Universidade Federal da Bahia Faculdade de Farmácia

Universidade Federal da Bahia
Faculdade de Farmácia
Programa de Pós-Graduação em Ciência de Alimentos
Mestrado em Ciência de Alimentos
FORMULAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E EFICÁCIA ANTIOXIDANTE
DE FILMES BIODEGRADÁVEIS ATIVOS A BASE DE QUITOSANA,
GLICEROL E ADITIVOS NATURAIS
MARIA CECÍLIA CASTELO BRANCO DE SANTANA
Salvador
2012
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MARIA CECÍLIA CASTELO BRANCO DE SANTANA
FORMULAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E EFICÁCIA ANTIOXIDANTE
DE FILMES BIODEGRADÁVEIS ATIVOS A BASE DE QUITOSANA,
GLICEROL E ADITIVOS NATURAIS
Dissertação apresentada ao Programa de Pósgraduação em Ciência de Alimentos,
Faculdade de Farmácia, Universidade Federal
da Bahia, como requisito para a obtenção do
grau de Mestre em Ciência de Alimentos.
Orientadora: Professora Dra. Janice Izabel Druzian
Co-orientação: Professor Dr. Renato Souza Cruz
Salvador
2012
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TERMO DE APROVAÇÃO
MARIA CECÍLIA CASTELO BRANCO DE SANTANA
FORMULAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E EFICÁCIA ANTIOXIDANTE DE FILMES
BIODEGRADÁVEIS ATIVOS A BASE DE QUITOSANA, GLICEROL E ADITIVOS
NATURAIS
DISSERTAÇÃO APROVADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENÇÃO DO
GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIA DE ALIMENTOS, UNIVERSIDADE FEDERAL DA
BAHIA, PELA SEGUINTE BANCA EXAMINADORA:
Prof.ª Dr.ª Itaciara Larroza Nunes________________________________________________
Doutora em Ciência de Alimentos (UNICAMP)
Universidade Federal da Bahia (UFBA)
Prof. Dr. Giovani Brandão Mafra de Carvalho______________________________________
Pós-Doutorado (UNICAMP), Doutor em Biotecnologia Industrial (USP Lorena)
Universidade Estadual de Feira de Santana (UEFS)
Prof.ª Dr.ª. Janice Izabel Druzian – Orientadora _____________________________________
Doutora em Ciências de Alimentos (UNICAMP)
Universidade Federal da Bahia (UFBA)
Salvador, 26 de abril de 2012.
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“Ainda que a figueira não floresça, nem haja fruto na vide; todavia eu me
alegrarei no SENHOR; exultarei no Deus da minha salvação.”
Habacuque, 3:17-18
“O rio chega ao mar porque sabe contornar os obstáculos.”
Lao Tse
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DEDICATÓRIA
Este trabalho é dedicado aos meus preciosos pais Rosalvo (in memorian) e Margarida, cujos
exemplos de vida são o lastro da minha existência. Meu pai pela garra e honestidade. Minha
mãe, pela sabedoria e amor incondicional. Ao meu avô materno, Admir Castelo Branco, por
sempre incentivar os meus estudos. Às minhas irmãs Fabiana, Fernanda e Rosana pelo eterno
elo de amor e alegria. Aos meus sobrinhos, Mateus e Gabriel, por me fazerem sentir algo
inexplicável toda vez que me lembro de suas existências.
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AGRADECIMENTOS
Agradecer... Talvez este seja um dos maiores desafios deste trabalho! Como é importante
reconhecer o apoio das pessoas para se alcançar qualquer que seja o objetivo.
Acima de tudo, agradecer a Deus. A Ele, toda Honra, todo Louvor, toda Glória. Obrigada
Senhor, por me guiar em todas as etapas deste Mestrado, me enchendo de forças quando
achava que não ia conseguir; abrindo as portas, quando elas pareciam estar fechadas
colocando pessoas tão especiais em meu caminho, me protegendo tantas vezes nesta BR
contra adversidades... Te amo, Meu Senhor.
À minha orientadora, Professora Drª. Janice Druzian, exemplo de profissional dedicada e
competente. Verdadeiro exemplo de batalha e superação, dia a dia, levando o nome da
Universidade Federal da Bahia a lugares de destaque e louvor. Obrigada, porque além de
ensinamentos científicos, a senhora demonstrou que acreditando nas pessoas comprometidas é
possível se realizar sonhos.
Ao meu co-orientador Dr. Renato Cruz, que além de profissional excepcional (todas as
homenagens e prêmios que recebe já destacam isso) é uma pessoa maravilhosa (todos os
alunos e colegas da nossa estimada Universidade Estadual de Feira de Santana e de outras
universidades também, inclusive a UFBA, concordam comigo).
Aos meus pais, por todo esforço que fizeram para me dar educação de qualidade. Obrigada
principalmente a minha mãe, por nunca deixar de se sacrificar para me ajudar. Meu amor por
ti mainha, é eterno. Às minhas irmãs por todo carinho e atenção; Rosana obrigada pela força
com a empresa, enquanto estava escrevendo este trabalho, jamais esquecerei. Aos meus
cunhados, Evandro, Wilson e Luciano, principalmente a Lu, pelo apoio científico concedido.
À minha querida amiga Bruna Machado. Não tenho palavras para agradecer todo o seu apoio.
Jamais esquecerei que você me acolheu em sua casa no momento decisivo deste Mestrado.
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Disso, nasceu uma grande amizade e da minha parte também eterna, conte comigo para o que
você precisar. Estendo o agradecimento a João, seu esposo.
Letícia Reis, minha amiga, você compartilhou todas as suas dificuldades e facilitou meu
caminhar com a sua própria experiência. Muito Obrigada Leti, por ser assim tão humilde e ter
um coração tão bom.
Aos meus colegas e amigos da UEFS que toparam este desafio comigo, Antônia, Priscilla e
Andson. A companhia de vocês tornou as minhas viagens diárias menos cansativas. Como
excelentes profissionais que são, sei que um futuro brilhante os espera. Às professoras
Cristina Silva e Elisa Teshima, minhas eternas mestras.
A todos os colegas e amigos da UFBA, pessoas que só acrescentaram a minha existência.
Agradeço a Carolina Souza, que não negou seu tempo, nem conhecimentos para me auxiliar.
À Ingrid Ramos pelas análises termogravimétricas realizadas. E a toda equipe do LAPESCA
por terem me acolhido tão bem, pelos momentos de amizade e conhecimentos
compartilhados.
Às estagiárias Tamara, pois sem vocês com certeza não seria possível. E também pela
amizade que desenvolvemos e que quero levar para o resto da vida, viu?
À UFBA por abrir suas portas para realização do mestrado e ao Departamento de Análises
Bromatológicas da Faculdade de Farmácia por disponibilizar tudo o necessário para a
realização desta pesquisa. À professora Drª. Alaíse Gil Guimarães por sempre dar o seu
melhor pelo desenvolvimento de nossas atividades.
À Prof.ª Dr.ª Itaciara Larroza pela competência, simpatia e disponibilidade.
À CAPES pelo apoio financeiro tão fundamental.
Muito obrigada!
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ÍNDICE
Introdução Geral ....................................................................................................................17
Referências ...............................................................................................................................19
Objetivos .................................................................................................................................21
Objetivo geral ...........................................................................................................................21
Objetivos específicos ...............................................................................................................21
Capítulo I ................................................................................................................................22
Revisão Bibliográfica .............................................................................................................23
1.0 Embalagens ........................................................................................................................23
1.1 Embalagens Ativas .............................................................................................................23
1.2 Embalagens Biodegradáveis...............................................................................................25
1.3 Quitosana ...........................................................................................................................29
1.4 Antioxidantes......................................................................................................................36
1.5 Azeite de dendê...................................................................................................................37
1.6 Urucum ...............................................................................................................................39
1.7 Plastificantes................................ ......................................................................................40
1.8 Caracterização de filmes biodegradáveis: análises colorimétricas e termogravimetria......42
1.9 Espessura, Atividade de água e Propriedades de barreira...................................................46
1.10 Propriedades Mecânicas....................................................................................................48
Referências Bibliográficas....................................................................................................... 49
CapítuloII Tendências Tecnológicas do biopolímero Quitosana e de filmes elaborados a
partir desta matriz através da prospecção em base de patentes.....................................59
1.0 Introdução ..........................................................................................................................61
2.0 Aspectos metodológicos.....................................................................................................63
3.0 Resultados e Discussão...................................................................................................64
3.1 Pesquisa dos documentos de patentes.........................................................................64
3.2 Objetos das patentes depositadas........................................................................................64
3.3 Instituições de depósitos.....................................................................................................67
3.4 Países detentores da tecnologia....................................................................................68
3.5 Patentes depositadas ao longo dos anos..........................................................................69
8
4.0 Conclusões....................................................................................................................71
Referências.........................................................................................................................72
Capítulo III Desenvolvimento e caracterização dos filmes biodegradáveis a base de
quitosana plastificados com glicerol e incorporados de urucum e azeite de
dendê........................................................................................................................................74
1.0 Introdução ..........................................................................................................................78
2.0 Material e Métodos.............................................................................................................81
2.1 Material ..............................................................................................................................81
2.2 Elaboração de Filmes Biodegradáveis................................................................................83
2.3 Técnicas de Caracterização dos Filmes .............................................................................83
2.3.1 Propriedades ópticas: análise colorimétrica..................................................................83
2.3.2 Espessura..........................................................................................................................83
2.3.3 Teores de Sólidos Totais .................................................................................................83
2.3.4 Atividade de água (aw) ...................................................................................................83
2.3.5 Umidade..........................................................................................................................84
2.3.6 Taxa de Permeabilidade ao vapor de água ......................................................................84
2.3.7Ensaios de Tração............................................................................................................84
2.3.8 Propriedade térmica: Análise termogravimétrica.......................................................85
2.3.9 Solubilidade dos filmes.............................................................................................85
2.3.10 Avaliação da biodegradabilidade............................................................................86
2.3.10.1 Preparo do solo....................................................................................................86
2.3.10.2 Teste de Biodegradabilidade...................................................................................86
2.4 Análise Estatística ........................................................................................................87
3.0 Resultados e Discussão...............................................................................................87
3.1 Caracterização dos filmes de quitosana plastificados com glicerol incorporados com
urucum e azeite de dendê.........................................................................................................87
3.1.1.1 Propriedades ópticas: análise colorimétrica.................................................................90
3.1.1.2 Propriedades de barreira dos filmes.....................................................................96
3.1.1.3 Propriedades mecânicas dos filmes.............................................................................112
3.1.1.4. Análise termogravimétrica (TGA)......................................................................123
3.1.1.5 Solubilidade dos filmes......................................................................................125
3.1.1.6 Avaliação da biodegradabilidade dos filmes..............................................................127
3.2 Conclusões .......................................................................................................................130
Referências Bibliográficas......................................................................................................131
9
Capítulo IV ...........................................................................................................................140
Desenvolvimento e avaliação da eficácia de filmes biodegradáveis a base de quitosana
plastificados com glicerol e incorporados com urucum e azeite de dendê como aditivos
antioxidantes .........................................................................................................................141
1.0 Introdução ........................................................................................................................142
2.0 Material e Métodos .........................................................................................................143
2.1 Material ............................................................................................................................143
3.0 Resultados e Discussão ..................................................................................................143
4.0 Conclusões .......................................................................................................................146
Referencias..............................................................................................................................147
Considerações Finais ............................................................................................................150
Anexo I ...................................................................................................................................152
.
10
LISTA DE FIGURAS
Capítulo I
Figura 1. Participação de cada segmento na indústria de embalagem.
Figura 2. Distribuição em Aplicações de PEBD
Figura 3. Representação esquemática da estrutura primária da quitosana, sendo n o grau
de polimerização.
Figura 4. Ciclo de vida da quitosana
Figura 5. Uso da quitosana no ramo alimentício.
Figura 6. Estrutura da bixina e norbixina
Capítulo II
Figura 1: Distribuição de patentes de acordo com critério processo x produto.
Figura 2: Distribuição de patentes conforme área de aplicação destas.
Figura 3: Distribuição das patentes de acordo com as instituições de depósitos.
Figura 4: Distribuição de patentes de acordo com países detentores da tecnologia
Figura 5 - Número de patentes ao longo dos anos.
Capítulo II
Figura 1. Ilustração das 27 formulações elaboradas dos filmes de quitosana incorporados com glicerol e incorporados de azeite de dendê
Figura 2. Gráfico de Pareto para o parâmetro L* dos filmes.
Figura 3. Superfícies de resposta evidenciando as interações das variáveis (a) quitosana
x glicerol; (b) quitosana x urucum e (c) urucum x azeite de dendê
Figura 4. Gráfico de Pareto para parâmetro a* dos filmes de quitosana.
Figura 5. Interações da variável urucum com as variáveis (a) glicerol; (b) quitosana e
(c) dendê.
Figura 6. Gráfico de Pareto referente ao parâmetro b*.
11
Figura 7. Interações da variável azeite de dendê co as variáveis (a) quitosana; (b)
glicerol; (c) urucum
Figura 8. Gráfico de Pareto das análises de espessura dos filmes.
Figura 9. Gráfico de Pareto das análises de sólidos totais dos filmes.
Figura 10. Gráficos de Pareto para as variáveis dependentes umidade (U) e atividade de
água (aw).
Figura 11. Gráfico de Pareto para análise de permeabilidade ao vapor d’água.
Figura 12. Superfícies de resposta geradas para as interações das variáveis independentes
sobre as variáveis dependentes: sólidos totais (ST), umidade (U), atividade de água (aw) e
permeabilidade ao vapor de água (PVDA) para as 27 formulações de filmes.
Figura 13. Comportamento do módulo de Young (E - MPa) e deformação (ε - %) das
diferentes formulações dos filmes de quitosana.
Figura 14. Gráfico de Pareto para o parâmetro Módulo de Young (E) dos filmes
Figura 15. Gráfico de Pareto avaliando o parâmetro Deformação (em %) para os filmes
de quitosana
Figura 16. Tensão de ruptura das 27 formulações dos filmes de quitosana avaliada no
teste de tração.
Figura 17. Gráfico de Pareto do parâmetro Tensão para filmes de quitosana
Figura 18. Comparação dos gráficos do Módulo de Young (E) e da tensão de ruptura
dos filmes de quitosana gerados pelo teste de tração (valores em MPA).
Figura 19: (a)- Curvas de TGA das formulações F17, F18 e F19.
(b)- Curvas de DTG das formulações F17, F18 e F19.
Figura 20. Amostras em solo preparado para análise da Biodegradabilidade
12
LISTA DE TABELAS
Capítulo III
Tabela 1. Valores codificados e reais do delineamento estatístico das variáveis independentes: Quitosana (% m/m; X1), glicerol (% m/m; X2), urucum (% m/m; X3), azeite
de dendê (% m/m; X4).
Tabela 2. Parâmetros de cor dos filmes de quitosana plastificados com glicerol e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Tabela 3. Médias (± desvio padrão) das análises de caracterização das formulações dos
filmes. E (espessura - mm); aw (atividade de água); ST (sólidos totais - %); Umidade
(%) e PVDA, (permeabilidade ao vapor de água - gH2O.µm/m2.h.mmHg).
Tabela 4. Equações do modelo e R2 (coeficiente de determinação) para Sólidos Totais (ST,
%), Umidade (U, %), Atividade de Água (AW), Permeabilidade ao vapor de água (PVDA,
gH2O.µm/m2.h.mmHg) dos filmes, X1= Quitosana, X2= Glicerol, X3= Urucum e X4 =
Azeite de dendê.
Tabela 5. Médias (± desvio padrão) das análises de propriedades mecânicas das diferentes formulações. E (Módulo de Young); σ (tensão máxima); ε (Deformação).
Tabela 6. Equações do modelo e R2 (coeficiente de determinação) para Moúdulo de Young
(E, MPa), Tensão(σ, MPa) e Deformação (ε, %) dos filmes, X1= Quitosana, X2= Glicerol,
X3= Urucum e X4= Azeite de dendê.
Tabela 7. Comportamento termogravimétrico dos filmes de quitosana plastificados com
glicerol e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Tabela 8: Solubilidade das amostras selecionadas dos filmes de quitosana plastificados
com glicerol e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Tabela 9. Valores de perda de massa das formulações de filmes selecionados durante o
teste de biodegradabilidade de 17 semanas.
13
Resumo
Cada vez mais pesquisas apontam no sentido da substituição dos plásticos
convencionais por polímeros biodegradáveis para uso como embalagens e que podem
ser também ativas, interagindo com o alimento e aumentando a sua vida de prateleira.
Entre os diversos tipos de embalagens ativas, as antioxidantes, que retardam a oxidação
lipídica dos produtos embalados, são de grande importância para a indústria,
principalmente do ramo alimentício e farmacêutico. O objetivo deste trabalho foi
desenvolver, caracterizar e avaliar a biodegradabilidade dos filmes ativos utilizando a
quitosana como matriz, glicerol como plastificante e corante urucum e azeite de dendê
como aditivos ativos, assim como comprovar sua eficácia antioxidante como
embalagem. Os filmes foram elaborados pelo processo de casting, tendo como
formulação base uma solução filmogênica contendo solução de ácido acético (1%),
quitosana (0,5% a 2,5%) e aditivos antioxidantes: urucum (0 a 1,0%) e azeite de dendê
(0 a 0,5%), seguindo delineamento estatístico de superfície de resposta, com um modelo
de ordem (24) contendo 4 pontos axiais, 4 pontos ortogonais e 3 pontos centrais,
totalizando 27 formulações. A análise da cor dos filmes biodegradáveis foi feita por
absorbância em espectrofotômetro UV/VIS. O parâmetro Luminosidade (L*) e a*
variaram de 23,48 a 83,30 e -0,63 a 40,51 respectivamente e a concentração de urucum
foi a variável que mais exerceu influência significativa (p<0,01). Para o parâmetro b*
(variação de 31,33 a 94,22) a maior influência foi exercida pela concentração de azeite
de dendê. A espessura dos filmes variou de 0,0364 a 0,0858 mm, sendo o teor de
quitosana a variável que mais afeta esta propriedade.O glicerol foi a variável que mais
influenciou nos Sólidos Totais (69,58% a 83,97%) como também na Umidade (16,03 a
30,42%) e na Atividade de água (0,565 a 0,661), aumentando a hidrofilicidade dos
filmes ativos biodegradáveis. A permeabilidade ao vapor d'água (1,25x10-6 a 8,41x10-6
gH2O.µm/m2.h.mmHg) melhorou devido ao filme ser emulsionado com composto
hidrofóbico (presença de lipídio em sua formulação) o que diminuiu a afinidade pela
água levando a modificação da estrutura filmogênica. Em relação às propriedades
mecânicas, o módulo de Young (E) (157,86±0,15 a 704,0 MPa) foi influenciado pelo
teor de quitosana. Quanto maior a percentagem da matriz, mais resistente se apresenta o
filme sendo necessária maior força para rompê-los. A deformação (16,1 a 39%.) foi
aumentando com a inserção de plastificante aos filmes. Em nível de tensão (3,69 a
28,90 MPa) gerada nos filmes a variação o teor de glicerol influencia negativamente
neste parâmetro. Através da análise termogravimétrica das 3 formulações escolhidas
(F17, F18 e F19) constata-se a presença de 5 eventos distintos para formulação F17, 4
eventos para F18 e 3 para formulação F19, cada estágio apresenta degradação de
determinado componente a depender da temperatura em que ocorre. A avaliação da
biodegradabilidade mostrou uma degradação de até 80% de perda de massa em 17
semanas de análise. A atividade antioxidante do aditivo urucum foi comprovada através
das análises de fenóis totais das embalagens biodegradáveis e dos índices de peróxido
do azeite de dendê embalado pelas formulações selecionadas no decorrer de 45 dias.
Conclui-se que foi obtido um filme biodegradável de quitosana que teve as propriedades
de barreira e mecânicas melhoradas pela adição do plastificante glicerol, urucum e
emulsionado com azeite de dendê com propriedades antioxidantes que visam aumentar
a vida de prateleira do produto embalado, de forma sustentável.
Palavras-chave: filmes biodegradáveis, embalagens ativas, quitosana, glicerol,
antioxidante, urucum, azeite de dendê.
14
Abstract
Increasingly search point to the replacement of conventional plastics biodegradable
polymers for use as packaging, but can also be active, interacting with the food and
increasing shelf life. Among the various types of active packaging, the antioxidants,
which slow down lipid oxidation of the packed products are of great importance to the
industry, especially of food and pharmaceutical industry. The objective of this study
was to develop, characterize and evaluate the biodegradability of active films using
chitosan as matrix, glycerol as a plasticizer and dye annatto and palm oil as active
additives, and confirm its effectiveness as an antioxidant package. The films were
prepared by casting process, with the formulation based on a film solution containing
acetic acid (1%), chitosan (0.5% to 2.5%) and antioxidant additives, annatto (0 to
1.0% ) and palm oil (0 to 0.5%), followed by statistical design of response surface, with
a model of order (24) containing four axial points, four points and three orthogonal
central points, totaling 27 formulations. The color analysis of the biodegradable films
was made by UV absorbance in a spectrophotometer / VIS. Parameter Luminosity (L*)
and a* ranged from 23.48 to 83.30 and 40.51 respectively to -0.63 and the concentration
of annatto was the variable that most significantly influence (p <0.01). For the
parameter b* (range 31.33 to 94.22) was the major influence exerted by the
concentration of palm oil. The thickness of the films ranged from 0.0364 to 0.0858 mm,
and the content of chitosan the variable that most affects this propriedade. O glycerol
was the variable that most influenced the Total Solids (69.58% to 83.97%) as well as
the humidity (16.03 to 30.42%) and water activity (0.565 to 0.661), increasing the
hydrophilicity of active biodegradable films. The water vapor permeability (1.25 × 10 6
to 8.41 × 10 6 gH2O.μm/m2.h.mmHg) improved due to the film to be emulsified
hydrophobic compound (presence of lipid in their formulation) that decreased affinity
for water leading to changes in the structure filmogenic. Regarding the mechanical
properties, the Young's modulus (E) (157.86 ± 0.15 to 704.0 MPa) was influenced by
the content of chitosan. The higher the percentage of the matrix is more resistant film
introduced requiring more force to break them. The deformation (16.1 to 39%.) Was
increased with the inclusion of plasticizer to the movies. In voltage level (3.69 to 28.90
MPa) generated in the films the variation of glycerol content negatively influences this
parameter. Through the thermogravimetric analysis of the three formulations selected
(F17, F18 and F19) there is the presence of 5 different events to formulate F17, F18
four events to 3 for formulation and F19, each stage has the particular component
degradation depend on temperature in occurring. The evaluation of the biodegradability
showed a degradation of up to 80% weight loss at 17 weeks of analysis. The antioxidant
activity of the additive annatto was confirmed by analysis of total phenols of
biodegradable packaging and peroxide value of palm oil packed by selected
formulations over 45 days. It was obtained that a biodegradable film of chitosan had
barrier properties and mechanical properties improved by the addition of the plasticizer
glycerol, annatto and emulsified with palm oil with antioxidant properties that aim to
increase
the
shelf
life
of
packaged
product,
sustainably .
Keywords: biodegradable films, active packaging, chitosan, glycerol, antioxidant,
annatto, palm oil.
15
INTRODUÇÃO GERAL
16
Introdução Geral
Nos últimos anos, em virtude do impacto ambiental, tem crescido o interesse em
substituir os polímeros sintéticos, que hoje são muito utilizados como material de
embalagem, por materiais biodegradáveis. O crescente interesse em melhorar a
qualidade do meio ambiente, aliado ao acúmulo de lixo não biodegradável, tem
incentivado pesquisas em todo o mundo no sentido de incrementar e desenvolver
embalagens biodegradáveis provindas de fontes renováveis. As macromoléculas
biológicas mais estudadas para este fim são as proteínas e os polissacarídeos, polímeros
capazes de formar matrizes contínuas e, que através de diversas técnicas de produção,
podem ser transformados em filmes e revestimentos comestíveis e/ou biodegradáveis
(MALI; GROSSMANN, 2003).
As embalagens são utilizadas para estender o armazenamento dos produtos
embalados conferindo proteção mecânica, química e biológica. No entanto, na tentativa
de satisfazer consumidores cada vez mais exigentes, têm sido desenvolvidos materiais
inovadores, como as embalagens ativas, que além de proteger, como as embalagens
convencionais, interagem com o produto embalado, (ROONEY, 1995; HOTCHKISS,
1997; VERMEIREN et al., 1999), trazendo benefícios extras.
A quitosana caracteriza-se por ser de origem renovável, biodegradável e ter a
capacidade de formar filmes resistentes, flexíveis, de difícil rompimento, além de
promover barreira efetiva a oxigênio (JOHN; THOMAS, 2008). Em comparação com
filmes poliméricos comerciais, o filme de quitosana apresenta uma eficiente barreira de
permeação de gases (PINOTTI et al., 2007).
A oxidação lipídica é a principal causa do aparecimento de sabores e odores
estranhos em alimentos. Além de promover a redução dos níveis de ácidos graxos
essenciais e nutrientes, reduzindo a qualidade do produto e conseqüentemente a sua
estabilidade. A oxidação lipídica é uma das reações de degradação mais importantes
visto que esta pode ocorrer em alimentos que contenham apenas 1% de gordura.
(ORDÓÑEZ et al., 2005).
Entre os diversos tipos de embalagens ativas, as antioxidantes, que retardam a
oxidação lipídica dos produtos embalados, são de grande importância para a indústria,
principalmente do ramo alimentício (BRODY, 2001). Frequentemente são adicionadas,
no produto ou na embalagem, substâncias antioxidantes, que são capazes de remover o
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oxigênio do meio ou impedir a reação em cadeia produzida pelos radicais livres
formados durante o processo de oxidação. Comumente são utilizados antioxidantes
sintéticos dentre os quais, os mais utilizados são o BHA (Butil-hidroxianisol) e BHT
(Butil-hidroxitolueno). Atualmente a utilização dos antioxidantes sintéticos tem sido
bastante questionada, devido ao aparecimento de diversos estudos que alegam que estes
antioxidantes podem promover efeitos tóxicos e carcinogênicos no organismo. Devido
a esta grande preocupação com a segurança alimentar da população, tem crescido a
busca de produtos naturais que possam servir como fontes de antioxidantes, para
substituir os antioxidantes sintéticos (MARTINEZ-TOME et al., 2001; BERNARDOGIL et al, 2002; RIBEIRO et al., 2001).
Os compostos antioxidantes naturais podem ser obtidos de diversas fontes, como
flores, folhas, frutos, raízes etc. e incluem flavonóides, carotenóides, ácidos fenólicos e
vitaminas (BROINIZI et al., 2007; RIBEIRO et al., 2001). Considerando alguns
compostos naturais e comestíveis com atividade antioxidante comprovada, destacam-se
os compostos fenólicos, carotenóides e vitamina C (PASSOTO et al., 1998; SUN et al.,
2002; MAJO et al., 2005). Os carotenóides possuem mais de 600 variantes estruturais e
são encontrados em bactérias, algas, fungos e plantas superiores, em alguns crustáceos e
em plumagem de aves. Os carotenóides possuem ligações duplas conjugadas em suas
estruturas, atuam como antioxidantes (FILHO et al., 2000; FONTANA et al., 2000).
O
corante
responsável
pela
coloração
do
urucum
apresenta-se
convencionalmente de duas formas: a bixina lipossolúvel e a norbixina, que é
hidrossolúvel (YABIKU et al., 1986). Apesar de o urucum ser uma rica fonte de
carotenóides, ainda não foi utilizada como aditivo de embalagens biodegradáveis à base
de quitosana. A incorporação do azeite de dendê em filmes biodegradáveis a base de
amido já foi estudado e obteve-se uma excelente atividade antioxidante devido à
presença de carotenóides (GRISI, 2008).
A utilização dos filmes como embalagens em alimentos exige que os mesmos
possuam adequada barreira a umidade e gases, propriedades mecânicas que garantam a
proteção e integridade do produto durante o manuseio, transporte e consumo. A
utilização de aditivos na confecção de um filme que além de possuir a característica de
biodegradabilidade, e também possuir ação antioxidante, poderia viabilizar a utilização
industrial de embalagens que, além do caráter biodegradável e obtidas de fontes
renováveis, também são de baixo custo.
18
Referências
BERNARDO-GIL, M. G.; RIBEIRO, M. A.; ESQUÍVEL, M. M. Produção de
extractos para a indústria alimentar: uso de fluidos supercríticos. Boletim de
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20
Objetivos
Objetivo Geral:
Preparar, caracterizar e avaliar a eficácia antioxidante de filmes ativos flexíveis
formulados com utilização da quitosana como matriz polimérica biodegradável, com a
glicerol como plastificante e urucum e azeite de dendê como aditivos naturais.
Objetivos específicos:
- Avaliar o panorama mundial da utilização da quitosana, em filmes biodegradáveis na
indústria alimentícia através de prospecção tecnológica em documentos de patentes;
- Definir metodologia para elaboração dos filmes flexíveis e com propriedades
melhoradas, garantindo a produção de um material homogêneo e ativo;
- Otimizar a utilização de glicerina purificada como aditivo na formulação de
embalagens ativas como plastificante e avaliar seu uso como reforço mecânico quando
incorporado ao filme, através das análises mecânicas, como ensaios de tração,
elongação, módulo e espessura;
- Avaliar a capacidade dos filmes biodegradáveis de quitosana de serem utilizados como
embalagens para alimentos, através do monitoramento da espessura, permeabilidade ao
vapor d’água, colorimetria, atividade de água, umidade, sólidos totais;
- Escolher as formulações dos filmes que apresentarem composição de interesse para
análise da influência de variáveis independentes e caracterizá-los quanto à:
 Análise termogravimétrica;
 Solubilidade;
 Biodegradabilidade;
 Atividade antioxidante do urucum, através de análises de vida de prateleira do
produto embalado (azeite de dendê), através das análises de Índice de Peróxidos
do azeite e Polifenóis Totais da embalagem, em 45 dias de estocagem.
21
CAPÍTULO I
Revisão Bibliográfica
22
1.0 Embalagens
O uso de embalagens começou a ser feito pelo homem tão logo este percebeu o
valor ou a necessidade da preservação de seus bens. Os primeiros materiais utilizados
para este fim foram chifres ocos, conchas grandes e crânios de animais. Por volta de
4000 a.C. com o advento do comércio entre Egito e Mesopotâmia, a embalagem
começou a ser utilizada de forma a conter para transportar e armazenar mercadorias. Os
materiais mais utilizados eram argila e fibras naturais. A partir de 3000 a.C, o vidro foi
introduzido para acondicionar óleos e perfumes (CARR, 2007).
Em 1310 d.C. o papel começou a ser fabricado na Europa após difusão da
técnica chinesa pelos árabes e só após a Revolução Francesa desenvolveu-se recipientes
fechados para se evitar contaminações ou perdas. Em 1809, Nicolas Appert inventou o
processo de conservação de alimentos por aquecimento e selagem em recipientes com
pouco ar. Logo em 1810, na Inglaterra, August de Heine e Peter Durand patentearam a
utilização de latas para conservação de alimentos e, em 1960 o alumínio e plástico
começaram a ser industrializados.
O objetivo do uso de embalagens na indústria de alimentos é prolongar a vida de
prateleira de um produto e garantir que o mesmo chegue até o consumidor livre de
contaminações, seja química, física e biológica. É, portanto a última etapa industrial no
processo de preservação dos alimentos (ZACTITI, 2004).
As embalagens têm inúmeras funções, dentre as quais, a de proteger o alimento
contra danos físicos e mecânicos durante o transporte e distribuição e, também, contra
ação de fatores ambientais como gases, luz, vapor de água e odores. As propriedades de
barreira necessárias a uma embalagem devem ser definidas para cada produto,
considerando-se a composição do mesmo, a forma de apresentação, o sistema de
acondicionamento e a durabilidade desejada (SARANTOPÓULOS et al., 2002).
1.1 Embalagens ativas
Atualmente as embalagens têm um papel significativo não apenas em relação ao
produto em si, mas em relação às funções de mercado que ela desempenha, como
atrativo de venda por apresentar designers cada vez mais inovadores, utilidades extras e
por ser principal veículo de informações ao consumidor.
23
Embora as embalagens tradicionais tenham contribuído grandemente com os primeiros
desenvolvimentos do sistema de distribuição de alimentos, elas não são suficientes para
atender às novas exigências dos consumidores por produtos mais próximos ao natural,
contendo menos conservantes e que sejam seguros (SOARES et al, 2009). Nesse
sentido, atualmente novas tecnologias de embalagens vêm sendo desenvolvidas em
resposta a essa demanda, trazendo benefícios extras em relação às embalagens
convencionais. São as embalagens ativas, que interagem de maneira intencional com o
alimento, visando melhorar algumas de suas características (HAN et al., 2005).
Em alguns casos as embalagens ativas podem responder às mudanças do
ambiente. Para que um sistema seja considerado de embalagem ativa devem acumular
funções adicionais, entre as quais podem ser destacadas: (a) absorção de compostos que
favorecem a deterioração, (b) liberação de compostos que aumentam a vida-deprateleira, e (c) monitoramento da vida-de-prateleira (AZEREDO et al., 2000). O
sistema ativo pode ser parte integral da embalagem ou ser um componente separado,
posicionado no interior da embalagem (HONG; PARK, 2000).
Entre as várias funções dos componentes na produção de embalagens ativas destacamse as:

Antioxidantes, que liberam compostos antioxidantes para o produto
embalado ou absorve compostos que aceleram a oxidação do alimento
(BRODY, 2001); além de alterar o gosto (rancificação) e a qualidade
nutritiva (perda de vitaminas e ácidos graxos essenciais) dos alimentos, a
oxidação resulta em compostos reativos e tóxicos que representam um
perigo para os consumidores (LAGUERRE et al., 2007);

Aromáticas, que são produzidas pela incorporação de aromas voláteis na
matriz polimérica (HUBER et al., 2002) adicionando ou conservando o
aroma do produto e ainda pode minimizar um fenômeno denominado
“scalping”, ou seja, sorção de aromas dos alimentos pelos materiais
poliméricos das embalagens que resultam na mudança do perfil sensorial
(VEIMERAN et al., 1999);

Seqüestrantes de gases, que podem previr reações de oxidação,
desaceleração de maturação de frutas e vegetais, evitar a deterioração da
embalagem por acúmulo de CO2 (MALOBA et al., 1996; VERMEIREN
et al., 1999; SHIN et al., 2002);
24

Reguladoras de umidade, que controlam a umidade no interior da
embalagem, preservando a atividade de água inicial do produto,
reduzindo o risco de contaminação microbiológica (VERMEIREN et al.,
1999)
e prejuízos às propriedades de barreira a gases de filmes
hidrofílicos ou acúmulo de água condensada na superfície de hortaliças
(ROONEY, 1995);

Anti-embaçantes (anti-fogs), que têm a finalidade de impedir ou diminuir
a formação de vapor no interior da embalagem, sendo que o vapor
dificulta a visualização do produto (VERMEIREN et al., 1999);

Absorvedoras de luz ultravioleta (UV), que vêm sendo desenvolvidas para
evitar a degradação da cor, flavor e aspectos nutricionais de alguns
produtos (VERMEIREN et al., 1999);

Antimicrobianas, que agem reduzindo, inibindo ou retardando o
crescimento microbiano que pode estar presente no produto embalado ou
no próprio material da embalagem (APPENDINI; HOTCHKISS, 2002);

Indicadoras de pH, que reportam a correlação entre o produto embalado e
seu pH durante a estocagem (HONG; PARK, 2000).
Embalagens ativas têm sido usadas para uma variedade de alimentos tais como
pães, bolos, biscoitos, massa de pizza, doce, queijo, carnes, frutas, hortaliças, entre
outros. Cada um destes produtos tem um mecanismo de deterioração diferente, que deve
ser compreendido para ter as embalagens ativas adaptadas a eles (VERMEIREN et al.,
1999;. SOARES, 1998).
A liberação de aditivos por embalagens ativas aumenta a segurança do
consumidor, já que esses compostos, ao invés de diretamente adicionados ao alimento,
são liberados controladamente; com isso, estão presentes em menores quantidades, e
apenas onde sua presença é requerida, a saber, na superfície do produto, onde a maior
parte das reações de deterioração ocorre (MORAES, 2007).
1.2 Embalagens biodegradáveis
Nos últimos anos houve um grande aumento do consumo de produtos
industrializados em decorrência do crescimento da urbanização em nível mundial. Disso
25
resulta um aumento da quantidade de resíduos gerados, acumulando grandes
quantidades de lixo todos os dias em aterros sanitários.
Dentre os produtos mais utilizados como matrizes para embalagens destacam-se
papel, papelão e os polímeros sintéticos ou plásticos (Figura 1). Estes últimos são
amplamente utilizados por apresentar boas propriedades mecânicas (resistência,
deformação, tensão) e boas propriedades de barreira (permeabilidade ao vapor de água),
baixo custo e fácil processabilidade. Tradicionalmente, são muito estáveis e não se
degradam facilmente, ocasionando sérios problemas ambientais (AVELLA et al, 2005).
Figura 1- Participação de cada segmento na indústria de embalagem.
Fonte: IBGE, 2010.
Os polietilenos são a resina termoplástica mais utilizada no mundo, com cerca de
40% do total do mercado. Existem três tipos de polietilenos: polietileno de alta
densidade (PEAD), polietileno de baixa densidade (PEBD) e polietileno de baixa
densidade linear (PEBDL). A classificação nessas três categorias se dá de acordo com a
densidade e o índice de fluidez do polímero. A principal aplicação do PEBD é em
filmes flexíveis, utilizados por máquinas de empacotamento automático, com destaque
para os filmes destinados ao empacotamento de alimentos. Com a entrada do PET em
substituição às garrafas de vidro, o PEBD, cujas aplicações estão expressas na figura 2,
encontrou um novo nicho de mercado – os filmes shrink, que são os filmes que
envolvem conjuntos de garrafas (GOMES, 2005).
26
Figura 2: Distribuição em Aplicações de PEBD
Fonte: Anuário da Indústria Química Brasileira, 2004, ABIQUIM.
A indústria de embalagens plásticas situou-se entre as de maior crescimento no
Brasil nos últimos anos, segundo a Associação Brasileira de Embalagens Flexíveis. O
consumo anual per capita de plástico no Brasil, de acordo com dados em 2001 do
Centro de Produção Industrial Sustentável (CEPIS, 2010), gira em torno de 10 kg,
sendo relativamente baixo quando comparado com o índice de 72 kg, verificado nos
EUA, e de 53 kg, no Japão.
Todavia se comparada a do papel, papelão e metais, a contribuição dos plásticos
nos resíduos sólidos municipais é menor, porém o aspecto negativo deste material é o
seu volume aparente e o tempo que este resíduo requer para se decompor no meio
ambiente (YOSHIGA, 2004).
Nos últimos anos tem havido um grande interesse na pesquisa e
desenvolvimento de materiais de embalagem biodegradáveis no sentido de diminuir o
acúmulo de resíduos plásticos no meio ambiente. O Brasil produz cerca de 240 mil
toneladas de lixo por dia, número inferior ao produzido nos EUA (607.000t./dia), porém
muito superior a países como Alemanha (85.000 t./dia) e a Suécia (10.400 t./dia) e, no
Brasil, a maior parte destes resíduos vai para lixões a céu aberto (VILPOUX;
AVEROUS, 2003).
No Brasil, apenas 8% dos resíduos sólidos descartados são reciclados (PIVA;
WIEBECK, 2004). A reciclagem das embalagens plásticas é dificultada pelo fato das
embalagens serem feitas de diferentes tipos de polímeros, com diferentes aditivos como
cargas, colorantes e plastificantes. Toda essa diversidade dos componentes das
27
embalagens dificulta o processo de seleção para o re-processamento, tornando a
reciclagem um processo de alto custo (DAVIS; SONG, 2006).
Com intuito de substituir os polímeros sintéticos por matérias-primas que
possam ser menos prejudiciais ao meio ambiente, muitas pesquisas vêm sendo
realizadas, principalmente na utilização de polímeros biodegradáveis na elaboração de
embalagens. Estes polímeros são degradados por microrganismos pela biodegradação.
A biodegradação é a decomposição de um material em componentes mais
simples por organismos vivos, em que este processo biológico envolve dois fatores
essenciais, que é a nutrição e a respiração (LIMA et al, 2001). O processo de
biodegradação depende de diversos fatores, como a atividade microbiana no ambiente,
temperatura, pH, peso molecular e cristalinidade do polímero (AVELLA et al, 2005;
DAVIS e SONG, 2006).
A biodegradação ou degradação microbiana ocorre através de enzimas,
produzidas por microrganismos, que degradam o polímero em meio aeróbio ou
anaeróbio. Se a remoção do polímero do ambiente for completa, sem gerar resíduos
tóxicos, ele será considerado 100% biodegradável. A estratégia a ser adotada no
desenvolvimento
dos
materiais biodegradáveis,
as
características
específicas
desejadas, incluindo disponibilidade e preço final do material, depende da aplicação
(MOTA, 2009).
Filme biodegradável é um filme fino preparado de polímeros biodegradáveis,
que agem como barreira a elementos externos protegendo assim o produto e
aumentando a sua vida de prateleira. Pela sua composição é facilmente degradado
biologicamente, fato que contribui para o desenvolvimento sustentável.
Os filmes geralmente são elaborados a partir de proteínas, polissacarídeos,
lipídios ou da combinação destes compostos. A formação dos filmes ocorre na presença
de macromoléculas, para formar uma rede polimérica, solvente e plastificante. A
formação dos filmes geralmente envolve associações inter e intramoleculares ou
ligações cruzadas de cadeias de polímeros formando uma rede tridimensional semirígida que retém o solvente (RINDLAV-WESTLING et al., 2002, THARAHATHAN,
2003).
Filmes desenvolvidos a partir de polissacarídeos possuem alta permeabilidade ao
vapor de água, entretanto são eficientes barreiras contra migração de óleos e gorduras
(GUILBERT et al., 1997). Filmes a base de proteínas apresentam efetiva barreira a
gases (CO2 e O2), porém possuem alta permeabilidade ao vapor de água em função do
28
seu caráter hidrofílico (KROCHTA, 2002, TANADA-PALMU et al., 2005). Filmes
desenvolvidos a partir de lipídios são usados pela excelente propriedade de barreira
contra umidade, mas podem oxidar, alterando as características sensoriais (GUILBERT
et al., 1997).
Entre as proteínas que podem formar filmes estão o glúten do trigo, as proteínas
do leite, da soja e do milho, o colágeno e as gelatinas de origem animal. Entre os
polissacarídeos estão os derivados de celulose, amido, alginatos, quitosanas, pectinas e
diferentes gomas e entre os lipídios, estão as ceras e os ácidos graxos (KROCHTA,
2002; THARANATHAN, 2003).
A elaboração do biofilme envolve a utilização de pelo menos um agente
formador de filme (macromoléculas), solvente (água, etanol, entre outros), plastificante
(glicerol, sorbitol,etc) e agente ajustador de pH (ácido acético, NH 4OH, etc). A
formação de filmes biodegradáveis envolve associações inter e intramoleculares ou
ligações cruzadas de cadeias de polímeros formando uma rede tridimensional semirígida que retém o solvente (CARVALHO, 2002). A transformação da solução
filmogênica
em
filmes
biodegradáveis
é
conseqüência
destas
interações
intermoleculares.
Um dos processos de preparação de filmes recorrente na literatura é o casting,
que consiste no espalhamento de uma solução filmogênica (macromoléculas, solvente e
plastificante) em um suporte, seguido de desidratação lenta a baixa temperatura
(LOURDIN et al., 1995; VICENTINI, 2003; DOLE et al., 2004).
Quanto à sua aplicação, os filmes biodegradáveis podem ser de dois tipos:
coberturas, quando são aplicadas diretamente nas superfícies dos alimentos e são
comestíveis, e filmes, que possuem a capacidade de formar estruturas mecanicamente
auto-sustentáveis, podendo ser comestíveis ou somente biodegradáveis (KROCHTA,
2002; TANADA-PALMU, 2003).
1.3 Quitosana
A indústria pesqueira, em especial a de processamento de camarão, pela sua
expansão tem gerado uma problemática ambiental devido aos resíduos gerados deste
produto, principalmente as cascas, que não são aproveitadas para ração animal. Muitas
vezes estas cascas são jogadas ao mar ou em rios clandestinamente o que gera grande
29
Demanda Bioquímica (DBO) nestes locais, contribuindo para altos níveis de poluição
ambiental.
Tais resíduos são constituídos por quitina, proteínas, carbonato de cálcio,
pigmentos, e tem havido grande interesse em seu reaproveitamento, buscando
alternativa à sua disposição final, com vistas ao desenvolvimento de produtos de valor
agregado (CRAVEIRO et al., 1999). A quitina é encontrada no exoesqueleto dos
crustáceos, insetos e na parede celular de fungos. O camarão possui de 5 a 7% de
quitina, e o siri, de 15 a 20% (MOURA, 2004).
A quitina é um polímero natural, álcali-ácido insolúvel, linear que apresenta o
mesmo tipo de unidade monomérica ß-1, quatro N-acetilglucosamina e com exceção da
celulose é o polissacarídeo mais abundante e largamente distribuído na natureza
(THARANATHAN, 2003). O termo quitina deriva da palavra grega chiton,
significando um revestimento protetor para invertebrados (FURLAN, 1993). Esse
biopolímero, devido a sua versatilidade, pode ser utilizado como agente floculante no
tratamento de efluentes, como adsorvente na clarificação de óleos, e principalmente na
produção de quitosana (MOURA et al., 2006). A estrutura da celulose se assemelha
muito à da quitina, a diferença entre essas duas fibras se deve ao grupo hidroxila
localizado na posição 2, que na quitina está substituído por grupos acetoamino
(CRAVEIRO et al, 1999).
Figura 3. Estrutura química da quitina
As propriedades físicas e químicas da quitina e de seus derivados Ndesacetilados (quitosana) são muito diferentes (CANELLA; GARCIA, 2001). A quitina
é insolúvel em água, solventes orgânicos, ácidos diluídos e álcalis, e apresenta uma
30
forma de sólido cristalino ou amorfo. Apresenta também três diferentes formas
polimórficas, descritas como α-quitina, β-quitina e γ-quitina, dependendo de sua
estrutura cristalina, da disposição de suas cadeias e da presença de moléculas de água
(MOURA 2006).
A quitosana é um heteropolimero natural, amino catiônico, composto por
unidades β-1,4 D-glucosamina ligadas a resíduos de N-acetilglucosamina (Figura 4). A
fórmula molecular genérica pode ser expressa como (C6H11O4N)n, sendo encontrada na
parede
celular
de
fungos
(CANER;
CANSIZ,
2007;
FERNÁNDEZ SAIZ; LAGARON; OCIO, 2009). Também pode ser obtida pelo
processo de desacetilação alcalina da quitina; e é mais atrativa que esta por conter um
grupo amino, que propicia a modificação química da estrutura polimérica original
(AIROLDI, 2008). O processo de desacetilação da quitina ocorre utilizando NaOH 50%
e temperatura em torno de 110ºC (SYNOWIECKI, 2003).
Figura 4: Representação esquemática da estrutura primária da quitosana, sendo n o
grau de polimerização. Fonte: ASSIS, 2003.
Os grupamentos amino disponíveis podem adquirir uma carga positiva em
presença de soluções ácidas. Daí sua capacidade de solubilizar-se em ácidos orgânicos,
o que constitui uma das principais características que diferencia a quitosana em relação
à quitina (FURLAN, 1993).
A quitosana é produzida seguindo uma seqüência de processos tais como:
desproteinização, demineralização e desacetilação (Figura 5); sua massa molar depende
das condições do processo de desacetilação (PETER, 2002).
31
Figura 5 – Ciclo de vida da quitosana
Fonte: BARBOSA ( 2003).
Do ponto de vista químico, a quitosana é uma macromolécula com
predominância de grupos amino caracterizados por ligações covalentes (N-H), onde a
eletronegatividade dessas ligações gera sítios de alta polaridade, tornando favorável o
rearranjo de moléculas de águas em seu entorno. Essa característica associada aos
grupos acetamido, que também são polares, caracteriza assim um material com alto grau
de hidrofilicidade (ASSIS, 2003). Essa elevada afinidade por água traz conseqüências
indesejáveis como a redução da estabilidade estrutural do polímero, ou seja, a presença
constante de umidade na estrutura do polissacarídeo provoca o intumescimento da
matriz com conseqüente desagregação das fibras além do favorecimento ao ataque por
microorganismos (BEPPU et al., 1999).
A quitosana caracteriza-se por ser de origem renovável, biodegradável e ter a
capacidade de formar filmes resistentes, flexíveis, de difícil rompimento, além de
promover barreira efetiva a oxigênio. Pertence à primeira família dos “compostos
verdes” podendo competir com polímeros não biodegradáveis em diferentes campos
industriais, como por exemplo, na área de embalagens (JOHN; THOMAS, 2008)
A quitosana é solúvel somente em pH próximos ao seu pka (~6,3), formando um
polímero catiônico pela protonação dos grupos amino (ASSIS, 2010). Na presença de
soluções diluídas de ácidos, a quitosana comporta-se como um polieletrólito catiônico,
constituído de um copolímero de 2-amino-2-deoxi-D-glicopiranose e 2-acetamido-2deoxi-D-glicopiranose de composição variável em função do grau médio de acetilação,
32
GA, que representa a fração de unidades 2-acetamido-2-glicopiranose e 2-amino-2deoxi-D- glicopiranose e é um dos principais parâmetros para sua caracterização. A
proporção relativa dessas unidades nas cadeias macromoleculares de quitosana tem
efeito marcante na sua solubilidade (SANTOS et al., 2003).
A quitosana é insolúvel em água, mas dissolve-se em soluções aquosas de ácidos
orgânicos, como acético, fórmico, cítrico, além de ácidos inorgânicos, como ácido
clorídrico diluído resultando em soluções viscosas. Sua solubilidade está relacionada
com a quantidade de grupos amino protonados (-NH3+) na cadeia polimérica. Quanto
maior a quantidade destes grupos, maior a repulsão eletrostática entre as cadeias e
também maior a solvatação em água. O grau de protonação pode ser determinado pela
variação da concentração de quitosana. Para uma dada concentração de ácido, o grau de
protonação depende do pK do ácido usado para solubilizar a quitosana (RINAUDO,
1999).
As
principais
propriedades
deste
polissacarídeo
são:
bioatividade,
biodegradabilidade, biocompatibilidade, reatividade do grupo amino deacetilado,
permeabilidade seletiva, ação polieletrolítica, habilidade em formar gel e filme,
habilidade
de
quelação
e
capacidade
adsortiva
(THARANATHAN,
2003;
SYNOWIECKI; AL-KHATEEB, 2003).
Devido à sua capacidade de quelar íons metálicos, tais como o ferro, ligado às
moléculas de hemoglobina e mioglobina,catalisadores das reações de peroxidação
lipídica em carnes, atribui-se ação antioxidante à quitosana nestes produtos
(BARRETEAU, 2006; KAMIL, 2002). Também um é promissor agente de controle do
escurecimento enzimático em frutos e vegetais pela habilidade de se complexar a íons
metálicos visto que a polifenoloxidase, enzima responsável por este fenômeno, possui
cobre no seu centro ativo e funciona como oxidase de função mista, atuando na
hidroxilação de monofenóis para diidroxifenóis e em seguida oxidando estes últimos
para o-quinonas (ARAÚJO, 1999; ASSIS, 2003.)
De acordo com suas características atóxicas e fácil formação de géis, a quitosana
é considerada um composto de grande interesse industrial. São exemplos de aplicações
industriais da quitosana: No tratamento de águas e efluentes, tratamento de queimaduras
e como pele artificial (uso na biomedicina), revestimento de comprimidos
(medicamentos), como coadjuvante da higiene oral (HAYASHI et al., 2007), como
elemento básico para a confecção de matrizes de liberação controlada de drogas
(ATCHE et al., 2000) fartamente divulgado, embora ainda que controverso (PITTLER
33
et al., 1999), como um agente ativo no emagrecimento humano por sua interação com
gorduras e estruturas afins- fatter trapper (KANAUCH, 1995); na fabricação de lentes
de contato, na redução da obesidade (fibras dietéticas).
Na indústria de alimentos pode ser utilizada como aditivos alimentares, sendo
agente texturizante, estabilizante, emulsificante, etc. Vale ressaltar nesta pesquisa seu
uso na fabricação de filmes biodegradáveis, pela sua alta capacidade em formar gel na
presença de ácidos fracos, sua atividade antimicrobiana e pelo controle de trocas
gasosas o que tem proporcionado aumento da vida de prateleira dos produtos
submetidos a armazenamento por estes filmes, sem alteração das características
organolépticas dos mesmos. A Figura 6 representa algumas das aplicações da quitosana
na indústria de alimentos.
Figura 6. Uso da quitosana no ramo alimentício.
Fonte: FAI et al., 2008.
34
Os filmes de quitosana têm sido normalmente obtidos de maneira bem simples e
rudimentar: o polímero é dissolvido em meio apropriado e vertido sobre uma superfície
plana. Após a evaporação do solvente, o filme é removido por destacamento. A maioria
dos filmes processados dessa forma são irregulares quanto a espessura e caracterizados
por uma estrutura fibrosa bastante heterogênea (RATHKE; HUDSON,1994).
A
formação dos filmes é influenciada pelo pH, força iônica, tipo de solvente (ácido),
adição de plastificante, sendo variáveis controladas de acordo com as propriedades
mecânicas e porosidade da membrana desejada (ARVANITOYANNIS et al., 1998).
A presença de água neste polímero hidrofílico influencia a maneira em como gás
será permeado ou difundido através da estrutura, destacando sua relativamente baixa
resistência à barreira de vapor d’água (DESPOND et al., 2001). Essa elevada taxa de
absorção de água traz conseqüências indesejáveis como a redução da estabilidade
estrutural do polímero, ou seja, a presença constante de umidade na estrutura
polissacarídeo provoca o intumescimento da matriz com conseqüente desagregação das
fibras e destacamento do filme, além da aceleração da degradação por ataque de
microorganismos (ASSIS, 2002). A incorporação de um composto hidrofóbico (lipídio)
na formulação pode reduzir a hidrofilicidade, formando um filme emulsionado e
reduzindo a afinidade da matriz com moléculas de água (WONG et al., 1992).
Em comparação com filmes poliméricos comerciais, o filme de quitosana
apresenta uma eficiente barreira de permeação de gases (PINOTTI et al., 2007) ,
inferiores aos medidos para PET (Politereftalato de etileno ) ou PVC (Cloreto de
polivinila)
e a demais filmes de base biológica como glúten e celulose e,
adicionalmente, tem sido mostrado que a permeação de CO 2 é superior à de O2 o que
pode vir a ser de interesse na confecção de embalagens com atmosferas controladas
(OLABARRIETA, 2005).
Em se tratando de atividade antimicrobiana, esse polímero provoca a inibição do
crescimento de microrganismos, como E. coli, Fusarium, S. epidermidis, P. ruginosa,
S. pyogenes, K. pneumoniae, S. aureus, Shigella dysenteriae,Aeromonas hydrophila,
Salmonella typhimurium, Bacillus cereus, dentre outros. Alguns pesquisadores explicam
a atividade antimicrobiana da quitosana por seus grupos amínicos que, uma vez em
contato com os fluidos fisiológicos, provavelmente são protonados e se ligam a grupos
aniônicos desses microrganismos,resultando na aglutinação das células microbianas e
inibição do crescimento (RAVI, 2000). Outros estudos sugerem que os efeitos da
quitosana são distintos nos dois tipos de bactérias: no caso das gram-positivas, a
35
hipótese é que quitosana de alta massa molecular forma películas ao redor da célula que
acabam por inibir a absorção de nutrientes, enquanto que quitosana de baixa massa
molecular penetra mais facilmente em bactérias gram-negativas, alterando o
metabolismo desses microorganismos.
No entanto, as funções e propriedades antimicrobianas de soluções de quitosana
e filmes dependem das características da molécula de quitosana em si (grau de
acetilação, peso molecular), outros compostos no sistema (tipo e concentração do ácido,
presença de proteínas, lipídios, íons e outras ingredientes alimentares), e as condições
ambientais (temperatura e umidade relativa) (BEGIN; VAN CALSTEREN, 1999;
KURITA, 2001; SYNOWIECKI; AL-KHATEEB, 2003; ZHENG; ZHU, 2003).
A quitosana comercial possui, geralmente, grau de desacetilação (G.D.) variando
de 70 a 95%, com massa molar na faixa de 104 -106 g/mol (CANELLA; GARCIA,
2001). As diferentes características da quitosana comercial é um fator que dificulta seu
uso na indústria alimentícia. As quitosanas disponíveis para venda no Brasil são de
procedências, graus de pureza e densidade diversos, além de não seguirem padrão de
processo de desacetilação, o que os torna muito diferentes entre si. Fator este que tem
dificultado o estabelecimento de um modelo de gel e filme a ser obtido com
características reprodutíveis. O ideal é utilizar uma matriz de marca única e grau de
pureza para todos os testes.
1.4 Antioxidantes
De acordo com o Decreto nº 50.040, de 24 de janeiro de 1961 da ANVISA
antioxidante é a substância que retarda o aparecimento de alteração oxidativa nos
alimentos.
Um dos principais problemas na conservação dos alimentos lipídicos é o
desencadeamento do processo oxidativo, que resulta na produção de odores e sabores
desagradáveis, tornando os alimentos inadequados para o consumo. Como resultado da
reação entre o oxigênio e os ácidos graxos insaturados ocorre a formação de compostos
de baixo peso molecular, que são os principais responsáveis pelo desenvolvimento de
odores indesejáveis, (PASSOTO et al.,1998).
Quando adicionados à alimentos, os antioxidantes minimizam a rancidez,
retardam a formação de produtos de oxidação tóxicos, mantendo a qualidade
nutricional, e aumentam a vida de prateleira (FUKUMOTO; MAZZA, 2000 ). Os
36
antioxidantes podem ser classificados em primários, sinergistas, removedores de
oxigênio, biológicos, agentes quelantes e antioxidantes mistos. Os antioxidantes
primários são compostos fenólicos que promovem a remoção ou inativação dos radicais
livres formados durante a iniciação ou propagação da reação oxidativa. Os antioxidantes
sintéticos principais e mais conhecidos deste grupo são os polifenóis, como butilhidroxi-anisol (BHA), butil-hidroxitolueno (BHT), terc-butil-hidroquinona (TBHQ) e
propil galato (PG)..
Os antioxidantes biológicos incluem várias enzimas, como glucose oxidase,
superóxido dismurtase e catalases. Estas substâncias podem remover oxigênio ou
compostos
altamente
reativos
de
um
sistema
alimentício.
Os
agentes
quelantes/seqüestrantes complexam íons metálicos, principalmente cobre e ferro, que
catalisam a oxidação lipídica. Os antioxidantes mistos incluem compostos de plantas e
animais que têm sido amplamente estudados como antioxidantes em alimentos. Entre
eles estão várias proteínas hidrolisadas, flavonóides, carotenóides e derivados de ácido
cinâmico (ácido caféico) (RAMALHO; JORGE, 2006).
Para evitar o desenvolvimento da reação oxidativa, os antioxidantes são
empregados como aditivos alimentares. Os antioxidantes sintéticos butil-hidróxitolueno (BHT), o butilhidróxi- anisol (BHA) e o terc-butil-hidroquinona (TBHQ) são
amplamente utilizados pela indústria alimentícia. Porém, estudos em animais
evidenciaram que a exposição aguda e prolongada a estes compostos levam ao
desenvolvimento de tumores de fígado, pâncreas e fígado. Frente a estas evidências,
surgem os antioxidantes de origem natural, com a perspectiva de utilização como
aditivos alimentares (JARDINI; MANCINI-FILHO, 2007).
Em associação com a crescente preocupação dos consumidores quanto à
segurança alimentar relacionada aos aditivos, tem crescido o interesse em se identificar
fontes naturais de compostos antioxidantes para a preservação de alimentos (PESCHEL
et al., 2006).
Os compostos antioxidantes naturais têm sido isolados de diferentes partes de
plantas tais como sementes, frutas, folhas e raízes. Esses compostos incluem
carotenóides, flavonóides, ácidos fenólicos, terpenos, tocoferóis mixados, fosfolipídios,
ácidos orgânicos polifuncionais e também extratos de plantas, (KAUR; KAPOOR,
2001; RIBEIRO et al., 2001).
1.5 Azeite de dendê
37
O óleo da palmeira Elaeis quineensis, é conhecido no Brasil como óleo ou azeite
de dendê, o qual é extraído da polpa do fruto do dendezeiro e se caracteriza por uma
coloração que vai do amarelo ao vermelho, devido à presença de grandes quantidades
de carotenóides. As variedades mais cultivadas no Brasil são a dura, a tenera e psífera,
as quais são diferenciadas pela espessura da casca da semente. A variedade mais
utilizada comercialmente é a tenera, produto do cruzamento das variedades dura x
psífera (RODRIGUES, 1986).
Do fruto são retirados o óleo de palma da polpa e o óleo de palmiste da amêndoa
que são utilizados em produtos alimentícios, cosméticos, lubrificantes de máquinas, etc.
As fibras das folhas e os cachos vazios são utilizados como tampas de lareiras, o troco
da palmeira na confecção de móveis, a torta de palmiste resultante da extração do óleo é
aproveitada como adubo orgânico e ração para animais. A fibra seca e a casca do fruto
são usadas como combustível na caldeira sendo as cascas aproveitadas também como
matéria para carvão ativado (SANTOS, 2005).
Os países com maior produção do óleo de palma são: a Malásia e a Indonésia,
sendo o primeiro responsável por quase 54% da produção mundial. Na América Latina
o maior produtor é a Colômbia, seguida por equador e pelo Brasil. A produção
brasileira representa apenas 1% da produção da Malásia, apesar de haver no Brasil uma
grande área geográfica com condições climáticas favoráveis ao cultivo do dendezeiro
(NUNES, 2005).
O dendezeiro está entre as oleaginosas tropicais de maior rendimento em óleo
existente, com produção entre 3500 e 6000 kg/há. O óleo obtido é utilizado de duas
formas básicas: puro, o conhecido "azeite-de-dendê", que é extraído da polpa do fruto
do dendezeiro, com sabor de sabor doce, cheiro forte e alta consistência, bastante
utilizado na culinária. O óleo industrializado, que após refino e desodorização, é
utilizado como matéria prima para a industrialização de maioneses e margarinas. No
Brasil, atualmente, as maiores plantações de dendê estão concentradas no Pará, no
Amazonas, no Amapá e na Bahia. (EMBRAPA RONDÔNIA, 2006).
O dendê é uma das fontes mais ricas em β-caroteno, com concentrações na
ordem de 500-3000 µg/g no azeite de dendê e 150-400 µg/g no fruto de dendê,
dependendo da espécie do fruto e das condições climáticas no qual foi cultivado
(TRIGUEIRO 1991). A utilização de derivados do dendê como fontes de antioxidantes
também possibilita agregar valor a essa matéria-prima, importante para a agricultura
brasileira, com uma produção em 2006, 580 mil toneladas de dendê (FAOSTAT, 2008).
38
1.6 Urucum
O urucueiro Bixa orellana L. é uma planta nativa da América Tropical (PIVA;
WIEBECK, 1980). O urucum é um corante amarelo-vermelho obtido do pericarpo seco
da semente madura desta planta (BAUTISTA et al., 2004). O urucum é um corante
natural muito usado em vários setores industriais. Os principais pigmentos presentes nas
sementes de urucum pertencem à classe dos carotenóides, que são pigmentos com
propriedades antioxidantes. Os carotenóides são uma classe de compostos que
apresentam poder corante e estes pigmentos têm sido largamente utilizados nas
indústrias de alimentos que vêm buscando substituir os corantes sintéticos por naturais
(RIOS, 2004). Os corantes são encontrados recobrindo a superfície externa das
sementes de urucum e apresentam-se convencionalmente de duas formas: a bixina,
lipossolúvel, e a norbixina, que é hidrossolúvel, cujas estruturas se encontram na Figura
7 (LIMA et al., 2001).
Figura 7. Estrutura da bixina e norbixina (TOCCHINI, 2001)
A bixina é única entre os carotenóides que ocorrem na natureza, não apenas
devido à sua configuração cis, mas também devido à sua molécula ter dois grupos
carboxílicos, um deles sendo um éster metílico. Isto dá à molécula certa
lipossolubilidade. Pela hidrólise alcalina do seu grupamento éster metílico, pode-se
preparar o sal hidrossolúvel do ácido dicarboxílico norbixina (C 24H28O4). Ou seja, da
39
bixina são obtidos os demais pigmentos do urucum, como a norbixina (lipossolúvel), o
sal da norbixina (hidrossolúvel) e os produtos de degradação térmica, que têm como
características a lipossolubilidade e uma coloração amarela mais estável. Deve-se
ressaltar que o corante hidrossolúvel do urucum é o sal da norbixina, que pode ser
convertido em norbixina pela precipitação ácida e, nesta forma, o pigmento não é
solúvel em água (SILVA, 2007).
As preparações de urucum são usadas para colorir manteiga, queijos, produtos
de panificação, óleos, sorvetes, cereais e embutidos. Do total de sementes de urucum
produzido no Brasil, cerca de 25% são utilizados na preparação de extratos lipo- e
hidrossolúveis e o restante é usado na fabricação do colorífico, totalmente consumido
no mercado interno (GHIRALDINI,1989). Segundo a Resolução CNNPA 12/78 do
Ministério da Saúde (BRASIL, 1978), o colorífico é definido como um produto
constituído pela mistura de fubá ou farinha de mandioca, com urucum em pó ou extrato
oleoso de urucum adicionado ou não de sal e de óleos comestíveis. Este produto, quase
que exclusivamente de uso doméstico, proporciona cor avermelhada ao arroz, risotos,
bifes, frangos, farofas, molhos e queijos. Seu principal mercado é a região Nordeste do
país (TOCCHINI, 2001).
Existem alguns estudos que avaliaram as propriedades antioxidantes da bixina,
como seqüestradora de oxigênio singlete (DI MASCIO et al., 1989). HAILA et al
(1996) mostraram que o extrato da semente de urucum , contendo bixina como o
componente corante preveniu a auto oxidação dos triacilgliceróis in vitro. Este resultado
indicou que tal efeito antioxidante pode ser alcançado pela adição deste extrato aos
alimentos. Por outro lado os autores verificaram que o extrato contém vários outros
produtos fluorescentes não identificados que co-eluem na análise de tocoferóis, o que
sugere que a bixina pode não ser o único componente responsável pelo efeito
antioxidante do extrato.
1.7 Plastificantes
Os plastificantes são definidos como substâncias com alto ponto de fusão e baixa
volatilidade. Quando adicionados a outro material provocam mudanças nas
propriedades físicas, químicas e mecânicas dos mesmos (McHUGH; KROCHTA,
1994). O plastificante é uma molécula pequena, de baixa volatilidade e de natureza
química similar a do polímero usado na constituição do filme. Segundo CUQ, 1998, a
adição de plastificante aos biopolímeros modifica a organização tridimensional da rede
40
polimérica, diminuindo as forças de atração intermolecular, aumentando o volume livre
do sistema e deixando menos densa a matriz dos filmes, com isto ocorre um aumento da
sua flexibilidade e extensibilidade. O plastificante pode atuar também como agente de
gelificação, bloqueando os centros de atração moleculares polímero-polímero que,
geralmente, são de grupos polares. Nesse caso, é necessária a presença de grupos
polares na molécula do plastificante (MOTA, 2009).
A adição de um agente plastificante é necessária para superar a fragilidade dos
filmes biodegradáveis, que
ficam quebradiços devido às extensivas forças
intermoleculares. Os plastificantes reduzem essas forças, suavizam a rigidez da
estrutura do filme e aumentam a mobilidade entre as cadeias biopoliméricas,
melhorando as propriedades mecânicas do filme (GUILBERT et al., 1997). Isso resulta
em maior permeabilidade aos gases e ao vapor d’água. (FAIRLEY et al., 1996).
Vários plastificantes são utilizados na elaboração de filmes biodegradáveis e
coberturas. Entre eles, os mono, di e oligossacarídeos (glicose, sacarose); polióis
(glicerol, sorbitol, derivados da glicerina e gliceróis); lipídios (ácidos graxos saturados,
monoglicerídeos e derivados de éster, fosfolipídios e surfactantes) (GUILBERT, 1986).
Destes, o glicerol (ou glicerina) têm sido bastante citado em pesquisas pelo seu bom
desempenho, boa oferta e forte apelo ambiental. . Plastificantes como o glicerol são
capazes de garantir boa qualidade no plástico biodegradável a ser produzido
(RABELLO, 2000). MACHADO (2011), PERAZZO (2011), BASTOS (2010), MOTA
(2009), RIGO (2006) utilizaram glicerol como platificantes em seus filmes
biodegradáveis e comprovaram os efeitos deste sbre diversas propriedades dos seus
filmes.
Depois de fortes oscilações na década de 90, desde 2000 o mercado da glicerina
voltou a crescer. Uma grande fonte agora é a glicerina proveniente do biodiesel
(BIODIESEL, 2007). A implantação da recente lei federal no Brasil obriga em 2008, o
acréscimo de 2% de biodiesel no diesel comum (B2), e posteriormente, esta proporção
aumentará para 5% (LDB, 2006; PINTO et al., 2005). Conseqüentemente isto acarretará
um aumento na oferta nacional de glicerina, que é cerca de 10% dos produtos formados
na reação de obtenção deste biocombustível. A previsão é que a mistura de 2% de
biodiesel (B2), resultará na disponibilidade de 80.000 ton. de glicerina bruta por ano. Da
mesma forma, o crescimento da produção do Biodiesel na Europa resultará num
aumento de 10% (100.000 ton/ano) na oferta global de glicerina bruta (BRASIL, 2004).
41
Portanto, grande parte do sucesso do projeto Biodiesel está condicionada a
glicerina deixar de ser um resíduo para tornar-se fonte de renda real. A dificuldade de
acomodação de uma oferta de glicerina quase três vezes maior que a demanda, ocorre
principalmente porque a glicerina resultante da produção de biodiesel tem
características diferentes da que é utilizada na indústria de higiene. Outra questão a ser
considerada, é que ela não pode ser descartada no meio ambiente, e não pode ser
queimada porque libera para a atmosfera a cloreína, composto com atividade
carcinogênica. Portanto, o Brasil está diante de um passivo ambiental gerado a partir do
biodiesel.
Atualmente, o investimento em Pesquisa e Desenvolvimento no segmento de
biodiesel está voltado para o desenvolvimento de rotas de transformação da glicerina
em produtos largamente empregados na indústria. Desta forma, o excedente de
produção pode ser deslocado para outros setores, evitando o colapso da cadeia nacional
de produção de glicerina animal, além de possibilitar a criação de uma nova cadeia de
produção rentável, a cadeia da glicerina vegetal.
1.8 Caracterizações dos Filmes: análise colorimétrica, termogravimetria e
solubilidade
A aplicação de filmes bioativos depende fortemente de suas propriedades
mecânicas e de barreira. A incorporação de aditivos tende a alterar as características dos
filmes em geral, portanto torna-se importante a caracterização físico-química, térmica e
mecânica dos novos compostos. As características físicas mais estudadas em
embalagens são: espessura, sólidos totais, porcentagem de alongamento, resistência à
tração, permeabilidade ao vapor de água, dentre outras (SOUZA, 2010).
Dentre as propriedades óticas de filmes para aplicação em embalagem,
destacam-se a cor e a transparência (opacidade). A cor pode ser considerada um
importante parâmetro na caracterização dos filmes, pois está relacionada com a
matéria-prima utilizada na elaboração dos mesmos (ORTIZ,2009). A cor pode ser
representada tridimensionalmente por um sólido de cor, através de um atributo de
luminosidade, chamado de Valor (Value) e dois atributos de cromaticidade, chamados
de Tom e Croma (Hue e Chroma). Tom é o nome da cor, ou seja, é a qualidade pela
qual se distingue uma família de outra família de cores cromáticas, como o vermelho do
amarelo. Croma é a intensidade de um tom distinto ou a intensidade da cor, isto é, a
42
posição da cor entre o cinza e o tom puro. Valor é a luminosidade da cor, é a qualidade
pela qual se distingue uma cor clara de outra escura (FERREIRA, 1981).
Como importante parâmetro na caracterização dos filmes, a cor está relacionada
com a matéria-prima utilizada na elaboração dos mesmos. Os filmes de glúten de trigo,
por exemplo, apresentam coloração amarelada (GONTARD, 1991), ao contrário dos
filmes à base de gelatina ou amido de mandioca, que são praticamente incolores
(SOBRAL, 1999).
A cor é um atributo de fundamental importância para um produto. Poucos são os
trabalhos que relatam a determinação da cor para filmes biodegradáveis. De acordo com
FERREIRA (1981), a cor pode ser representada tridimensionalmente por um sólido de
cor, através de um atributo de luminosidade, chamado de Valor (Value), e dois atributos
de cromaticidade, chamados de Tom e Croma (Hue e Chroma). Tom é a cor, ou seja, é a
qualidade pela qual se distingüe uma família de outra família de cores cromáticas, como
o vermelho do amarelo. Croma é a intensidade de um tom distinto ou a intensidade da
cor, isto é, a posição da cor entre o cinza e o tom puro. Valor é a luminosidade da cor, é
a qualidade pela qual se distingue uma cor clara de outra escura (ver Figura 2).
Figura 2: Representação tridimensional do sistema de cores (Fonte: HunterLab,
1997).
43
Para a determinação da cor de um material, podem-se utilizar cartas ou atlas de
cores, onde um dos mais conhecidos é o Livro de Cor da Munsell (Munsell Book of Color), ou ainda pelo uso de colorímetros os quais baseiam-se nas escalas de cor CIE Lab
ou HunterLab. Tanto as cartas de cor quanto os colorímetros descrevem os três atributos
da cor (Tom, Croma e Valor). O Lab, que é um sistema subtrativo de cor proposto pela
Commision Internationale L'Eclairage – CIE, estabelece coordenadas uniformes no
espaço tridimensional de cor (Figura 3). No Sistema CIE Lab, os valores para claro e
escuro são representados pelo L (neste trabalho representado por L*), o vermelho é representado +a*, o verde por –a*, amarelo por +b* e azul por –b*, em um plano cartesiano (GIESE, 2000; HUTCHINGS, 1999).
Figura 3: Representação gráfica do sistema CIE Lab.
Fonte: http://marceloandrade17.blogspot.com
A transição vítrea é uma transição de fase que ocorre em materiais amorfos ao
serem submetidos a uma determinada temperatura, denominada de temperatura de
transição vítrea (PEREZ, 1994); quando submetidos a temperaturas abaixo da Tg, os
materiais se encontram no estado vítreo e são caracterizados por uma baixa mobilidade
molecular que lhes confere certa rigidez; acima da Tg, os mesmos se encontram no
44
estado borrachento, de maior mobilidade molecular e, consequentemente, maior
flexibilidade. A temperatura de transição vítrea é o parâmetro mais importante na
definição das propriedades mecânicas de polímeros amorfos, em função da sua
importância nos processos de recristalização e armazenamento destes materiais
(FORSSELL et al. , 1997).
A termogravimetria (TGA) é uma técnica da análise térmica na qual a variação
da massa da amostra (perda ou ganho) é determinada em função da temperatura e/ou
tempo, enquanto a amostra é submetida a uma programação controlada de temperatura.
Esta técnica possibilita conhecer as alterações que o aquecimento pode provocar na
massa das substâncias, permitindo estabelecer a faixa de temperatura em que começam
a se decompor, acompanhar o andamento da desidratação e de reações de oxidação,
combustão, decomposição, etc. (CANEVAROLO, 2003). No método termogravimétrico convencional ou dinâmico, são registradas curvas de massa da amostra em função da
temperatura ou do tempo. Essas curvas são denominadas curvas termogravimétrica ou
simplesmente, curvas de TGA. Na termogravimetria derivada (DTG), as curvas são registradas a partir das curvas de TGA e correspondem às derivadas primeiras da variação
de massa em relação ao tempo.
A TGA tem sido largamente utilizada para avaliação da estabilidade térmica, determinação de conteúdo de umidade e de aditivos, estudos de cinética de degradação,
análise de sistemas de copolímeros, estabilidade a oxidação e temperaturas de degradação em materiais poliméricos. Nos casos de filmes biodegradáveis e também ativos é
possível estabelecer a temperatura de degradação dos compostos, o efeito da adição de
antioxidantes e a estabilidade térmica destes (PELISSARI, 2009).
A solubilidade em água é uma propriedade importante dos filmes biodegradáveis
no que se refere ao seu emprego, pois algumas aplicações requerem insolubilidade e
água para manter a integridade do produto (PEREZ-GAGO e KROCHTA, 1999). Filmes com alta solubilidade podem ser interessantes para embalagens de alimentos desidratados que devam sofrer uma hidratação prévia ao consumo. Por outro lado muitas
aplicações demandam embalagens resistentes à água, como no caso de alimentos com
alta atividade de água, ou mesmo para se evitar a transpiração de produtos frescos
(MONTERREY-QUINTERO, 1998).
De acordo com Fakhouri et al.(2007), a solubilidade influencia a propriedade de
barreira ao vapor de água dos filmes biodegradáveis. Para se obter uma baixa permeabilidade ao vapor de água (dentro de uma grande faixa de umidade relativa), torna-se ne45
cessário a utilização de material insolúvel ou pouco solúvel em água. Filmes formados a
partir de hidrocolóides hidrofílicos, com plastificantes hidrofílicos tendem a ser, obviamente, mais solúveis do que aqueles em que se utilizam componentes hidrofóbicos.
Contudo, em filmes onde são incorporados compósitos, mesmo eles sendo hidrofílicos,
a solubilidade tende a diminuir devido ao tamanho das partículas que esses compósitos
apresentam (WOLF, 2007).
1.9 Espessura, Atividade de água e Propriedades de Barreira
A espessura é definida como a distância entre duas superfícies principais do
material, é um parâmetro importante para filmes plásticos mono ou multicamadas.
Conhecendo-se a espessura é possível obter informações sobre resistência mecânica e as
propriedades de barreira a gases e ao vapor de água do material, bem como fazer
estimativas sobre a vida útil de alimentos acondicionados nestes materiais. Por meio da
determinação da espessura é possível avaliar a homogeneidade de um filme quanto a
este parâmetro. Variações na espessura de um material acarretam problemas no seu
desempenho mecânico e flutuações nas propriedades de barreiras (CETEA, 1996).
A espessura deve ser estabelecida levando-se em conta a utilização final do
filme, que dependerá do alimento a ser embalado (SARMENTO, 1999). Esse controle é
difícil, sobretudo nos processos de produção do tipo casting, pois a solução formadora
de filme pode se tornar muito viscosa, dificultando seu espalhamento e,
conseqüentemente, o controle da espessura, além de possibilitar a formação de bolhas
na solução (SOBRAL, 1999).
Para a análise de espessura, recomenda-se que as medidas sejam realizadas em
corpos de prova sem irregularidade, a pelo menos 6 mm da borda. As amostras devem
ser previamente acondicionadas em ambiente com umidade e temperatura controladas.
Além disso, as superfícies de medição do micrômetro devem ser limpas com óleo
anticorrosivo, como éter de petróleo e anteriormente à análise, o micrômetro deve ser
sempre zerado. A espessura é mais comumente expressa em milímetros (mm)
(SARANTÓPOULOS et al., 2002).
Dentre os fatores de estabilidade dos produtos, a umidade e a atividade de água
são parâmetros que podem ser medidos facilmente e com precisão (RÖDEL et al.,
1990). A vida útil de um alimento não está ligada somente a quantidade de água total
que está presente no mesmo, que é a umidade, e sim como a água está interagindo com
46
os componentes sólidos deste; sendo essa interação expressa pela atividade de água
(Aw). Assim, a atividade de água e a umidade são fatores que influenciam diretamente
nas características dos alimentos e na sua estabilidade, sendo muitos métodos de
conservação baseados no controle ou redução do teor de água dos alimentos,
procurando associá-los a manutenção da qualidade de uma forma global (KIRCHHOF
et al., 2008).
Em filmes hidrofílicos, a atividade de água (Aa) e a temperatura a que são
submetidos influenciam grandemente as propriedades de barreira. Ao se aumentar a Aa,
produz-se um inchamento excessivo da matriz polimérica, que leva a um incremento na
difusão das moléculas de água e, consequentemente, diminui as propriedades de barreira
destes materiais (BIQUET; LABUZA, 1988).
A migração de vapor de água é um dos principais fatores de alteração da
qualidade sensorial e da estabilidade da estocagem (GONTARD et al., 1994). A Norma
ASTM E96-95 (American Society for Testing and Materials) define a permeabilidade
ao vapor de água como a taxa de transmissão de vapor de água por unidade de área
através do filme, de espessura conhecida, induzida por um gradiente de pressão entre
duas superfícies específicas, de temperatura e umidade relativa especificada (ASTM,
1990).
A permeabilidade é definida como uma propriedade do par filme/permeado, em
condições bem definidas de temperatura, umidade relativa, espessura e diferença de
pressão parcial (LAI; PADUA, 1998).
O método utilizado para avaliar essa propriedade é o método gravimétrico, que
consiste em pesagens sucessivas de uma cápsula hermeticamente fechada, contendo o
filme na sua superfície e substância dessecante (cloreto de cálcio ou sílica gel) no seu
interior; colocadas em ambientes com umidade controlada. Caso o filme tenha grande
afinidade pela água, é necessária a utilização de corpos de prova adicionais, preparados
sem dessecante (branco) para que possa ser descontada ou acrescida a variação de peso
do material. Alternativamente, a solução com umidade controlada também pode ser
colocada no interior da cápsula, e no seu exterior, o material dessecante
(SARANTÓPOULOS et al., 2000).
KESTER; FENNEMA, 1986, citam diversos fatores que podem afetar a
permeabilidade ao vapor de água em filmes biodegradáveis, incluindo-se a
concentração de plastificante, a morfologia dos filmes, as características das
moléculas permeantes, as interações entre cadeias poliméricas e o grau de
47
reticulação. Fatores relacionados à composição química e estrutura do polímero, tal
como grau de saturação, presença de cadeias laterais e ligações cruzadas; e fatores que
envolvem heterogeneidades nos polímeros tais como orientação, cristalinidade e a
presença de plastificante determinam as propriedades de transporte (LAI; PADUA,
1998).
1.10 Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dos filmes biodegradáveis são características
importantes para sua utilização como embalagem, devido ao manuseio a que estão
sujeitos os produtos durante a distribuição e comercialização. Filmes biodegradáveis
devem ser resistentes à ruptura e abrasão, para que possam reforçar a estrutura do
produto e facilitar o seu manejo e devem ser flexíveis, para que possam se adaptar às
possíveis deformações sem se romper (SARANTÓPOULOS et al., 2002).
As principais propriedades mecânicas dos filmes são a resistência à tração,
porcentagem de elongação e módulo de Young (E, dado em MPa/%). A primeira é
expressa pela tração máxima desenvolvida pelo filme no teste. A segunda é a habilidade
do filme em se estender. Os filmes obtidos devem ser resistentes à ruptura e à abrasão,
fazendo com que o alimento não perca sua integridade e proteção por manuseio e
transporte. Além disso, ele deve possuir flexibilidade suficiente para adaptar-se a
eventuais deformações no alimento sem dano mecânico (GONTARD et al., 1994).O
módulo de Young é uma característica de cada material, que representa a constante de
proporcionalidade entre a tensão e a deformação de um corpo (VAN DE VELDE;
KIEKENS, 2002).
A natureza do material filmogênico e sua coesão estrutural determina as
propriedades mecânicas dos filmes. Espessura, processo de obtenção e umidade de
armazenagem são fatores que também influenciam nas propriedades. Em baixas
umidades relativas, os filmes biodegradáveis tornam-se quebradiços, enquanto que em
umidades relativas elevadas os mesmos são flexíveis, porém frágeis (LAWTON, 1996).
A metodologia padrão para os ensaios de resistência mecânica segue as
especificações ASTM D882-00 (ASTM, 2001), onde corpos de prova retangulares (8 x
2,5 cm) obtidos de filmes pré-condicionados (75% UR, 30ºC) são fixados entre as
garras de tensão do equipamento. A espessura de cada amostra deve ser medida em
quatro pontos, em posições aleatórias. A posição inicial e a velocidade de separação das
48
garras devem ser fixadas a 50 mm e 12,5 mm/min, respectivamente e devem ser
realizadas pelo menos cinco medidas para cada amostra (SOUZA, 2010).
As
propriedades
mecânicas
dependem
fortemente
da
formulação
(macromolécula, solvente, plastificante, ajustador de pH) e do processo de obtenção.
Dentro da formulação, o teor de plastificante é um importante fator capaz de alterar o
perfil de propriedades mecânicas de um filme (MALI et al., 2010).
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Capítulo II
Tendências tecnológicas do biopolímero quitosana e de filmes elaborados desta
matriz através da prospecção em documentos de patentes
59
CAPITULO II
Tendências tecnológicas do biopolímero quitosana e de filmes elaborados
desta matriz através da prospecção em documentos de patentes.
RESUMO - A quitosana é um biopolímero, derivado hidrolisado da quitina insolúvel
em solução aquosa neutra ou alcalina e é solúvel em soluções ácidas. Portanto, um
composto que possibilita a fabricação de filmes biodegradáveis, devido a sua alta capacidade em formar gel na presença de ácidos fracos, sua atividade antimicrobiana e pelo
controle de trocas gasosas. Mediante a importância atual em se implementar alternativas
ambientalmente sustentáveis, o objetivo deste trabalho foi realizar um estudo de prospecção para avaliar o panorama mundial da utilização da quitosana, principalmente em
filmes biodegradáveis na indústria alimentícia. Foram realizadas consultas nos bancos
de dados de patentes do escritório europeu Espacenet (EP), utilizando palavras-chave
em inglês para a pesquisa avançada (Advanced Search).O baixo número de patentes encontrados evidencia a necessidade de incentivo à pesquisa e à proteção dessa tecnologia
pesquisada, tanto no setor público quanto privado e implementação de políticas governamentais que possibilitem maior interação entre universidades e indústria, a fim de se
estimular a transferência de conhecimentos tecnológicos da universidade para o setor
produtivo.
PALAVRAS-CHAVE: Tendências tecnológicas; quitosana; filmes biodegradáveis; prospecção.
ABSTRACT – Chitosan is a biopolymer derived from chitin hydrolyzed insoluble in
neutral or alkaline aqueous solution and is soluble in acidic solutions. Therefore, a compound that enables the manufacture of biodegradable films, due to its high capacity to
form gels in the presence of weak acids, antimicrobial activity and control of gas exchange. Through the current importance of environmentally sustainable alternatives to
implement the objective of this study was a prospective study to assess the global picture of the use of chitosan, especially in biodegradable films in the food industry. Consultations were held in databases Espacenet European Patent Office (EP) using key
words in English to the Advanced Search (Advanced Search). The low number of patents found highlights the need to encourage research and the protection of the technology researched in both the public and private sectors and implementation of government
policies that allow greater interaction between universities and industry in order to
stimulate the transfer of technological knowledge from universities to the productive
sector.
KEYWORDS: Technology trends; chitosan; biodegradable films; prospecting.
60
1.
Introdução
Um filme biodegradável é um filme fino preparado de materiais biológicos, que a-
gem como barreira a elementos externos protegendo assim o produto e aumentando a
sua vida de prateleira. Pela sua composição é facilmente degradado biologicamente, fato
que contribui para o desenvolvimento sustentável (HENRIQUE et al.., 2008).
Os materiais biodegradáveis são geralmente produzidos com materiais biológicos,
como polissacarídeos (derivados de celulose, amido, alginato, quitosana, pectina e diferentes gomas), proteínas (glúten do trigo, as proteínas do leite, da soja e do milho, o colágeno e as gelatinas de origem animal), lipídios e derivados (KROCHTA, 2002). Os
filmes possuem potencial para controlar a perda de umidade e a troca de oxigênio, e etileno e dióxido de carbono do tecido das frutas; dessa forma funciona como alternativa
ao tratamento por atmosfera controlada, alternativa que está sendo empregada na preservação de frutas e hortaliças apesar dos custos do processo (AVENA-BUSTILLOS e
KROCHTA, 1993).
A quitosana é um derivado hidrolisado da quitina. É a forma desacetilada desta,
composta principalmente de glucosamina (2-amino-2-desoxi-D-glucose), possuindo diferentes classes de desacetilações. São produzidas, a partir do polissacarídeo inicial
(quitina) por uma reação de desacetilação. Uma de suas principais características é a
insolubilidade em água e também em outros solventes orgânicos (THANOO et al.,
1991).
A quitosana é insolúvel em solução aquosa neutra ou alcalina e é solúvel em soluções ácidas. Presumivelmente o grande número de sítios catiônicos ao longo da cadeia
permite a solubilidade em água por aumentar tanto a polaridade do composto quanto o
grau de repulsão eletrostática entre unidades do polímero. Evidentemente a quitina possui uma porcentagem insuficiente de unidades de glucosamina para permitir solubilidade em água, até mesmo em condições ácidas. Esta característica de solubilidade é talvez
a principal diferença entre estas duas estruturas (WINTEROWD e SANDFORD, 1995).
Devido a suas características atóxicas e fácil formação de géis, a quitosana é considerada um composto de grande interesse industrial. São exemplos de aplicações industriais da quitosana: no tratamento de águas e efluentes, tratamento de queimaduras e
como pele artificial (uso na biomedicina), revestimento de comprimidos (medicamentos), fabricação de lentes de contato, na redução da obesidade (fibras dietéticas). Na in-
61
dústria de alimentos pode ser utilizada como aditivos alimentares, sendo agente texturizante, estabilizante, emulsificante, etc. (FAI et al., 2008).
A quitosana é, portanto, um composto que possibilita a fabricação de filmes biodegradáveis, devido a sua alta capacidade em formar gel na presença de ácidos fracos, sua
atividade antimicrobiana e pelo controle de trocas gasosas. Essas propriedades têm proporcionado aumento da vida de prateleira dos produtos submetidos a armazenamento
por estes filmes, sem alteração das características organolépticas dos mesmos (CAMPANA-FILHO, et al., 2007).
Em se tratando de atividade antimicrobiana, alguns estudos apresentam inibição do
crescimento de alguns microrganismos por conta da atividade deste biopolímero. São
eles: Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella. typhimurium, Streptococcus
faecali, Salmonella entérica, S. paratyphi, Pseudomonas aeruginosa, Listeria monocytogenes, Bacillus. cereus, Shigella dysenteriae, entre outros (FAI et al., 2008).
Alguns pesquisadores explicam a atividade antimicrobiana da quitosana por seus
grupos amínicos que, uma vez em contato com os fluidos fisiológicos, provavelmente
são protonados e se ligam a grupos aniônicos desses microrganismos, resultando na aglutinação das células microbianas e inibição do crescimento (RAVI KUMAR, 2000).
Outros estudos sugerem que os efeitos da quitosana são distintos nos dois tipos de
bactérias: no caso das gram-positivas, a hipótese é que quitosana de alta massa molecular forma películas ao redor da célula que acabam por inibir a absorção de nutrientes,
enquanto que quitosana de baixa massa molecular penetra mais facilmente em bactérias
gram-negativas, alterando o metabolismo desses microorganismos (ZHENG e ZHU,
2003).
A elaboração do filme envolve a utilização de pelo menos um agente formador de
filme (macromoléculas), solvente (água, etanol, entre outros), plastificante (glicerol,
sorbitol,etc) e agente ajustador de pH (ácido acético, NH4OH, etc) (THARAHATHAN,
2003). A formação de filmes bioativos envolve associações inter e intramoleculares ou
ligações cruzadas de cadeias de polímeros formando uma rede tridimensional semirígida que retém o solvente. A transformação da solução filmogênica em filmes é conseqüência destas interações intermoleculares. (CARVALHO, 2002).
Os plastificantes são definidos como substâncias com alto ponto de fusão e baixa
volatilidade, que devem ser compatíveis com o biopolímero para garantir sua eficiência.
Interagem com a interface do polímero, enfraquecendo as forças intermoleculares, dan-
62
do maior mobilidade às cadeias formadoras da matriz polimérica e consequentemente,
aumentando a flexibilidade dos filmes (AZEREDO et al., 2010).
A adição de um agente plastificante é necessária para superar a fragilidade dos
filmes, que ficam quebradiços devido às extensivas forças intermoleculares. Os plastificantes reduzem essas forças, suavizam a rigidez da estrutura do filme e aumentam a
mobilidade entre as cadeias biopoliméricas, melhorando as propriedades mecânicas do
filme (GUILBERT e BIQUET, et al., 1995). Isso resulta em maior permeabilidade aos
gases e ao vapor d’água. (FAIRLEY et al., 1996).
As propriedades protetoras desses filmes podem ser reforçadas mediante a incorporação de aditivos que agem liberando compostos que aumentam a vida-de-prateleira dos
produtos tais como agentes antimicrobianos, bactericidas, fungicidas, antioxidantes ou o
uso de enzimas. Cabe salientar que, como o consumidor tem aumentado a demanda por
alimentos seguros e estão, especialmente, preocupados com os efeitos colaterais de vários aditivos artificiais, é de grande importância o estudo de novos aditivos naturais e
não tóxicos no intuito de substituir os aditivos artificiais na manutenção da qualidade
dos alimentos (GUILBERT e BIQUET, 1995). Portanto, o objetivo deste trabalho foi
realizar um estudo de prospecção para avaliar o panorama mundial da utilização da quitosana, principalmente em filmes biodegradáveis na indústria alimentícia, relacionando
os documentos de patentes depositados sobre a utilização do polímero, conhecer os países detentores desta tecnologia, incluindo as principais áreas que utilizam essa matriz
como ferramenta de inovação tecnológica.
2.
Aspectos Metodológicos
Para obtenção de dados atualizados referentes aos documentos de patentes e propri-
edade intelectual relacionados à quitosana e filmes biodegradáveis a partir dessa matriz,
foram realizadas consultas nos bancos de dados de patentes. A busca foi realizada utilizando palavras-chave sobre a matriz quitosana e processo de produção dos polímeros
biodegradáveis (filmes) e seu emprego em diversos setores industriais. Foram empregados os termos em inglês para a pesquisa avançada (Advanced Search) no escritório europeu Espacenet (EP). Ressalta-se que foram utilizadas as seguintes palavras-chaves e
suas combinações: “chitosan”, “films and chitosan”, “packing and chitosan” e “biodegradable films and chitosan”.
63
Foi escolhida a pesquisa avançada (Advanced Search) da base de dados européia,
pois esta compreende a coleção completa de pedidos de patentes em mais de 80 países,
incluindo, por exemplo, os pedidos de patentes nacionais, Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI), norte americanos, United States Patent and Trademark Office
(USPTO) e via Patent Cooperation Treaty (PCT).
Os dados coletados nos documentos de patentes foram tratados e discutidos pela análise de informações relevantes extraídas nestes documentos, o que permitiu se traçar um
perfil superficial dos depositantes, ressaltando os principais países detentores destas
tecnologias, a evolução do número de depósitos nos últimos anos, as principais áreas de
aplicação destas tecnologias, etc.
Vale ressaltar que o termo “documento de patente” abrange pedidos de patente publicados ou patentes concedidas.
3. Resultados e Discussão
3.1 Pesquisa dos documentos de patentes
Tabela 1: Número de patentes encontradas de acordo com as palavras-chave
Palavras-chave
Quantidade
chitosan
500
films* chitosan
11
packing* chitosan
3
biodegradable films*chitosan
TOTAL
1
515
3.2 Objetos das patentes depositadas
Das 515 patentes obtidas nas pesquisas com as 4 palavras-chave, 311 são patentes de
aplicação em produtos e 204 são de metodologia de processo de produção (Figura 1).
64
Figura 1: Distribuição de patentes de acordo com critério processo x produto.
Dentre as diversas áreas de aplicação que as patentes depositadas abrangem, a maior
parte refere-se ao uso de quitosana na área farmacêutica e química (Figura 2). Entretanto, a utilização desse polímero como constituinte de embalagens ainda é restrita, já que
apenas 12 patentes são destinadas ao tema, as quais possuem aplicação voltada para a
área farmacêutica, de alimentos, química e agroindustrial.
Figura 2: Distribuição de patentes conforme área de aplicação destas.
65
A quitosana vem sendo extensivamente estudada devido às suas propriedades
peculiares que lhe conferem um aproveitamento bastante versátil, tais como: carreador
de fármacos de liberação controlada e DNA, regeneração de tecidos epiteliais, confecção de membranas artificiais, promotor de osteogênese, antibacteriano, coadjuvante da
higiene oral, absorção de gordura e redução do colesterol sérico, componente de cosméticos, remoção e recuperação de diferentes resíduos, biotransformação e detecção de
pesticidas, recobrimento de sementes na agricultura, remoção de corantes, aminoácidos
e proteínas e como agente floculante no tratamento de efluentes aquosos (FAI, 2008).
Este polímero insolúvel em água é um excelente ligante, propriedade importante para
aplicação nas áreas farmacêutica, alimentícia e de saúde (MATTEUS, 1997).
A modificação da estrutura química de biopolímeros, com o intuito de conferir-lhes
propriedades funcionais adicionais ou simplesmente melhorar atributos já característicos dos mesmos é uma atividade de pesquisa muito explorada, haja vista o número expressivo de publicações científicas e de patentes disponíveis. A quitosana é um biopolímero que apresenta sítios reativos versáteis para modificações químicas, o que a insere
em um conjunto de biomoléculas de grande interesse para pesquisadores de diversos
ramos da ciência, uma vez que derivados de quitosana obtidos por meio dessas transformações demonstram diversas aplicações biotecnológicas, biomédicas e farmacêuticas
(LARANJEIRA e FÁVERE, 2009.)
A busca por alternativas que minimizem os danos ambientais é uma tendência cada
vez mais estudada. O uso do biopolímero quitosana na confecção de embalagens biodegradáveis para uso em indústria alimentícia é muito indicado, uma vez que além de se
aproveitar as propriedades favoráveis desta matriz para este fim (apresentadas anteriormente), também poderá se contribuir para o desenvolvimento sustentável de um setor
cuja demanda mundial e a geração de resíduos é intensa.
Nas patentes recuperadas através da busca por associação de palavras chaves fora
encontradas onze patentes para “filme*quitosana”; três patentes para “embalagens*quitosana” e uma patente para filmes “biodegradáveis*quitosana”, tendo esta última o título: Biodegradable laminated films fabricated from pectin and chitosan, que
tem como objeto da invenção um processo na área agroindustrial, com publicação em
1999. O país detentor desta patente privada são os Estados Unidos.
Diante dos dados observados em relação ao baixo número de patentes que se referem
ao uso de quitosana como matriz para embalagens biodegradáveis, das boas propriedades desta matriz para este fim e de sua grande disponibilidade no meio ambiente para
66
sua utilização faz-se necessário o incentivo à pesquisa e à proteção de tecnologias na
confecção de filmes e outros artigos com este biopolímero.
3.3 Instituições de depósitos
Das patentes encontradas nesta pesquisa, o título da maioria pertence à universidades (ver Figura 3), com prevalência de universidades e centros e institutos de pesquisa da China, sendo a Universidade de Shanghai a principal universidade que publica
patentes sobre quitosana.
Na China, 16 por cento das patentes provêm do mundo acadêmico. Isso se compara a quatro por cento nos Estados Unidos e um por cento no Japão. A tendência existe
porque o governo chinês exerce forte direção quanto às áreas técnicas que devem ser
pesquisadas (AÇÃO MAGISTRAL, 2011).
Figura 3: Distribuição das patentes de acordo com as instituições de depósitos.
Durante a pesquisa contatou-se que apenas 1 patente que tratava do uso de quitosana em embalagens biodegradáveis das 3 patentes encontradas foi depositada pela Universidade de Shanghai, sendo as demais de iniciativa privada.
Entre 1979 e 2004, 41 universidades registraram depósitos de patentes no INPI. A
Universidade de Campinas (UNICAMP) aparece como titular em 31,6% dos depósitos.
Em segundo lugar está a Universidade de São Paulo (USP) com 16,5% e em seguida a
67
Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) com 9,9% e 9,2% dos depósitos, respectivamente. Esses números estão
subestimados, pois em 2000, a FAPESP criou o Núcleo de Patentes e Licenciamento de
Tecnologia (NUPLITEC) com o objetivo de gerenciar os pedidos financiados pela FAPESP, ficando desde então, com a titularidade dos pedidos. Embora as universidades
tenham realizado apenas uma média de 1% dos depósitos de patentes de residentes no
Brasil entre 1998 e 2001, elas foram responsáveis por 34,5% dos depósitos de “biotecnologia” e 28,6% de “química orgânica” neste período, o que demonstra uma significativa contribuição das universidades para setores “baseados na ciência”. A Universidade
Federal da Bahia (UFBA) está na 36ª. posição dentre as universidades brasileiras que
mais patenteiam. (PÓVOA, 2010).
3.4 Países detentores da tecnologia
Observando os documentos de patentes depositados, em relação aos países detentores das tecnologias patenteadas, destaca-se a China com 63% seguida da Coréia do Sul
com 10% (Figura 4). Isso pode estar associado ao fato de que a China está utilizando
melhor o sistema de patentes internacionais, com um forte aumento de pedidos de patentes, segundo a Organização Mundial da Propriedade Intelectual (OMPI). Em 2006, a
China pediu o registro de 3.910 patentes internacionais, um aumento de 56,8% em
comparação com o ano anterior (CCIBC, 2011).
O espantoso aumento desses índices neste ano se deu pelo incentivo à inovação e à
tecnologia nacional como prioridades no 11º plano qüinqüenal, que vigorou a partir do
segundo semestre de 2006, na China. O investimento em pesquisa e desenvolvimento
tem crescido. Atualmente representa 1,23% e o plano é chegar a 2,5% em 2025. Os Estados Unidos, que são referência em pesquisa e desenvolvimento, dedicam 2,76% de
seu PIB para esses fins. Graças a uma política pública de longo prazo na área do ensino
para formar técnicos e profissionais altamente capacitados, a China deu um salto e deixou de ser um país subdesenvolvido para se tornar uma potência. Hoje é uma das potências tecnológicas do mundo que cada vez mais conquista mercados e cresce. A prova
deste resultado não está só na evolução do PIB, mas também na evolução do número de
depósito de patentes (REVISTA MACAU, 2011).
68
Figura 4: Distribuição de patentes de acordo com países detentores da tecnologia
O Japão registrou o maior total anual de patentes a cada período, entre 2001 e 2007,
mas os EUA vêm reduzindo a distância. No período, o Japão teve 37 por cento dos novos pedidos de patente, ou 3,5 milhões, ante 27 por cento para os EUA e 12 por cento
cada para China, Coréia do Sul e Europa (AÇÃO MAGISTRAL, 2011).
No entanto, em relação às patentes que abordam o uso de quitosana em embalagens
ou filmes, os EUA possuem maior número de patentes, enquanto a China ocupa o segundo lugar nessa área. Os EUA continuam sendo o país que mais solicita patentes internacionais, com quase 50 mil pedidos em 2006, 34,1% do total mundial. Depois dos
EUA, os países que mais solicitam patentes são o Japão, Alemanha, República da Coréia, França, Reino Unido, Holanda e China.
Através da análise dos documentos de patentes verifica-se que o Brasil não é detentor de nenhuma patente relacionada ao uso de quitosana em embalagens poliméricas, o
que reforça a idéia de que as pesquisas nessa área devem ser incentivadas e que a política de incentivo à inovação no país e proteção intelectual deve ser implementada cada
vez mais, tanto no setor público quanto privado.
O Brasil ainda se mantém muito abaixo no ranking de depósito de patentes, estando
muito abaixo dos países formadores do BRIC (sigla que se refere aos países Brasil, Rússia, Índia e China, que se destacaram no cenário mundial pelo rápido crescimento das
suas economias em desenvolvimento). Atualmente os artigos publicados superam em 80
69
vezes o número de pedidos de patentes no Brasil, sendo a produção científica mais evidente do que a proteção dessas pesquisas nos escritórios de patentes por todo o mundo.Alguns fatores podem contribuir para o déficit do desempenho do Brasil em relação
aos outros países: a falta de incentivo em se proteger a propriedade intelectual e a falta
de conhecimento de pesquisadores de todo o processo de depósito; a desarticulação entre governo, empresas e universidades, que vinculem as pesquisas à engrenagem de
produção científica-publicação e proteção desta. Outro ponto a se considerar é o tempo
de concessão da patente, que difere de país para país. Enquanto o tempo de publicação
de um artigo leva em média um ano, a concessão da patente leva de seis a sete anos;
cinco anos nos EUA, dois anos e meio no Japão e na Coréia do Sul (FEDERMAN,
2009).
3.5 Distribuição anual dos depósitos de patentes
A quitina, precursora da quitosana, foi descoberta em 1811 por Henri Braconnot a
partir de cogumelos, recebendo então o nome de fungina. Em 1823, Odier isolou-a de
insetos e a denominou de quitina, porém, apenas em 1843 Payen descobriu que havia
nitrogênio na sua estrutura (BERGER, 2008). Como quitosana entende-se o biopolímero obtido da desacetilação da quitina, que é o maior constituinte de exoesqueletos de
crustáceos e outros animais marinhos. A quitosana foi descoberta por volta de 1859, pelo professor C. Rouget em seus experimentos. A quitosana adere facilmente a polímeros
naturais como pele e cabelo, constituídos por proteínas. (MATTEUS, 1997).
Os depósitos de patentes relacionadas ao polímero quitosana, incluindo sua aplicação
em embalagens biodegradáveis, tiverem início a partir do ano de 1988, sendo que o número de depósitos passou a crescer a partir de 2009 (ver Figura 5). Desse modo, pode-se
observar que o uso de quitosana engloba uma tecnologia moderna e atual, que tende a
impulsionar estudos na área e, conseqüentemente, gerar mais depósitos de patentes, o
que é observado através do crescente depósito de patentes entre os anos de 2009 e 2011
(até o momento, 50 patentes já foram depositadas em 2011 e um número de 319 depósitos foi alcançado em 2010).
70
Figura 5 - Número de patentes ao longo dos anos.
A primeira patente que foi depositada relacionando o uso de quitosana na confecção
de filmes foi em 1988, a EP 0265561 (A1), Novel derivative its preparation and polymer produced therefrom, de posse do Canadá, depositada por instituição privada.
4. Conclusões
A China e a Coréia do Sul possuem o maior número de patentes depositadas relacionadas ao uso de quitosana em áreas diversas, porém no que se refere à utilização desta
matriz em filmes biodegradáveis, os Estados Unidos possuem a maioria dos pedidos
concedidos, ficando a China em segundo lugar. Através da análise dos documentos de
patentes verifica-se que o Brasil não é detentor de nenhuma patente relacionada ao uso
de quitosana em embalagens poliméricas. As áreas de aplicação que mais abrangem as
patentes depositadas relacionadas ao uso de quitosana são a área farmacêutica, química,
de alimentos e agroindustrial. A utilização desse polímero como constituinte de embalagens ainda é irrelevante devido ao baixo número de patentes destinadas ao tema. O
título da maioria das patentes pertence à universidades, com prevalência de universidades e centros e institutos de pesquisa da China. O baixo número de patentes referentes
ao uso de quitosana como matriz para embalagens biodegradáveis sendo que esta possui
boas propriedades para este fim e grande disponibilidade no meio ambiente evidencia a
71
necessidade de incentivo à pesquisa e à proteção dessa tecnologia pesquisada, tanto no
setor público quanto privado e implementação de políticas governamentais que possibilitem maior interação entre universidades e indústria, a fim de se estimular a transferência de conhecimentos tecnológicos da universidade para o setor produtivo.
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73
Capítulo III
Desenvolvimento, caracterização e eficácia antioxidante de filmes biodegradáveis a
base de quitosana incorporados com glicerol e aditivos naturais
74
CAPITULO III
Desenvolvimento e caracterização de filmes biodegradáveis a base de quitosana
incorporados com glicerol e aditivos naturais.
Resumo
A embalagem é utilizada para prolongar a vida de prateleira do produto
embalado protegendo-o mecanicamente e contra contaminações biológicas e químicas.
Atualmente, a maioria destas embalagens é produzida com materiais sintéticos que
estão envolvidos em problemas ambientais devido a sua não biodegradabilidade. A
indústria de alimentos tem investido desenvolvimento de embalagens que substituam
com vantagens ambientais e de custo os materiais já existentes. Entre os diversos tipos
de embalagens ativas, as antioxidantes, que retardam a oxidação lipídica dos produtos
embalados, são de grande importância para a indústria, principalmente do ramo
alimentício e farmacêutico. O objetivo deste trabalho foi desenvolver, caracterizar e
avaliar a biodegradabilidade dos filmes ativos utilizando a quitosana como matriz,
glicerol como plastificante e corante urucum e azeite de dendê como aditivos ativos,
assim como comprovar sua eficácia antioxidante como embalagem. Os filmes foram
elaborados pelo processo de casting, tendo como formulação base uma solução
filmogênica contendo solução de ácido acético (1%), quitosana (0,5% a 2,5%) e aditivos
antioxidantes: urucum (0 a 1,0%) e azeite de dendê (0 a 0,5%), seguindo delineamento
estatístico de superfície de resposta, com um modelo de ordem (24) contendo 4 pontos
axiais, 4 pontos ortogonais e 3 pontos centrais, totalizando 27 formulações. A análise
da cor dos filmes biodegradáveis foi feita por absorbância em espectrofotômetro
UV/VIS. O parâmetro Luminosidade (L) e a* variaram de 23,48 a 83,30 e -0,63 a 40,51
respectivamente e a concentração de urucum foi a variável que mais exerceu influência
significativa (p<0,01). Para o parâmetro b* (variação de 31,33 a 94,22) a maior
influência foi exercida pela concentração de azeite de dendê. A espessura dos filmes
variou de 0,0364 a 0,0858 mm, sendo o teor de quitosana a variável que mais afeta esta
propriedade.O glicerol foi a variável que mais influenciou nos Sólidos Totais (69,58% a
83,97%) como também na Umidade (16,03 a 30,42%) e na Atividade de água (0,565 a
0,661), aumentando a hidrofilicidade dos filmes ativos biodegradáveis. A
permeabilidade ao vapor d'água (1,25x10-6 a 8,41x10-6 gH2O.µm/m2.h.mmHg)
melhorou devido ao filme ser emulsionado com composto hidrofóbico (presença de
lipídio em sua formulação) o que diminuiu a afinidade pela água levando a modificação
da estrutura filmogênica. Em relação às propriedades mecânicas, o módulo de Young
(E) (157,86±0,15 a 704,0 MPa) foi influenciado pelo teor de quitosana. Quanto maior a
percentagem da matriz, mais resistente se apresenta o filme sendo necessária maior
força para rompê-los. A deformação (16,1 a 39%.) foi aumentando com a inserção de
plastificante aos filmes. Em nível de tensão (3,69 a 28,90 MPa) gerada nos filmes a
variação o teor de glicerol influencia negativamente neste parâmetro. Através da análise
termogravimétrica das 3 formulações escolhidas (F17, F18 e F19) constata-se a
presença de 5 eventos distintos para formulação F17, 4 eventos para F18 e 3 para
formulação F19, cada estágio apresenta degradação de determinado componente a
depender da temperatura em que ocorre. A avaliação da biodegradabilidade mostrou
uma degradação de até 80% de perda de massa em 17 semanas de análise.
Palavras – chaves: filmes biodegradáveis, embalagens ativas, quitosana, glicerol,
antioxidante, urucum, azeite de dendê.
75
Development and characterization of the biodegradable films based on chitosan
incorporated with glycerol and additives natural
Abstract
Packing is used to extend the shelf life of the packaged product and protecting it against
contamination mechanically biological and chemical. Currently, most of these packages
is made from synthetic materials that are involved in environmental problems due to
their non-biodegradability. The food industry has invested to replace packaging
development with environmental benefits and cost of materials already. Among the
various types of active packaging, the antioxidants, which slow down lipid oxidation of
the packed products are of great importance to the industry, especially of food and
pharmaceutical industry. Chitosan is a linear polyamine characterized by its source
renewable, biodegradable and its ability to form resistant films, flexible, difficult to
break, and promote effective barrier to oxygen. The objective of this study was to
develop a biomaterial that can be used as packaging, using chitosan as the matrix
polymer, glycerol as a plasticizer and incorporating natural additives with antioxidant
properties, which is annatto and palm oil, evaluating their physicochemical properties,
barrier and mechanical properties and their biodegradability. The biodegradable films
were prepared by casting process, with the formulation based on a film solution
containing acetic acid (1% v / v), chitosan (0.5% - 2.5%) and antioxidant additives,
annatto (0 - 1.0%) and palm oil (0 - 0.5%), followed by statistical design of response
surface, with a model of order (24) containing four axial points, four points and three
orthogonal central points, totaling 27 formulations . The analysis of the color of
biodegradable films was done by absorbance in a spectrophotometer UV / VIS and the
results evaluated by the software Color version 3.0. Parameter Luminosity (L *) ranged
from 23.48 to 83.30, and annatto the variable that most influenced positively. The
parameter a * ranged from -0.63 to 40.51, having the greatest influence of annatto. For
the parameter b * major influence was due to palm oil and the value ranged from 31.33
to 94.22. The thickness of the films ranged from 0.0364 to 0.0858 mm, and the content
of chitosan variable that affects this property. The total solids present limits of 69.58%
to 83.97% and a higher content of glycerol contributes to the reduction of total solids.
The moisture content varied from 16.03 to 30.42% and a higher content of glycerol also
increases the hydrophilicity of the film. The water activity of the films was 0.565 to
0.661, values that agree with the literature for active biodegradable films. The water
vapor permeability of the films ranged from 1.25 x10-6 gH2O.μm/m2.h.mmHg for
formulation F19 to 8.41 x10-6 gH2O.μm/m2.h.mmHg for formulation F20. The fact
that this film is emulsified with hydrophobic compound (presence of lipid in their
formulation) improved the water vapor permeability by decreasing the affinity for water
and changes in the structure FFS. Regarding the mechanical properties, the formulations
of the Young's modulus (E) exhibited a range of 157.86 ± 0.15 to 704.0 MPa.
Formulations with higher content of chitosan have larger values of E. The higher the
percentage of the matrix is more resistant film introduced requiring more force to break
them. The values were related to deformation increases with the inclusion of additives
to the movies, such as a plasticizer. The variation for this parameter was 16.1 to 39%. In
voltage level variation of the films shown was from 3.69 to 28.90 MPa and the content
of glycerol has a negative influence on this parameter. Through the thermogravimetric
analysis of the three formulations selected (F17, F18 and F19) there is the presence of 5
76
different events to formulate F17, F18 four events to 3 for formulation and F19, each
stage has the particular component degradation depend on temperature in occurring.
The evaluation of the biodegradability showed a degradation of up to 80% weight loss
at 17 weeks of analysis.
Keywords: biodegradable films, active packaging, chitosan, glycerol, antioxidant
norbixin palm oil.
77
1.0 Introdução
A demanda por materiais biodegradáveis e de baixa complexidade tecnológica
tem aumentado consideravelmente nas últimas décadas, principalmente por materiais
plásticos que atendam a expectativa econômica e de mercado, bem como a questão de
preservação do meio ambiente (BASTOS, 2010). Os plásticos sintéticos, por serem
macromoléculas poliméricas que têm uma degradação natural muito lenta, geram uma
grande preocupação com o meio ambiente. Outros fatores observados foram em relação
a sua origem não-renovável, a quantidade de resíduos que são gerados pelo descarte
destes plásticos, além da reciclagem consumir grandes quantidades de energia térmica
(PARRA et al., 2004).
Um material deixa de ser resíduo pela sua valorização como matéria-prima para
a produção de novos produtos; neste caso, o resíduo passa a ser tratado como
subproduto do processo produtivo (BASTOS, 2010). Polímeros de origem agrícola
como as proteínas e os amidos, podem ser usados para formular embalagens
biodegradáveis, mas os filmes apresentam propriedades mecânicas e de barreira a gases
inferiores às convencionais. No entanto, essas características não são limitantes para sua
utilização, pois esta dependerá da sua aplicação (GONTARD; GUILBERT , 1996).
O interesse de manter ou melhorar a qualidade dos alimentos, e ao mesmo
tempo reduzir desperdício de embalagens, tem encorajado a exploração de novos
materiais de embalagens, como os filmes biodegradáveis à base de recursos renováveis
(OLABARRIETA, 2005). Muitas pesquisas têm sido desenvolvidas na elaboração de
materiais plásticos baseados em biopolímeros. Biopolímeros são materiais poliméricos
classificados estruturalmente como polissacarídeos, poliésteres ou poliamidas. A
matéria-prima principal para sua obtenção é uma fonte de carbono renovável,
geralmente um carboidrato que pode ser derivado de plantios comerciais de larga escala
como cana-de-açúcar, milho, batata, trigo e beterraba ou de outra fonte; um óleo
vegetal, extraído de soja, girassol, palma ou outra planta oleaginosa e até de origem
protéica (BASTOS, 2010).
Filmes são estruturas utilizadas para envolver produtos e quando são
completamente degradados por microorganismos são considerados biodegradáveis. Os
filmes biodegradáveis são materiais de fina espessura, preparados a partir de
macromoléculas biológicas, que agem como barreira a elementos externos (umidade,
gases e óleos) e conseqüentemente, protegem o produto e aumentam sua vida de
78
prateleira. Eles podem também carregar compostos antimicrobianos e antioxidantes.
(KROCHTA; MULDER-JOHNSTON, 1997). São denominados filmes ativos, quando
possuem funções adicionais que levam a prolongação da vida-de-prateleira do produto
embalado.
Os filmes elaborados a partir de polissacarídeos (celulose e derivados,
carboidratos e derivados, gomas, entre outros) ou proteínas (gelatina, caseína, farinha de
glúten, entre outras) possuem excelentes propriedades mecânicas e ópticas, porém são
sensíveis à umidade e apresentam alto coeficiente de permeabilidade ao vapor
d’água. Ao contrário, os filmes compostos de lipídios (ceras, lipídios e derivados, entre
outros) apresentam boas propriedades de barreiras ao vapor d’água, mas são opacos e
pouco flexíveis (GUILBERT et al., 1989; GALLO et. al., 2000).
A elaboração de filmes envolve a utilização de diversos componentes, cada qual
com sua finalidade específica. Tais formulações são constituídas de pelo menos uma
matriz polimérica (macromoléculas: polissacarídeos: amido, quitosana, pectina, entre
outros; proteínas: caseína, glúten, entre outros; lipídios: ceras, ácidos graxos, entre
outros), solvente (água, etanol, água/etanol, entre outros), plastificante (glicerol,
sorbitol, etc.), agente ajustador de pH (ácido acético, NH4OH, etc.) (BERTAN, 2003).
A desnaturação ou a incorporação de aditivos que promovam a formação de ligações
cruzadas resultam em maior ordenação molecular, e conseqüentemente, maior coesão e
rigidez dos filmes (GUILBERT et al., 1997).
Um dos processos para obtenção de filmes é baseado na técnica denominada de
casting, na qual é realizada dispersão da matriz biodegradável em um solvente, com
adição ou não de outros compostos, havendo então a formação de uma solução
filmogênica. Os filmes se formam depois que a solução é aplicada sobre um suporte e é
levada para evaporação do solvente. As moléculas se reorganizam, formando uma
matriz contínua que dá origem aos filmes (MALI, 2004).
Filmes obtidos a partir da quitosana foram desenvolvidos com sucesso por
PELISSARI (2009), ASSIS (2010). O uso de plastificantes nestes filmes permite maior
percentual de alongamento e adaptação da matriz na estrutura (VEIGA-SANTOS et al.,
2005). O glicerol é atualmente um dos plastificantes mais utilizados no
desenvolvimento de filmes biodegradáveis, o que tem causado impacto científico uma
vez que este poliálcool é um subproduto gerado a partir da cadeia do biodiesel, que se
encontra em expansão em todo mundo (MACHADO, 2011), portanto uma matériaprima de baixo custo e alta disponibilidade.
79
O que faz da quitosana um material de interesse é seu amplo espectro
antimicrobiano
(RABEA,
2003),
que,
associado
à
biocompatibilidade
e
à
biodegradabilidade, a torna particularmente interessante para aplicações na agricultura,
medicina, meio ambiente e alimentos (ASSIS, 2010). A quitosana é solúvel somente em
pH próximos ao seu pka (~6,3), formando um polímero catiônico pela protonação dos
grupos amino. Se vertido sobre superfície plana apolar, após a evaporação do solvente,
resulta em filmes com razoáveis propriedades mecânicas (PARK, 1999), que têm sido
avaliados como potenciais materiais para uso na indústria alimentícia (BRITO et al.,
2005) e farmacêutica (MITRA et al., 2001),
na medicina (KARIMAN, 2007) e
tratamento de águas residuais (HUANG et al, 2000; VIVEK ; TORRES, 2000).
Os filmes de quitosana apresentam, na condição seca, baixa permeação a gases,
inferiores aos medidos para PET (Politereftalato de etileno) ou PVC (cloreto de
polivinila) e a demais filmes de base biológica como glúten e celulose e,
adicionalmente, tem sido mostrado que a permeação de CO 2 é superior à de O2 o que
pode vir a ser de interesse na confecção de embalagens com atmosferas controladas. A
eletronegatividade das ligações covalentes (N-H), presentes nos grupamentos amino
gera sítios de alta polaridade, tornando favorável o rearranjo de moléculas de água em
seu entorno. Essa característica associada aos grupos acetamido, que também são
polares, resulta assim em um alto grau de hidrofilicidade, o que pode gerar a redução da
estabilidade estrutural do polímero. Segundo ASSIS (2010), a presença constante de
umidade na estrutura do polissacarídeo provoca o intumescimento da matriz com
conseqüente desagregação das fibras além do favorecimento ao ataque por microorganismos. Para reduzir o grau de hidrofilicidade faz-se uso de agentes entrecruzantes
hidrofóbicos, como o glutaraldeído, que adicionado à cadeia da quitosana eleva sua
estabilidade e reduz sua afinidade por moléculas polares (BEPPU, 1999). Além disto,
existem várias estratégias para melhorar as propriedades, principalmente mecânicas e de
barreira dos filmes biodegradáveis, entre elas, o uso de blendas e a adição de
plastificantes (OLABARRIETA, 2005).
O objetivo deste trabalho foi obter filmes de quitosana, plastificados com
glicerol, incorporando o azeite de dendê e o urucum como aditivos ativos, e caracterizálos através da avaliação das propriedades físico-químicas, mecânicas e de barreira, além
de avaliar a biodegradabilidade dos mesmos.
80
2.0 Material e Métodos
2.1 Material
Foram utilizados como materiais para a elaboração dos filmes biodegradáveis:
Quitosana PA (Sigma-Aldrich®), Glicerol (Synth®), solução de Ácido Acético glacial
1% v/v (Vetec) e aditivos antioxidantes naturais (Extrato de urucum doado pela
empresa Chr Hansen- SC e azeite de dendê doado pela ODELSA S/A).
2.2 Elaboração dos Filmes Biodegradáveis
Os filmes biodegradáveis foram elaborados de acordo com a técnica casting, que
consistiu no preparo de uma solução filmogênica, onde inicialmente, dissolveu-se em
ácido acético glacial 1% a quitosana (0,5 a 2,5%, g/100g), o glicerol, utilizado como
agente plastificante (0 a 0,3%, g/100g) e os aditivos naturais antioxidantes, o urucum (0
a 1,0%, g/100g) e o azeite de dendê (0 a 0,5%, g/100g). A solução foi mantida sob
agitação constante (180 rpm), por um período de 24 horas para a completa dissolução
do polissacarídeo e dos aditivos no meio aquoso. Posteriormente foram pesadas 50g da
solução filmogênica em Placas de Petri de poliestireno e desidratada em estufa com
circulação de ar (35°±2°C) por 18 a 24 horas. Os filmes de quitosana obtidos foram
acondicionados dessecadores por 10 dias, antes de serem caracterizados, conforme
adaptação da metodologia proposta por ASSIS e SILVA (2003). Foram preparados 27
formulações por um delineamento estatístico de superfície de resposta, com um modelo
de ordem (24) contendo 4 pontos axiais, 4 pontos ortogonais e 3 pontos centrais. Os
valores reais e codificados para a quitosana (% m/m; X 1), glicerol (% m/m; X2), urucum
(% m/m; X3) e azeite de dendê (% m/m; X4), encontram-se na Tabela 1.
81
Tabela 1. Valores codificados e reais do delineamento estatístico das variáveis independentes: Quitosana (% m/m; X1), glicerol (% m/m; X2), urucum (% m/m; X3), azeite
de dendê (% m/m; X4).
Valores codificados
Formulações Quitosana
(X1)
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F10
F11
F12
F13
F14
F15
F16
F17
F18
F19
F20
F21
F22
F23
F24
F25*
F26*
F27*
Glicerol
(X2)
Urucum
(X3)
Valores reais (% m/m)
Azeite de
Quitosana
dendê
(X1)
(X4)
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
-2,000
2,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
-1,000
-1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
0,000
0,000
-2,000
2,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
-1,000
-1,000
1,000
1,000
0,000
0,000
0,000
0,000
-2,000
2,000
0,000
0,000
0,000
0,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
-1,000
1,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
-2,000
2,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
0,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
0,500
2,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
1,500
Glicerol
(X2)
0,075
0,075
0,075
0,075
0,225
0,225
0,225
0,225
0,075
0,075
0,075
0,075
0,225
0,225
0,225
0,225
0,150
0,150
0,000
0,300
0,150
0,150
0,150
0,150
0,150
0,150
0,150
Urucum
(X3)
Azeite de
dendê
(X4)
0,250
0,250
0,750
0,750
0,250
0,250
0,750
0,750
0,250
0,250
0,750
0,750
0,250
0,250
0,750
0,750
0,500
0,500
0,500
0,500
0,000
1,000
0,500
0,500
0,500
0,500
0,500
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,250
0,250
0,250
0,250
0,250
0,250
0,000
0,500
0,250
0,250
0,250
* Pontos Centrais
82
2.3 Caracterização dos filmes
2.3.1 Propriedades ópticas: análise colorimétrica
Devido à diferença de coloração apresentada pelas formulações, para avaliação
de cor foi utilizada a Espectrofotometria na Região do Visível baseado nas normas
ASTM E313 (2005), ASTM D2244 (1993) e de acordo com o sistema CIELab. O
CIELab é o espaço de cores comum na medição da refletância e transmitância dos
objetos no qual o sistema de cores L, a e b é plotado em ângulos retos um em relação ao
outro para formar um sistema tridimensional de coordenadas.
O ensaio foi realizado com um Espectrofotômetro UV/VIS Lambda 35 - Perkin
Elmer, em triplicata e os resultados computados e tratados através do software Color,
Versão 3.0 - Perkin Elmer. As amostras das 27 formulações de filmes foram preparadas
em triplicata, recortando-se os filmes em pedaços com dimensões 2 x 2 cm, de cada
amostra. No equipamento, após calibração, as amostras de filmes foram colocadas no
disco de abertura e analisadas após a incidência de luz visível (iluminante luz do dia
D65), resultando nos parâmetros L*, a*e b*.
2.3.2 Espessura
A espessura dos filmes foi avaliada através da espessura média, de 6 medições
em posições aleatórias, por meio de micrômetro digital Mitutoyo de ponta plana (com
resolução de 1µm), em triplicata.
2.3.3 Teores de Sólidos Totais
Os teores de sólidos totais das amostras pré-condicionadas (60% UR, 23 °C)
foram determinados após 24 h de secagem em estufa a 105 °C, conforme metodologia
citada por POUPLIN et al., (2009). As análises foram realizadas em triplicata.
2.3.4 Atividade de água
As medidas de atividade de água foram realizadas com um decágono,
AQUALAB LITE. Como padrões para a calibração do equipamento foram utilizados a
83
água pura (aw 1,000% ± 0,001) e LiCl (aw 0,500% ± 0,015). As amostras foram
retiradas do centro dos filmes e avaliadas em triplicata (VEIGA-SANTOS et al., 2005;
OLIVATO et al., 2006).
2.3.5 Umidade
O percentual de umidade dos filmes foi obtida por secagem no infravermelho,
em equipamento Unidade de secagem Mettler LTJ ajustando-se a intensidade da
radiação emitida de modo que a amostra atingisse 110ºC. Todas as análises foram
realizadas em triplicata.
2.3.6 Taxa de Permeabilidade ao vapor d’água
A taxa de permeabilidade ao vapor d’água foi realizada através do método
gravimétrico recomendado pela norma ASTM E104-85. Tal método consiste em
pesagens sucessivas de uma cápsula hermeticamente fechada, contendo o filme na sua
superfície e substância dessecante (sílica gel) no seu interior; colocadas em ambientes
com umidade controlada (23°C e 75% UR, utilizando cloreto de sódio). A
permeabilidade ao vapor d’água foi calculada de acordo com a equação 1 (SOUZA,
2011).
Equação 1
Permeabilidade ao vapor d´água = TVPA.e/ps(UR1 – UR2)
Onde:
e = espessura média do corpo de prova (mm)
ps = pressão de saturação do vapor à temperatura do ensaio (mmHg)
R = Constante de gases (82,1x10-6 m3 atm/g mol K)
UR1 = umidade relativa no interior da câmara (%)
UR2 = umidade relativa no interior da cápsula (%)
2.3.7 Ensaios de Tração
84
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina universal de ensaios da
marca EMIC, modelo DL2000/700, com carga máxima de 20KN, seguindo a norma
ASTM D-882, com velocidade de 12,5 mm. min-1 e temperatura ambiente 25ºC. Foram
realizados ensaios de tração em 7 corpos de prova para cada formulação. Para os corpos
de provas com dimensões de 50 mm de comprimento e 25 mm de largura. Os valores
das espessuras de cada formulação de filme necessários para a realização das análises
foram medidos em 6 pontos, em posições aleatórias, com um micrômetro digital
Mitutoyo de ponta plana. A posição inicial das garras foi fixada em 50 mm. Sete
medidas foram feitas para cada amostra. (GRISI, 2008; SOUZA, 2010).
2.3.8 Análise termogravimétrica
As análises termogravimétricas dos filmes foram realizadas em um analisador
térmico Pyris 1 Perkin Elmer. Nos ensaios foram usadas massas de aproximadamente
3mg, em cadinho de alumínio, submetidas a atmosfera dinâmica de nitrogênio de 50 mL
min-1, com taxa de aquecimento de 10 ºC min-1, no intervalo de temperatura de 10 ºC
até 600 ºC. Para esta análise foram escolhidas as amostras de filmes das formulações
F17 (0,5% quitosana; 0,15% glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê), F18
(2,5% quitosana; 0,15 % glicerol; 0,5% urucum e 0,5% azeite de dendê) e F19 (1,5%
quitosana; 0% glicerol; 0,5% de urucum e 0,25% azeite de dendê), de acordo com os
seguintes critérios: formulação contendo menor teor de quitosana, formulação contendo
maior teor de quitosana e formulação sem glicerol, respectivamente, para análise da
influência destes componentes na Temperatura de degradação dos filmes.
2.3.9 Solubilidade dos Filmes
Inicialmente, a massa seca inicial (m inicial) de uma amostra de filme de 2,5 cm
de diâmetro foi determinada em função de sua umidade em estufa com circulação de
ar à 105°C durante 24 horas. As amostras foram imersas em 50 mL de água destilada
e o sistema foi mantido sob agitação (100 rpm) a temperatura de 25°C durante 24 h,
utilizando-se um shaker. Para determinação de massa seca final, as amostras foram
submetidas a secagem em estufa sob as mesmas condições descritas para obtenção
de massa seca inicial (m f inal) . A matéria solúvel (MS) foi expressa em função da massa
dissolvida pela Equação 2. As análises foram realizadas em triplicata.
85
MS = (minicial – m f inal) . 100 (Equação 2)
--------------------m inicial
2.3.10 Avaliação da Biodegradabilidade dos filmes
O teste de biodegradabilidade dos filmes a base de quitosana foi realizado com
base na metodologia proposta por Leite et al. (2010).
2.3.10.1 Preparo do solo
O solo simulado utilizado no ensaio de biodegradabilidade foi preparado
misturando-se partes iguais de solo fértil com baixo teor de argila, areia de praia seca e
peneirada com peneira 40 mesh, e esterco de cavalo seco ao sol por dois dias, seguindo
a norma ASTM G-160-03.
2.3.10.2 Teste de Biodegradabilidade
Os filmes foram acondicionados em sistemas diferentes para serem
retirados nos períodos de 2, 4, 12, 15 e 17 semanas, sendo que cada sistema continha
uma amostra de cada composição. O sistema foi formado por Placas de Petri, onde foi
adicionado o solo preparado e os filmes. As placas contendo os filmes foram colocados
em uma estufa (para cultura bacteriológica com circulação de ar e refrigeração) mantida
a uma temperatura de 30°C (±2°C) e os sistemas foram retirados após duas, quatro,
doze, quinze e dezessete semanas, quando foram limpos e pesados. Os sistemas foram
retirados após duas, quatro, doze, quinze e dezessete semanas, quando foram limpos e
pesados.
As amostras selecionadas para esta análise foram as formulações F17 (0,5%
quitosana; 0,15% glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê), F18 (2,5%
quitosana; 0,15 % glicerol; 0,5% urucum e 0,5% azeite de dendê) e
F19 (1,5%
quitosana; 0% glicerol; 0,5% de urucum e 0,25% azeite de dendê), de acordo com os
seguintes critérios: formulação contendo menor teor de quitosana, formulação contendo
maior teor de quitosana e formulação sem glicerol, respectivamente, a fim de se
observar a influência da matriz e do plastificante no processo de biodegradação.
86
2.0 Análise Estatística
Os filmes foram desenvolvidos por um delineamento estatístico de
superfície de resposta, com um modelo de ordem (2 4) contendo 4 pontos axiais, 4
pontos ortogonais e 3 pontos centrais, totalizando 27 formulações. Os valores reais e
codificados para a quitosana (% m/m; X1) que variou de 0,5 a 2,5%, g/100g; glicerol (%
m/m; X2) que variou de 0 a 0,3%, g/100g; urucum (% m/m; X3) que variou de 0 a 1,0%,
g/100g e azeite de dendê (% m/m; X4) que variou de 0 a 0,5%, g/100g , encontram-se na
Tabela 1. Os dados gerados foram tratados pela ANOVA para identificar se as
alterações nos parâmetros avaliados (variáveis independentes) foram significativas ao
nível de 99% de significância sobre as variáveis dependentes.
3.0 Resultados e Discussão
3.1 Caracterização de filmes de quitosana plastificados com glicerol e incorporados com urucum e azeite de dendê
As 27 formulações dos filmes elaborados com diferentes teores de quitosana,
glicerol, urucum e azeite de dendê (Figura 2). Foi avaliado se os efeitos das variáveis
independentes (quitosana, glicerol, urucum, azeite de dendê) exerceram influência significativa sobre as variáveis dependentes (colorimetria, espessura, umidade, atividade
de água, teor de sólidos, permeabilidade ao vapor d’água). Também foram avaliadas as
propriedades mecânicas de resistência a tração, módulo, porcentagem de alongamento e
a espessura das formulações. Nas formulações F17 (0,5% quitosana; 0,15% glicerol;
0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê), F18 (2,5% quitosana; 0,15 % glicerol; 0,5%
urucum e 0,5% azeite de dendê e F19 (1,5% quitosana; 0% glicerol; 0,5% de urucum e
0,25% azeite de dendê) foram realizadas também as análises de biodegradabilidade, a
fim de se verificar se as variáveis quitosana e glicerol alteram o comportamento do filme durante a degradação, assim como as análises termogravimétricas e a solubilidades
destas formulações. Durante os procedimentos foi possível atestar a viabilidade de incorporação dos aditivos naturais antioxidantes, azeite de dendê e urucum, nos filmes de
quitosana plastificados com glicerol. Ainda foram avaliadas as características próprias
de cada formulação quando se variou a concentração de cada componente da solução
filmogênica (matriz quitosana, plastificante glicerol e de cada aditivo antioxidante87
azeite de dendê e urucum), verificando a influência de cada constituinte nestas propriedades em relação aos parâmetros propostos. Muitos estudos encontrados na literatura
relatam sucesso na incorporação de aditivos de diversas origens, descrevendo as mais
variadas ações que levaram ao melhoramento das propriedades de barreira e mecânicas
dos filmes (ASSIS, 2010; VARGAS et al.,2009; T. BOURTOOM ; M.S. CHINNAN et
al.,2009; KHALID et al., 2008; SRINIVASA et al., 2007; LAMIN, 2006).
A maioria (80%) dos filmes de quitosana plastificados com glicerol e aditivados
com urucum e azeite de dendê se mostraram contínuos, sem fraturas ou rupturas após a
secagem; entretanto os filmes com menor teor de plastificante mostraram-se mais rígidos, menos flexíveis. O aspecto visual dos filmes foi afetado pelos diferentes teores de
plastificante e de outros constituintes da solução filmogênica, principalmente no que se
refere a cor e à textura. De uma maneira geral, os filmes apresentaram-se com bom aspecto e sua manuseabilidade foi excelente ou boa na maioria das formulações, com exceção dos filmes com menor teor de glicerol devido à alguma dificuldade em serem retirados das placas sem danificar, porém, após retirados das placas, todos os filmes puderam ser manipulados sem qualquer dificuldade. Já os filmes que se mostraram menos
aderidos às placas, tinham em sua formulação maior porcentagem de glicerol, que conferiu uma maior flexibilidade. Mali et al. (2005) relatam resultados similares para filmes
de amido de mandioca plastificados com glicerol. A Figura 2 apresenta as 27 formulações elaboradas.
88
Figura 1. Ilustração das 27 formulações elaboradas dos filmes de quitosana incorporados com glicerol e incorporados de azeite de dendê.
89
3.1.1 Caracterização dos Filmes.
3.1.1.1 Propriedade Óptica: Análise da cor dos filmes biodegradáveis
As 27 formulações foram analisadas por absorbância em espectrofotômetro
UV/VIS e os valores dos principais parâmetros (L*, a* e b*) constam na Tabela 2.
O parâmetro L* pode variar de 0 a 100, sendo que 0 significa total ausência de
reflexão (negro perfeito) e 100 é a luminosidade total (branco perfeito). Para os filmes
de quitosana plastificados com glicerol e incorporados com urucum e azeite de dendê,
os valores de L* variaram de 23,48 para formulação F22 (1,5% quitosana; 0,15% glicerol; 1,0% urucum e 0,25% azeite de dendê) e 83,30 para F21 (1,5%quitosana; 0,15%
glicerol; 0% urucum e 0,25% de azeite de dendê), indicando a forte influência da variável urucum no parâmetro L*, visto que a formulação com ausência deste apresentou
maior brilho em relação às outras 26 amostras. Já a formulação com maior teor de urucum foi a que apresentou menor brilho, o que está em concordância com o resultado
anterior.
90
Tabela 2. Parâmetros de cor dos filmes de quitosana plastificados com glicerol
e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Formulações
Quitosana
(X1)
F1
F2
1,000
1,000
0,075
0,075
0,250
0,250
F3
F4
F5
F6
F7
F8
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
1,000
0,075
0,075
0,225
0,225
0,225
0,225
F9
F10
F11
F12
F13
F14
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
2,000
F15
F16
F17
F18
F19
F20
2,000
2,000
0,500
2,500
1,500
1,500
Glicerol
(X2)
Urucum
(X3)
Azeite de
dendê (X4)
Parâmetros de cor
L*
a*
b*
0,125
0,375
66,59±0,01
56,54±0,01a
4,22±0,02
12,53±0,06
55,43±0,12
82,50±0,34
0,750
0,750
0,250
0,250
0,750
0,750
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
55,22±0,02
63,16±0,01
44,08±0,06
59,32±0,08
52,95±0,01
45,08±0,03
19,79±0,25
31,30±0,07
1,55±0,05
22,59±0,15
27,93±0,03
40,51±0,04
34,72±0,63a
81,84±0,54
34,85±0,14a
86,47±0,71
40,39±0,85
83,66±0,62
0,075
0,075
0,075
0,075
0,225
0,225
0,250
0,250
0,750
0,750
0,250
0,250
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
70,04±0,12
72,86±0,04
69,08±0,06
52,09±0,08
75,21±0,18
56,49±0,25a
-0,63±0,15
1,23±0,03
9,61±0,15a
11,62±1,02
19,10±0,03
9,59±0,14a
63,32±1,12b
85,58±1,14c
47,61±1,69
84,86±1,85
63,90±1,74b
85,35±1,05c
0,225
0,225
0,150
0,150
0,000
0,300
0,750
0,750
0,500
0,500
0,500
0,500
0,125
0,375
0,250
0,250
0,250
0,250
50,68±0,02
48,80±0,01
41,56±0,03
74,12±0,04
62,48±0,01
71,68±0,05
33,15±0,18
23,29±1,14
31,27±1,23
6,69±0,04
8,81±0,55
13,72±0,96
51,48±0,06
79,49±0,07
72,67±0,74
66,37±0,18d
66,39±0,71d
68,92±1,15e
F21
1,500
0,150
0,000
0,250
83,30±0,17
-0,04±0,41
74,56±1,13
F22
1,500
0,150
1,000
0,250
23,48±0,12
38,11±0,58
65,76±0,58
F23
1,500
0,150
0,500
0,000
76,08±0,02
11,42±0,085
31,33±0,41
F24
1,500
0,150
0,500
0,500
48,02±0,05
16,62±0,47
94,22±0,36
b
F25
1,500
0,150
0,500
0,250
67,59±0,06
10,21±0,74
67,65±0,74
b,c
F26
1,500
0,150
0,500
0,250
59,02±0,05
10,48±0,89
76,87±1,15
F27
1,500
0,150
0,500
0,250
68,16±0,14
10,89±0,14c
68,45±1,74e
Formulações (F); * Pontos Centrais; Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não
apresentam diferenças significativas (p>0,01) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
O gráfico de Pareto (Figura 2) demonstra que todas as variáveis independentes e
algumas interações entre estas influenciam a variável dependente L*, sendo o urucum a
variável que exerce efeito negativo mais pronunciado e por sua vez a quitosana, que exerce o efeito positivo neste parâmetro (Figura 3). Uma boa dispersão da matriz quitosana contribui para o aumento do brilho do filme; zonas dos filmes de algumas formulações na qual a quitosana não está homogeneamente distribuída na solução filmogênica
apresentaram valores de L* mais baixos em relação a outras com a mesma concentração
91
de urucum e azeite de dendê, como foi o caso da formulação F5 (1,0 % quitosana;
0,225% glicerol; 0,25% urucum e 0,125% de azeite de dendê) por exemplo, quando
comparada à formulação F1 (1,0% quitosana; 0,075% de glicerol; 0,25% de urucum e
0,125% de azeite de dendê), com valores de 44,08 e 66,59, respectivamente. Esta comparação foi feita através de análise visual dos filmes comparando-os com os valores de
L*.
P areto Chart of Standardized Effects; Variable: Luminosidade
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS P ure Error=,1265333
DV: Luminosidade
(3)urucum(L)
-93,0943
(1)quitosana(L)
80,01071
(4)dendê(L)
-76,5218
(2)glicerol(L)
-58,6982
urucum(Q)
-35,7413
quitosana(Q)
-35,2544
dendê(Q)
-21,5882
1Lby2L
19,95276
1Lby3L
-15,9046
1Lby4L
2Lby4L
glicerol(Q)
2Lby3L
3Lby4L
-13,2339
5,320267
-5,2601
-4,63151
-2,50903
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 2. Gráfico de Pareto para o parâmetro L* dos filmes.
(a)
(b)
(c)
Figura 3. Superfícies de resposta evidenciando as interações das variáveis (a) quitosana
x glicerol; (b) quitosana x urucum e (c) urucum x azeite de dendê para o parâmero Luminosidade.
92
Com relação ao do parâmetro a*, os valores variam de -60 a +60, que são referências para o verde perfeito ao vermelho perfeito respectivamente. Os filmes de quitosana apresentaram para este parâmetro valores que variaram de -0,63 para a formulação
F9 (2,0% quitosana; 0,075% glicerol, 0,25% urucum e 0,125% azeite de dendê) a 40,51
para formulação F8 (1,0% quitosana; 0,225% glicerol; 0,75% de urucum e 0,375% azeite de dendê). A cor amarela avermelhada é devido a presença de carotenoides oriundos
dos aditivos incorporados a estes filmes (bixina e norbixina provenientes do urucum e α
e β-carotenos oriundos do azeite de dendê).
Através do estudo do gráfico de Pareto para este parâmetro (Figura 4), novamente percebe-se que o urucum é a variável independente que exerce efeito positivo mais
significativo e sua presença na formulação faz com que a cor do filme tenda para o vermelho alaranjado, que é a cor do pigmento original, diferentemente do azeite de dendê
cuja cor é amarela alaranjada, a depender da concentração. As interações do urucum são
evidenciadas na Figura 5.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: a*
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; M S Pure Error=,0036
DV: a*
(3)Urucum(L)
(1)Quitosana(L)
(2)Glicerol(L)
1Lby4L
Urucum(Q)
Quitosana(Q)
(4)Dendê(L)
1Lby2L
1Lby3L
Dendê(Q)
2Lby3L
2Lby4L
Glicerol(Q)
3Lby4L
691,7087
-349,12
332,9265
-287,25
182,3625
181,304
164,456
160,6667
-126,083
85,84878
71,16667
-39,3333
32,82878
-22,75
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 4. Gráfico de Pareto para parâmetro a* dos filmes de quitosana.
93
(a)
(b)
(c)
Figura 5. Interações da variável urucum com as variáveis (a) glicerol; (b) quitosana e (c) dendê para o parâmetro a*.
Quando se analisa o parâmetro b*, que contempla valores de -60 a +60, representando as tonalidades que vão do azul perfeito ao amarelo perfeito respectivamente, e
comparando-se com os valores descritos na Tabela 1 destacam-se as variações de 31,33
para F23 (1,5% quitosana; 0,15% glicerol; 0,50% urucum e 0% azeite de dendê) e 94,22
para F24 (1,5%quitosana; 0,15% glicerol; 0,50% urucum e 0,50% de azeite de dendê).
Percebe-se que a presença do azeite de dendê na formulação é a única variável com significância estatística com efeito positivo (p<0,01) na variável dependente b*, ao contrário dos parâmetros L* e a*. Esta influencia faz com que a cor do filme tenda para amarelo. Isso pode ser conferido estatisticamente através da observação do efeito positivo
desta variável independente no parâmetro b*, através da análise do gráfico de Pareto
abaixo (Figura 6) e da Figura 7, que ilustra as interações desta variável com as demais.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: b
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=26,0908
DV: b
(4)Dendê(L)
16,13798
1Lby4L
-2,942
(3)Urucum(L)
-2,83533
Dendê(Q)
(1)Quitosana(L)
3Lby4L
2Lby3L
Glicerol(Q)
1Lby3L
2Lby4L
Quitosana(Q)
1Lby2L
Urucum(Q)
(2)Glicerol(L)
-2,03596
1,963349
1,627376
1,088996
-,932784
-,786524
,5212498
-,51118
,3900809
-,366501
-,208204
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 6. Gráfico de Pareto referente ao parâmetro b*.
94
(a)
(b)
(c)
Figura 7. Interações da variável azeite de dendê co as variáveis (a) quitosana;
(b) glicerol; (c) urucum para o parâmetro b*.
Rocha et al. (2011) para filmes biodegradáveis de isolado protéico de Anchoita
(engraulis anchoita) com sorbitol para comparar p efeito plastificante do glicerol e do
sorbitol e avaliou a cor destes filmes. Os filmes com sorbitol apresentaram aumento linear da diferença de cor (E*) e opacidade e relação aos que continham glicerol. No presente estudo, o efeito do glicerol foi apresentado através dos gráficos de Pareto para os
parâmetros L* e a*.
Perazzo (2011) avaliou a coloração de filmes biodegradáveis a base de amido de
mandioca plastificados com glicerol e incorporados de aditivos antioxidantes (extrato de
chá verde e corante carotenóico natural). O parâmetro L* do filme-controle, composto
de fécula de mandioca e glicerol sem outros aditivos, foi de 92,0, apresentando assim
um alto brilho. As amostras com a incorporação de aditivos apresentou um valor L* que
variou de 14,97 a 37,29; o que demonstra diminuição do brilho das formulações. Em
relação à coordenada a* houve um incremento representado por um aumento da coloração verde, devido à presença de clorofila oriunda do extrato de chá verde, a variação
deste parâmetro foi de -0,35 a +14,16, o que indica uma coloração verde de muita fraca
intensidade até vermelho de intensidade fraca (cor laranja forte). O eixo b* apresentou
valores entre +37,61 a +53,11 o que significa presença de tonalidades de diferentes intensidades entre média e forte de amarelo nas formulações.
Zactiti (2004) avaliou a cor dos filmes biodegradáveis de alginato de cálcio sem
e com sorbato de potássio e a relação desta com o a eficiência do processo de reticulação nos filmes. Após apresentar os dados referentes aos parâmetros L*, a* e b*, observou que o processo de reticulação exerceu influência significativa nos parâmetros de
95
cor, embora não tenha apresentado nenhuma tendência com o aumento da concentração
de cálcio utilizada no tratamento. Em relação aos filmes padrão verificou que os filmes
de alginato apresentam alta transparência, mas analisando o parâmetro b*, conclui que
os filmes de alginato tendem para o amarelo.
Sobral (2000) avaliou a influência da espessura de filmes biodegradáveis a base
de proteínas miofibrilares sobre suas propriedades funcionais e no estudo abordou as
propriedades ópticas Observa-se que os filmes à base de proteínas miofibrilares de tilápia-do-nilo foram mais claros que os filmes biodegradáveis à base de proteínas miofibrilares de carne bovina. Esse resultado é conseqüência da presença de resíduos de mioglobina nas proteínas de carne bovina, que conferiam uma coloração amarelada aos filmes biodegradáveis que foram menos claros que os filmes biodegradáveis à base de ovoalbumina (GENNADIOS et al.,1996), porém mais claros que os filmes biodegradáveis feitos com proteínas de soja (KUNTE et al.,1997).
Atualmente, as propriedades ópticas dos filmes são parâmetros fundamentais para o devido acondicionamento dos produtos. Segundo Sakanaka (2007), uma embalagem plástica com elevado brilho e transparência torna-se uma ferramenta valiosa para o
setor de marketing, que cada vez mais busca uma boa apresentação visual dos produtos.
Por outro lado, muitas vezes, a proteção contra a incidência de luz se faz necessária,
quando se trata de acondicionamento de produtos sensíveis a reações de deterioração
catalisadas pela luz.
3.1.1.2 Propriedades de barreiras dos filmes
A elaboração dos filmes seguiu a tabela resultante do planejamento experimental
que forneceu os valores estabelecidos pelo delineamento estatístico. Foram pesadas 50
gramas de solução filmogênica em placas de Petri de acrílico com 15 cm de diâmetro
para todas as formulações e levadas para secagem de solvente em estufa de ventilação
forçada, gerando filmes com espessuras variadas. Analisando a medida deste parâmetro
verificou-se uma variação de 0,0364mm (formulação F1: quitosana 1%; glicerol
0,075%; urucum 0,25% e azeite de dendê) a 0,0858 (formulação F11: quitosana 2%;
glicerol 0,075%; urucum 0,75% e azeite de dendê 0,125%), havendo dessa forma
diferenças significativas entre as amostras avaliadas (p<0,01) (Tabela 3). Uma possível
justificativa para isso seria a dificuldade em dispersar a quitosana nos outros
componentes da formulação de maneira uniforme, sendo que as possíveis ligações que
96
foram sendo formadas entre a matriz, o plastificante de modo diferenciado, dependendo
da composição de cada formulação. Cuenca et al. (2010) caracterizando filmes de
quitosana (1%) contendo diferentes concentrações de glutaraldeído (0 a 4,6%), pelo
processo de casting, obteve espessura variando de 0,030 a 0,041 mm. Pires et al. (2009)
relata medidas de espessuras de biomembranas constituídas dos polímeros quitosana e
xantana tiveram como resultados variações de 0,022 a 0,041mm para espessura. Valores
de 0,062 ± 6.31mm foi a média da espessura de filmes de quitosana incorporados com
chá verde e plastificados com glicerol desenvolvidos por Siripatrawan e Harte, (2010).
Comparando os valores de espessuras dos filmes de quitosana com outros filmes
biodegradáveis temos, por exemplo, os nanobiocompósitos de amido de mandioca
incorporados com nanowhiskers de celulose do coco, resultados da pesquisa de
Machado (2011), quando se obteve variação de 0,093mm a 0,146mm, sendo estas das
formulações F9 e F10 respectivamente, que continham 3,00% de amido de mandioca,
1,50% de glicerol e 0,30% de solução de nanowhiskers e 6,00% de amido de mandioca,
1,50% de glicerol e 0,30% de solução de nanowhiskers, respectivamente. Souza (2011)
avaliando filmes elaborados com fécula de mandioca, sacarose e açúcar invertido como
plastificante, e incorporados com polpa de manga e de acerola, em diferentes
concentrações, encontrou espessuras que variaram de 0,123mm a 0,141mm, valores
estes que concordaram com os valores descritos nos trabalhos realizados por Silva
(2009), que trabalhando com a mesma matriz (fécula de mandioca, sacarose e açúcar
invertido) porém incorporando cacau e extrato de café, com a espessura variando de
0,113 a 0,143 mm, respectivamente, sem diferenças significativas entre as diferentes
formulações (p>0,05). Para os filmes elaborados com amido de mandioca, utilizando o
glicerol como plastificante, incorporados com extrato de erva-mate e polpa de manga de
Reis (2011), os valores de espessura variaram entre 0,111mm a 0,125mm. Shimazu et
al. (2007) avaliaram filmes produzidos por casting formulados com amido de mandioca
(3 g/ 100 g de solução filmogênica) e diferentes concentrações de glicerol (0, 5, 10, 15,
30 e 40 g/100 g de amido). Foi verificado que a espessura dos filmes variou de 0,07 a
0,10 mm; e que filmes sem plastificante apresentaram espessura de limites inferiores a
medida que o teor de plastificante aumentou, as espessuras dos filmes chegaram ao
limite superior.
97
Tabela 3. Médias (± desvio padrão) das análises de caracterização das formulações dos filmes. E (espessura - mm); aw (atividade de água); ST
(sólidos totais - %); Umidade (%) e PVDA, (permeabilidade ao vapor de água - gH2O.µm/m2.h.mmHg).
F
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
F10
F11
F12
F13
F14
F15
F16
F17
F18
F19
F20
F21
F22
F23
F24
F25
F26
F27
Quitosana(%)
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
0,5
2,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Glicerol(%)
0,075
0,075
0,075
0,075
0,225
0,225
0,225
0,225
0,075
0,075
0,075
0,075
0,225
0,225
0,225
0,225
0,15
0,15
0
0,3
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
0,15
Urucum(%)
0,25
0,25
0,75
0,75
0,25
0,25
0,75
0,75
0,25
0,25
0,75
0,75
0,25
0,25
0,75
0,75
0,5
0,5
0,5
0,5
0
1
0,5
0,5
0,5
0,5
5
Dendê(%)
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,125
0,375
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0
0,5
0,25
0,25
0,25
E ± dp(mm)
g
0,036±0,04
0,080±0,01e,i,j
0,084±0,01e,j,l
0,043±0,01h
0,036±0,01g
0,038±0,01g,h
0,054±0,01c
0,041±0,01g,h
0,063±0,01b
0,076±0,01d,i
0,086±0,01f,l
0,085±0,01f,j
0,075±0,01a
0,085±0,01f
0,075±0,01a,i
0,094±0,01
0,036±0,01g
0,079±0,01e
0,063±0,01b
0,055±0,01c
0,039±0,01g,h
0,070±0,01a
0,082±0,01e,f
0,073±0,01a,d
0,063±0,01b
0,058±0,01b,c
0,070±0,01a
aw ± dp
ST ± dp(%)
a,b
0,573±0,01
0,570±0,22a
0,571±0,01a,b
0,568±0,01a
0,617±0,13d,h,i
0,625±0,01g,h
0,621±0,10g,h
0,632±0,01f,g
0,577±0,36a,b
0,574±0,01a,b
0,579±0,76a
0,582±0,01b
0,643±0,01e
0,638±0,12f
0,654±0,01e
0,635±0,19f,g
0,579±0,01a,b
0,608±0,05c,i
0,565±0,21a
0,661±0,01f
0,601±0,08c
0,583±0,01b
0,584±014b
0,581±0,09a,b
0,607±0,01c,d
0,606±0,06c,d
0,605±0,11c
a,b
81,35±0,13
81,24±0,07 a,b
81,10±0,24 a,b
80,84±0,42 a,b
74,88±0,01 a,b
73,99±0,02 a,b,c
71,42±0,01c
72,65±0,01c
82,99±0,14 a,b
82,50±0,35 a,b
82,42±0,01 a,b
81,40±0,36 a,b
78,01±0,01 a,b
77,93±0,02 a,b
78,47±0,01 a,b
77,61±0,12 a,b
79,04±0,01b,c
79,66±0,05 a,b
83,97±0,01 a,b
69,58±0,01c
79,63±0,01a
79,36±0,0 a,b
79,53±0,01a,b
79,24±0,0 a,b
79,10±0,01 a,b
79,09±0,01 a,b
79,11±0,01 a,b
U ± dp(%)
PVDA ± dp
18,65±0,14
a,b
18,76±0,36
a,b
18,9±0,63 a,b
19,16±0,25
a,b
25,12±0,01
a,b
26,01±0,15
a,b,c
28,58±0,01c
27,35±0,18c
17,01±0,01
a,b
17,5±0,41 a,b
17,58±0,01
a,b
18,60±0,36
a,b
21,99±0,01
a,b
22,07±0,01
a,b
21,53±0,02
a,b
22,39±0,01
a,b
20,96±0,15
b,c
20,34±0,18
a,b
16,03±0,15
a,b
30,42±0,36c
20,37±0,01a
20,64±0,18a,b
20,47±0,01a,b
20,76±0,02a,b
20,90±0,01a,b
20,91±0,15
a,b
20,89±0,17
1,57 x 10-6 a
1,39 x 10-6
1,48 x 10-6
1,43 x 10-6
2,86 x 10-6 b
2,71 x 10-6
2,90 x 10-6
2,85x 10-6 b
1,87 x 10-6 c
1,58 x 10-6 a
1,85 x 10-6 c
1,63 x 10-6
4,71 x 10-6
3,89 x 10-6
5,51 x 10-6
3,95 x 10-6
1,93 x 10-6 d
3,03 x 10-6
1,26 x 10-6
8,42 x 10-6
2,23 x 10-6
1,94 x 10-6 d
2,57 x 10-6
2,01 x 10-6
2,31 x 10-6 e
2,31 x 10-6 e
2,31 x 10-6 e
a,b
Formulações (F); * Pontos Centrais. Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças significativas (p>0,01) pelo Teste de Tukey a
99% de confiança.
98
Em virtude dos valores da espessura entre as amostras apresentarem grande
discrepância entre si e pela falta de ajuste do modelo não foi possível gerar a ANOVA
para este parâmetro. O gráfico de Pareto mostra que a variável independente quitosana
apresenta efeito significativo positivo (p <0,01) sobre a variável dependente espessura
de filme (Figura8). A partir deste tratamento estatístico, percebe-se que o percentual de
quitosana presente na formulação é a principal variável pela espessura dos filmes, como
já era esperado.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: ESPESSURA
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Residual=,0001429
DV: ESPESSURA
(1)QUITOSANA(L)
5,318346
(3)URUCUM(L)
2,265876
3Lby4L
-2,17497
1Lby2L
1,985096
DENDÊ(Q)
1,524546
(2)GLICEROL(L)
-1,13217
1Lby4L
1,02862
URUCUM(Q)
-,668405
QUITOSANA(Q)
-,331808
2Lby3L
-,266617
GLICEROL(Q)
-,238604
(4)DENDÊ(L)
,2262291
1Lby3L
2Lby4L
,217267
,0370128
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 8. Gráfico de Pareto das análises de espessura dos filmes.
Sólidos totais dos filmes são o resíduo que permanece na placa após a evaporação da amostra. As variações nos teores de sólidos totais dos filmes deste trabalho apresentaram valores limites de 69,58% a 83,97%, sendo essas variações significativas entre
as amostras (p<0,01) (Tabela 2).
Para os filmes biodegradáveis de amido incorporados com nanowhiskers de
celulose de côco, (MACHADO, 2011), os valores limites variaram de 68,99% a
84,50%, sendo essas variações significativas entre as amostras (p<0,05), e entre as
formulações e o controle, sendo os resultados encontrados para todas as formulações
superiores ao do filme-controle, que teve um percentual de 55,56% (filme sem a adição
de nanowhiskers). Souza et al. (2011) trabalhando com filmes formulados com fécula
99
de mandioca, sacarose e açúcar invertido, incorporando diferentes quantidades de polpa
de manga e acerola relata que as variações nos teores de sólidos totais foram
significativas entre as diferentes formulações dos filmes, e entre as formulações e o
controle (p < 0,05), com limites de 80,24 e 84,97%.
Moore et al. (2005) obteve filmes biodegradáveis a partir da queratina
extraída das penas de frangos com valores médios de sólidos totais de 82,32±6%,
atribuindo ao aumento de plastificante glicerol a causa da queda do teor de sólidos
totais, relatada nas isotermas de sorção dos filmes. Rigo (2006) desenvolveu filmes
comestíveis a base de polissacarídeos (amidos e alginato) sendo duas das quatro
formulações constituídas de: 50% de amido modificado + 50% de alginato de sódio e
50% amido modificado+25% de amido nativo + 25% de alginato de sódio, variando-se
a concentração de glicerol (0,9 a 1,6%) e o peso da solução filmogênica (34 a 38 gramas
por placa). Para estes filmes, o teor de sólidos totais variou de 25,68 a 85,70% para a
primeira formulação descrita e para a segunda a variação foi de 80,30 a 89,30%. Em
ambos os casos, todas as variáveis e as interações entre elas foram significativas ao
nível de 5% e quando se aumenta a concentração de polissacarídeo, também se aumenta
o teor de sólidos totais.
GRISI (2008) desenvolvendo e caracterizando filmes biodegradáveis a base
de fécula de mandioca (4%, m/m) plastificada com sacarose (0,7%, m/m) e açúcar
invertido (1,4%, m/m) e incorporados com derivados de dendê com fins antioxidantes
conclui que o teor de sólidos totais não apresentou diferenças significativas (p<0,05)
entre as amostras, porque os filmes foram formulados considerando o mesmo teor de
sólidos totais para todas as amostras de filme, de maneira ponderada. Os filmes de
amido de mandioca plastificados com glicerol e aditivados com extrato de erva-mate e
polpa de manga, elaborados por Reis (2011) apresentou variações de 85,14% a 88,51%.
Analisando o gráfico de Pareto (Figura 9), as variáveis independentes envolvidas
que apresentaram maiores efeitos significativos (p<0,01) sobre o teor de sólidos totais
foram o glicerol e a quitosana, entretanto, o glicerol exerce um efeito linear negativo
mais pronunciado do que o efeito positivo da matriz quitosana.
100
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: solidos totais
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=,0001
DV: solidos totais
(2)glicerol(L)
-1585,23
(1)quitosana(L)
512,3516
1Lby2L
357,5
glicerol(Q)
-274,338
(3)urucum(L)
-153,501
1Lby3L
(4)Dende(L)
98,
-62,462
1Lby4L
-60,5
2Lby3L
-58,5
urucum(Q)
2Lby4L
39,74094
32,
Dende(Q)
27,03924
quitosana(Q)
22,99779
3Lby4L
16,5
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 9. Gráfico de Pareto das análises de sólidos totais dos filmes.
A presença da água no produto pode ser medida de diferentes formas, mas nem
todos os métodos indicam a disponibilidade da água para os microrganismos, uma vez
que nem toda a água presente na estrutura está igualmente disponível. A disponibilidade
de água em materiais higroscópicos, tais como filmes a base de polissacarídeos, é melhor indicada pela atividade de água (aw) ou pela umidade de equilíbrio com a umidade
relativa do ar ambiente. A atividade de água e a umidade relativa quando atingido o equilíbrio são numericamente iguais (BROOKER et al., 1992). Quanto maior for esse
valor, mais suscetível estará o filme ao ataque de microorganismos e à ocorrência de
reações químicas indesejadas, que podem colocar a garantia da integridade da embalagem em questão.
Os filmes de quitosana plastificados com glicerol e aditivados com urucum e azeite de dendê apresentaram atividade de água variando entre 0,565±0,01 a 0,661±0,01
para as formulações F19 (1,50% quitosana; 0 % glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite
de dendê) e F20 (1,50% quitosana; 0,30 % glicerol; 0,50% urucum e 0,25% azeite de
dendê), respectivamente. Esses valores são compatíveis aos valores descritos por Garcia
et al. (2000), para filmes biodegradáveis de diferentes fontes de amido gelatinizados
com NaOH e usando como plastificante glicerol ou sorbitol. Os valores de atividade de
água (aw) para filmes de amido puro ou amido com glicerol, ficaram em torno de 0,640.
101
Shimazu et al. (2007) produziram filmes por espalhamento empregando amido
de mandioca e diferentes concentrações de glicerol ou sorbitol constataram que os
mesmos apresentaram efeito antiplastificante quando empregados em baixas concentrações (≤ 15 g/100 g amido) resultando em baixos valores de atividade de água (≤ 0,58).
O efeito antiplastificante pode ser demonstrado pelo decréscimo da hidrofilicidade e da
flexibilidade dos filmes nestas condições. Em concentrações mais elevadas de plastificante e sob maiores atividades de água, os plastificantes empregados exerceram o efeito
esperado de plastificação. Comparando-se glicerol e sorbitol, pode-se observar que o
glicerol exerceu plastificação mais efetiva, tornando os filmes mais hidrofílicos (por
aumentar a sua capacidade de interação com a água) e mais flexíveis. No presente trabalho, o efeito anti-plastificante do glicerol não foi observado.
Os valores de atividade de água apresentados pelos filmes de quitosana, glicerol,
urucum e azeite de dendê são menores do que os valores obtidos por Machado (2011)
para filmes de amido plastificados com glicerol e incorporados com nanowhiskers de
celulose de coco que variaram de 0,638 a 0,710 entre as 17 formulações, e menores do
que o controle (0,830), mostrando o efeito de adição da nanocelulose, uma vez que todos os filmes contendo nanocelulose de coco apresentaram uma diminuição significativa no teor de umidade e na aw, quando comparadas com o filme controle.
Os filmes de amido de mandioca plastificados com glicerol elaborados por
Veiga-Santos (2004) apresentaram uma faixa maior para a aw com variações de 0,530 a
0,890. A utilização de sacarose, açúcar invertido e fosfato de sódio, resultaram em
aumento da aw quando comparadas as formulações entre si e com o controle.
Para o parâmetro umidade, os resultados encontrados no presente trabalho
apresentaram variação de 16,03 à 30,42% também para as formulações F19 (1,50%
quitosana; 0 % glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê) e F20 (1,50%
quitosana; 0,3% glicerol; 0,50% urucum e 0,25% azeite de dendê). Interessante notar
que a formulação com ausência de plastificante (F19) resultou no menor teor de
umidade, o que reforça a função do plastificante na matriz, que seria conferir e/ou
aumentar a hidrofilicidade do filme.
Prates (2010) estudou o processo de secagem das soluções filmogênicas que dão
origem às coberturas comestíveis e aos filmes biodegradáveis, através de avaliação de
algumas propriedades físicas dos filmes formados. Para tanto elaborou e caracterizou
filmes biodegradáveis de amido de fruta-de-lobo plastificados com sorbitol para
aplicação da cobertura em frutos de morango. As soluções filmogênicas foram
102
preparadas com 2% de amido e variações nas concentrações do plastificante de 0,1; 0,2
e 0,3%, e secas em estufa com circulação de ar nas temperaturas de 33, 38 e 43ºC. Os
tratamentos com 0,2% de sorbitol apresentaram o maior teor de água médio (76,06%),
seguidos por aqueles com 0,1% e 0,3% de sorbitol (61,96 e 54,69%, respectivamente).
Galdeano (2007) afirma que a transformação da solução em filme após sua secagem é
conseqüência da ocorrência de interações moleculares. Dessa forma, as moléculas de
água se tornam mais sujeitas à ação do calor durante a elaboração das soluções
filmogênicas, evaporando e reduzindo a umidade final dos filmes formados.
Rigo (2006) em seu trabalho para filmes comestíveis a base de polissacarídeos
(amidos e alginato) onde duas das quatro formulações foram constituídas de: 100%
amido modificado e a outra de 50% amido nativo e 50% amido modificado, variando-se
a concentração de glicerol (0,9 a 1,6%) e o peso da solução filmogênica (34 a 38 gramas
por placa). As variações de 12,52 a 86,62% foram obtidas o filme de amido modificado
e 13,64 a 146,27% para a segunda formulação com mínimo e máximo teor de glicerol,
respectivamente. Em ambos os experimentos os efeitos mostraram que a variável mais
significativa a 95% de significância, foi o glicerol. Também foi observado que quando a
concentração de polissacarídeo e o peso da solução filmogênica aumentam, a umidade
tende a diminuir. No entanto, se a concentração de plastificante glicerol aumenta, a
umidade tende a aumentar, fato este justificado pelo seu caráter higroscópico.
A umidade de filmes biodegradáveis obtidos a partir da queratina extraída das
penas de frangos elaborados por Moore et al. (2005) foi avaliada através da análise dos
valores das constantes da equação de GAB, determinados por regressão não linear. As
isotermas mostraram claramente que o glicerol aumentou a sorção de água dos filmes.
Quanto maior a concentração de glicerol utilizada na dispersão filmogênica, maior a
quantidade de água adsorvida por estes filmes no equilíbrio, em comparação aos filmes
obtidos sem plastificante. A umidade dos filmes de amido reforçados com nanowhiskers
de celulose de coco e plastificados com glicerol variaram de 16,00±1,22 para F1(3,60%
amido de mandioca; 0,90% glicerol e 0,18% solução de nanowhiskers) a 31,01±2,07
para F3(3,60% amido de mandioca; 2,10% glicerol e 0,18% solução de nanowhiskers)
(MACHADO, 2011). Monterrey e Sobral (1999) estudando as propriedades de filmes a
base de proteínas miofibrilares de Tilápia do Nilo encontraram valores de umidade entre
20 e 52% e Park e Zhao (2004) trabalhando com filmes de quitosana obtiveram valores
de umidade entre 14 e 21%. Petersson e Stading (2005) obtiveram valores mais baixos
103
de umidade, entre 11 e 15%, avaliando filmes de amido combinados com
monoglicerídeos.
Tápia-Blácido (2006), no estudo da secagem de filmes de amaranto plastificados
com sorbitol e glicerol, também relata o efeito do plastificante na umidade final dos
filmes. O glicerol, plastificante mais sensível à umidade, contribuiu para a formação de
filmes com maior umidade final. Costa et al. (2010) estudando os efeitos do pH na
extração de proteínas da torta de mamona sobre as propriedades mecânicas, solubilidade
e umidade de filmes biodegradáveis produzidos com essas proteínas, reticuladas com
glutaraldeído não detectaram diferenças significativas (p>0,05) entre os valores de
umidade dos filmes, que variou de 12,5 a 13,7%.
A ANOVA (ANEXO I) e os gráficos de Pareto (Figura 10) mostram que umidade e atividade de água sofrem efeitos significativos (p<0,01) de todas as variáveis independentes no intervalo de confiança de 99%, com o glicerol e a quitosana como as variáveis independentes que exerceram maior efeito nestas variáveis dependentes, sendo o
efeito do glicerol positivo em ambos os casos. Já é bem descrito na literatura que a presença de glicerol e da matriz polimérica influenciam na atividade de água, resultado da
ação do caráter altamente hidrofílico do filme, que muitas vezes, independente da concentração do polissacarídeo na matriz, possui uma taxa de absorção de água elevada.
Isto pode ser balanceado quando se emulsiona a solução filmogênica com um agente
hidrofóbico (azeite de dendê, por exemplo) na constituição do filme. Em relação ao parâmetro umidade, o plastificante glicerol também foi o que exerceu maior efeito, visto
que aumenta a hidrofilicidade da estrutura na qual está inserido. Monterrey e Sobral
(1999) afirmam que as diferenças nas umidades dos filmes ocorrem, principalmente, em
função da sua composição, devido ao caráter higroscópico do glicerol, contribuindo para a variação da espessura dos filmes, e influenciando também as propriedades mecânicas associado ao efeito plastificante da água, como solvente de materiais higroscópicos.
O glicerol é um plastificante que possui 03 hidroxilas, ligando-se a quitosana, dando
menor mobilidade às cadeias formadoras da matriz dos filmes e, conseqüentemente, diminuindo a sua capacidade de ligação com a água. As diferenças entre os plastificantes
podem ser relacionadas, também, com os seus pesos moleculares (PM). Plastificantes
com menor peso molecular, como o glicerol, exercem plastificação mais efetiva que os
de maior peso molecular (SOTHORNVIT, 2009). Já o efeito negativo exercido pela variável quitosana em ambos os parâmetros (atividade de água e umidade) também é evi-
104
denciado no gráfico de Pareto devido a absorção de água por esta matriz na solução filmogênica.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: atividade de água
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=,000001
DV: atividade de água
(2)glicerol(L)
135,3343
(1)quitosana(L)
33,27224
dendê(Q)
-20,6403
glicerol(Q)
1Lby2L
11,25
urucum(Q)
-9,67062
1Lby4L
-9,25
quitosana(Q)
-7,93857
(4)dendê(L)
-3,47011
2Lby3L
3,25
1Lby3L
2,75
(3)urucum(L)
aw
14,57809
-2,24537
3Lby4L
-1,25
2Lby4L
,25
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: Umidade
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=,0001
DV: Umidade
(2)Glicerol(L)
1585,228
(1)quitosana(L)
512,352
1Lby2L
-357,5
Glicerol(Q)
274,3376
(3)Urucum(L)
153,5014
1Lby3L
(4)Dendê(L)
-98,
62,46199
1Lby4L
60,5
2Lby3L
58,5
Urucum(Q)
2Lby4L
-39,7409
-32,
Dendê(Q)
-27,0392
quitosana(Q)
-22,9978
3Lby4L
U
-16,5
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 10. Gráficos de Pareto para as variáveis dependentes atividade de água (aw) e
umidade (U).
A permeabilidade ao vapor d’água é considerada uma das propriedades de barreira de materiais. Um material muito permeável ao vapor d’água poderá ser indicado
105
para embalagens de vegetais frescos, enquanto um filme pouco permeável poderá ser
indicado para produtos desidratados (SOBRAL, 1999). Os valores da permeabilidade ao
vapor d’água dos filmes de quitosana adicionados de urucum e azeite de dendê e plastificados com glicerol variaram de 1,25x10-6 gH2O.µm/m2.h.mmHg para formulação F19
(1,5% quitosana; 0% glicerol; 0,5% de urucum e 0,25% azeite de dendê) a 8,41x10-6
gH2O.µm/m2.h.mmHg para formulação F20 (1,50% quitosana; 0,30 % glicerol; 0,50%
urucum e 0,25% azeite de dendê).
ANOVA (ANEXO I) e o gráfico de Pareto (Figura 11) mostram que todas as variáveis independentes: glicerol, quitosana, azeite de dendê e urucum e algumas interações lineares entre elas, exercem efeito significativo (p<0,01) sobre a permeabilidade ao
vapor d’água, sendo mais significativo o efeito positivo do glicerol. Segundo Thomazine (2005), o aumento do teor de plastificante causa um aumento na permeabilidade ao
vapor de água de filmes higroscópicos, devido à reorganização da matriz proteica e consequente aumento de volume livre. Prondpran et al. (2007) produziram filmes emulsionados de quitosana com óleo de palma em substituição ao glicerol resultando no aumento da resistência à tração e redução na permeabilidade ao vapor d’água.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: Permeabilidade
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=0
DV: Permeabilidade
(2)Glicerol(L)
2944,007
Glicerol(Q)
1259,179
(1)Quitosana(L)
952,8919
1Lby2L
661,7255
(4)Dendê(L)
-425,709
1Lby4L
-290,853
Urucum(Q)
-225,642
2Lby4L
-219,059
2Lby3L
125,4415
Dendê(Q)
-113,568
1Lby3L
92,70491
3Lby4L
-48,1928
(3)Urucum(L)
42,76518
Quitosana(Q)
-10,0338
p=,05
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 11. Gráfico de Pareto para análise de permeabilidade ao vapor d’água.
Lorevice et al. (2011) para filmes contendo HPMC (Hidroxipropil metilcelulose), polpa de goiaba e nanopartículas de quitosana com o intuito de diminuir a permea106
bilidade ao vapor de água (PVDA), constatou que com a adição de polpa de goiaba, o
valor da permeabilidade aumentou para 2,09 ± 0,10 g mm/kPa h m2. Os filmes controle
de HPMC apresentaram valores de PVDA de 0,80 ± 0,06 g mm/kPa h m2. Com a adição
de nanopartículas de quitosana, o valor da permeabilidade passou para 1,58 ± 0,12 g
mm/kPa h m2. A adição de polpa de goiaba aumentou a permeabilidade devido ao aumento da mobilidade das cadeias do HPMC. Esse aumento é provocado pelo efeito
plastificante dos açúcares da polpa, que resultam em acréscimo no tamanho dos poros
diminuindo as propriedades de barreira. A diminuição da permeabilidade com a adição
de nanopartículas se deve pelo preenchimento dos poros. No presente estudo, o glicerol
agiu como plastificante, gerando os efeitos acima relatados e a observa-se efeito negativo significativo gerado pela variável independente quitosana. Uma das possíveis causas
atribuídas a este efeito seria um maior preenchimento dos poros existentes no filme pela
matriz.
Yamashita et al. (2005) avaliou a permeabilidade a vapor d’água de filmes biodegradáveis a base de amido de mandioca, contendo como conservante propionato de
cálcio e permanganato de potássio como absorvedor de etileno, para aplicação como
embalagem ativa para frutas e hortaliças ou minimamente processadas. Os filmes de
amido de mandioca apresentaram altas taxas de permeabilidade ao vapor de água variando de 0,58 a 0,92 x 10-11 g/m.s.Pa ( 494 a 795 g/m /dia), quando comparados com
filmes convencionais (polietileno de baixa densidade), que de acordo com Salame,
(1986) é 35 a 57 vezes menos permeável em torno de 14 g/m /dia para espessura de 100
µm. Filmes de misturas poliméricas de amido com metilcelulose também apresentaram
resultados similares, variando de 0,48.10
-11
a 20,7.10-11 g/m.s.Pa com variação propor-
cional ao aumento do glicerol na formulação (ARVANITOYANNIS; BILIADERIS,
1999).
Moore (2005) determinou a PVDA de filmes de queratina de frango, plastificados por polietileno glicol (30 g/ 100 g de queratina) de massa molecular 400, resultando
em filmes com aproximadamente 21% de umidade e 0,175 mm de espessura, encontrando valores iguais a 2,358 x 10 -10 g/ s.m.Pa. Passando esse resultado para as mesmas
unidades que o presente trabalho utilizou, chega-se numa PVDA igual a 8,48 x 10-4
g.mm/h.m2.Pa. O filme de queratina apresentou o dobro de PVDA quando se compara
aos filmes de colágeno.
Ortiz (2009) determinou a permeabilidade ao vapor da água com o objetivo de
caracterizar o filme biodegradável extrusado de amido de mandioca e proteína de soja,
107
para classificação de sua aplicação. O maior valor apresentado de permeabilidade foi de
2,53 g.mm/m2h KPa para as condições de 4 % de glicerol com 21,6 % de umidade e 4%
de proteína de soja. Em contrapartida, o menor valor (1,52 g.mm/m2 h KPa) foi para o
tratamento que apresentou 4% de glicerol, 30% de umidade e 4% de proteína de soja.
Henrique et al. (2008) avaliaram alguns amidos modificados de mandioca visando a obtenção de filmes comestíveis pelo processo de casting. Os filmes de amidos modificados de mandioca não apresentaram diferenças significativas para permeabilidade
ao vapor d’água, diferindo apenas do filme de PVC. Os filmes com concentração de 5%
de amido apresentaram permeabilidade média numericamente maior que os filmes com
3% de amido.
Pelissari (2009) incorporou óleo de orégano a filmes de amido de mandioca, quitosana e glicerol e avaliou suas propriedades de barreira, mecânicas e antimicrobiana.
Para permeabilidade ao vapor d’água percebeu-se que esta diminuiu significativamente
(p≤0,05) com adição de quitosana. O filme de amido de mandioca (controle) exibiu o
maior valor de PVDA (1,39x10-10 g/Pa.m.s,) o que pode ser atribuído ao maior número
de grupos de hidroxilas livres e conseqüente aumento na interação com a água, favorecendo a permeabilidade. A adição de quitosana também pode causar aumento nas interações entre quitosana e amido, devido à formação de ligações de hidrogênio entre os
grupos -NH2 presente na quitosana e o OH do amido de mandioca, reduzindo a disponibilidade dos grupos hidrofílicos e diminuindo a PVDA para 1.0x10-10 g/Pa.m.s. A permeabilidade ao vapor d’água dos filmes também foi diminuída em relação ao controle
no estudo de Machado (2011) pelo reforço dos que filmes de amido de mandioca e glicerol
com
nanowhiskers
de
celulose
de
coco,
(5,89x10-8
a
6,40x10-8
gH2O.µm/m2.h.mmHg), sendo muito menores do que o do controle (9,7x10-8
gH2O.µm/m2.h.mmHg). A diminuição deste parâmetro foi atribuída à presença dos nanocristais, que associados ao glicerol, agem como uma barreira e diminuem os espaços
livres na matriz polimérica dificultando a passagem do vapor (MÜLLER et al., 2008).
Souza (2010) e Reis (2011) incorporaram fibras de manga (polpa) em filmes
contendo uma matriz de amido de mandioca, avaliando também as propriedades de barreira destes filmes constataram variação da permeabilidade de 6,62x10-8 a 10,55x10-8
H2O.µm/m2.h.mmHg a 6,74x10-8 a 9,55 x10-8 H2O.µm/m2.h.mmHg, respectivamente.
O tratamento dos dados experimentais para as diferentes formulações resultam
em uma equação polinomial de segunda ordem para cada superfície de resposta gerada,
para a colorimetria, espessura (E), sólidos totais (ST), umidade (U), atividade de água
108
(aw) e permeabilidade ao vapor de água (PVDA) (Tabela 4, ANEXO I) dos filmes, em
função das variáveis independentes, quitosana (%, X1), glicerol (%, X2), urucum (X3),
azeite de dendê (X4) e a interação entre elas (X1, X2, X3 e X4). Na Figura 12 são apresentados os gráficos de superfície de resposta gerados entre as interações Quitosana x
Glicerol, Quitosana x Urucum e Quitosana x Azeite de dendê e os parâmetros de colorimetria, sólidos totais (ST), umidade (U), atividade de água (aw) e permeabilidade ao
vapor de água (PVDA) para as 27 formulações.
109
Tabela 4. Equações do modelo e R2 (coeficiente de determinação) para Sólidos Totais (ST,
%), Umidade (U, %), Atividade de Água (AW), Permeabilidade ao vapor de água (PVDA,
gH2O.µm/m2.h.mmHg) dos filmes, X1= Quitosana, X2= Glicerol, X3= Urucum e X4=
Azeite de dendê.
Parâmetros
Equação
ST: X1xX2
79,1+1,045X1+,050X12-3,23Y10,60Y12+0,90 X1Y1
ST: X1xX3
79,1+1,05X1+0,050X12-0,31Y1+0,08Y12
ST: X1xX4
ST: X2xX3
79,1+1,05 X1+,050 X12-0,12 Y1+0,058
Y12+0,15X1Y1
79,1-3,23 X1 -0,60 X12-0,31 Y1+0,08
Y12-0,14625 X1Y1
R2
Parâmetros
0,97
U: X1xX3
0,97
U: X1xX4
0,97
U: X2xX3
0,97
U: X2xX4
0,97
AW: X1xX2
0,97
PVDA:
X1xX3
0,97
PVDA:
X1xX4
AW: X2xX3
0,98
Y12-0,08 X1Y1
0,97
U: X3xX4
Y12 +0,04125 X1Y1
0,97
Y1+0,003 Y12+,0025 X1Y1
0,000002+,0000004 X1-,000000004
X12+,00000001 Y1 -,0000001 Y12+,
+,00000004959975 X1Y1
0,97
0,98
0,000002+0,0000004 X1- 0,000000004
0,606+0,006 X1 -0,001 X12-0,0007 Y1 -
X12-0,0000001 Y1-0,00000005 Y12-
0,98
0,0000001 X1Y1
0,000002+0,000001 X1+0,0000005 X12-
0,606+,027 X1+0,0031-0,00045 Y10,002 Y12+0,0008 X1Y1
Y12-14625 X1Y1
0,606+,006 X1-0,0017X12+0,027625
0,606+,006 X1-0,001 X12-0,0004 Y1-
0,004 Y12-0,002 X1Y1
0,97
20,9+0,31 X1-0,08 X12+0,1275 Y1-0,05
79,1- 0,31 X1+0,08 X12- 0,12 Y1 +0,05
Y12 +0,042 X1Y1
AW: X1xX4
Y12-15125 X1Y1
20,9+3,23 X1+0,60 X12+,1275 Y1-0,05
ST: X3xX4
X1Y1
0,97
20,9+3,23 X1+0,60 X12+0,31 Y1-0,08
0,97
0,002
Y12-245 X1Y1
20,9-1,04 X1 -0,05 X12+0,13 Y1-0,058
ST: X2xX4
Y12+0,0006
R2
20,9-1,05 X1 -0,050 X12+0,31 Y1-0,08
79,1-3,23 X1 -0,60 X12-0,12 Y1 + 0,05
Y12+0,80 X1Y1
AW: X1xX3
Equação
0,98
PVDA:
X2xX3
0,0000001 Y1 -0,00000005 Y12-
0,97
0,0000001 X1Y1
0,000002+,000001 X1+,0000005 X12-
AW: X2xX4
2
0,606+0,02 X1 +,0031 X1 - 0,0007 Y1 -
0,98
0,04 Y12+0,0006 X1Y1
PVDA:
X2xX4
0,0000001 Y1 -0,00000005 Y12-
0,97
0,0000001 X1Y1
0,000002 + 0,00000001 X1-0,0000001
AW: X3xX4
2
0,606-0,0004 X1 - 0,002 X1 -0,0007 Y10,004
Y12-0,0003
X1Y1
0,97
PVDA:
X3xX4
X12-0,0000001 Y1-0,00000005
0,97
Y12+0,00000002 X1Y1
110
Figura 12. Superfícies de resposta geradas para as interações das variáveis independentes
sobre as variáveis dependentes: sólidos totais (ST), umidade (U), atividade de água (aw) e
permeabilidade ao vapor de água (PVDA) para as 27 formulações de filmes.
111
3.1.1.3 Propriedades mecânicas dos filmes
A utilização de filmes biodegradáveis como embalagens exige que estes materiais sejam resistentes à ruptura e à abrasão, de forma a permitir que o alimento mantenha
sua integridade e proteção durante o manuseio e transporte e, ao mesmo tempo, mantenha sua flexibilidade, para se adaptar a eventuais deformações do produto sem que ocorra dano mecânico (MALI et al, 2004).
As propriedades mecânicas dos filmes de quitosana plastificados com glicerol e
aditivados com urucum e azeite de dendê foram avaliadas, nos testes de tração, com relação ao módulo de Young (E em Megapascal, MPa), tensão (σ em Megapascal, MPa) e
deformação (ε em porcentagem, %).
Para o parâmetro Módulo de Young, os filmes apresentam variação de
157,86±0,15 MPa para formulação F2 (1,0% quitosana; 0,075% de glicerol; 0,25% urucum e 0,375% azeite de dendê) a 704,0 MPa para formulação F18 (2,5% quitosana;
0,15% de glicerol; 0,50% urucum e 0,25% de azeite de dendê), conforme observado na
Tabela 5.
Quanto ao Módulo de Young (E) ou módulo de elasticidade, que é um parâmetro
mecânico que proporciona uma medida da rigidez de um material sólido, que é um valor
intrínseco a cada matéria prima. Os valores variaram de 157,86±0,15MPa para a formulação F2 (2,5% quitosana; 0,15% de glicerol; 0,50% urucum e 0,25% de azeite de dendê) a 704,00±0,17 para a formulação F18 (2,5% quitosana; 0,15% de glicerol; 0,50%
urucum e 0,25% de azeite de dendê).
112
Tabela 5. Médias (± desvio padrão) das análises de propriedades mecânicas das diferentes formulações. E (Módulo de Young); σ (tensão máxima); ε (Deformação).
E (MPa)
σ (MPa)
ε (%)
0,125
293,26±0,03
15,31±0,12a
18,52±0,56a
0,25
0,375
157,86±0,15
15,29±0,25a
20,26±0,36
0,075
0,75
0,125
159,50±0,01
16,44±0,77
18,70±0,44a
1
0,075
0,75
0,375
224,84±0,52
14,19±1,15
20,92±0,17
F5
1
0,225
0,25
0,125
242,50±089
6,45±0,33
31,60±0,55
F6
1
0,225
0,25
0,375
194,90±0,15
4,63±0,08
35,94±0,99
F7
1
0,225
0,75
0,125
216,60±0,25
8,10±0,99
32,40±0,46
F8
1
0,225
0,75
0,375
213,70±0,33
7,74±0,66
33,56±0,35
F9
2
0,075
0,25
0,125
689,00±0,05
20,04±0,54
15,49±0,14
F10
2
0,075
0,25
0,375
660,00±0,12
17,25±0,15
16,50±0,25c
F11
2
0,075
0,75
0,125
481,80±0,44
24,78±0,89
20,40±0,33
F12
2
0,075
0,75
0,375
408,33±0,76
19,54±2,05
28,40±0,41
F13
2
0,225
0,25
0,125
506,40±0,13
9,30±1,13
27,60±0,92e
F14
2
0,225
0,25
0,375
510,30±0,28
9,05±0,46
29,40±0,65b
F15
2
0,225
0,75
0,125
493,30±0,54
10,13±0,85b
29,00±1,14b
F16
2
0,225
0,75
0,375
465,30±0,14
9,27±1,16
29,20±0,85b
F17
0,5
0,15
0,5
0,25
172,83±0,44
11,11±0,25
22,70±0,29
F18
2,5
0,15
0,5
0,25
704,00±0,17
12,49±0,96
21,68±0,52
F19
1,5
0
0,5
0,25
524,00±0,25
28,90±0,74
16,10±0,36c
F20
1,5
0,3
0,5
0,25
370,60±0,14
3,69±0,55
39,00±0,74
F21
1,5
0,15
0
0,25
389,50±0,05
12,12±0,46c
22,84±0,64
F22
1,5
0,15
1
0,25
299,60±0,09
10,21±1,45b
23,70±1,25d
F23
1,5
0,15
0,5
0
209,83±0,24
14,13±1,12
23,20±1,10d
F24
1,5
0,15
0,5
0,5
358,50±0,55
12,82±0,87c
27,60±0,89e
F25*
1,5
0,15
0,5
0,25
292,25±0,21
13,50±0,17d
26,80±0,64
F26*
1,5
0,15
0,5
0,25
310,33±0,64
13,86±0,36d
24,80±1,02
F27*
1,5
0,15
0,5
0,25
299,66±0,71
13,73±0,75d
25,60±1,44
F
Quitosana
Glicerol
Urucum
Dendê
(%)
(%)
(%)
(%)
F1
1
0,075
0,25
F2
1
0,075
F3
1
F4
Formulações (F); * Pontos Centrais
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças
significativas (p>0,05) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
113
As formulações F18 (2,5% quitosana; 0,15% de glicerol; 0,50% urucum e 0,25%
de azeite de dendê), F9 (2% quitosana; 0,075% de glicerol; 0,250%;urucum e 0,125%
de azeite de dendê) e F10 (2% quitosana; 0,075% de glicerol; 0,250% urucum e
0,375% de azeite de dendê ) apresentaram os maiores valores de E sendo estes 704, 689
e 660 MPa respectivamente (Figura 13).
Figura 13. Comportamento do módulo de Young (E - MPa) e deformação (ε - %) das
diferentes formulações dos filmes de quitosana.
Analisando o gráfico de Pareto (Figura 14) verifica-se que o módulo de Young
foi influenciado positivamente pelos efeitos lineares da variável independente quitosana
e ainda pode se observar o efeito negativo do glicerol mas não tão significativo. Quanto
maior a concentração de quitosana na formulação, maior será o valor do Módulo de
Young, ao contrário do comportamento do glicerol, que ao ter sua concentração aumentada, confere ao filme um valor menor neste parâmetro. Os maiores valores de Módulo
de Young foram obtidos pelas formulações com maior teor de quitosana; havendo uma
tendência à formação de filmes mais rígidos. Em contrapartida, esta tendência era aplacada pela presença do plastificante glicerol em cada formulação. Comparando as formu114
lações F9 e F13, por exemplo, ambas com concentração de 2% de quitosana, 0,250%
urucum e 0,125% de azeite de dendê, mas com a concentração de glicerol sendo 0,075%
e 0,225%, respectivamente, percebe-se que o maior valor do Módulo de Young foi para
F9; o que demonstra o efeito negativo do plastificante neste parâmetro, reduzindo o valor deste parâmetro de 689,0 para 506,40 MPa. O plastificante reduz as interações moleculares entre as cadeias adjacentes de amido, aumentando a mobilidade do sistema
(GONTARD et al., 1993).
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: E
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=415,2072
DV: E
(1)Quitosana(L)
35,79885
Glicerol(Q)
-8,540675
Quitosana(Q)
8,037181
(3)Urucum(L)
-7,72003
2Lby3L
5,64924
1Lby3L
-5,43625
(2)Glicerol(L)
-5,39335
1Lby2L
Urucum(Q)
3Lby4L
2Lby4L
-3,63247
2,718051
2,074312
1,201499
Dendê(Q)
-,703839
(4)Dendê(L)
,5029817
1Lby4L
-,073736
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 14. Gráfico de Pareto para o parâmetro Módulo de Young (E) dos filmes
Diversos trabalhos abordam esta propriedade do plastificante glicerol de diminuir o Módulo de Young em filmes. Alguns estudos relatam que a adição de plastificante
torna a matriz dos filmes menos densa, facilitando a movimentação das cadeias do polímero, melhorando a flexibilidade dos filmes (MALI et al, 2004, SOBRAL et al.,
2001). Estes resultados estão de acordo com os resultados obtidos neste trabalho.
A formulação F20 (1,50% quitosana; 0,30 % glicerol; 0,50% urucum e 0,25%
azeite de dendê) foi a que mais sofreu deformação (39%) e a F19 (1,50% quitosana; 0 %
115
glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê) a que menos se deformou (16,1%).
Também pode-se atribuir à concentração de glicerol estes efeitos, visivelmente demonstrados através do Gráfico de Pareto (Figura 15) e análise da concentração de cada variável nas formulações. Os resultados são conseqüência da capacidade do glicerol em reduzir as interações entre cadeias poliméricas, diminuindo assim a resistência do filme e
aumentando a flexibilidade (MCHUGH; OLSEN, 2004). Romero-Bastida et al. (2005),
para filmes de amido de banana e manga adicionados de 50% de glicerol, houve 40 e
30% de deformação na tração, respectivamente, e também encontraram valores maiores
para os filmes adicionados com plastificante. Alguns estudos também relataram efeitos
de outros fatores na elongação de filmes como, por exemplo, a influência da atividade
de água na elongação dos filmes plásticos biodegradáveis de amido de mandioca elaborados por SHIMAZU et al (2007). O aumento da elongação (flexibilidade) foi dependente da atividade de água (Aw) dos filmes. Filmes que apresentaram Aw de 0,11 e
0,33 sofreram deformação de 40% e filmes com Aw ≥ 0,58 com glicerol acima de 30%
apresentaram aumentos significativos de deformação, a partir de concentrações de glicerol de 30%.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: def in%
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Residual=3,654238
DV: def in%
(2)glicerol(L)
14,44839
(4)dendê(L)
3,12528
1Lby2L
-2,7061
1Lby3L
2,451865
2Lby3L
-2,3577
(3)urucum(L)
2,027567
(1)quitosana(L)
-1,91651
quitosana(Q)
-1,78164
glicerol(Q)
urucum(Q)
2Lby4L
1,456056
-1,12927
-,715105
3Lby4L
,35206
1Lby4L
,2024476
dendê(Q)
,1573543
p=,01
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 15. Gráfico de Pareto para o parâmetro Deformação (em %) dos filmes de
quitosana.
116
Para filmes de amido de mandioca com diferentes teores de polpas de manga e
de acerola desenvolvidos por Souza et al, (2011) com plastificante sacarose e açúcar
invertido, os valores dos percentuais de alongamento variou com a concentração das
polpas em cada filme, sendo que a formulação com a menor incorporação de polpas de
manga e de acerola apresentou a menor porcentagem de alongamento (68,67%), e a
formulação com o maior teor de ambas as polpas (F4) apresentou o maior percentual
(72,45%), ou seja, quanto maior a adição de polpas de manga e de acerola maior o percentual de alongamento.
Farias et al. (2011) analisou o percentual de deformação de filmes de amido de
mandioca adicionados de polpa de acerola e plastificados com glicerol. Os autores
observaram que a deformação na tração dos filmes variou de 23,11 a 44,63%; o
aumento da concentração de polpa e glicerol favoreceu o aumento da deformação na
tração dos filmes. Wang et al. (2010), para filmes compostos de purê de cenoura,
carboximetilcelulose (CMC), amido de milho, gelatina e glicerol e constataram que as
concentrações de carboximetilcelulose (CMC), amido de milho e gelatina não
apresentaram efeito significativo sobre a deformação na tração, mas a elevação da
concentração de glicerol provocou o aumento.
A tensão na ruptura é a resistência oferecida pelo material no ponto da ruptura
durante o teste de tração. Geralmente é requerida alta tensão na ruptura, mas esta
exigência depende da finalidade a que a embalagem se destina (CUQ, 1992). Para os
filmes de quitosana plastificados com glicerol e aditivados com urucum e azeite de
dendê, os resultados variaram de 3,69 MPa para formulação F20 (1,50% quitosana; 0,30
% glicerol; 0,50% urucum e 0,25% azeite de dendê) a 28,90 MPa para formulação F19
(1,50% quitosana; 0 % glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê). Mais uma vez
constata-se a influência negativa da concentração de glicerol neste parâmetro uma vez
que está se tratando das formulações com menor concentração e maior concentração de
glicerol respectivamente (Figura 16). Pelo gráfico de Pareto, todas as variáveis
independentes e algumas interações lineares causaram efeitos significativos (p<0,01)
neste parâmetro, sejam eles positivos (como é caso da quitosana) ou negativos (como é
o caso do glicerol), em um intervalo de confiança de 99% (Figura 17). Estes resultados
estão de acordo com outros estudos como é o caso de Wang et al.(2010), que em filmes
de purê de cenoura, carboximetilcelulose (CMC), amido de milho, gelatina e glicerol,
obtiveram resultados que variaram de 5,06 a 11,73 MPa, a concentração de amido de
milho melhora a tensão na tração dos filmes e a elevação da concentração de glicerol
117
reduz a tensão na tração. Comparando-se os valores da tensão causada nos filmes
durante a tração e o módulo de Young (E), ambos em MPa, pode-se perceber a
diferença entre as forças resultantes no material analisado (Figura 18).
Figura 16. Tensão de ruptura das 27 formulações dos filmes de quitosana avaliada no
teste de tração.
Pareto Chart of Standardized Effects; Variable: Tensão
4 factors, 1 Blocks, 27 Runs; MS Pure Error=,0332333
DV: Tensão
(2)Glicerol(L)
-143,989
(1)Quitosana(L)
38,02999
(4)Dendê(L)
-18,1528
Urucum(Q)
-16,941
Glicerol(Q)
15,5496
1Lby2L
-13,1048
Quitosana(Q)
-12,9189
(3)Urucum(L)
10,1267
2Lby4L
9,610526
1Lby4L
-6,41799
3Lby4L
-5,26056
1Lby3L
4,53099
Dendê(Q)
-2,30929
2Lby3L
-1,72243
p=,05
Standardized Effect Estimate (Absolute Value)
Figura 17. Gráfico de Pareto do parâmetro Tensão para filmes de quitosana
118
σ (MPa)
Figura 18. Comparação dos gráficos do Módulo de Young (E) e da tensão de ruptura
dos filmes de quitosana gerados pelo teste de tração (valores em MPA).
Muitos estudos abordam as influências das variáveis independentes diversas
(matriz, plastificantes ou aditivos) nas propriedades mecânicas de filmes biodegradáveis. Cuenca et al. (2001), caracterizando filmes de quitosana (a 1%) contendo diferentes concentrações de glutaraldeído (0 a 4,6%), processado por casting, obteve valores de
tensão variando de 2,5 a 5,0 (±1) Kgf , sendo o maior valor para filmes sem glutaraldeído. Os valores de porcentagem de deformação variaram de 6,9 a 12,3 % e os maiores
valores também foram para a formulação com ausência de glutaraldeído, onde a adição
de 1% de glutaraldeído não alterou a tensão máxima para a quebra do filme, mas diminuiu sua deformação. Um aumento de cinco vezes na concentração de glutaraldeído não
acarretou mudanças significativas em suas propriedades mecânicas.
Para filmes de quitosana incorporados com chá verde e plastificados com glicerol desenvolvidos por Siripatrawan e Harte (2010) foram avaliados quanto às propriedades mecânicas observando os efeitos da adição de extrato de chá verde nestas propriedades. Foi constatado que de 0 a 5% de incorporação do extrato de chá verde, não houve
alteração nos valores de tensão e deformação dos filmes aditivados em relação ao filmecontrole, mas com um teor de 5 a 20% do extrato à matriz polimérica, identificou-se
significante aumento de 25.13 ± 1.91 para 27.55 ± 3.46 MPa e de 54.76 ± 3.14 para
60.73 ± 3.37, respectivamente, que pode ser explicado pela interação entre a quitosana e
os compostos fenólicos presentes no extrato de chá verde.
Yamashita, et al. (2005) elaborou filmes biodegradáveis a base de amido de
mandioca, contendo propionato de cálcio e permanganato de potássio como conservante
absorvedor de etileno e avaliou as propriedades mecânicas dos filmes. A resistência à
119
tração na ruptura variou de 4,3 a 23,4 MPa e com efeito negativo do teor de amido e positivo dos teores de permanganato e propionato, além de uma interação negativa do
permanganato com o propionato. Desta forma o filme com maior resistência foi obtido
quando foram empregados os menores teores de amido e de propionato e os maiores de
permanganato, pois apesar do efeito do propionato ter sido positivo, existe uma forte
interação negativa entre o propionato e o permanganato, superior ao efeito apenas do
propionato. O amido teve efeito negativo, ou seja, menores teores de amido elevaram a
resistência à tração provavelmente devido a oxidação do amido catalisada pela presença
de permanganato, que permitiu a formação de uma matriz mais coesa, enquanto que os
filmes com maiores teores de amido mostraram-se mais rígidos e menos resistentes.
Bastos (2010) obteve filmes de amido termoplástico por vazamento e posterior
tratamento por plasma de hexafluoreto de enxofre (SF6). Analisando os filmes quanto
às propriedades mecânicas concluiu que o módulo de elasticidade aumentou após o tratamento por plasma de SF6 (a superfície dos filmes tornou-se mais rígida), o que pode
ser atribuído à reticulação que ocorre devido à formação de ligações cruzadas entre as
unidades de D-glicose do amido e também à incorporação de átomos de flúor durante o
tratamento por plasma de SF6.
Shimazu et al. (2007) avaliando os efeitos do plastificante e antiplastificante do
glicerol e do sorbitol em filmes biodegradáveis de amido de mandioca realizou análises
de tração e deformação nestes, relata que os filmes dfe amido de mandioca plastificados com glicerol apresentam menor resistência que os com sorbitol, existindo uma tendência de queda na resistência à medida que o plastificante é adicionado. Filmes plastificados com sorbitol nas concentrações de 5, 10 e 15 g sorbitol/100g de amido foram
mais resistentes que os filmes não plastificado. O efeito do sorbitol em baixas concentrações e baixas atividades de água é mais um indicativo do seu efeito antiplastificante,
isto é, ao invés de aumentar a mobilidade molecular entre as cadeias de amido, se liga
fortemente ás cadeias de amido, aumentando o grau de interação, e conseqüentemente, a
resistência mecânica e rigidez destes materiais. Nos filmes plastificados com glicerol, o
aumento da elongação (flexibilidade), em relação aos filmes não plastificados foi dependente da atividade de água dos filmes. De uma forma geral, os filmes plastificados
com glicerol se mostraram mais flexíveis que os com sorbitol, apresentando, em todos
os valores de atividade de água, maiores valores de elongação.
Handa et al. (1999), determinaram as propriedades mecânicas, dos filmes de proteínas da clara do ovo e verificaram que a deformação na ruptura no teste de tração va120
riou de 26,4 a 55,1%, sendo que os filmes de soluções aquecidas tiveram uma deformação maior do que filmes de soluções não aquecidas no intervalo de pH estudado (10,5-11,5). Os autores verificaram aumento da deformação com a elevação do
valor do pH.
O tratamento dos dados experimentais para as diferentes formulações resultam
em uma equação polinomial de segunda ordem para cada superfície de resposta gerada,
para o Módulo de Young (E), Tensão (σ) e Deformação (ε) (Tabela 6, ANEXO I) dos
filmes, em função das variáveis independentes, quitosana (%, X1), glicerol (%, X2),
urucum (X3), azeite de dendê (X4) e a interação entre elas (X1, X2, X3 e X4). Na Figura 14 são apresentados os gráficos de superfície de resposta gerados entre as interações
Quitosana x Glicerol, Quitosana x Urucum e Quitosana x Azeite de dendê e os parâmetros o Módulo de Young (E), Tensão (σ) e Deformação(ε) para as 27 formulações.
121
Tabela 6. Equações do modelo e R2 (coeficiente de determinação) para Moúdulo de Young (E, MPa), Tensão(σ, MPa) e Deformação (ε, %) dos
filmes, X1= Quitosana, X2= Glicerol, X3= Urucum e X4= Azeite de dendê.
Parâmetros
Equação
R2
Parâmetros
E: X1xX2
290,7+148,9 X1 +35,4 X12-22,4 Y1 +37,6 Y12-18,5 X1Y1
0,97
σ: X2xX3
E: X1xX3
290,7+148,9 X1 +35,4 X12-32,1 Y1+11,9 Y12-27,6 X1Y1
0,97
σ: X2xX4
E: X1xX4
290,7+148,9 X1 +35,4 X12+2,09 Y1 -3,1 Y12-0,375 X1Y1
E: X2xX3
290,7-22,4 X1 +37,6 X12-32,1 Y1 +11,9 Y12- +28,7 X1Y1
E: X2xX4
290,7-22,4 X1 +37,6 X12+2Y1 -3,1 Y12+6,15 X1Y1
E: X3xX4
290,7-32,1 X1 +11,9 X12+2,09 Y1 -3,1 Y12210,5 X1Y1
σ: X1xX2
13,7+1,4 X1 -0,5 X12-5,3 Y1 +0,6 Y12-0,6 X1Y1
σ: X1xX3
13,7+1,4 X1 -0,5 X12+0,4 Y1 -0,7 Y12-0,2 X1Y1
σ: X1xX4
13,7+1,4 X1 -0,5 X12-0,7 Y1 -0,09 Y12-0,3 X1Y1
Equação
13,7-5,3 X1 +0,6 X12+0,37 Y1-0,7 Y12-0,07 X1Y1
13,7-5,3 X1 +0,6 X12-0,6 Y1 -0,09 Y12-0,438 X1Y1
13,7+0,4 X1 -0,7 X12-0,6 Y1 -0,09 Y12 -0,2 X1Y1
0,97
σ: X3xX4
0,97
ε: X1xX2
25,7-0,74 X1-0,7 X12+5,6 Y1+0,6 Y12-1,3 X1Y1
0,97
ε: X1xX3
25,7-0,7 X1-0,7 X12+0,7 Y1 -0,5 Y12- 1,2 X1Y1
0,97
ε: X1xX4
0,97
ε: X2xX3
0,97
ε: X2xX4
0,98
ε: X3xX4
25,7-0,7 X1 -0,7 X12+1,2 Y1 +0,06 Y12-0,09 X1Y1
R2
0,97
0,97
0,98
0,97
0,97
0,97
25,7+5,6 X1 +0,6 X12+0,8 Y1 -0,4 Y12-1,12 X1Y1
0,98
25,7+5,6 X1 +0,6 X12+0,8 Y1 -0,4 Y12--1,12 X1Y1
0,98
25,7+0,8 X1 -0,4 X12+1,2 Y1 +0,06 Y12+0,16 X1Y1
0,97
122
3.1.1.4 Propriedade Térmica: Análise termogravimétrica
Foram selecionadas as formulações F17, F18 e F19 para análise termogravimétrica devido a possuírem em sua formulação menor teor de quitosana, maior teor de quitosana e ausência de glicerol, respectivamente.
Os gráficos de TGA e DTG das formulações F17 (0,5% quitosana; 0,15% glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê), F18 (2,5% quitosana; 0,15 % glicerol; 0,5%
urucum e 0,5% azeite de dendê) e F19 (1,5% quitosana; 0% glicerol; 0,5% de urucum e
0,25% azeite de dendê) estão apresentados na Figura 19. As curvas de TGA e DTG revelam a perda de massa do material quando aquecido a uma temperatura e atmosfera
Perda de massa (%)
-0,1
(b)
80
-0,2
-0,3
60
-0,4
(a)
40
F17
F18C
F19A
-0,5
-0,6
20
-0,7
100
200
300
400
o
0,0
100
Derivada primeira da perda de massa (erda/ C)
controlada.
500
o
Temperatura ( C)
Figura 19: (a)- Curvas de TGA das formulações F17, F18 e F19. (b)- Curvas de DTG
das formulações F17, F18 e F19.
Analisando as curvas TGA e DTG das amostras analisadas, verifica-se a presença de 5 eventos distintos para formulação F17, 4 eventos para F18 e 3 para formulação
F19, conforme Tabela 6. O primeiro evento de perda de massa que é o primeiro estágio,
abaixo de 1000C, está relacionado à volatilização de água, com a evaporação também de
compostos de baixa massa molar. A faixa de temperatura de degradação desta etapa foi
de 47,40 a 55,19°C. Este evento poderia ter sido evitado ou amenizado se as amostras
fossem secas em estufa, antes da análise. Através da observação dos dados apresentados
123
na Tabela 7, verifica-se que a temperatura de desidratação aumenta a medida que aumenta o teor de quitosana na solução filmogênica.
O segundo estágio ocorreu na faixa de temperatura em torno de 166,05 a 189,43
°C; associando esta etapa à decomposição do glicerol, indicando uma possível separação de fases. Este evento ocorreu apenas para as formulações F17 e F18 uma vez que a
motra F19, cuja formulação não contém glicerol, não apresentou evento nesta faixa de
temperatura. Na faixa de temperatura de 278,07 e 293,02°C observa-se evento para as
formulações F17, F18 e F19, evento este associado à decomposição da matriz quitosana
(PELISSARI, 2009).
Tabela 7. Comportamento termogravimétrico dos filmes de quitosana plastificados com glicerol e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Quitosana
Glicerol
(%)
(%)
F17
0,50
0,15
F18
2,50
F19
1,50
Formulações
Evento
Evento
Evento
Evento
2
3
4
5
47,40
166,05
278,07
395,58
444,37
0,15
55,19
189,43
293,02
0
49,18
292,50
Evento1(desidratação)
437,75
424,45
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças significativas
(p>0,05) pelo Teste de Tukey a 99% de confiança.
Pelissari (2009) incorporou óleo de orégano a filmes de amido de mandioca, quitosana e glicerol e analisou termogravimetricamente a estabilidade térmica destes filmes, observando que o filme de amido-quitosana com 1% de óleo essencial de orégano
sofreu 03 estágios de perda de massa enquanto outras formulações que variavam a composição dos filmes sofreram 2 estágios apenas. O primeiro estágio (Temperatura de degradação máxima de 72 a 99º C representa a evaporação da água absorvida pelo amido,
quitosana e glicerol, juntamente com a evaporação dos compostos de baixa massa molar. Em torno de 250 a 350º C, observou-se a decomposição do amido e da quitosana.Apenas a formulação com maior teor de óleo essencial de orégano (1,0%) apresentou
o terceiro estágio, por volta de 380º C, quando provavelmente ocorre a degradação térmica das estruturas aromáticas presentes no óleo essencial, bastante estáveis quimicamente devido a ressonância do anel benzênico. Bastos (2010) para filmes de amido termoplástico por vazamento e posterior tratamento por plasma de hexafluoreto de enxofre
(SF6), relata uma temperatura de degradação dos compósitos de aproximadamente
3000C e com o aumento da quantidade de fibra, houve uma maior perda de massa para
124
temperaturas baixas. Resultados similares para faixas de temperatura de degradação de
matrizes poliméricas (filmes de quitosana) foram reportados por outros autores (CHEN
etal 2008, ZHANG et al, 2007).
Os estágios subseqüentes referem-se à degradação térmica de outros componentes da formulação. Santos et al (2010) realizaram a síntese, caracterização e estudo cinético do óleo de dendê e seu biodiesel e em relação à análise termogravimétrica verificaram que o óleo de dendê possui dois estágios de perdas de massa, ocorrendo na faixa
de 180-510°C. O óleo de dendê apresentou duas etapas térmicas, a maior perda consiste
na decomposição dos ácidos graxos, já para a menor perda pode-se atribuir às impurezas presentes no óleo, tais como os ácidos graxos livres.
3.1.1.5 Solubilidade dos filmes
Os filmes selecionados para esta análise apresentaram um percentual de solubilidade entre 7,84%±1,01 para formulação F19 (1,5% quitosana; 0% glicerol; 0,5% de
urucum e 0,25% azeite de dendê); 9,16% ±0,05 para F18 (2,5% quitosana; 0,15 % glicerol; 0,5% urucum e 0,5% azeite de dendê) e 11,62%±0,02 para F17 (0,5% quitosana;
0,15% glicerol; 0,5% urucum e 0,25% azeite de dendê), conforme dados apresentados
na Tabela 8.
Tabela 8: Solubilidade das amostras selecionadas dos filmes de quitosana plastificados com glicerol e incorporados de urucum e azeite de dendê.
Formulações
F17
Quitosana
(%)
0,50
F18
2,50
Glicerol Urucum Dendê
(%)
(%)
(%)
0,15
0,50
0,25
0,15
0,50
0,25
Minicial
Mfinal
0,0086
Solubilidade
(%)
0,0076 11,62±0,02
0,0240
0,0218
9,16±0,05
F19
1,50
0,00
0,50
0,25
0,0344
0,0317 7,84±1,01
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças significativas
(p>0,05) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
A formulação que não contém glicerol (F19) apresentou o menor percentual de
solubilidade. De acordo com Wolf (2007), filmes com plastificantes hidrofílicos tendem a apresentar altos valores de solubilidade. Para as demais formulações, cuja diferença básica entre elas é o teor de quitosana presente na formulação, a amostra com menor teor da matriz (que foi a F17), apresentou um percentual de solubilidade maior, provavelmente pela maior facilidade de dispersar esta amostra em solução ou por esta não
125
ser composta de ligações tão fortemente formadas entre os outros componentes da formulação devido à sua menor quantidade presente. Os valores encontrados neste trabalho
são compatíveis com outros trabalhos que tratam especificamente de filmes de quitosana, como é o caso de Carvalho (2006), que produziu esferas, membranas, filmes e hidrogéis de quitosana, sem e com a bactéria imobilizada e avaliou os produtos quanto à
resistência mecânica, uniformidade, solubilidade, dentre outros. Os testes de solubilidade de filmes e membranas em pH 6 tiveram por finalidade avaliar perdas de massa devido à possível solubilização nesse pH. Os resultados mostraram que a perda de massa
foi insignificante para os filmes e membranas testados, com um percentual de perda de
3,5% ± 0,057.
Em relação aos filmes que possuem outros polissacarídeos ou componentes como matrizes, os valores da solubilidade de filmes biodegradáveis de quitosana são inferiores. Zactiti (2004) avaliou a solubilidade dos filmes biodegradáveis de alginato de
cálcio sem e com sorbato de potássio. Os filmes preparados com solução filmogênica a
1,5% de alginato de sódio e glicerol (0,6g glicerol/g de alginato) apresentaram-se totalmente solubilizados após 24h de imersão em água. Esta é uma característica encontrada
em filmes compostos de hidrocolóides, especialmente polissacarídeos e proteínas, por
serem substâncias altamente hidrofílicas. Yamashita et al (2005) desenvolvendo filmes
biodegradáveis a base de amido de mandioca, contendo como conservante propionato
de cálcio e permanganato de potássio como absorvedor de etileno, verificaram que estes
apresentaram alta solubilidade, que variou de 78 a 86%, característica desejável para
filmes biodegradáveis. Quanto maior a concentração de amido, mais solúvel o filme. O
aumento da solubilidade foi associado com a concentração de amido devido ao aumento
da quantidade de grupamentos hidroxila na matriz dos filmes. Filmes a base de gelatina,
com sorbitol nas concentrações de 55 a 65%%, com espessura média de 170 µm, apresentaram solubilidades variando de 40,4 a 44,5% de matéria seca, valores também menores que os obtidos neste trabalho (SAKANAKA, 2002).
Vicentino et al (2011) para filmes a partir de amido de mandioca, gelatina e sorbitol para cobertura em uvas ‘Benitaka’ (Vitis vinifera L.) avaliaram as propriedades a
fim de se verificar a eficácia do filme como barreira contra a perda de massa nas uvas.
No quesito solubilidade observaram que este parâmetro variou de 28% para filmes com
amido oxidado-acetilado a 100% para filmes com amido eterificado. O menor valor para os filmes estudados foi superior aos encontrados na literatura para o filme de gelatina
126
e amido de trigo (24,38%), como também para o filme composto por gelatina em um pH
de 5,5 (19,77%).
Prates (2009) elaborou filmes biodegradáveis utilizando o amido do fruta-delobo e como plastificantes como o glicerol e sorbitol e posteriormente analisou a solubilidade dos filmes biodegradáveis em função da concentração de sorbitol e da temperatura de secagem durante a elaboração de filmes. A temperatura do processo apresentou
efeito linear negativo na solubilidade dos filmes biodegradáveis. O aumento da temperatura de 33 para 43ºC produziu-se uma diminuição na solubilidade média de 26,59%
para 26,11%. Foi observado efeito linear positivo da concentração de sorbitol na solubilidade dos filmes elaborados, sendo que o aumento de 0,1 para 0,3% na concentração de
sorbitol provocou incremento na solubilidade de 26,81 para 29,02%. Santos (2009),
que encontrou solubilidade entre de 28,65 a 42,67% em filmes biodegradáveis elaborados com amido de fruta-de-lobo e glicerol e observou que as maiores concentrações do
plastificante resultaram em um incremento na solubilidade dos filmes biodegradáveis.
3.1.1.6 Avaliação da Biodegradabilidade dos filmes
Atualmente, além de propriedades mecânicas, a avaliação da biodegradabilidade
das de embalagens também tem recebido atenção especial, já que a preocupação com a
conservação do meio ambiente é cada vez maior.
Um plástico é considerado de uma forma geral, degradável quando possui em
sua estrutura ou formulação, componentes que aceleram ou não impedem as taxas de
degradação do polímero. Portanto, o plástico biodegradável sofre ações de um ou mais
mecanismos na sua decomposição, associadas à composição química do plástico,
morfologia, pelas condições do meio, pela presença de aditivos na sua formulação e
outros fatores que afetam a sua biodegradabilidade. As macromoléculas naturais como
proteínas, polissacarídeos e lipídios são geralmente degradadas em sistemas biológicos
pela hidrólise seguida de oxidação (HUANG, 1985). No entanto, o plástico só é
considerado biodegradável se a degradação resultar da ação enzimática de
microrganismos naturais tais como fungos, bactérias e algas, sendo o material capaz de
se decompor em dióxido de carbono (CO2), metano, água, compostos inorgânicos ou
biomassa (RUTIAGA et al., 2005).
Todos os componentes dos filmes deste trabalho (quitosana, glicerol,
urucum e azeite de dendê) são considerados biodegradáveis. O processo de
127
biodegradação neste estudo foi acompanhado por 17 semanas, em solo mantido a 32ºC,
conforme as normas da ASTM G 160-03. Foi monitorada a biodegradabilidade para as
formulações F17, F18 e F19, que continham maior teor de quitosana (F17), menor teor
de quitosana (F18) e ausência de glicerol (F19), a fim de se verificar a influência da
concentração da matriz e da presença de plastificante na biodegradabilidade dos filmes.
A viabilidade do solo preparado foi testada conforme a Norma NBR 11912
(1991). O resultado do teste mostra boa degradabilidade do material. A perda de massa
percentual nas formulações F17, F18 e F19 encontram-se descritos na Tabela 9. Na Figura 19 são apresentadas as fotografias obtidas das formulações F17, F18 e F19 durante
as análises de biodegradabilidade.
Tabela 9. Valores de perda de massa das formulações de filmes selecionados durante o
teste de biodegradabilidade de 17 semanas.
Amostras
F17
F18
F19
Tempo em semanas
% de perda de massa
zero
0
2
18,61±0,15
4
34,81±0,36
12
49,69±0,17
15
67,43±0,42b
17
83,68±1,15a
zero
0
2
17,40±0,42
4
39,29±0,89
12
55,27±1,23
15
61,50±0,55
17
83,62±0,98a
zero
0
2
19,82±0,56
4
36,07±0,34
12
53,42±1,14
15
68,98±1,25b
17
83,37±1,47a
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças significativas
(p>0,05) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
128
Figura 20. Amostras em solo preparado para análise da Biodegradabilidade.
Analisando ao percentual de perda de massa com o passar do tempo, verifica-se
que a biodegradação aumentou com o passar do tempo, uma vez que a perda de massa é
um dos critérios que atesta biodegradação. Além disso, o percentual da perda de massa
foi praticamente o mesmo para todas as formulações (F17, F18 e F19), ao longo das 17
semanas, sendo em média 83%, independentemente da concentração de quitosana ou
glicerol presente nas formulações, o que nos permite inferir que a concentração destes
componentes não alterara nem interferem na biodegradabilidade dos filmes que os
contém.
Bucci
et al. (2007), estudando a biodegradação de embalagens de PHB
(polihidroxibutirato) em diferentes meios, observaram que a biodegradação deste
material ocorre em até 90 dias em meios em que há uma atividade microbiana própria,
como a compostagem de lixo orgânico e fossa séptica. Nos testes de biodegradação dos
de filmes de blendas de amido e poli (butileno adipato co-tereftalato) produzidos por
por SCAPIN (2009), a perda de massa foi dependente da quantidade de amido
termoplástico (ATp) presente na matriz polimérica. Filmes com 20% de amido
apresentaram a menor perda de massa durante todo o período de análise (29,4%),
enquanto que os filmes com 30 e 40 % de amido, ao final dos 150 dias, apresentaram
perda de massa de 65,9 e 70,0%, respectivamente.
Machado (2011), também avaliou a biodegradabilidade dos filmes de
amido de mandioca incorporados com nanocelulose de côco e glicerol e observou ao
129
longo de 17 semanas que todas as formulações estudadas (F10, F11 e F14), sofreram
perda de massa próximas as obtidas para filmes de quitosana, glicerol, urucum e azeite
de dendê, independentemente do percentual de nanocelulose adicionada na matriz de
amido plastificada com glicerol. Todas as formulações e o controle apresentaram uma
perda de massa de aproximadamente 80%, também com massa residual de 20% após
119 dias. Beltrão et al. (2010), avaliaram filmes biodegradáveis de amido vazados com
adição de argila nas concentrações 1, 3 e 5% em massa. Os filmes de amidos foram
submetidos a estudo de biodegradação em solo enriquecido com humos. Os filmes
apresentaram boa degradabilidade mesmo com a adição de argila (5%), apresentando
massa residual de 29% após 30 dias.
3.2 Conclusões
Os resultados apresentados neste trabalho indicam a viabilidade da elaboração
de filmes de quitosana, utilizando o plastificante glicerol e urucum e azeite de dendê
incorporados. Os filmes obtidos apresentaram boa aparência e facilidade de manuseio e
foram caracterizados pelas suas propriedades colorimétricas que dependem exclusivamente da sua formulação. A baixa atividade de água e umidade torna viável a aplicação
deste filme para embalar alimentos com estas mesmas propriedades. O fato de o filme
ser emulsionado com composto hidrofóbico (presença de lipídio em sua formulação)
contribuiu para melhorar a permeabilidade ao vapor d'água pela diminuição da afinidade
pela água e modificação na estrutura filmogênica. Os filmes apresentaram boas propriedades mecânicas e os valores de Módulo de Young, tensão e deformação influenciados
pelas concentrações de quitosana e glicerol, sendo a quitosana responsável pela rigidez
do filme e o glicerol relacionado ao melhoramento da elasticidade e diminuição da tensão à tração. A incorporação de aditivos urucum e azeite de dendê não influenciou nas
propriedades mecânicas dos filmes de quitosana plastificados com glicerol em nenhuma
das concentrações testadas. As análises de termogravimetria descreveram as etapas de
degradação sofridas durante o aquecimento das amostras e a cada estágio detectado identifica-se o composto degradado, sendo que foram odentificados até 5 estágios distintos, a depender da amostra avaliada. Os filmes apresentaram baixa solubilidade em água
(máximo de 11,62%) e um alto grau de biodegradabilidade, ultrapassando 80% de degradação em 17 semanas.
130
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139
Capítulo IV
Avaliação da eficácia da incorporação de urucum como aditivo antioxidante em
embalagens biodegradáveis à base de quitosana
140
1.0 Introdução
Geralmente, os materiais para a elaboração de embalagens têm sido selecionados
com o objetivo de possuir a menor interação com o produto que acondicionam. Diante
disso, as embalagens atuam como barreiras inertes, com a função principal de proteger o
produto embalado, sem interagir com o mesmo (VEIGA-SANTOS et al., 2005a). Entretanto, novas linhas de pesquisa têm surgido nas últimas décadas com o objetivo de desenvolver embalagens que interajam com o produto embalado, trazendo, portanto uma
vantagem adicional para estas. Outra vantagem apresentada por essas novas embalagens, chamadas de embalagens ativas, é o seu caráter biodegradável, visto que são constituídas de matrizes poliméricas obtidas de fontes renováveis e incorporadas com aditivos naturais, como por exemplo, extrato de erva-mate (MACHADO, 2011), polpa de
manga e acerola (SOUZA et al., 2011), dendê (GRISI et al., 2008), café e cacau (SILVA, 2009) entre outros, sendo assim planejadas para corrigir deficiências das embalagens passivas. Destaca-se ainda que estas embalagens ativamente funcionais contribuem
para uma maior preservação do alimento e do meio ambiente, devido seu caráter biodegradável (VEIGA-SANTOS et al., 2005b; VEIGA & DRUZIAN, 2007; MALI et al.,
2010).
A quitosana é uma poliamina linear caracterizada por sua origem renovável, biodegradável e pela sua capacidade de formar filmes resistentes, flexíveis, de difícil
rompimento (JOHN & THOMAS, 2008). Além disso, é um composto de grande interesse industrial por apresentar caráter bioativo, permeabilidade seletiva, ação polieletrônica, habilidade de quelação e capacidade adsortiva (THARANATHAN, 2003; SYNOWIECKI & AL-KHATEEB, 2003). Os filmes de quitosana apresentam, na condição
seca, baixa permeação a gases, inferiores aos medidos para PET (Politereftalato de etileno) ou PVC (cloreto de polivinila) (ASSIS, 2010), sendo apropriados para embalar
alimentos lipídicos. Outra possibilidade de aplicação em embalagens é através da incorporação de aditivos antioxidantes naturais, ampliando seu campo de utilização.
As reações de degradação por oxidação são consideradas como as mais importantes que ocorrem nos alimentos, já que são responsáveis pela deterioração dos produtos (FUKUMOTO & MAZZA, 2000; LOULI et al., 2004; ALBU et al., 2004), limitando assim a conservação dos mesmos. Freqüentemente são adicionados, no produto ou
na embalagem, substâncias antioxidantes, que são capazes de remover o oxigênio do
141
meio ou impedir a reação em cadeia produzida pelos radicais livres formados durante o
processo de oxidação. Comumente são utilizados antioxidantes sintéticos dentre os
quais, os mais utilizados são o BHA (Butil-hidroxianisol) e BHT (Butil-hidroxitolueno).
Atualmente a utilização dos antioxidantes sintéticos tem sido bastante questionada, devido ao aparecimento de diversos estudos que alegam que estes antioxidantes podem
promover efeitos tóxicos e carcinogênicos no organismo. Devido a esta grande preocupação com a segurança alimentar da população, tem crescido a busca de produtos naturais que possam servir como fontes de antioxidantes, para substituir os antioxidantes
sintéticos (MARTINEZ-TOME et al., 2001; BERNARDO-GIL et al., 2002; RIBEIRO
et al., 2001). O urucum é considerado uma fonte natural rica em antioxidantes, como os
compostos fenólicos (ALMEIDA et al., 1996; COSTA et al., 2008), chegando a apresentar até 1498,48 mg/g destes compostos em sua composição (LEMOS, 2008).
O objetivo deste trabalho foi avaliar a eficácia da incorporação de diferentes
concentrações do urucum como aditivo antioxidante em filmes biodegradáveis à base de
quitosana. A ação antioxidante destas embalagens ativas foi realizada através do monitoramento das alterações químicas da embalagem e do produto embalado. Destaca-se
que nenhum outro estudo foi encontrado na literatura utilizando urucum incorporado
numa matriz polimérica de quitosana e agindo como uma embalagem ativa.
2.0 Material e Métodos
Os filmes biodegradáveis foram preparados por casting, que consistiu no preparo
de uma solução filmogênica, onde inicialmente, dissolveu-se em ácido acético glacial
1% (Vetec, Brasil), a quitosana (Sigma-Aldrich, Alemanha), o glicerol (Vetec, Brasil),
utilizado como agente plastificante e o aditivo natural antioxidante, o urucum (AM 200WS-P da CHR HANSEN). A solução foi mantida sob agitação constante por 24h para
total dissolução do polissacarídeo (ASSIS & SILVA, 2003). As formulações A (1,5%
de quitosana; 0,15% de glicerol e 0,25% de urucum), B (1,5% de quitosana; 0,15% de
glicerol; 0,5% de urucum) e C (1,5% de quitosana; 0,15% de glicerol; 1% de urucum)
foram usadas para embalar azeite de dendê, com intuito de investigar o comportamento
do aditivo antioxidante contido na embalagem durante armazenamento por 45 dias, em
oxidação acelerada (63% UR, 30°C). Como controle foi utilizado o azeite de dendê embalado em filme de quitosana e plastificante sem adição de antioxidante (C1), embalado
em PEBD (polietileno de baixa densidade) (C2) e sem embalagem, ou seja, exposto em
142
placa de Petri (C3). As embalagens foram confeccionadas como sacos retangulares possuindo dimensões 5x2 cm e em cada uma foi adicionada 8mL de azeite de dendê. As
embalagens foram seladas com uma seladora de bancada Sulpack, modelo SM 300 Light, de temperatura contínua.
A estabilidade oxidativa do azeite de dendê em resposta a ação antioxidante das
embalagens ativas foi monitorada por um período de 45 dias, através da determinação
do índice de peróxido (IP). O IP do azeite de dendê embalado e exposto foi determinado
pelo método titulométrico de acordo com a AOAC Cd 8b-90 (2000), enquanto que a
estabilidade dos antioxidantes nas embalagens ativas foi feita através do teor de Fenóis
Totais (FT) por espectrofotometria (SWAIN & HILLIS, 1959), sendo todas as análises
realizadas em triplicata.
Os resultados encontrados foram tratados pelo Teste de Tukey (ANOVA) através do programa Statistica 7.0 para identificar se as alterações nos parâmetros avaliados
foram significativas ao nível de 95% de significância
3.0 Resultados e Discussão
O efeito da incorporação de 0,25, 0,5 e 1,0% do aditivo antioxidante natural
nas embalagens A, B e C, respectivamente, durante o armazenamento de azeite de dendê por um período de 45 dias estão apresentados na Tabela 1. Os teores de polifenóis
totais (PT) da embalagem variaram de 30,72 a 67,70 mg/g para a formulação A, de
62,24 a 103,92 mg/g para a formulação B e de 89,41 a 199,91 mg/g para a formulação
C, indicando que ocorrem perdas significativas nestes compostos após 45 dias de armazenamento. Entretanto, vale salientar que, mesmo após o período avaliado, os compostos fenólicos do aditivo permanecem viáveis nos filmes (44,72 a 59,89% de redução).
O mesmo produto (azeite de dendê) foi embalado por SOUZA et al. (2011) em
filmes de amido de mandioca incorporados com aditivos naturais antioxidantes (polpa
de manga e acerola) em diferentes concentrações. Também foi verificado pelos autores
que após 45 dias de armazenamento, as formulações de filmes apresentaram perdas nos
PT, variando de 17,80 a 36,12%. MACHADO (2011) avaliou a ação antioxidante de
filmes de amido contendo nanocelulose como reforço e extrato de erva-mate como aditivo, ao embalar azeite de dendê. Foi relatado que houve uma diminuição no valor de
FT dos filmes de 102,70 para 60,72 mg/g, resultando numa redução de 59,12% após 40
dias de armazenamento.
143
Tabela 1. Teores de fenóis totais (mg/g) apresentados pelas embalagens durante 45 dias
de armazenamento.
Armazenamento (dias)
Formulações
0
7
15
30
45
A
67,70±1,45a
54,76±1,32a
48,78±1,09a
41,73±1,76a 30,72±1,23a
B
103,92±1,38b
94,71±1,43b
82,45±1,71b
73,65±1,78b 62,24±1,79b
C
199,91±1,27c 161,49±1,43c 121,09±1,71c 98,67±1,23c 89,41±1,21c
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças
significativas (p>0,05) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
A (1,5% de quitosana; 0,15% de glicerol e 0,25% de urucum); B (1,5% de quitosana;
0,15% de glicerol; 0,5% de urucum); e C (1,5% de quitosana; 0,15% de glicerol; 1% de
urucum);
O índice de peróxido (IP) do azeite de dendê embalado com as formulações A,
B e C contendo diferentes concentrações de aditivo natural (urucum), foi monitorado
aos 0, 7, 15, 30 e 45 dias. Foi observado um aumento gradual no teor inicial de IP do
azeite de dendê embalado nos três filmes ativos (A, B e C) e nos controles (C1, C2 e
C3) (Tabela 1 e Figura 1), ao longo do armazenamento.
O azeite de dendê embalado nos filmes ativos A, B e C apresentou menores valores de IP ao longo dos 45 dias de armazenamento, com diferenças significativas entre
as amostras (p>0,05) (Figura 1 e Tabela 2). O IP do azeite de dendê embalado no filme
A (0,25% de urucum) apresentou um aumento de 1,75 meq/Kg no dia zero, para 48,33
meq/Kg após 45 dias. ; enquanto o B (0,5% de urucum) passou de 1,75 meq/Kg para
37,95 meq/Kg; e o C, de 1,75 meq/Kg para 22,40 meq/Kg. Portanto, foi possível constatar um efeito protetor da embalagem sobre o produto embalado de forma proporcional a
quantidade de aditivo incorporado ao filme (y = -34,077x + 56,105, R² = 0,9943).
144
Figura 1. Comportamento do aumento do Índice de Peróxidos (meq/kg) do azeite de
dendê embalados nos filmes ativos de quitosana A (0,25% de urucum), B (0,5% de urucum) e C (1,0% de urucum) e nos controles C1 (filme de quitosana sem urucum), C2
(PEBD) e C3 (produto sem embalagem), após 45 dias de armazenamento.
O azeite de dendê embalado em todos os filmes ativos (A, B e C) apresentou
um menor aumento no IP (p<0,05) quando comparados aos apresentados pelo produto
embalado com os três controles, indicando a eficácia do urucum como aditivo
antioxidante. Os resultados encontrados neste trabalho também mostram que mesmo
sem o aditivo antioxidante, a embalagem de quitosana (C1) têm um efeito protetor
maior da oxidação do azeite (p<0,05) quando comparado à embalagem de PEBD (C2).
Portanto, o efeito antioxidante protetor dos filmes ativos advém da ação simultânea do
aditivo incorporado e da matriz polimérica. O efeito antioxidante da quitosana é
relatado também por ASSIS & SILVA, (2003); COSTA-JR, (2008); e ASSIS, (2010).
145
Tabela 2. Determinação dos teores de índice de peróxidos (meq/Kg) apresentados pelo
azeite de dendê nos dias 0, 7, 15, 30 e 45 e percentual de aumento durante armazenamento nas embalagens ativas e nos controles.
Armazenamento (dias)
Formulações
0
7
15
30
45
Aumento do
dia 0 ao 45 (%)
A
1,75±0,08a 9,87±0,23a
14,09±0,36a 34,01±0,80a
48,33±0,53a
2761,71a
B
1,75±0,05a 6,19±0,08b
9,28±0,11b
19,80±0,67b
37,95±0,87b
2168,57b
C
1,75±0,04a 3,25±0,07c
7,14±0,31c
12,05±0,78c
22,40±0,85c
1280,00c
C1
1,75±0,07a 13,96±0,37d 33,95±0,73d 46,93±0,89d
63,02±0,68d
3601,14d
C2
1,75±0,05a 24,93±0,79e 58,38±0,98e 82,91±0,97e
98,08±0,93e
5604,57e
C3
1,75±0,03a 32,58±0,59f 70,39±0,23f 107,49±1,25f 144,56±0,73f
8260,57f
Formulações A (1,5% de quitosana; 0,15% de glicerol e 0,25% de urucum), B (1,5% de
quitosana; 0,15% de glicerol; 0,5% de urucum) e C (1,5% de quitosana; 0,15% de glicerol; 1% de urucum); C1: 1,5% de quitosana e 0,15% de glicerol; C2: embalagem de
PEBD; C3: sem embalagem.
Valores que apresentam a mesma letra, numa mesma coluna, não apresentam diferenças
significativas (p>0,05) pelo Teste de Tukey a 95% de confiança.
Como esperado, dentre os controles avaliados, o azeite exposto (C3), ou seja,
sem nenhuma barreira de proteção, apresentou o maior aumento do IP ao longo de 45
dias. Os resultados obtidos neste estudo sobre a ação antioxidante de aditivos naturais
quando incorporados em filmes contendo uma matriz polimérica biodegradável, pode
ser confirmado através de outros trabalhos encontrados na literatura (GRISI et al., 2008;
JUNQUEIRA et al., 2009; SOUZA et al., 2011; MACHADO, 2011).
4.0 Conclusão
A partir dos resultados obtidos nesta pesquisa, é possível concluir que o desenvolvimento de embalagens ativas, utilizando o urucum como fonte de compostos antioxidantes incorporados a matriz de quitosana é bastante viável. Essa embalagem pode ser
146
aplicada para embalar alimentos lipídicos, como óleos e gorduras, para evitar a oxidação destes produtos. Vale ressaltar ainda que, a incorporação deste aditivo natural não
altera as propriedades mecânicas e de barreira das embalagens, permitindo assim o seu
desenvolvimento e comercialização como uma embalagem ativa antioxidante.
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149
Considerações Finais
A quitosana, o glicerol, o corante urucum e o azeite de dendê se estabelecem
como matérias-primas viáveis para a elaboração de filmes biodegradáveis e ativos. As
características evidenciadas como baixa atividade de água e umidade, baixa permeabilidade ao vapor d’águia , boas propriedades mecânicas , baixa solubilidade em água e e
alta biodegradabilidade indicam amplas possibilidades de aplicação como embalagens
de alimentos secos ou lipídicos. A incorporação de aditivos naturais não alterou negativamente as propriedades dos filmes, sejam elas mecânicas ou de barreira, tendo maior
influência sobre propriedades colorimétricas, devido a presença de pigmentos carotenoides nos aditivos urucum e azeite de dendê.
Analisando o filme e suas características, uma das maiores variações ocorreu na
espessura, decorrente do processo de elaboração, casting, e da dificuldade em dispersar
totalmente a quitosana. Verificou-se que a concentração de glicerol (plastificante) e de
quitosana foram os responsáveis por alterar as propriedades de atividade de água e permeabilidade ao vapor de água. As formulações que apresentaram à menor permeabilidade a água foram as que continham menor teor de glicerol, evidenciando assim que o
aumento do teor de plastificante causa um aumento na permeabilidade ao vapor de água
de filmes higroscópicos devido à reorganização da matriz filmogênica pela diminuição
da tensão entre as moléculas e consequente aumento de volume livre. Além disso, as
propriedades mecânicas dos filmes foram bastante influenciadas pela a interação destes
dois constituintes aumentando o módulo de Young com o aumento da concentração de
quitosana e diminuindo este parâmetro e a tensão máxima com o aumento do glicerol.
Foi verificada também que a biodegradação dos filmes em solo preparado foi alta, e que
a presença dos aditivos naturais não interferem na decomposição.
A avaliação da estabilidade oxidativa do azeite de dendê embalado pelos filmes
dequitosana plastificados com glicerol e incorporados de urucum indicam a viabilidade
da aplicação dos filmes como embalagens para alimentos lipídicos, sendo estes portanto embalagens biodegradáveis ativas, sem alteração significativa das propriedades físico-químicas e mecânicas dos filmes quando comparados aos que não continham o aditivo ativo.
De maneira geral, a pesquisa permitiu a elaboração, avaliação e caracterização
de filmes biodegradáveis à base de quitosana, glicerol e incorporados com urucum e
azeite de dendê. A incorporação desses aditivos nos filmes permitiu o desenvolvimento
150
de um novo material com propriedades mecânicas e de barreira melhoradas e também a
sua utilização como embalagens para alimentos lipídicos após a incorporação do urucum como aditivo natural antioxidante.
A continuação deste trabalho deverá abordar análises microbiológicas dos alimentos embalados por estes filmes, uma vez que a quitosana apresenta ação antimicrobiana relatada na literatura. Análises sensoriais dos filmes e dos produtos embalados por
estes são indicadas para avaliação da qualidade e de possível migração dos componentes da formulação (plastificantes e aditivos) para os alimentos embalados por eles. Além disso, seria interessante testar a sua produção com o uso de extrusora de duplarosca, outros plastificantes e possivelmente novos aditivos.
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ST
UMIDADE
Aw
ANEXO 1
PERMEABILIDADE
Ajnf,kfhirhrih
Figura 1. Superfícies de resposta para interação das variáveis independentes nos parâmetros
atividade de água Aw, Umidade, Sólidos totais e Permeabilidade ao vapor d’água.
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Módulo de Young (E)
Tensão
Figura 2. Superfícies de resposta para interação das variáveis independentes nos parâmetros
Módulo de Young e Tensão.
153
Deformação
Figura 3. Superfícies de resposta para interação das variáveis independentes no parâmetro
Deformação.
154
Análises estatísticas dos resultados obtidos para as 27 formulações de filmes de quitosana. Para validar a equação do modelo, foi analisada a ANOVA presente na Tabela
1. O Fcalc mostra um ajuste do modelo desde que Fcalc>Ftab indicando que o modelo é
valido. O gráfico de Pareto e o erro puro também foram utilizados para validar o modelo (p<0.01).
Tabela 1. ANOVA para o modelo quadrático das análises de espessura (E), colorimetria, sólidos totais (ST), umidade (U), atividade de agia (aw) e permeabilidade ao vapor
de água (TPVA).
Grau de
Liberdade
(DF)
Regressão
Soma
Quadrática
(SS)
0,006418
10
Média
Quadrática
(MS)
0,00045
Resíduo
0,000183
2
0,00001
Total (SS)
0,005858
26
Regressão
0,001325
10
0,00028
Resíduo
0,000124
2
0,0001
Total (SS)
0,005464
26
Regressão
240,3360
10
35,0400
Resíduo
10,1326
2
1,58412
Total (SS)
315,2258
26
Regressão
314,2577
10
35,0400
Resíduo
10,1326
2
1,58412
Total (SS)
325,4587
26
Regressão
0,008155
10
0,000679
Resíduo
0,001002
2
0,000029
Total (SS)
0,005441
26
Regressão
0,358459
10
0,04126
Resíduo
0,030152
2
0,05750
Total (SS)
0,401671
26
Coeficientes
de Variação
Espessura
Colorimetria
Sólidos Totais
Umidade
Atividade de
àgua
Permeabilidade
ao vapor de água
Fcalc
21,36
22,05
22,01
22,01
23,50
21,90
Ftab (7:9; 0,95) = 3,68
Fcalc>Ftab, teve efeito significativo
155
Tabela 2. ANOVA para o modelo quadrático das análises de Módulo de Young, Tensão e Deformação.
Grau de
Liberdade
(DF)
Regressão
Soma
Quadrática
(SS)
0,002585
10
Média
Quadrática
(MS)
0,00045
Resíduo
0,000147
2
0,00001
Total (SS)
0,00685
26
Regressão
0,000147
10
0,00028
Resíduo
0,000126
2
0,0001
Total (SS)
0,000547
26
Regressão
147,2214
10
35,0400
Resíduo
10,2585
2
1,58412
Total (SS)
315,1247
26
Coeficientes
de Variação
Módulo de
Young
Tensão
Deformação
Fcalc
20,93
21,06
22,13
Ftab (7:9; 0,95) = 3,68
Fcalc>Ftab, teve efeito significativo
Figura 4. Medição de espessura dos filmes através de micrômetro digital Mitutoyo.
156
Figura 5. Amostras preparadas para ensaios mecânicos (Formulação F13).
Figura 6. Máquina universal de ensaios da marca EMIC, modelo DL2000/700
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Figura 7. Unidade de secagem Mettler LTJ para avaliação da umidade.
Figura 8. Amostras acondicionadas em estufa durante análise da biodegradabilidade
dos filmes
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