente,
50%, 65% e 80% do biopolímero. Esse comportamento pode ser explicado pela
elevada luminosidade apresentada pelos biopolímeros de amido, sem a presença de
fibras lignocelulósicas, com valores de 84,36 (MALEKZADEH; TATARI; FIROUZABADI,
2023) e 90,51 (BOEIRA et al., 2022).
Conclusões
Com os resultados obtidos, pode-se observar que os efeitos visuais mais pronunciados foram vistos nos tons avermelhado e amarelado, visto que todos os valores de a* e b* foram positivos com valores médios entre 9,6-11,7 e 34,2-37,3, respectivamente. Os valores médios da luminosidade (L) foram entre 43,4 e 51,7, indicando um escurecimento com relação aos biopolímeros de amido. Desse modo, a cor apresentada pelos biocompósitos foi um amarelo alaranjado mais escuro. Observou-se um aumento significativo (p < 0,05) no valor de a* dos biocompósitos com o aumento das concentrações dos componentes cera de carnaúba e fibra da folha da coroa do abacaxi, enquanto que com o aumento do biopolímero de amido de milho ocorreu uma redução no valor de a*. Por outro lado, o valor de b* aumentou com a elevação na concentração de cera de carnaúba e reduziu com o aumento na concentração do amido de milho nos biocompósitos. Enquanto que o valor da luminosidade (L) se reduz abruptamente com o aumento da concentração da fibra da folha do abacaxi, especialmente em baixas concentrações de amido de milho, e aumenta com a elevação da concentração do amido de milho, bem como da cera de carnaúba, principalmente em baixas concentrações da fibra da folha do abacaxi.
Agradecimentos
Os autores agradecem à UFERSA pelo apoio financeiro.
Referências
BOEIRA, C. P.; FLORES, D. C. B.; ALVES, J. S.; MOURA, M. R.; MELO, P. T. S.; ROLIM, C. M. B.; LIBRELOTTO, D. R. N.; ROSA, C. S. Effect of corn stigma extract on physical and antioxidant properties of biodegradable and edible gelatin and corn starch films. International Journal of Biological Macromolecules, v. 208, p. 698-706, 2022.
CARISSIMI, M.; FLÔRES, S. H.; RECH, R. Effect of microalgae addition on active biodegradable starch film. Algal Research, v. 32, p. 201-209, 2018.
DEVI, L. S.; KALITA, S.; MUKHERJEE, A.; KUMAR, S. Carnauba wax-based composite films and coatings: recent advancement in prolonging postharvest shelf-life of fruits and vegetables. Trends in Food Science & Technology, v. 129, p. 296-305, 2022.
ENGEL, J. B.; AMBROSI, A.; TESSARO, I. C. Development of biodegradable starch based foams incorporated with grape stalks for food packaging. Carbohydrate Polymers, v. 225, p. 1-10, 2019.
GOMES, A. V. R.; LEITE, R. H. L.; SILVA JÚNIOR, M. Q.; SANTOS, F. K. G.; AROUCHA, E. M. M. Influence of Composition on Mechanical Properties of Cassava Starch, Sisal Fiber and Carnauba Wax Biocomposites. Materials Research, v. 22, p. 1-9, 2019.
HINKELMANN, O; KEMPTHORNE, O. Design and Analysis of Experiments, Volume 1: Introduction to Experimental Design. New Jersey, EUA: John Wiley & Sons, 2ª Ed, 2008.
LOMBARDI, M.; RANA, R.; FELLNER, J. Material flow analysis and sustainability of the Italian plastic packaging management. Journal of Cleaner Production, v. 287, p. 1-9, 2021.
MALEKZADEH, E.; TATARI, A.; FIROUZABADI, M. D. Preparation, characteristics, and soil-biodegradable analysis of corn starch/nanofibrillated cellulose (CS/NFC) and corn starch/nanofibrillated lignocellulose (CS/NFLC) films. Carbohydrate Polymers, v. 309, p. 1-12, 2023.
MENEZES, F. L. G.; LEITE, R. H. L.; SANTOS, F. K. G.; ARIA, A. I.; AROUCHA, E. M. M. TiO2-enhanced chitosan/cassava starch biofilms for sustainable food packaging. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 630, p. 1 10, 2021.
NITHIKARNJANATHARN, J.; SAMSALEE, N. Effect of cassava pulp on Physical, Mechanical, and biodegradable properties of Poly (Butylene-Succinate)-Based biocomposites. Alexandria Engineering Journal, v. 61, p. 10171-10181, 2022.
PELISSARI, F. M.; MAHECHA, M. M. A.; SOBRAL, P. J. D. A.; MENEGALLI, F. C. Nanocomposites based on banana starch reinforced with cellulose nanofibers isolated from banana peels. Journal of Colloid and Interface Science, v. 505, p. 154-167, 2017.
KAZEMI, M.; JAHANBIN, K.; OJAGH, S. M.; ABDOLLAHI, M. Development of antimicrobial gelatin-ulvan-beeswax composite films: Optimization of formulation using mixture design methodology. International Journal of Biological Macromolecules, v. 231, p. 1-11, 2023.
PICUNO, C.; ALASSALI, A.; CHONG, Z. K.; KUCHTA, K. Flows of post-consumer plastic packaging in Germany: An MFA-aided case study. Resources, Conservation & Recycling, v. 169, p. 1-10, 2021.
PINCELI, I. P.; CASTILHOS JÚNIOR, A. M.; MATIAS, M. S.; RUTKOWSKI, E. W. Post-consumer plastic packaging waste flow analysis for Brazil: The challenges moving towards a circular economy. Waste Management, v. 126, p. 781-790, 2021.
ROBAIANA, M.; MURILLO, K.; ROCHA, E.; VILLAR, J. Circular economy in plastic waste - Efficiency analysis of European countries. Science of the Total Environment, v. 730, p. 1-12, 2020.
SANTOS, F. K. G.; OLIVEIRA SILVA, K. N.; XAVIER, T. D. N.; LEITE, R. H. L.; AROUCHA, E. M. M. Effect of the Addition of Carnauba Wax on Physicochemical Properties of Chitosan Films. Materials Research, v. 20, p. 479-484, 2017.
TIRADO, J. P. C.; VEJARANO, R.; BLÁCIDO, D. R. T.; JÁUREGUI, G. B.; SICHE, R. Biodegradable foam tray based on starches isolated from different Peruvian species. International Journal of Biological Macromolecules, v. 125, p. 800-807, 2019.
TODKAR, S. S.; PATIL, S. A. Review on mechanical properties evaluation of pineapple leaf fibre (PALF) reinforced polymer composites. Composites Part B, v. 174, p. 1-16, 2019.
