82814151 - cobeq

ELABORAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOFILMES À BASE DE ZEÍNA
1
1
2
Beatriz Mariani Corrêa, 2 José Francisco Lopes Filho
Bolsista de iniciação Científica FAPESP/Ibilce/UNESP, discente do curso de Engenharia de Alimentos
Professor do Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas da UNESP/São José do Rio Preto - SP
1,2
Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”. Rua
Cristóvão Colombo, 2265, Campus de São José do Rio Preto – SP, CEP 15054-000
e-mail: [email protected]
RESUMO – A zeína é a principal proteína do milho contida no endosperma do
grão. Devido ao seu baixo valor agregado vem sendo utilizada basicamente
em formulações para ração animal. Em busca de alternativas para sua utilização de forma a agregar um maior valor, vem sendo desenvolvido resinas poliméricas biodegradáveis com base nessa proteína. Além de aumentar seu
valor, há também grandes vantagens econômicas para as indústrias moageiras e produtores do grão de milho. A zeína possui grau de polimerização duas
vezes maior que o necessário para produzir polímeros lineares de poliamida/poliésteres e quando processada com ácido oléico produz filmes plásticos
flexíveis e transparentes com propriedades que permitem seu uso na área
agrícola, de alimentos, odontologia, entre outros. Como é matéria orgânica,
contribui para atender a crescente demanda por materiais biodegradáveis que
não poluam o meio ambiente.
Palavras-Chave: zeína, biofilme, biodegradável
INTRODUÇÃO
O grão de milho possui aproximadamente
70 a 73% de amido, 9 a 10% de proteínas, 4 a 5%
de óleos, 1 a 2% de cinzas, 2% de açúcares e 9 a
10% de fibras (JACKSON & SHANDERA, 1995).
Em função de sua composição química e valor
nutritivo, destaca-se como um dos mais
importantes cereais cultivados e consumidos em
todo mundo, seja na alimentação humana ou
animal (NUSSIO, 1990).
O Brasil, como terceiro maior produtor
mundial de milho e primeiro do mercosul, tem
cerca de 15% de sua produção destinada ao
consumo industrial nos processos de moagem
seca e úmida. A moagem úmida é um processo
que
envolve
transformações
químicas,
bioquímicas e operações mecânicas (SINGH et
al., 1996) e, através do qual se inicia o
refinamento para a obtenção dos produtos
derivados básicos: germe, fibra, proteína (glúten)
e amido (LOPES FILHO, 1999).
Apesar
dos
crescentes
estudos
desenvolvidos nos últimos anos relacionados ao
processo de moagem úmida, há a necessidade
de buscar alternativas de uso dos subprodutos
obtidos, principalmente para os de menor valor
agregado como as frações de fibra e glúten, que
vem sendo utilizados basicamente para ração
animal. A elaboração de outros produtos
utilizando esses componentes permitirá agregar
valor, proporcionando melhores alternativas de
uso, porém, novas tecnologias devem ser
desenvolvidas.
Há um interesse considerável em substituir
plásticos sintéticos por polímeros biodegradáveis.
Recentemente, muitos grupos de pesquisa têm
concentrado seus trabalhos no desenvolvimento
de misturas biodegradáveis do polímero ou compostos de amido (GASPAR et. al., 2005), glúten
de milho e zeína (WU et. al., 2003b). Na maioria
dos casos, os biopolímeros comercialmente disponíveis contêm uma quantidade significativa de
materiais não desejados após a extração/processo de isolação.
O conteúdo de proteínas nos diferentes
tipos de milho varia entre 6 a 12% na base seca,
sendo que 75% destes componentes estão
contidos no endosperma. De acordo com Landry
e Moureaux (1970), as proteínas do grão de milho
podem ser classificadas em quatro frações, como
albunina, globulina, glutelina e prolamina (zeína).
Destas, 20% são proteínas solúveis em água
(albumina e globulina), 40% são solúveis em
álcool (prolamina) e 40% são insolúveis em água
e álcool (glutelina) (FORATO, 2000).
A maioria das glutelinas torna-se solúveis
em álcool, como as prolaminas, devido à redução
das ligações dissulfetos, e também têm sido
classificadas como prolaminas (zeínas) por várias
semelhanças de seqüências de aminoácidos.
Assim, a zeína representa cerca de 80% das
proteínas do milho, tornando-se a principal
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
proteína contida no endosperma do grão
(FORATO, 2000).
A zeína é produzida comercialmente, ainda
de forma limitada, a partir do glúten do milho,
subproduto da moagem úmida de pouco valor
comercial. O processo de extração convencional
da zeína é feito por solução aquosa de álcool que
deve ser removido ao final por evaporação obtendo-se a fração protéica mais ou menos pura, dependendo da eficiência de remoção do solvente
(CARTER e RECK, 1970; REINERS et al., 1973).
Para a elaboração de uma solução
filmogênica são necessários constituintes básicos
como polímeros de alto peso molecular,
denominados agentes formadores (lipídeos,
proteínas e polissacarídeos), solvente (água e
etanol), agente plastificante/plasticizante (glicerol,
sorbitol e triacetina) e agente ajustador de pH
(BATISTA, 2004).
A zeína possui um grau de polimerização
duas vezes maior que o necessário para produzir
polímeros de poliamida/poliéster que quando
processada com ácido oléico produz filmes
plásticos,
flexíveis
e
transparentes
com
propriedades que permitem seu uso na área
agrícola, de alimentos, odontológica e outras.
O desenvolvimento de resinas poliméricas
biodegradáveis a partir de zeína tem um grande
potencial de diversificação de mercado para a
utilização da fração protéica do milho. Este
aumento do valor agregado ao subproduto do
milho é de grande importância econômica para as
indústrias moageiras de milho, incluindo as de
pequeno porte que trabalham com moagem seca.
Contudo, é também de grande valia para os
produtores do grão que serão beneficiados pela
maior necessidade industrial do produto, além de
contribuir para atender a crescente demanda por
materiais biodegradáveis que não poluam o meio
ambiente.
OBJETIVO
O objetivo desta pesquisa foi produzir
filmes biodegradáveis a base de zeína (zeínaácido oléico) através do processo “casting” e
identificar algums de suas propriedades físicas
como
a
solubilidade
em
água,
opacidade/transparência e permeabilidade ao
vapor d’ água.
METODOLOGIA
Foi utilizada para o estudo a zeína
comercial obtida na indústria “Freeman Industries,
Inc. NY, USA” devidamente moída com
granulometria homogênea, solução de etanol,
plasticizantes e emulsificantes.
Preparação do biofilme
Para a formação dos biofilmes, a zeína
(20g/100ml de etanol 75%) e ácido graxo oléico
(70g/100g de proteína) foram solubilizados em
solução aquosa de etanol 75% e agitados por 10
minutos aproximadamente a 65°C segundo Kleen
et al., (2002) com adaptações. Glicerol (30g/100g
de proteína) foi adicionado como coadjuvante do
agente plastificante. Em seguida, essa solução foi
aplicada em placas retangulares de acrílico e o
material mantido a temperatura ambiente (25°C)
sobre superfície nivelada durante 48h para a
secagem.
Após esse período os filmes foram
retirados das placas e armazenados em
dessecadores (58% UR a 25°C) durante três dias
para posteriores análises.
Caracterização do biofilme
A escolha dos filmes apropriados para a
caracterização foi feita através de análises táteis e
visuais, logo após o processo de secagem. Este
procedimento permitiu selecionar apenas os
filmes que apresentaram homogeneidade no
tocante à espessura e coloração, com ausência
total de partículas insolúveis, e ainda sem
apresentarem rupturas ou regiões quebradiças.
Outras características importantes levadas
em conta foram à continuidade e facilidade na
remoção dos filmes do suporte. Deste modo, com
vistas a não comprometer os resultados das
análises, os filmes e formulações que não se
adequaram
às
características
descritas
anteriormente foram descartados.
Espessura: A estratégia adotada para
definir a espessura dos filmes foi com base na
aplicação da média aritmética considerando seis
pontos aleatórios em diferentes zonas dos filmes,
cujas medidas foram obtidas com o emprego de
um micrometro digital, (modelo Digimess,
resolução 0,001 mm).
Opacidade/transparência: A opacidade
aparente dos filmes foi determinada em um
espectrofotômetro (Bioespectro, SP-220), como
proposto por Gounga (2007) e Cao (2006). Os
filmes foram cortados em retângulos e aderidos a
parede interna da cubeta do espectrofotômetro.
Foram feitas seis medidas para cada filme. A
opacidade dos filmes foi calculada através da
equação 1:
Opacidade = A 600
X
(1)
Permeabilidade ao vapor d’água: A
permeabilidade ao vapor d’ água (PVA) dos filmes
foi determinada gravimetricamente a 25°C
utilizando o método padrão E-96-95 da ASTM
com adaptações (ASTM, 1995). As amostras dos
filmes foram seladas em células de permeação de
acrílico, hermeticamente fechadas e contendo
sílica gel em seu interior (0% UR, 0mmHg de
pressão de vapor d’ água). Essas células foram
acondicionadas em dessecadores com água
destilada (100% UR, 23,76mmHg de pressão de
vapor d’ água). As células de permeação de
acrílico com abertura circular (diâmetro 3,4cm)
possuíam área de exposição dos filmes de 9,08
cm2. As determinações foram feitas em triplicata.
O cálculo dos valores de PVA foi obtido utilizando
a equação 2:
(2)
A
determinação
da
Solubilidade:
solubilidade (SOL) foi realizada em triplicata
conforme Davanço (2006) e Viega-Santos (2004)
Inicialmente, três discos da amostra de filme de
2,0 cm de diâmetro, foram cortados e submetidos
a secagem a 105°C por 24h, sendo
posteriormente pesados. As amostras foram
imersas em 50 ml de água destilada, mantidas
sobre agitação lenta e constante por 24h a
temperatura de 25°C em shaker (Marconi MA410). Os fragmentos de filmes restantes foram
então retirados do shaker e secos em estufa a
105°C por 24h para determinação da massa seca
final dos mesmos. A solubilidade foi calculada
como a relação entre a matéria seca final e a
matéria seca inicial, utilizando-se a equação 3.
(3)
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após a conclusão das análises em
laboratório, os dados obtidos foram analisados
através do programa Microsoft Office Excel.
Espessura
Todos os filmes apresentaram-se flexíveis,
transparentes e homogêneos em espessura,
sendo esta igual a 0,11 ± 0,01mm.
Opacidade/transparência
A opacidade/transparência do biofilme de
zeína
foi
comparada
com
a
opacidade/transparência de um filme comercial de
polietileno.
Na Tabela 1 observa-se que o biofilme de
zeína apresentou-se menos transparente quando
comparado ao filme comercial de polietileno.
Tabela 1 – Opacidade/transparência dos filmes
de zeína e de polietileno comercial
Absorbância
Opacidade/
Material
a 600nm
transparência
(Abs)
(Abs.nm)
Biofilme de
zeína
1,399 ± 0,06
6,402 ± 0,09
Filme
comercial de
polietileno
0,046 ± 0,01
2,657 ± 0,09
Os valores da Tabela 1 indicam que o ácido
graxo oléico aumentou a opacidade dos filmes, já
que o biofilme possui em sua composição grande
quantidade de ácido oléico (14g de ácido
oléico/20g de zeína). Isto foi comprovado por
diversos autores como Batista (2004), que
observou que a opacidade dos filmes combinados
de gelatina e pectina aumenta com a adição de
ácidos graxos (ácido oléico). Além disso, Davanço
(2006) verificou que os filmes combinados de
gelatina e pectina sem a adição de lipídeos
(ácidos graxos) foram mais transparentes.
Permeabilidade ao vapor d’ água (PVA)
A permeabilidade ao vapor d’ água dos
filmes de zeína encontrada foi aproximadamente
0,5 gmm/m2.d.KPa com uma permeância de 4,38
2
gmm/h.m .KPa (a permeância é a PVA dividida
pela respectiva espessura do filme). Este valor
está próximo ao encontrado por Wolf (2007) para
2
filmes de colágeno (4,15 gmm/h.m .KPa).
Esta PVA foi explicada por Li et al., (2008)
que diz que a PVA depende do número de grupos
(-OH) disponíveis que o polímero possui. Assim a
menor PVA com biofilmes com amido modificado
ocorre
devido
a
adição
de
CMC
(carboximetilcelulose) ocasionando a formação de
uma matrix mais estruturada com grupos –OH
menos disponíveis e assim, com uma menor
difusão de vapor d’ água.
Além disso, Batista (2004) esclarece que,
apesar da zeína e dos ácidos graxos serem
hidrofóbicos esta permeabilidade pode também
ser explicada já que os ácidos graxos (ácido
oléico) contem grupos carboxílicos altamente
polares e podem interagir com a molécula de
água facilitando assim, a transferência de água
através do biofilme.
Gontard et al., (1994) também constataram
aumento da permeabilidade ao vapor d’ água com
a adição de componentes lipídicos em filmes de
glúten, já que esses componentes, geralmente
esféricos, não são capazes de se associarem
totalmente a cadeia de proteína. Assim, a matriz
de proteína pode ser rompida, resultando em
perdas das propriedades de barreira a umidade
do biofilme.
Análises de microscopia óptica e de
varredura serão feitas, posteriormente, para
verificar a incorporação dos componentes
lipídicos na matriz do biofilme e observar a
presença ou não de poros nestes materiais o que,
poderá também, auxiliar no entendimento da PVA
observada.
Solubilidade em água
A solubilidade encontrada para os biofilmes
de zeína foi de 8,33%, mas o biofilme estudado
se manteve íntegro depois de retirado da imersão
de água. Isto indica que a rede protéica se
manteve intacta, o que é devido ao fato do filme
ser pouco hidrofílico.
CONCLUSÃO
O biofilme de zeína é mais opaco quando
comparado com o filme comercial de polietileno,
isso acontece devido à grande quantidade de
ácidos graxos oléicos presente no biofilme de
zeína. Além disso, sua permeabilidade ao vapor d’
água pode ser explicada pela quantidade de
grupos –OH livres, pela polaridade dos ácidos
graxos oléicos, podendo estes interagirem com a
água facilitando sua passagem pela matriz
protéica ou ainda, pela ruptura da matriz protéica
pelos componentes lipídicos facilitando assim, a
passagem de água.
Por fim, através do teste de solubilidade
pode-se dizer que o biofilme é pouco hidrofílico, já
que este se manteve intacto após ser retirado da
imersão de água.
NOMENCLATURA
PVA: permeabilidade ao vapor d’ água
(gmm/m2.d.KPa)
m: diferença de peso (quantidade de permante
que atravessa o filme) (g)
e: espessura do filme (mm)
t: tempo no qual ocorre ganho de massa (h)
2
A: área exposta do filme (m )
∆p: diferença de pressão parcial de vapor d’ água
a 100% UR e 0% UR, ambos a 25°C (KPa)
SOL: porcentagem de material solubilizado (%)
Mi: massa inicial da amostra (massa seca inicial)
(g)
Mf: massa final da amostra (massa seca final) (g)
A 600: absorbância à 600 nm
X: espessura dos filmes
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASTM. Annual Book of American Society for Test
and Material Standards, Standard Test
Methods for Water Vapor Transmission of
Materials. E 96 – 95. The Society:
Philadelphia, PA., 1995.
BATISTA, J.A. Desenvolvimento, caracterização e
aplicações de biofilmes a base de pectina,
gelatina e ácidos graxos em bananas e
sementes de brócolos. 141 f. Dissertação
(Mestrado
Alimentos
e
Nutrição),
Universidade
Estadual
de
Campinas,
Campinas, 2004.
CAO, N.; FU, Y.; HE, J. Preparation and physical
properties of soy protein isolate and gelatin
composite films. Food Hydrocolloids (2006),
doi:10.1016/j.foodhyd.2006.09.001.
CARTER, R.; RECK, D.R. Low temperature solvent extraction process for producing high
quality zein. U.S. Patent 3, 535, 305, 1970.
DAVANÇO, T. Desenvolvimento e caracterização
de biofilmes à base de gelatina, triacetina,
ácido esteárico ou ácido capróico e
surfactantes. 130f. Dissertação (Mestrado
em Alimentos e Nutrição), Universidade
Estadual de Campinas, Campinas, 2006.
FORATO, L.A. Estudos das estruturas das zeínas
por RMN, FTIR e MFA. 125f. Tese (Doutorado em Físico-Química), Universidade de São
Paulo, São Carlos, 2000.
GASPAR, M.; BENKÓ, Z.; DOGOSSY, G.;
RÉCZEY, K.; CZIGANY, T. Reducing water
absorption in compostable starch-based plastics. Polymer Degradation and Stability, v. 90,
p. 563-569, 2005.
GONTARD, N.; DUCHEZ, C.; CUQ, J. L.; GUILBERT, S. Edible composite films ofwheat gluten and lipids: water vapor permeability and
other physical properties. International Journal of Food Science and Technology. Oxford,
v.29, n.1, p.39-50, 1994.
GOUNGA, M.E.; XU, S-Y.; WANG, Z. Whey
protein isolate-based edible films as affected
by protein concentration, glycerol ratio and
pullulan addition in film formation. Journal of
Food Engineering, v. 83, p. 521–530, 2007.
JACKSON, D. S.; SHANDERA, D. L. Jr. Corn Wet
Milling:
Separation
Chemistry
and
Technology. In: Advances in Food and
Nutrition Research, V. 38, p. 271-300, 1995.
KLEEN, D.; PADUA, G.W.; ENGESETH, N., 2002.
Stabilization of lipids in a biodegradable zeinoleate film by incorporation of antioxidants.
Cereal Chem., 79, p.687-694.
LANDRY, J.; MOUREAUX, T. Heterogeneity of
the glutelins of the grain corn: Selective extraction and composition in amino acids of the
three isolated fractions. Bull. Soc. Chem. Biol., Princeton, v. 52, p. 1021-1037, 1970.
LI, Y.; SHOWMAKER, C.F.; MA, J.; SHEN, X.;
ZHONG, F. Paste viscosity of rice starches of
different amylose content and carboxymethylcellulose formed by dry heating and the
physical properties of their films. Food Chemistry, 2008. In press.
LOPES FILHO, J. F. Avaliação da Maceração Dinâmica do Milho Após um Curto Período de
Hidratação e Subseqüente Quebra do Pericarpo do Grão. Ciências e Tecnologia de Alimentos, Campinas, set/dez, 1999.
NUSSIO, L. G. Milho. Piracicaba; ESALQ, 1990. A
Cultura do Milho e Sorgo para a Produção de
Silagem. p. 58-86.
REINERS, R.A.; WALL, J.S.; INGLETT, G.E. Corn
proteins: potential for their industrial use. In:
Pomeranz Y (Ed.). Industrial uses of cereals.
St. Paul, MN: American Association of Cereal
Chemists, p.285-298, 1973.
SINGH, N.; ECKHOFF, S.R. Wet milling of corn –
A review of laboratory – scale and pilot plantscale procedures. Cereal Chem., Saint Paul,
v. 73, p.659-67, 1996.
VEIGA-SANTOS, P. Elaboração, aditivação e
caracterização de biofilmes à base de fécula
de mandioca. 252 f. Tese (Doutorado em
Ciência de Alimentos), Universidade Estadual
de Campinas, Campinas, 2004.
WOLF, K.L. Propriedades físico-químicas e mecânicas de biofilmes elaborados a partir de
fibra e pó de colágeno. 101f. Dissertação
(Mestrado em Engenharia e Ciência de Alimentos), Universidade Estadual Paulista,
São José do Rio Preto, 2007.
WU, S.; MYERS, D.J.; JOHNSON, L.A. 1997. Effects of maize hybrid and meal drying conditions on yield and quality of extracted zein.
Cereal Chem., 74, 3, p.268-273.
AGRADECIMENTOS
A FAPESP pela bolsa de estudo concedida.