Estudo da viabilidade da extração de celulose nanofibrilada a partir dos resíduos agrícolas de Yacon (Smallanthus sonchifolius) : efeito em filmes biodegradáveis

Abstract

Resumo: O estudo da viabilidade tecnológica do uso do caule da planta yacon (Smallanthus sonchifolius) como fonte alternativa para obtenção celulose nanofibrilada (CNF) foi realizado, bem como a aplicabilidade da CNF em filmes de quitosana e carboximetilcelulose (CMC). Foram aplicados processos mecânico e químico de polpação ao caule da yacon. As polpas obtidas foram branqueadas com soluções diluídas de hipoclorito de sódio, peróxido de hidrogênio e clorito de sódio (NaClO2). A composição química (extrativos, lignina e holocelulose), coordenadas de cor (CIELab) e rendimento das polpas branqueadas ou não foram comparadas estatisticamente (p < 0,05) pelo teste de Tukey, e uma análise por espectrofotometria no infravermelho (FTIR) foi realizada. Os resultados apontaram baixo rendimento da polpação química, demasiadamente escura, porém com menor teor de extrativos e lignina em sua composição química. A polpa química branqueada com NaClO2 proporcionou o aumento da brancura, bem como, reduziu o conteúdo de materiais não celulósicos, sendo evidenciado na análise de infravermelho. A partir desta, foi submetida ao processo de desfibrilação mecânica em moinho coloidal, onde foi obtida uma suspensão da CNF com fibras de 5-60 nm de diâmetro, alto índice de cristalinidade (70,6%) e estabilidade térmica, sendo ideal para aplicar como coadjuvante em materiais. A CNF obtida foi incorporada em filmes à base de quitosana e CMC, em monocamada e em bicamada, por meio da técnica de casting, utilizando glicerol como plastificante. Os efeitos das concentrações das fibras em suspensão nos filmes e o impacto da bicamada foram investigados por meio dos seguintes parâmetros: umidade, espessura, permeabilidade ao vapor de água (PVA), solubilidade em água, propriedades mecânicas, ópticas, térmicas e morfológicas e cinética de biodegradação. O filme à base de quitosana e CNF apresentou elasticidade e PVA aumentada e resistência à tração diminuída comparado ao seu filme controle, enquanto as formulações com CMC se mostraram transparente e totalmente solúveis em água, mesmo adicionado da CNF, comparadas aos demais filmes, não indicado para embalar produtos úmidos e sensíveis à luz UV-VIS. Ainda, foram elaborados filmes em bicamada que apresentaram bom desempenho nas propriedades mecânicas e de barreira contra a permeação de vapor de água e luz, sobretudo quando adicionados da CNF. Através da microscopia eletrônica de varredura, não foram identificadas fissuras ou separação de fases das matrizes poliméricas nos filmes, apesar da diferença de cargas eletrostáticas. Ainda, foi possível verificar que os filmes apresentaram características competitivas às embalagens produzidas com polímeros sintéticos, determinadas em paralelo neste estudo. Contudo, agregar valor a um resíduo por meio da produção da CNF e aplica-la como material de reforço em filmes à base de polissacarídeos são caminhos promissores para contribuir na redução de impactos no meio ambiente.

Abstract: The technological feasibility study of the use of the stem of the yacon plant (Smallanthus sonchifolius) as an alternative source for obtaining nanofibrillated cellulose (NFC) was carried out, as well as the applicability of NFC in chitosan and carboxymethylcellulose films (CMC). Mechanical and chemical pulping processes were applied to the yacon stem. The pulps obtained were bleached with dilute solutions of sodium hypochlorite, hydrogen peroxide and sodium chlorite (NaClO2). The chemical composition (extractives, lignin and holocellulose), color coordinates (CIELab) and pulp yield were statistically compared (p < 0.05) by Tukey's test, and an infrared spectrophotometric (FTIR) analysis was performed. The results showed a low yield of chemical pulping, but with a lower content of extractives and lignin in its chemical composition. The chemical pulp bleached with NaClO2 provided an increase in whiteness, as well as reduced the content of non-cellulosic materials, which was evidenced in the infrared analysis. From this, it was submitted to the mechanical defibrillation process in a colloidal grinder, where a suspension of NFC with fibers of 5-60 nm in diameter, high crystallinity index (70.6%) and thermal stability was obtained, being ideal for application as an adjunct to materials. The NFC obtained was incorporated in films based on chitosan and CMC, in monolayer and bilayer, through the casting technique, using the glycerol plasticizer. The effects of suspended fiber concentrations in the films and the impact of the bilayer were investigated using the following parameters: moisture, thickness, water vapor permeability (WVP), water solubility, mechanical, optical, thermal and morphological and kinetic properties of biodegradation. The chitosan and NFC-based films showed increased elasticity and WVP and decreased tensile strength compared to its control film, while formulations with CMC were transparent and totally soluble in water, even with NFC added, compared to the other films, not indicated for packaging moist and UV-VIS light sensitive products. Furthermore, bilayer films were produced that presented good performance in terms of mechanical and barrier properties against the permeation of water vapor and light, especially when added with NFC. Through "scanning electron microscopy", no cracks or phase separation of polymer matrices in the films were identified, despite the difference in electrostatic charges. Still, it was possible to verify that the films presented competitive characteristics to packages produced with synthetic polymers, determined in parallel in this study. However, adding value to a waste through the production of NFC and applying it as a reinforcement material in polysaccharide-based films are promising ways to contribute to reducing impacts on the environment.