JBCS

INTRODUÇAO

Os resíduos gerados pelo descarte de embalagens produzidas por fontes nao renováveis vêm crescendo a cada ano e constituem um grande problema do ponto de vista ambiental. Boa parte destes resíduos provém das embalagens usadas em produtos alimentícios, impulsionando pesquisas com foco no desenvolvimento de filmes comestíveis biodegradáveis obtidos através de biopolímeros.^1,2

Atualmente, o mercado global vem buscando oferecer produtos e alimentos mais naturais, com mais qualidade e segurança, por conta da demanda crescente dos consumidores, que estao cada vez mais exigentes e mais preocupados com a qualidade de vida, saúde e bem-estar. Para atender às necessidades do mercado, estao sendo desenvolvidas as chamadas "embalagens ativas", que sao aquelas que, além de servirem como barreira entre o meio externo e interno, exercem uma outra funçao na preservaçao do alimento.³

Filmes comestíveis podem ser uma alternativa para estender a vida de prateleira dos alimentos, servindo como barreira à passagem de gases e podendo também carrear substâncias capazes de retardar a contaminaçao por micro-organismos.^4,5

Os biopolímeros mais utilizados na formaçao dos filmes comestíveis sao as proteínas, os polissacarídeos e os lipídeos. Dentre as proteínas, merecem destaque a gelatina, caseína, ovoalbumina, glúten de trigo, zeína e proteínas miofibrilares. Os polissacarídeos que se destacam sao o amido, a quitosana, a pectina e a celulose. Já os lipídios, pode-se destacar o uso dos monoglicerídeos acetilados, ácido esteárico, ceras e ésteres de ácido graxo.⁶

Além do componente principal para a formaçao da matriz polimérica, as soluçoes filmogênicas sao constituídas de solvente (água, etanol, soluçao de ácido acético, etc.) e podem ser incorporados diversos aditivos, tais como: plastificantes, agentes reticulantes, agentes antimicrobianos, agentes reguladores de pH, etc.⁷

Entretanto, embalagens à base de polímeros naturais apresentam algumas propriedades físico-químicas desfavoráveis, por exemplo, baixas propriedades de barreira e baixa resistência mecânica quando comparadas às embalagens tradicionais, dificultando, assim, a sua utilizaçao.⁸ Por este motivo, pesquisadores têm buscado a inserçao de materiais nanoestruturados às matrizes biopoliméricas no intuito de melhorar suas propriedades. Uma das formas reportadas na literatura inclui a adiçao de nanopartículas (NPs) de quitosana (QS) às matrizes formadoras dos filmes.⁹

Moura et al.¹⁰ verificaram que o uso de NPs de QS, obtidas pelo método de gelatinizaçao ionotrópica, melhoram as propriedades térmicas e mecânicas e diminuem a permeabilidade ao vapor de água (WVP) de filmes de hidroxipropilmetilcelulose (HPMC) quando comparados àqueles obtidos apenas com HPMC. Hosseini et al.¹¹ também relataram aumento do módulo elástico e da deformaçao até o ponto de ruptura de filmes contendo gelatina de peixe e NPs de QS.

O presente trabalho propoe a síntese de nanopartículas de quitosana para serem incorporadas aos filmes contendo pectina e polpa de cacau. A adiçao das nanoestruturas tem como objetivo melhorar as propriedades mecânicas e a permeabilidade ao vapor de água dos filmes. O cacau (Theobroma cacao L.) possui alto valor nutricional, principalmente devido à presença de flavonoides em sua composiçao, possuindo atividade antioxidante, anti-inflamatória, antimicrobiana e anticarcinogênica, o que motivou a escolha deste fruto para compor a matriz polimérica.^12,13

Trabalhos têm relatado o uso de polpas de frutas como principais componentes no preparo de soluçoes poliméricas para a formaçao de filmes comestíveis com o intuito de adicionar propriedades nutricionais, flavorizantes e conservantes.¹⁴ Martelli et al.¹⁵ relataram melhora nas propriedades mecânicas e de permeabilidade ao vapor de água em filmes contendo purê de banana. Lorevice et al.¹⁶ desenvolveram filmes comestíveis nanoestruturados com purê de goiaba, relatando melhora nas propriedades mecânicas e térmicas. Azeredo et al.¹⁷ adicionaram purê de manga à matriz polimérica, nao só devido ao seu alto teor de polissacarídeo, mas também por agregar características desejáveis ao filme, como cor e sabor.

PARTE EXPERIMENTAL

Material

Polpa de cacau obtida da DE MARCHI. Pectina (Grau de metoxilaçao > 50%) obtida da CP Kelco (Limeira, Brasil). Quitosana (Grau de desacetilaçao = 94%) comercializada pela Polymar Ciência e Nutriçao S/A (Fortaleza, Brasil). Tripolifosfato de sódio (TPP) e ácido acético obtidos da Sigma-Aldrich Chemical Co. (St. Louis, MO).

Síntese das nanopartículas

As nanopartículas de quitosana foram sintetizadas pelo método de gelatinizaçao ionotrópica, descrito primeiramente por Calvo et al.¹³ Inicialmente solubilizou-se a quitosana em uma soluçao de ácido acético a fim de se obter uma concentraçao de 3% (m/v). Posteriormente, a esta soluçao foi adicionada uma soluçao contendo 0,6% (m/v) de tripolifosfato de sódio (TPP), mediante agitaçao contínua e taxa de adiçao controlada (1 mL/min). A zona de suspensao opalescente que surgiu após a adiçao do TPP foi atribuída à formaçao das nanoestruturas.

Tamanho médio e potencial zeta das nanopartículas

A carga superficial e o tamanho médio das nanopartículas foram determinados no aparelho Zetasizer Nano Series (Malvern Instruments Ltd. Malvern, Worcestershire, UK), utilizando o princípio da difraçao do raio laser. As medidas para cada amostra foram realizadas em triplicata, a 25 ºC.

Preparo dos filmes comestíveis

Os filmes foram produzidos por "casting", através do preparo de uma soluçao coloidal contendo 50 g de água, 48 g de polpa de cacau integral industrializada com cerca de 10 g de sólidos e 2 g ou 3 g de pectina (filmes sem nanoestruturas) e outra contendo 50 g de soluçao de NPs de QS, 48 g de polpa de cacau e 2 g ou 3 g de pectina (filmes nanoestruturados). Em seguida, 50 g de cada soluçao filmogênica foi espalhada em suporte retangular de aproximadamente 15 cm x 20 cm com auxílio de uma barra de nível para controle da espessura e secadas à temperatura ambiente (27 ºC a 30 ºC) por 48 h.

Determinaçao da espessura

As medidas das espessuras dos filmes foram realizadas utilizando um micrômetro digital (No. 7326, Mitutoyo Manufacturing, Japan) em 5 diferentes pontos ao redor do filme. Os valores obtidos foram utilizados para calcular a permeabilidade de vapor de água e propriedades mecânicas.

Permeabilidade ao vapor de água

Para determinaçao da permeabilidade ao vapor de água (WVP) dos filmes utilizou-se o método modificado ASTM E96-80,¹⁸ descrito na literatura por McHugh et al.¹⁹

As amostras foram cortadas em formato circular com diâmetro de 15,5 cm e fixadas em células padronizadas de Teflon^® contendo 6 mL de água destilada. Em seguida, foram armazenadas em estufa a 25 °C contendo sílica gel para controle de umidade e temperatura. A quantidade de água transferida pelos filmes foi determinada através de pesagens periódicas das células (pesagem inicial, após 1 h, 2 h, 23 h, 24 h e 25 h). Os valores das massas das células foram utilizados para calcular a umidade relativa (RH), velocidade de transmissao ao vapor de água (WVTR) e WVP. As análises foram feitas em triplicata.

Propriedades mecânicas

O teste mais utilizado para a determinaçao da resistência mecânica de filmes é o teste de tensao x deformaçao sob traçao. As propriedades mecânicas dos filmes foram determinadas pelos testes de traçao. Os filmes foram acondicionados em ambiente com 30% de umidade relativa a 24 ºC por 24 h antes dos testes. Os filmes foram cortados em forma retangular nas dimensoes de acordo com o método ASTM D882-97²⁰ (15 mm de largura e 100 mm de comprimento). O equipamento utilizado para a análise foi um Instron Universal Testing Machine (Modelo 3369, Instron Corp., Canton, Mass., U.S.A.). A velocidade de tracionamento utilizada foi de 50 mm / min. Para cada tipo de filme foram realizados pelo menos 5 ensaios.

A deformaçao (ε) dos filmes foi determinada pela equaçao abaixo:

em que L e L₀ sao os comprimentos de elongaçao do filme durante o experimento e o comprimento inicial do filme, respectivamente.

A tensao (σ) foi determinada medindo-se a força necessária para romper o filme. Os valores de σ foram obtidos utilizando a seguinte equaçao:

F é o valor da força de ruptura exercida e S é a área seccional do filme.

O módulo de elasticidade (E) foi calculado a partir da inclinaçao inicial da curva obtida tensao-deformaçao (σ vs ε).

Microscopia eletrônica de varredura

Os filmes foram analisados utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV), da marca Zeiss, modelo EVO LS15, da UNESP campus de Ilha Solteira, operando com voltagem de 5,00 kV a 10,00 kV. Sobre as amostras foi depositada uma fina camada de ouro usando um Sputter Coater.

Análise estatística

Os dados foram analisados usando o software estatístico Minitab 14.12.0 por análise de variância do tipo one-way (ANOVA) através de teste de comparaçao de Tukey com nível de confiança de 95%.

RESULTADOS E DISCUSSAO

A soluçao de NPs apresentou-se opalescente após a síntese, o que é um indício da formaçao das mesmas. Apresentaram tamanho médio em torno de 110 ± 4 nm. O tamanho das NPs está relacionado às concentraçoes de quitosana e TPP, como já descrito por Calvo em 1997.¹³

As soluçoes apresentaram potencial zeta de aproximadamente + 30 mV. A estabilidade de uma soluçao coloidal de NPs de QS pode ser determinada através dos valores de potencial zeta. Segundo Lorevice et al.,²¹ o potencial zeta depende do tamanho de partícula, pois quanto maior o tamanho da partícula, maior será a concentraçao de íons NH₃ ⁺. O valor de potencial zeta obtido é favorável para formaçao de suspensoes de partículas estáveis, uma vez que sao superiores, em módulo, a + 20 mV.^21,10

Os filmes foram analisados subjetivamente levando em consideraçao três aspectos: continuidade (ausência de rupturas e fraturas depois de secos), homogeneidade (ausência de partículas insolúveis a olho nu, áreas com textura ou cores diferentes) e manuseabilidade (capacidade de manipulaçao dos filmes e retirada dos moldes de secagem sem que houvesse rupturas). Os filmes contendo apenas polpa de fruta nao apresentaram as características mencionadas acima, sendo necessária a adiçao de pectina para a formaçao dos mesmos. Os demais se formaram satisfatoriamente e a presença ou nao de NPs, bem como a variaçao da concentraçao do polímero, também nao influenciaram tais propriedades.

Os filmes contendo polpa de cacau apresentaram características sensoriais desejáveis, como cor e odor característicos da polpa utilizada e mesmo depois de certo tempo de estocagem (em torno de 6 meses), estas propriedades se mantiveram. A Figura 1 se refere ao filme contendo polpa de cacau e nanopartículas de quitosana.

Figura 1. Fotografia digital do filme bionanocompósito contendo pectina, polpa e nanopartículas

A espessura média dos filmes foi maior para aqueles contendo maior concentraçao do polímero e para os que continham polpa de cacau, conforme a Tabela 1. A espessura pode ser influenciada pela quantidade e tipo de componentes da matriz polimérica, técnica de preparo, tipo de solvente utilizado, dentre outros fatores.

A adiçao de nanoestruturas teve como objetivo melhorar as propriedades físico-químicas. De acordo com a Tabela 1, pode-se observar que com a adiçao de polpa de cacau e com o aumento da concentraçao de pectina houve um acréscimo nos valores das espessuras dos filmes. A adiçao de NPs causou uma diminuiçao na espessura dos filmes devido às interaçoes entre as cadeias poliméricas e as nanoestruturas, o que favorece uma maior compactaçao da matriz. A adiçao de polpa influenciou significativamente para o aumento da espessura causado pelo teor de sólidos presente na polpa. Além disso, com o aumento da concentraçao de pectina ocorre uma diminuiçao da permeabilidade, sendo os menores valores para os filmes contendo apenas o polímero. Com a adiçao da polpa estes valores aumentam. De acordo com Lorevice et al.,²¹ existe uma diferença entre as quantidades de moléculas entre os filmes e que parte da água fica retida na matriz atuando como um plastificante, sendo atribuído este aumento de permeabilidade à diferença entre a quantidade de moléculas que se difundem no material e aquelas que se desprendem do mesmo.

Quando se adicionam as NPs ocorre uma diminuiçao da permeabilidade ao vapor de água dos filmes quando comparados àquele contendo apenas pectina e polpa de cacau. Isto se deve ao fato de que as nanoestruturas preenchem os poros das matrizes. Em 2010, segundo Chang et al.,²² a adiçao de NPs de QS dificulta a passagem de moléculas de água pela matriz do filme por preencher os espaços das cadeias poliméricas.

Moura et al.¹⁰ constataram diminuiçao nos valores de WVP de filmes de HPMC nanoestrutrados devido às ligaçoes de hidrogênio existentes entre as nanopartículas e o polímero. Dados semelhantes foram encontrados por Lorevice et al.¹⁶ em um estudo das propriedades de filmes de polpa de goiaba e NPs de QS sintetizadas por polimerizaçao em molde de ácido metacrílico. Lorevice et al.²¹ também verificaram que filmes de HPMC e polpa de mamao apresentaram decréscimo nos valores de WVP na presença de NPs de QS.

De acordo com os resultados descritos nas Figuras 2 e 3, foi possível observar que com o aumento da concentraçao do polímero e adiçao de NPs de QS, houve um acréscimo nos valores de tensao (σ) e um decréscimo na % de elongaçao dos filmes. As NPs interagem com a matriz diminuindo o escoamento entre as cadeias, dificultando o rompimento do filme. De acordo com Martelli et al.,¹⁵ os açúcares presentes na polpa atuam como plastificante, entretanto, com a adiçao de NPs esse efeito plastificante diminui. Os plastificantes reduzem as forças intermoleculares entre as cadeias poliméricas, melhorando a flexibilidade, força e resistência dos filmes.²³ Uma diminuiçao na elongaçao também foi observada por Gómez-Estaca et al.²⁴ em filmes de gelatina de peixe e quitosana. As nanoestruturas diminuem o volume livre entre as cadeias do polímero, aumentando as forças intermoleculares ma matriz.¹¹

Figura 2. Diferentes valores de tensao máxima de ruptura dos filmes

Figura 3. Diferentes valores de elongaçao dos filmes

De acordo com Moura et al.,¹⁰ a incorporaçao de nanoestruturas nos filmes pode aumentar a resistência mecânica devido à substituiçao parcial do polímero por nanoestruturas na matriz do nanocompósito. Outro motivo pode ser a ocupaçao de parte dos espaços vazios entre as cadeias do polímero pelas nanoestruturas, o que causa um aumento na resistência decorrente de uma maior compactaçao da matriz.

Ainda na Figura 3 podemos observar que ocorre uma melhoria na elongaçao dos filmes com polpa de fruta. Mesmo com a adiçao de nanopartículas esses filmes ainda permanecem com uma elongaçao maior que os filmes contendo apenas pectina. Essa característica é interessante uma vez que as utilizaçoes de filmes com maior tenacidade na área de embalagens sao muito requisitadas. Apesar de essa tenacidade diminuir com a adiçao de nanopartículas, ela ainda está melhor que a dos filmes contendo somente pectina. Esse resultado é bastante inovador nessa área, uma vez que nao sao encontrados ainda na literatura relatos do comportamento de filmes de polpa de cacau melhorados com nanopartículas de quitosana que apresentem tenacidade satisfatória.

Nas Figuras 4 e 5 é possível observar através das análises de MEV os efeitos da adiçao de polpa de cacau na microestrutura dos filmes. O filme contendo polpa apresenta-se mais heterogêneo devido à presença dos açúcares na polpa. Em um trabalho com filmes de pectina e polpa de açaí, resultados semelhantes foram relatados. Os filmes contendo somente pectina apresentaram uma superfície mais homogênea quando comparados aos filmes que continham açaí.¹⁴

Figura 4. Micrografia obtida por MEV da superfície do filme de pectina. A micrografia possui magnitude de 1000 X

Figura 5. Micrografia obtida por MEV da superfície do filme de pectina e polpa de cacau. A micrografia possui magnitude de 1000 X

Nas Figuras 6 e 7 sao apresentadas as imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) da fratura dos filmes sem nanoestruturas e filmes nanoestrutrados, respectivamente. As nanopartículas passam a ocupar os poros dos filmes aumentando sua compactaçao, funcionando como um mecanismo de reforço. Lorevice et al.²¹ também relataram diminuiçao na quantidade de poros em filmes de HPMC e polpa de mamao quando a estes foram adicionadas nanopartículas de quitosana. Além disso, pode-se observar que a adiçao das NPs causou uma modificaçao na microestrutura do filme, tornando a matriz mais heterogênea. Resultados semelhantes foram reportados por Hosseini et al.¹¹ e Huq et al.²⁵ em matrizes de alginato e celulose microcristalina.

Figura 6. Micrografia de fratura obtida por MEV do filme de pectina e polpa de cacau. A micrografia possui magnitude de 1000 X

Figura 7. Micrografia de fratura obtida por MEV do filme de polpa de cacau e pectina contendo nanopartículas. A micrografia possui magnitude de 1000 X

Se observarmos a Figura 7 podemos notar as nanopartículas espalhadas na matriz do filme. Como foi dito anteriormente, essas partículas funcionam como agentes de reforço, além de diminuírem a interaçao da matriz com a água, tornando o filme mais hidrofóbico. Essa característica é de primordial importância nessa área, pois com a adiçao de polpa de fruta, filmes comestíveis se tornam muito hidrofílicos, prejudicando algumas aplicaçoes. Essa dispersao uniforme de nanopartículas que visualizamos na matriz a torna mais hidrofóbica, ampliando a área de aplicaçao dessas. Resultados desse tipo sao de grande importância quando se pensa na aplicaçao que será dada ao material, pois nao precisamos descartar uma aplicaçao da embalagem contendo polpa de cacau pelo simples fato dela possuir baixa barreira a vapores de água. Podemos aproveitar todos os benefícios que uma embalagem desse tipo oferece, como propriedades nutritivas, antioxidantes, além de sabor e aroma agradáveis.

CONCLUSOES

As nanopartículas foram sintetizadas com sucesso, resultando em partículas em escala nanométrica. Foram obtidos filmes bionanocompósitos com propriedades satisfatórias. O presente estudo sugere que os filmes bioativos nanoestruturados oferecem grande potencial para serem aplicados como embalagens de alimentos. Foram observadas diminuiçao da permeabilidade ao vapor de água nos filmes contendo nanopartículas de quitosana, conforme esperado. A adiçao de polpa de cacau nas matrizes poliméricas, além de acrescentar propriedades sensoriais nos filmes, melhorou a elasticidade destes. De acordo com resultados obtidos pelas análises de microscopia eletrônica de varredura, foi possível observar que as nanopartículas encontraram-se dispersas de forma homogênea na matriz polimérica e que esta tornou-se mais compacta e resistente, como mostraram também os ensaios mecânicos. Sendo assim, a nanotecnologia pode servir de grande auxílio para melhorar as propriedades dos filmes, contribuindo para o desenvolvimento de novos materiais.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à UNESP, EMBRAPA, CAPES, FAPESP e ao CNPq.

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