Desenvolvimento de bioplásticos a partir de subproduto da moagem do trigo por casting e extrusão

Abstract

Resumo: O desenvolvimento de filmes biodegradáveis tem despertado interesse de pesquisadores no mundo todo. Os subprodutos da indústria de alimentos, geralmente, são ricos em polímeros (proteínas e amido), abundantes, biodegradáveis, de baixo custo, e elevada capacidade de formação de gel, o que os torna matérias-primas atraentes para a produção de bioplásticos. Desta forma, objetivou-se avaliar o potencial da Farinha de Cola (FC), subproduto da moagem do trigo, para o desenvolvimento de filmes ativos e blendas com poli(butileno adipato-co-tereftalato) (PBAT), por meio das técnicas de casting e extrusão tubular. Inicialmente realizou-se um Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) 2³ para avaliar a influência da concentração de glicerol, sorbitol e FC nas propriedades dos filmes produzidos por casting. Os filmes foram caracterizados quanto à espessura, umidade, solubilidade, propriedades mecânicas [resistência à tração (RT) e elongação (ELO)], de barreira e ópticas (cor e opacidade). As propriedades foram influenciadas principalmente pelo plastificante e concentração de FC. Por meio da função de desejabilidade a formulação otimizada obtida foi: 8% de FC, 0% de glicerol e 4% de sorbitol. Nestas condições, os filmes apresentaram baixa umidade (12,1%), moderada solubilidade (35,5%) e RT (1,64 MPa), e alta ELO (72,06%), e a permeabilidade ao vapor de água (PVA) foi de 8,44x10-10 g.m-¹.s-¹.Pa-¹. Diante destes resultados, prosseguiu-se com a formulação para incorporação de extratos vegetais comerciais. Após um screening inicial da atividade antimicrobiana, o extrato de alecrim (Rosmarinus officinaiis) (EA) foi incorporado nos filmes nas concentrações de 1, 5, 10 e 20% (v- mágua-¹). Os filmes foram caracterizados conforme descrito anteriormente, e submetidos a testes antimicrobianos e antioxidantes. A incorporação do EA promoveu alterações nas propriedades de cor e mecânicas; os filmes apresentaram tons esverdeados e ocorreu redução na RT e ELO destes. A formulação com 20% de EA apresentou o maior potencial antioxidante e atividade antimicrobiana frente à S. aureus. Embora os resultados em casting tenham se mostrado importantes, esta técnica se limita a escala laboratorial, neste sentido os estudos na técnica de extrusão são essenciais, a fim de viabilizar a produção em larga escala dos filmes; portanto, foram produzidas blendas de FC e PBAT plastificadas com glicerol por extrusão tubular com a incorporação de 2 e 4% de EA. Os filmes apresentaram coloração amarelo/esverdeada, boa processabilidade, excelentes propriedades físico-químicas, mecânicas, e de barreira comparáveis a blendas de amido e polietileno de baixa densidade (PEBD). O EA apresentou maior influência nas propriedades ópticas dos filmes. Os filmes não exibiram atividade antioxidante e antimicrobiana. É possível que a concentração de EA estudada ou as temperaturas acima de 90 °C da extrusão tenham afetado os compostos bioativos do EA. Por fim, conclui-se que a FC é um subproduto com potencial para substituição de amido convencional na produção de filmes tanto para aplicações em embalagens de alimentos quanto na agricultura. Estudos seguintes precisam ser realizados com variações nas concentrações dos componentes (FC, PBAT, glicerol e EA), e incorporação de aditivos como compatibilizantes, com objetivo de reduzir o PBAT e consequentemente o custo, e manter e/ou melhorar as propriedades dos filmes.

Abstract: The development of biodegradable films has aroused the interest of researchers worldwide. The food industry by-products are generally rich in polymers (proteins and starch), abundant, biodegradables, low cost, and have high gel formation capacity, making them attractive raw materiais for bioplastics production. Therefore, this study aimed to evaluate the potential of Glue Flour (GF), a wheat mill by-product, for developing active films and blends with poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) by casting and blown film extrusion techniques. Firstly, a Central Composite Rotational Design (CCRD) 2³ was applied to evaluate the influence of the glycerol, sorbitol, and GF concentrations on the properties of the films produced by casting. The films were characterized according to thickness, moisture, solubility, mechanical [tensile strength (TS) and elongation (ELO)], barrier, and optical (color and opacity) properties. The properties were influenced mainly by plasticizer and GF concentrations. Though desirability function, the optimal formulation conditions were: 8% of GF, 0% of glycerol, and 4% of sorbitol. Underthese conditions, the films showed low moisture (12.1%), moderate solubility (35.5%) and TS (1,64 MPa), and high ELO (72.06%), and the water vapor permeability (WVP) was 8.44x 10-10 g.m-¹.s-¹.Pa-¹. This formulation was used for the study of commercial vegetable extract incorporation. After an initial screening of antimicrobial activity, rosemary extract (Rosmarinus officinalis) (RE) was added to the films in the following concentrations 1,5, 10, and 20% (v. water-¹). The films were characterized as described previously and were submitted to antimicrobial and antioxidant tests. The RE incorporation into the films alters optical and mechanical properties; films presented green coloration and reduction on TS and ELO. The formulations with 20% RE showed higher antioxidant potential and antimicrobial activity against S. aureus. Although the results in casting have been significant, this technique is limited to a laboratory scale; therefore, studies within the extrusion technique are essential to the feasibility of the films' large-scale production. GF and PBAT blended with glycerol and incorporated with 2, and 4% of RE were produced. The films showed a yellow/greenish coloration, good processability, and excellent physical, mechanical, and barrier properties comparable to starch blends and low-density polyethylene (LDPE). The RE presented more effect on films' optical properties. The films did not show antimicrobial and antioxidant activity. It is possible that the concentration studied and/or the extrusion temperatures higher than 90 °C may affect the RE's bioactive compounds. Finally, it was concluded that GF is a potential by-product for substituting conventional starch in film production for food packaging and agriculture applications. Subsequent studies must be done with different concentrations of the components (GF, PBAT, glycerol, and RE) and adding additives, such as compatibilizers, to reduce PBAT and consequently the final cost and improve the films' properties.