O interesse do mercado global em bioplásticos é crescente e extremamente otimista, e deverá continuar nos próximos anos ^(1-4). Apesar de ainda ter custos de produção maiores que os dos polímeros convencionais, estes materiais têm sido objeto de extensas pesquisas ^(2-10). Neste contexto, o uso de subprodutos obtidos na indústria de alimentos tem se tornado um importante ponto de partida devido à possibilidade de aproveitamento econômico e à importância da remoção de resíduos^(5,7,11). Materiais como proteínas (colágeno, glúten e zeínas), polissacarídeos (alginato, amido, quitosana e celulose) e gomas (de origem vegetal ou microbiológica) são encontrados em subprodutos alimentícios, e têm sido historicamente as matérias-primas mais avaliadas para o processamento de plásticos biodegradáveis⁽¹⁾.

A pectina (PEC), destaque neste estudo, é um polissacarídeo coloidal natural encontrado na parede celular de diversos vegetais. É hidrossolúvel, com função aglutinante, e abundante nas paredes primárias de frutos, especificamente em frutas cítricas (laranja, maracujá, maçã e outras). É denominada ácido poligalacturônico, podendo estar parcialmente esterificada com grupos metoxila. É muito usada no preparo de geleias e alimentos similares. Esse material tem se mostrado uma alternativa para a fabricação de bioplásticos ⁽¹⁾. Diferentemente de alternativas renováveis, como amido de milho ou mandioca, polímeros facilmente encontrados em grãos, e que futuramente podem estar envolvidos em uma competitividade quanto ao uso para consumo alimentício e produção de bioplásticos, a pectina pode ser obtida a partir do albedo da laranja, um subproduto descartado da produção brasileira de suco de laranja. O Brasil é responsável Baseado nisso, esse projeto de pesquisa engloba a preocupação acadêmica de gerar estudos e propostas viáveis embasados nas esferas academia-comunidadeindústria, de forma que contribuam para a confecção de produtos finais cujo uso contribua para uma futura diminuição do uso de plásticos convencionais. Além disso, há a preocupação de conscientizar a comunidade sobre a responsabilidade social e ambiental no que tange ao uso indiscriminado de plásticos e materiais não renováveis (principalmente em locais distantes dos grandes centros, como a baixada fluminense, onde se encontra a instituição de pesquisas). A pesquisa foi dividida em três grandes pontos: a) produção simplificada e caracterização de uma biomassa rica em pectina (BMP); b) produção de filmes que possam ser usados como películas ativas; e c) avaliação da biodegradação dos materiais obtidos.

 

Métodos e materiais

Foram feitos dois estudos principais: estudo 1 – produção e caracterização de biomassa (etapa A) e produção de filmes (etapa B); e studo 2 – avaliação da biodegradação dos filmes produzidos.

 

Estudo 1 – etapa A

Foi desenvolvido nesta etapa um método alternativo e simplificado de produção da biomassa a partir do albedo da laranja pera (Citrus sinensis), subproduto fornecedor da PEC. Foi produzida uma biomassa rica em PEC que foi incorporada ao albedo reutilizado, nomeada de “BMP”, a qual foi liofilizada, sendo obtido um pó amarelo que é processado em um moinho de impactos, para padronizar o tamanho das partículas. Visou-se um processo com economia de etapas, menos gastos, e de forma sustentável, sem adição de ácidos fortes e grandes quantidades de solventes (como álcool).

A laranja pera (Citrus sinensis) faz parte dos Citrus, conhecidos por conter metabólitos secundários, incluindo uma variedade de antioxidantes fitoquímicos como ácido ascórbico, compostos fenólicos, flavonoides e limonoides. Foi feita a quantificação dos compostos fenólicos presentes na biomassa após a sua produção, por análises espectrofotométricas. A capacidade antioxidante das biomassas foi feita em solução de etanol usando reagente de Folin Ciocalteu por um método mencionado na literatura⁽¹³⁾ adaptado. As amostras foram preparadas e medidas separadamente em duplicatas. A quantificação visou garantir que o processo não levasse à perda das propriedades antioxidantes de interesse. Para isso, foram consideradas três diferentes abordagens de biomassa produzida (tabela 1). Para comparação, também foram feitas análises no albedo triturado e liofilizado, denominado MP.

 

 

Estudo 1 – etapa B

A formação de biofilmes foi feita pelo método casting a partir da BMP (inicialmente, usou-se somente BMPA) em diferentes proporções em misturas aquosas (o que variou de 3, 6, 9 a 12% de BMP), com a presença do plastificante glicerina, testando a presença ou não de aditivos, sob temperatura e tempo de mistura controlados, 70°C, com posterior secagem por tempo determinado. Entre os testes realizado nos filmes preparados, destacase o de solubilidade em água, resistência térmica e o de resistência física (força e deformação específica), sendo este último feito com o uso da máquina universal de testes (equipamento dinamômetro, modelo Emic DL2000). Conforme a norma ASTM D882-10, sob condições controladas de teste e uso de corpos de prova (com padrão nas dimensões), avalia-se parâmetros como rigidez e tenacidade, o módulo de elasticidade e a energia necessária para a ruptura da amostra. Para isso, foram preparados corpos de prova, em triplicata, de 9 cm de altura por 2 cm de largura, que foram marcados com numeração de 1 a 3, e uma reta a partir de 2 cm em cima e em baixo (espaço suficiente para serem posicionadas as garras de fixação do equipamento de testes, resultando em 5 cm de altura total).

 

Estudo 2

O estudo de avaliação da biodegradação foi preliminar e qualitativo. Foram usados copos descartáveis de 12 cm, preenchendo ¾ da sua capacidade com terra, conforme estudos anteriores⁽¹⁴⁾. Foram enterrados, em duplicatas previamente pesadas, pequenos corpos de prova dos protótipos produzidos e de bioplásticos disponíveis no mercado, por um prazo de 60 dias, monitorados a cada três dias. A análise da degradação consistiu em verter em peneiras o conteúdo dos copos, onde a terra foi retirada e os materiais avaliados visualmente. Inicialmente, foi feita a avaliação apenas qualitativa, com registro fotográfico. Futuramente, a validação do potencial biodegradável será feita de forma quantitativa, pela pesagem dos materiais testados. Pretende-se ainda realizar a caracterização dos materiais por MEV (microscópio eletrônico de varredura), bem como uma análise comparativa dos biomateriais antes e depois de serem enterrados.

 

Resultados

 

Estudo 1 – etapa A

Com a biomassa obtida pelo método simplificado, concretizase um processo de aproveitamento econômico, viável e altamente versátil, aplicável a uma série de formulações para produção de biofilmes. Obteve-se aproximadamente 34 g de matériaprima seca (18%) de 185 g de albedo utilizado, referente a seis laranjas. O pó amarelado rico em pectina obtido (figura 1d) é estável por um período maior (mais de seis meses, sob resfriamento de 0-4o C, ou mais de um ano em dessecador) do que a PEC pura isolada (que comumente se dá em torno de dois ou três meses, sob resfriamento de 0 - 4^o C).

 

Fig. 1 – Resultado das etapas de produção da biomassa precursora (BMP): a) caldo de albedo, b) congelado, c) liofilizado, d) pó triturado final

 

Sobre a quantificação dos compostos fenólicos, os extratos foram preparados e foi feita a análise espectrofotométrica. Na tabela 2 são mostradas as concentrações das duplicatas de cada biomassa preparada em comparação com a do albedo puro, além dos erros estimados. Conforme a análise estatística descritiva aplicada à ciência e tecnologia de alimentos, o erro do coeficiente de variação aceitável deve estar abaixo de 10%. Portanto, os resultados apontam para análises coerentes e satisfatórias.

Os resultados mostram que o procedimento simplificado de preparo da biomassa precursora não acarreta em perdas significativas na concentração de fenólicos livres. Nota-se que a BMPB tem sua quantidade preservada, e no caso da BMPC é possível observar um aumento (devido à presença da casca), comparando-se com o albedo triturado (MP). Já para a BMPA, houve uma pequena perda da concentração de fenólicos em comparação com MP, mas, ainda assim, é significativamente superior aos valores mencionados na literatura para o albedo da laranja lima⁽¹⁵⁾, a casca de alguns cítricos como o limão⁽¹⁶⁾, a toranja e a polpa do caju⁽¹⁷⁾, além de uma concentração equivalente à da casca da laranja pera⁽¹⁾. Esses resultados são interessantes se for considerada uma futura aplicação envolvendo películas ativas, além do interesse na identificação destes fenólicos, via HPLC.

 

 

Estudo 1 – etapa B

Sobre a produção de biofilmes, foram obtidos desde o início do trabalho em torno de 150 protótipos finais (entre filmes e algumas peças moldadas, figura 2), em que 66,7% dos 138 corpos de provas testados foram aprovados nos critérios de aspectos físicos, resistência, deformidade e menor porcentagem de matéria-prima usada. Algumas peças também foram moldadas para investigar a probabilidade de a biomassa formar estruturas firmes, tendo êxito na moldagem preliminar. Todos os filmes aprovados apresentaram uma boa estabilidade (mais de um ano) e boa resistência térmica, não apresentando fusão em nenhuma das temperaturas testadas (30o C a 180o C).

 

Fig. 2 – Exemplos de filmes e peças moldadas produzidas a partir deste estudo

 

A solubilidade em água dos biomateriais produzidos (em pH neutro) foi caracterizada como parcial a total, dependendo do tempo de exposição ao líquido. Foi avaliado o contato imediato com a água em até seis horas de exposição. Isso leva à consideração do uso dos protótipos em aplicações que não sejam líquidas ou que não tenham contato direto com líquidos. Sobre a durabilidade dos produtos, foi percebido que o tempo de exposição deles ao ambiente não lhes confere mudanças negativas em sua aparência física e odor.

Já para o estudo de resistência física, foram obtidos resultados de força (3,32 a 11,61 MPa) e de deformação específica (11,66 a 19,69%), que foram satisfatórios e próximos aos valores de resistência de um bioplástico comercial (PB: 14,00 MPa), e melhor do que um plástico comercial em termos de deformação menor (PP: 23%).

O gráfico da figura 3 mostra os resultados de tração (força máxima (N) e deformação específica (%)) para os biofilmes iniciais (sem aditivos), em que foi usada porcentagem de BMP de 2, 6, 8, 10 e 20%, e variou-se a porcentagem de glicerol de 1, 2 e 10%. Nota-se que o percentual de glicerol usado na composição do produto final mostra um resultado de maior deformação específica (27 a 35%) com pouca força aplicada (3 a 14 N) nas formulações com maior porcentagem de GL (veja os resultados em GL10). Já as com menor porcentagem de GL (GL<1 e GL2), mostram menores deformações específicas (15 a 23%) e maior resistência (força variando de 0,5 a 33 N). Nota-se ainda que nos filmes com menor percentual de glicerol (<1% e 2%) a maior porcentagem de BP torna mais resistente o material, com deformações semelhantes, como pode ser observado em BP9% (GL<1), BP10% e BP20% (GL2) (com força máxima de 18, 20 e 33 N, respectivamente, e deformações de 22%, 21% e 15%, respectivamente).

Fig. 3 – Resultados de força máxima (N) e deformação específica (%) obtidos para os biofilmes iniciais (sem aditivos)

Esses resultados apontam para a padronização do uso de glicerol em 1%, e para o uso de diferentes aditivos visando melhorar ainda mais a resistência dos biofilmes. Foi usado 1% de gelatina, 0,5% de estearato de magnésio (EM) e 1% de goma guar (GG). O uso desses aditivos é baseado em estudos anteriores^{(1, 18)}, que demonstram o uso desses materiais como aditivos em formulações de biofilmes, conduzindo a melhores resultados de estrutura e força dos protótipos finais.

As novas formulações, com 1% de glicerina, levaram a biofilmes mais reprodutíveis e com resultados físicos interessantes. Notase no gráfico da figura 4 que a adoção de menor porcentagem de glicerol, usado na composição do produto final (1%), levou a resultados semelhantes no que tange às deformações específicas, mesmo com diferentes porcentagens de biomassa precursora (BP) e diferentes aditivos, que são consideradas deformações pequenas (variação de 11 a 19%) em comparação com os resultados anteriores dos biofilmes iniciais (gráfico da figura 3), que variaram de 15 a 35%. Percebe-se ainda que os novos biofilmes se deformaram menos do que filmes comerciais, como o de polipropileno (PP) (23% de deformação específica), mas ainda superior em comparação aos plásticos biodegradáveis comerciais, como PB (5%).

Fig. 4 – Resultados de força máxima (N) e deformação específica (%) obtidos para os biofilmes novos (com aditivos)

Quanto à força, notou-se uma resistência muito maior nos biofilmes atuais (22 a 182 N) (figura 4) em comparação com os biofilmes iniciais preparados (0,5 a 33 N) (figura 3). Nota-se uma resistência maior nos protótipos com maior percentual de BP (como em BP12 (12% de BP), com 163 N, em comparação com BP3 (3% de BP), com 22 N). Os com 6% e 9% de BP também apresentaram resistência interessante. Sobre o uso dos aditivos, a adição de gelatina e EM resultou em menor resistência dos filmes finais (com 96 N e 76 N, para as formulações de 12% de BP com EM (BP12%-Classe EM) e gelatina (BP12%-Classe Gel), respectivamente) em comparação com a formulação sem aditivo (12% de BP (BP12) com 163 N).

A formulação goma + EM apresentou um resultado de resistência bastante alto (182 N, para BP12%-Classe EM+GG), tendo destaque para esses aditivos em conjunto em comparação com todos os biofilmes avaliados. Em comparação com as amostras comerciais, a resistência dos biofilmes novos, dessa pesquisa, se aproximou mais da do plástico biodegradável (PB) (mas ainda se manteve ligeiramente menor), enquanto se manteve ainda menor do que a do PP. Mas esses resultados são vistos como bons a promissores, quando podem ser pensados em aplicações que requeiram uma resistência média (como um PB) e com deformação baixa (melhor que um PP), como em embalagens, filmes, películas protetoras e afins.

A partir disso, e pensando em uma aplicação real (para fins de mercado), é importante considerar que para a produção em larga escala é desejável a obtenção de um material resistente, que seja produzido com a menor quantidade de matéria-prima possível e menos aditivos (o que diminui o custo), reprodutível e com propriedades finais ajustadas para se ter uma alta estabilidade por mais tempo. Isso foi obtido com êxito nesta pesquisa, considerando os protótipos desenvolvidos com quantidade pequena de plastificante (1% de glicerol) e variação quanto à quantidade de biomassa utilizada (3% a 12%), que mesmo nas maiores proporções, ainda assim, correspondem a pequenas quantidades para o uso de uma formulação final comercial. Neste sentido, obtém-se destaque para os resultados obtidos na reprodução das formulações usando biomassa precursora pura e do incremento de goma+EM (figura 4). Além disso, os resultados de tração mostraram-se reprodutíveis, com índices maiores do que os de biofilmes produzidos com aditivos isolados, como estearato de magnésio, gelatina e goma guar, respectivamente.

 

Estudo 2

Em um estudo preliminar realizado dentro da pesquisa, avaliouse a biodegradação de alguns biofilmes produzidos, que foram comparados a bioplásticos comerciais. Sabe-se que o material biodegradável deve ser degradado completamente em solo, em condições específicas, em um prazo de até 180 dias⁽¹⁹⁾. Então, foram enterrados os corpos de prova dos filmes preparados previamente selecionados, nas porcentagens: 2, 6, 8, 9, 10 e 20% de BMP. Ao todo, as amostras ficaram enterradas por 60 dias, sendo observado que os biomateriais produzidos degradaramse em um curto período (menor que 15 dias) sob condições de decomposição doméstica, enquanto todos os outros avaliados não degradaram neste período.

Os corpos de prova observados após sete dias de enterramento já estavam quase desintegrados por completo. Após quinze dias, já não se obteve amostras visíveis e inteiras para serem fotografadas. Isso já demonstra uma vantagem grande para os biomateriais produzidos em comparação com os comerciais, porém, ainda demanda mais estudos (qualitativos e quantitativos, que são perspectivas deste trabalho).

 

Conclusão

Os resultados desse trabalho apontam para a importância da pesquisa aplicada e o quanto é necessário promover a educação ambiental, a produção baseada em reaproveitamento de forma sustentável e pensar em soluções promissoras, porém, buscando a conscientização de ações conjuntas entre academia, indústria e consumidores. Ainda há muitos pontos e perspectivas para a continuação do trabalho, mas, especificamente no que norteia a temática dos bioplásticos, o presente projeto demonstra-se fundamental. Os estudos, até o momento, vêm sendo desenvolvidos com impacto positivo, por meio do uso de matéria-prima residual, submetida a processos simplificados e de rápida execução, com pequena quantidade de equipamentos necessários, além do uso mínimo de aditivos.

No estudo 1, a produção de uma biomassa-chave para a incorporação em biomateriais finais versáteis foi feita com êxito a partir do albedo descartado, se caracterizando como uma importante forma de economia no reaproveitamento de recursos. Teve-se destaque para os filmes nas porcentagens de 6% a 12% de BP, com 1% GL, (sem aditivos), em razão do aspecto físico final e menor porcentagem de matéria-prima usada, com resultado do teste de resistência (N) e deformação final (%) interessante (72,79 N e 18,57% (para 6% de BP), 111,9 N e 16,86% (para 9% de BP) e 163,00 e 17,73% (para 12% de BP)). Atribui-se tais características à menor quantidade de aditivo, e, consequentemente, à maior interação pectina-pectina. Além disso, a boa resistência térmica, a solubilidade em água e a presença de compostos fenólicos, importantes antioxidantes naturais preservados no produto final, aumentam a possibilidade de aplicação em películas ativas, para finalidades secas. Os materiais ainda estão sendo testados em laboratório, mas a perspectiva é aplicá-los como filmes protetores de frutas e verduras, e observar se haverá a redução da quantidade de fungos na superfície dos produtos ou aumento da sua conservação.

Quanto ao estudo 2, a biodegradabilidade em solo em período menor que quinze dias se torna uma vantagem dos biomateriais produzidos, ainda mais por ter ocorrido também por compostagem doméstica. A pesquisa desenvolvida até então tem forte interesse na aproximação com empresas, visando à elaboração de estudos de maior escala e aplicabilidade de mercado. É importante mencionar que uma patente (BR 10 20200 16902-5) referente a esse trabalho foi submetida e uma segunda está sendo escrita.

 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

1) Martelli, M. R.; Barros, T. T.; Assis, O. B. G.: Filmes de polpa de banana produzidos por batelada: Propriedades mecânicas e coloração. Polímeros Ciência e Tecnologia 24, 137–142 (2014).

2) Clemente, E.; Flores, A. C.; Rosa, C. I. L. F.; Oliveira, D. M.: Características da farinha de resíduos do processamento de laranja. Revista Ciências Exatas e Naturais 14, 257–269 (2012).

3) Kumar, M.; Mohanty, S.; Nayak, S. K.; Rahail P. M.: Effect of glycidyl methacrylate (GMA) on the thermal, mechanical and morphological property of biodegradable PLA/PBAT blend and its nanocomposites. Bioresource Technology 101, 8406–8415 (2010).

4) Brito, G. F.; Agrawal, P.; Araújo, E. M.; Mélo, T. J. A.: Biopolímeros, polímeros biodegradáveis e polímeros verdes. Biopolímeros, Polímeros Biodegradáveis e Polímeros Verdes 6.2, 127–139 (2011).

5) Alexandrino, A. M.; Faria, H. G. de; Souza, C. G. M. de; Peralta, R. M.: Aproveitamento do resíduo de laranja para a produção de enzimas lignocelulolíticas por Pleurotus ostreatus (Jack:Fr). Ciência e Tecnologia de Alimentos 27, 364–368 (2007).

6) Lorevice, M. V.; Otoni, C. G.; de Moura, M. R.; Mattoso, L. H. C.: Bioplásticos comestíveis de pectina e nanopartículas de quitosana. Anais do 13º Congresso Brasileiro de Polímeros – Natal, RN (2015).

7) Santana, M. F. S.: Caracterização físico-química de fibra alimentar de laranja e maracujá. (Tese de doutorado, Universidade Estadual de Campinas, 2005).

8) Melo, P.; de Moura, M. R.; Aouada, F. A.: Fabricação de filmes bionanocompósitos à base de pectina e polpa de cacau com potencial uso como embalagem para alimentos. Química Nova (2016). doi:10.21577/ 0100- 4042.20160188

9) Lorevice, M. V.; Moura, M. R. de; Mattoso, L. H. C.: Nanocomposite of papaya puree and chitosan nanoparticles for application in packaging. Química Nova (2014). doi:10.5935/0100-4042.20140174

10) Hosseini, S. F.; Zandi, M.; Rezaei, M.; Farahmandghavi, F.: Two-step method for encapsulation of oregano essential oil in chitosan nanoparticles: Preparation, characterization and in vitro release study. Carbohydrate Polymers 95, 50–56 (2013).

11) Clemente, E.; Flores, A. C.; Rosa, C. I. L. F.; Oliveira, D. M.: Características da farinha de resíduos do processamento de laranja. Revista Ciências Exatas e Naturais 14, 257–269 (2012).

12) Rezzadori, K.; Benedetti, S.: Proposições para valorização de resíduos do processamento do suco de laranja. São Paulo 11 (2009).

13) Gomes, S.; Torres, A. G.: Optimized extraction of polyphenolic antioxidant compounds from Brazil nut (Bertholletia excelsa) cake and evaluation of the polyphenol profile by HPLC. J Sci Food Agric, volume 96, issue 8, p. 2805-28-14, 2015.

14) Lima, D. R. de: Biodegradação de luvas de látex de borracha natural. Mestrado – Rio de Janeiro: Universidade do Rio de Janeiro (UERJ), 8 fev. 2017.

15) Silva, A. F.: Qualidade de frutos da laranjeira 'mimo-do-céu' (Citrus cinensis L. Osbeck VA. Mimo), oriundos de diferentes épocas de colheita. Areia – PB, Centro de Ciências Agrárias, Universidade Federal da Paraíba, 2013, 58p. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Agronomia). Orientador: Profª Silvanda de Melo Silva, Ph.D.

16) Guimarães, R.; Barros, L.; Barreira, J. C.; Sousa, M. J.; Carvalho, A. M.; Ferreira, I. C.: Targeting excessive free radicals with peels and juices of citrus fruits: grapefruit, lemon, lime and orange. Food Chem Toxicol., v. 48, n. 1, p. 99-106. Jan 2010.

17) Vieira, L. M. et al: Fenólicos totais e a capacidade antioxidante in vitro de polpas de frutos tropicais; Ver. Bras. Frutic., Jaboticabal – SP, v. 33, n. 3, p. 888-897, setembro 2011.

18) Leite, I. de Sá; Pinto Jr., W. R.; Silva, L. D. A.: Biofilme a partir de gelatina e glicerol com a adição de íons de prata como agente antimicrobiano. Latin American Journal of Energy Research, v. 6, n. 2, p. 1–11, 29 jan. 2020.

19) Paoli, M.-A. D.: Degradação e estabilização de polímeros. 2a versão on-line, (aula editada por João Carlos de Andrade, 2008).