PROPRIEDADES MECÂNICAS DE FILMES A BASE DE MISTURAS BIOPOLIMÉRICAS DE ALGINATO, AMIDO DE ARROZ E GELATINA

Autores

1Assis, M.C.P.; 2Assis, J.V.; 3Aroucha, E.M.M.; 4Almeida, J.G.L.; 5Benedito, C.P.; 6Menezes, F.L.G.; 7Santos, F.K.G.; 8Leite, R.H.L.

Resumo

Os biopolímeros estão cada vez mais se mostrando uma alternativa sustentável para minimizar os impactos causados pelos plásticos no meio ambiente devido suas propriedades de não toxicidade e biodegradabilidade, como também por sua abundância e baixo custo. Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi produzir filmes utilizando polímeros naturais e determinar suas propriedades mecânicas por meio de ensaios de tração. Foram produzidos filmes a base de alginato, gelatina e amido de arroz, como também a partir de blendas destes biopolímeros. Os resultados mostram que os filmes a base de alginato apresentaram maior resistência à tração (61,470±2,16 MPa) e módulo de elasticidade (2,154±0,14 MPa); enquanto os filmes de gelatina foram os que apresentaram maior alongamento na ruptura (42,58±3,57%).

Palavras chaves

biopolímeros; ensaios de tração; polímeros naturais

Introdução

O aumento no consumo de plásticos vem causando impactos ambientais negativos com o acúmulo dos mesmos no meio ambiente, poluindo o solo, lagos, rios e oceanos e até mesmo o ar. De acordo com o estudo de Geyer, Jambeck e Law (2017), a partir de 2015, foram gerados aproximadamente 6,3 bilhões de toneladas de resíduos plásticos no mundo, dos quais 9% foram reciclados, 12% foram incinerados e 79% estão acumulados em aterros ou no ambiente natural. No ano de 2019, o Brasil gerou um total de 79 milhões de toneladas de resíduos, com os plásticos representando 16,8 % do percentual dos resíduos sólidos urbanos (ABRELPE, 2020; CEMPRE, 2019). O aterro sanitário é a principal forma para disposição final dos resíduos sólidos em nosso país, contudo, 19,7% dos resíduos não foram coletados pela administração pública municipal e encerraram seu ciclo em cenários inadequados, sem gestão e controle, ou seja, foram para lixões a céu aberto ou para os oceanos (ABIPLAST, 2015). O ecossistema aquático é o que mais sofre com o plástico, pois uma vez que esses resíduos não são gerenciados corretamente, há uma grande probabilidade destes materiais chegarem aos oceanos. Por isso, este tipo de material compõe a maior parte dos detritos encontrados no ambiente marinho em todo o mundo. Os maiores setores contribuintes para o plástico marinho são os de recreação, turismo, pesca, transporte de pellets, e drenagem urbana, principalmente em grandes centros (LI; TSE; FOK, 2016). É nesse contexto que surgem aplicações de materiais biodegradáveis, buscando reduzir os impactos ambientais que os plásticos causam no meio ambiente, tais como a fabricação de filmes a base de biopolímeros. Os biopolímeros são materiais obtidos de fontes renováveis e possuem um ciclo de vida curto se comparado aos materiais derivados de fontes fósseis como o petróleo e por isso são considerados potenciais substitutos dos plásticos convencionais, especialmente para uso em embalagens, devido à sua disponibilidade na natureza e capacidade de degradação. No entanto, para competir com os derivados fósseis, esses materiais precisam apresentar boas propriedades mecânicas (MIRI et al., 2015). Nos últimos anos, a crescente conscientização ambiental tem estimulado o desenvolvimento de materiais biodegradáveis a partir de recursos renováveis com proposito de substituir materiais não biodegradáveis que são convencionalmente utilizados nas mais diversas aplicações (FARIAS et al., 2016). Nesse cenário, os biopolímeros têm sido amplamente estudados com o objetivo de que eles possam ser uma solução viável para a eliminação ou redução de resíduos de materiais plásticos (MITELUT et al., 2015). Os materiais mais comuns para a formulação de filmes e revestimentos biodegradáveis são polissacarídeos, proteínas e lipídeos, e a combinação destes permite a produção de blendas com características melhoradas. Dentre os polissacarídeos mais utilizados para o desenvolvimento de filmes podemos destacar o alginato e o amido, e dentre as proteínas, uma que vem ganhando espaço em estudos nessa área é a gelatina bovina. (ATARÉS; CHIRALT, 2016). O alginato é extraído das algas, onde sua principal função é estrutural, conferindo resistência e flexibilidade aos tecidos (FIGUEIRA; HOTZA; BERNARDIN, 2014). A gelatina é composta por sete aminoácidos diferentes, possui estrutura de tripla-hélice e temperatura de desnaturação proteica em torno de 40 ºC. Seu processamento é feito a partir da hidrólise controlada de colágeno fibroso insolúvel, extraído de ossos e peles de animais (AHSAN; RAO, 2016). Já o amido pode ser obtido de uma grande variedade de espécies botânicas, como batata, milho, trigo e arroz, e suas propriedades de formação de filme, de barreira e mecânicas, bem como as condições de processamento, são dependentes da relação entre os conteúdos de amilose e amilopectina. Em geral, uma quantidade crescente de amilose aumenta as propriedades acima mencionadas (MENDES et al., 2016). Os polímeros naturais apresentam diferentes propriedades de formação de filme e seus filmes, uma vez formados, possuem propriedades físico-químicas mecânicas distintas (LÓPEZ et al, 2019). O objetivo deste trabalho é produzir filmes à base de amido de arroz, gelatina e alginato, puros ou em blendas, e caracterizá-los, quanto as suas propriedades mecânicas.

Material e métodos

Foram utilizadas misturas filmogênicas com 7 (sete) diferentes formulações. Partindo destas, foram preparados filmes com as mesmas variações nas concentrações de alginato, gelatina e amido de arroz. Os filmes foram produzidos a partir do método casting e utilizando 3% de massa seca. Os filmes de alginato foram dissolvidos juntamente com o plastificante (sorbitol) e água destilada sob agitação (20 rpm), mantida constante por um agitador magnético com aquecimento (Luca - 0851 da Lucade Científica LTDA) a 70ºC, por cerca de 80 minutos até completa gelatinização. A gelatina bovina, foi hidratada previamente, por uma hora, com cerca de 70% da água destilada utilizada para a composição da mistura, em seguida, o sorbitol e os 30% restantes de água destilada foram adicionados. A mistura foi novamente homogeneizada e mantida em agitação constante (20 rpm) em um agitador magnético com aquecimento (60°C), por 50 minutos. Antes de ser iniciada a produção dos filmes, o amido de arroz, foi submetido à determinação do teor de amilose e amilopectina. O amido, juntamente com o sorbitol e a água destilada foram misturados manualmente e em seguida colocados sob agitação constante em um agitador magnético com aquecimento (75°C), por 40 minutos. Após a preparação das misturas puras de alginato, gelatina e amido de arroz, foram produzidas as blendas por meio da mistura entre os biopolímeros, conforme planejamento experimental (Figura 1). Após o preparo das misturas filmogênicas, volumes equivalentes a 60 mL de cada mistura foram depositados em placas acrílicas de 15 cm de comprimento, 15 cm de largura e 1,0 cm de altura. As placas foram então encaminhadas para estufa (TE – 394/1 da TECNAL) com renovação de ar a 50°C durante 6 horas, após esse período foi possível obter filmes de matriz homogênea e coesa. Posteriormente, ocorreu a caracterização mecânica dos filmes, por meio de ensaios de tração, onde foram avaliados: limite de resistência a tração (LRT), alongamento na ruptura (AL) e módulo de elasticidade (ME). As propriedades mecânicas foram determinadas utilizando uma máquina universal de ensaios (DL 10000, da Série EMIC), que opera de acordo com a norma ASTM D882-91, a uma velocidade de ensaio de 5 mm/min com aplicação de força total de 5 kN. Os corpos de prova seguiram o mesmo padrão e foram produzidos com as dimensões de comprimento útil de 50 mm e largura de 5 mm. Os ensaios foram realizados com cinco corpos de prova para cada filme obtido. Para a análise estatística, foi realizada análise de variância (ANOVA) e teste de Tukey a 5% de probabilidade, com auxílio do software SISVAR.

Resultado e discussão

O amido de arroz utilizado na produção dos filmes apresentou os teores de amilose e amilopectina apresentados na Figura 2 (item a). Li et al. (2011) estudaram filmes de amido de milho com diferentes níveis de amilose e observaram, que o teor de amilose afeta diretamente as propriedades mecânicas dos filmes. No estudo desenvolvido por Gutiérrez et al. (2015), foram desenvolvidos e caracterizados filmes de amido de mandioca e inhame com o intuito de avaliar qual tipo de embalagem seria mais adequada para utilização desses biopolímeros. O efeito dessas diferentes fontes de amido foi visualizado nos parâmetros de resistência à tração. Ao ser identificada uma interrupção no processo de aquecimento, os autores sugeriram, que o amido de inhame exigia temperaturas mais elevadas para sua completa gelatinização, devido apresentar maior teor de amilose, desse modo, a ruptura incompleta dos grânulos de amido de inhame acabou por resultar em uma fraca interação entre as moléculas de glicerol e de amilose, o que, segundo os autores, acabou tornando os filmes de amido de inhame frágeis. Embora essas alterações tenham sido relatadas, as propriedades mecânicas avaliadas neste estudo demonstraram, segundo os autores, o elevado potencial dos biofilmes como materiais na indústria de embalagens. Após a produção dos filmes de alginato (100%), gelatina (100%), amido de arroz (100%) e das blendas de amido de arroz + alginato (50% + 50%), amido de arroz + gelatina (50% + 50%), alginato + gelatina (50% + 50%) e amido de arroz + alginato + gelatina (33% + 33% + 33%), os mesmos foram submetidos à caracterização mecânica por meio de ensaios de tração, através dos quais foram obtidos os valores de limite de resistência a tração (LRT), alongamento na ruptura (AL) e módulo de elasticidade (ME). A Figura 2 (item b) mostra os resultados obtidos das propriedades mecânicas dos filmes, expressos em resistência à tração (MPa), alongamento na ruptura (%) e modulo de Young(MPa).É possível observar na Figura 2 (item b) que a resistência à tração foi maior para o filme a base de alginato (61,47 ± 2,16 MPa), e em todas as blendas que continham esse polímero sua resistência à tração aumentou. Já blenda de amido de arroz + gelatina apresentou o menor valor de resistência à tração (6,27 ± 2,80 MPa). Em relação ao alongamento na ruptura, os valores obtidos apresentaram diferença significativa (Figura 2, item b). Os filmes a base de gelatina apresentaram os valores mais elevados (42,578 ± 3,57%), em comparação, para os filmes a base de amido de arroz os valores obtidos foram os menores (3.91 ± 2,44%). Em seu trabalho, Bierhalz et al. (2014) produziram filmes de alginato e utilizaram glicerol como plastificante. Os autores obtiveram tensão de ruptura de 94,10 MPa e alongamento de 5,38 MPa. Já no trabalho de Momoh et al. (2015), os autores avaliaram filmes de alginato (1,0 % mv-1) com relação de alginato: glicerol igual a 1:2 e obtiveram alongamento de 38,84 % e tensão de ruptura de 6,12 MPa, valores diferentes do presente trabalho. O Módulo de Young indica a rigidez do filme, sendo que, quanto maior o módulo, mais rígido é o filme. Os filmes de alginato e amido de arroz foram os que apresentaram maior rigidez, quando comparados com dos demais filmes deste trabalho (Figura 2, item b). Os filmes de gelatina foram os que apresentaram menor rigidez.



Figura 1 - Planejamento experimental

Concentração dos compostos utilizados em cada formulação.

Figura 2

a) Teor de amilose e amilopectina em % para amido de arroz. b) Valores obtidos das propriedades mecânicas dos filmes.

Conclusões

As soluções filmogênicas de alginato, amido de arroz e gelatina, apresentaram características apropriadas para obtenção de filmes biopoliméricos, tanto puros como em blendas. Ao observar e analisar as características dos filmes, pode-se dizer que há grandes possibilidades de utilizá-los, principalmente em embalagens de alimentos. Vários estudos já vêm sendo realizados com alginato e gelatina, mas os estudos são escassos em relação ao amido de arroz. Neste trabalho foi possível avaliar nos ensaios mecânicos que o amido não foi tão eficiente se comparado com o alginato e a gelatina.

Agradecimentos

Agradecemos a Universidade Federal Rural do Semi-Árido pelo suporte técnico.

Referências

ABRELPE. Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil. Associação Brasileira das Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais, p.52, 2020.

AHSAN, S. M.; RAO, M. Structural studies on aqueous gelatin solutions: Implications in designing a thermo-responsive nanoparticulate formulation International. Journal of. Biological. Macromolecules. V. 3, p. 1-8, 2016.

ABIPLAST. Perfil 2015 da Indústria Brasileira de Transformação e Reciclagem de Material Plástico. Associação Brasileira da Indústria do Plástico, 2015.

ASTM D882-91. (1996). Standard test methods for tensile properties of thin plastic sheeting. Annual Book of Standards.

ASTM E96-95. (1995). Standard Test Method for Water Vapor Transmission of Materials. Annual Book of Standards.

BIERHALZ, A. C. K.; DA SILVA, M. A.; BRAGA, M. E. M.; SOUSA, H. J. C.; KIECKBUSCH, T. G. Effect of calcium and/or barium crosslinking on the physical and antimicrobial properties of natamycin-loaded alginate films. LWT - Food Science and Technology, v. 57, n. 2, p. 494–501, 2014.

CEMPRE. CEMPRE Review. Compromisso Empresarial para Reciclagem, 2019.

FARIAS, S. S. de; SIQUEIRA, S. M. C.; CRISTINO, J.H.S; ROCHA, J.M. da. Biopolímeros: uma alternativa para promoção do desenvolvimento sustentável. Revista Geonorte, v.7, n.26, p.61-77, 2016.

FIGUEIRA, F. C.; HOTZA, D.; BERNARDIN, A. M. Obtenção de granilhas por gelificação de suspensões cerâmicas. Cerâmica, v. 60, n. 356, p. 457-464, 2014.

GEYER, R.; JAMBECK, J. R.; LAW, K. L. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, v. 3, n. 7, p. e1700782, 2017.

GUTIÉRREZ, T. J.; MORALES, N. J.; PÉREZ, E.; TAPIA, M. S.; FAMÁ, L. Physico-chemical properties of edible films derived from native and phosphated cush-cush yam and cassava starches. Food Packaging and Shelf Life. V. 3, p. 1–8, 2015.

LI, W. C.; TSE, H. F.; FOK, L. Plastic waste in the marine environment: A review of sources, occurrence and effects. Science of the Total Environment, v. 566–567, p. 333–349, 2016.

LI, M.; LIU, P.; ZOU, W.; YU, L.; XIE, F.; HAUYIN, P.; LIU, H.; CHEN, L. Extrusion processing and characterization of edible starch films with different amylose contents Journal of Food Engineering, V. 106, p. 95-101, 2011.

LÓPES, D. D.; GRARCÍA-QUESADA, J. C.; MARTIN-GULLON, I.; MONTALBÁN, G. Influence of Starch Composition and Molecular Weight on Physicochemical Properties of Biodegradable Films. Polymers, 11, 1084; 2019.

MENDES, J. F.; PASCHOALIN, R. T.; CARMONA, V. B.; NETO, A. R. S.; MARQUES, A. C. P.; MARCONCINI, J. M.; MATTOSO, L. H. C.; MEDEIROS, E. S.; OLIVEIRA, J. E. Biodegradable polymer blends based on corn starch and thermoplastic chitosan processed by extrusion. Carbohydrate Polymers, v. 137, p. 452–458, 2016.

MITELUT, A. et al. Sustainable alternative for food packaging: chitosan biopolymer - a Review. AgroLife Scientific Journal, v. 4, n. 2, p. 52–61, 2015.

MIRI, N. E.; ABDELOUAHDI, K.; BARAKAT, A.; ZAHOUILY, M.; FIHRI, A.; SOLHY, A.; ACHABY, M.E. Bio-nanocomposite films reinforced with cellulose nanocrystals: Rheology of film forming solutions, transparency, water vapor barrier and tensile properties of films. Carbohydrate Polymers, v. 129, p. 156-167, 2015.

MOMOH, F. U.; BOATENG, J. S.; RICHARDSON, S. C. W.; CHOWDHRY, B. Z.; MITCHELL, J. C. Development and functional characterization of alginate dressing as potential protein delivery system for wound healing. International Journal of Biological Macromolecules, v. 81, p. 137–150. 2015.

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