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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE
ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DE
ALIMENTOS
PRODUÇÃO DE FILMES BIOPOLIMÉRICOS A PARTIR DE
QUITOSANA COM INCORPORAÇÃO DE FRAÇÃO LIPÍDICA
VANDERLEI CONSTANTINO DE SOUZA
Rio Grande – RS
2011
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE
ESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DE
ALIMENTOS
PRODUÇÃO DE FILMES BIOPOLIMÉRICOS A PARTIR DE
QUITOSANA COM INCORPORAÇÃO DE FRAÇÃO LIPÍDICA
Eng. Químico Vanderlei C. de Souza
Orientador: Luiz Antonio de Almeida Pinto
Dissertação submetida ao Programa de
Pós-Graduação em Engenharia e Ciência
de Alimentos da Universidade Federal do
Rio Grande como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Mestre em Engenharia e Ciência de
Alimentos
Rio Grande – RS
2011
ii
“Sei que quanto mais sei, nada sei”. Sócrates
“Sábio é aquele que conhece os limites da própria ignorância”. Sócrates
iii
AGRADECIMENTOS
Agradeço a toda minha família (Alemar, Dirceu, Gisley, Hebert, Helena, Herika,
Heverton, Nedina, Roberto, Urânio, Valdeci, Vanderléia, Wellington, Wellingtan e
Wesllan) pelo apoio, principalmente, aos dois grandes alicerces da minha vida, pai
(José), mãe (Ana) sem vocês não teria conseguido, obrigado por tudo!
Ao meu orientador, Prof. Dr. Luiz Antonio de Almeida Pinto, pelo acolhimento,
profissionalismo, dedicação e por não ter medido esforços para que eu pudesse concluir
o meu trabalho com êxito e qualidade.
Aos professores que tive durante todo o curso de pós-graduação, em especial ao
Prof. Dr. Carlos Prentice-Hernández e a Prof. Drª. Leonor Almeida de Souza Soares,
quando precisei estavam sempre dispostos a somar.
Ao Prof. Dr. João Carlos Sanches Pocos do CEPPED/BRASKEM pela
disponibilidade do laboratório para realização dos ensaios térmicos.
Aos meus colegas, do Laboratório de Operações Unitárias, que compartilharam
comigo os momentos iniciais e finais de minha pós-graduação, em especial ao MSc.
Guilherme Luiz Dotto pela parceria e apoio técnico-científico no transcorrer do curso.
A coordenação do Laboratório de Tecnologia de Alimentos (LTA) da Universidade
Federal do Rio Grande (FURG) - RS pela disponibilidade do texturômetro para ensaios
mecânicos.
A Universidade Federal do Rio Grande (FURG) – RS, pela formação profissional,
e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela
concessão da bolsa de mestrado que permitiu a realização deste trabalho.
iv
SUMÁRIO
SUMÁRIO............................................................................................................................iv
LISTA DE FIGURAS.........................................................................................................viii
LISTA DE TABELAS..........................................................................................................ix
NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA...................................................................................x
RESUMO............................................................................................................................xii
ABSTRACT.......................................................................................................................xiii
1..INTRODUÇÃO.................................................................................................................1
1.1 Justificativas...................................................................................................................2
1.2 Objetivos........................................................................................................................3
1.2.1 Objetivo geral..............................................................................................................3
1.2.2 Objetivos específicos..................................................................................................3
1.3 Histórico da linha de pesquisa no Laboratório de Operações Unitárias da
Universidade Federal do Rio Grande...................................................................................4
2. REVISÃO BIOBLIOGRÁFICA.........................................................................................7
2.1 Filmes biopoliméricos e/ou comestíveis.........................................................................7
2.1.1 Filmes emulsionados..................................................................................................9
2.2 Propriedades dos filmes biopoliméricos.......................................................................10
2.2.1 Espessura.................................................................................................................11
2.2.2 Transparência...........................................................................................................11
2.2.3 Propriedades mecânicas...........................................................................................11
2.2.4 Permeabilidade ao vapor de água............................................................................12
2.3 Quitosana.....................................................................................................................14
2.3.1 Processo de produção da quitosana.........................................................................16
2.4 Lipídios.........................................................................................................................16
2.4.1 Óleo Refinado...........................................................................................................17
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO.......................................................................19
ARTIGO 1: PRODUÇÃO DE FILME BIOPOLIMÉRICO A PARTIR DE QUITOSANA
MODIFICADO COM FRAÇÃO LIPÍDICA..........................................................................20
RESUMO...........................................................................................................................20
v
1. Introdução.....................................................................................................................20
2. Material e métodos.......................................................................................................21
2.1 Produção da quitosana................................................................................................21
2.2 Obtenção das frações lipídicas....................................................................................22
2.3 Preparação dos filmes.................................................................................................22
2.4 Caracterização do pó de quitosana.............................................................................22
2.5 Caracterização físico-química dos óleos refinados......................................................23
2.6 Caracterização dos filmes............................................................................................23
2.6.1 Espessura.................................................................................................................23
2.6.2 Permeabilidade ao vapor de água............................................................................24
2.6.3 Propriedades mecânicas...........................................................................................24
2.6.4 Análise de espectroscopia no infravermelho (FT-IV)................................................24
2.6.5 Microscopia eletrônica de varredura.........................................................................24
2.7 Análise estatística........................................................................................................25
3. Resultados e discussão..............................................................................................25
3.1 Caracterização do pó de quitosana.............................................................................25
3.2 Caracterização dos óleos refinados.............................................................................26
3.3 Caracterização dos filmes............................................................................................27
3.3.1 Espessura.................................................................................................................27
3.3.2 Permeabilidade ao vapor de água............................................................................27
3.3.3 Propriedades mecânicas...........................................................................................28
3.3.4 Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IV)..................29
3.3.5 Microestrutura...........................................................................................................30
4. Conclusões...................................................................................................................31
5. Referências...................................................................................................................32
ARTIGO 2: AVALIAÇÃO DA PERMEABILIDADE AO VAPOR DE ÁGUA DE FILMES
BIOPOLIMÉRICOS A BASE DE QUITOSANA COM INCORPORAÇÃO DE ÓLEO DE
CARPA..............................................................................................................................35
RESUMO...........................................................................................................................35
1. Introdução.....................................................................................................................35
vi
2. Material e métodos.......................................................................................................37
2.1 Produção da quitosana................................................................................................37
2.2 Obtenção do óleo refinado...........................................................................................37
2.3 Preparação das dispersões filme formadoras..............................................................37
2.4 Preparação dos filmes.................................................................................................37
2.5 Metodologia analítica...................................................................................................38
2.5.1 Caracterização do pó de quitosana..........................................................................38
2.5.2 Caracterização físico-química do óleo refinado........................................................38
2.5.3 Caracterização das dispersões filme formadoras.....................................................39
2.5.4 Caracterização dos filmes.........................................................................................39
2.6 Análise estatística........................................................................................................40
3. Resultados e discussão..............................................................................................40
3.1 Caracterização do pó de quitosana.............................................................................40
3.2 Caracterização do óleo refinado..................................................................................41
3.3 Formulação e caracterização dos filmes......................................................................42
3.3.1 Caracterização das dispersões filmes formadoras (DFFs).......................................44
3.3.2 Propriedades dos filmes compostos de quitosana-óleo refinado de pescado..........44
4. Conclusões...................................................................................................................47
5. Referências...................................................................................................................47
4. CONCLUSÃO GERAL..................................................................................................50
4.1 Sugestões para trabalhos futuros................................................................................50
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................52
APÊNDICE.........................................................................................................................63
Apêndice 1 - Fluxograma do processo de produção dos filmes........................................63
ANEXOS............................................................................................................................64
Anexo 1 - Carta de submissão do Artigo 1 ao International Journal of Food Science and
Technology.........................................................................................................................64
Anexo 2 - Carta de submissão do Artigo 2 ao Lebensmittel-Wissenchaft-und-
Technologie/Food Science and Technology......................................................................65
Anexo 3 - Demais publicações...........................................................................................66
vii
Obtenção de filme biopolimérico a partir de quitosana modificado com óleo refinado de
pescado..............................................................................................................................67
Development and characterization of chitosan-fish oil composite films.............................75
Effect of pH on biopolymer films properties from the chitosan obtained of shrimp
(Farfantepenaeus brasiliensis) wastes...............................................................................83
Efeito da incorporação de óleo de pescado sobre propriedades de permeabilidade e
mecânicas de filmes biopoliméricos obtidos de quitosana................................................90
Efeito combinado de plastificante e surfactante sobre propriedades de filmes compostos:
quitosana-óleo de pescado................................................................................................95
viii
LISTA DE FIGURAS
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................................7
Figura 1. Esquema da célula de difusão utilizada para determinar a permeabilidade ao
vapor de água dos filmes biopoliméricos...........................................................................13
Figura 2. Estrutura química da quitosana.........................................................................14
Figura 3. Monômero da quitosana....................................................................................14
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO.......................................................................19
ARTIGO 1: PRODUÇÃO DE FILME BIOPOLIMÉRICO A PARTIR DE QUITOSANA
MODIFICADO COM FRAÇÃO LIPÍDICA..........................................................................20
Figura 1. Espectro do pó de quitosana.............................................................................25
Figura 2. Espectro dos filmes de quitosana pura e quitosana-óleo refinado de
pescado..............................................................................................................................29
Figura 3. Micrografias de MEV dos filmes: (a) QTS; (b) QTS-AO; (c) QTS-ORP; (d) QTS-
OAR; (e) QTS-AE...............................................................................................................31
ARTIGO 2: AVALIAÇÃO DA PERMEABILIDADE AO VAPOR DE ÁGUA DE FILMES
BIOPOLIMÉRICOS A BASE DE QUITOSANA COM INCORPORAÇÃO DE ÓLEO DE
CARPA..............................................................................................................................35
Figura 1. Resistência a tração dos filmes compostos de quitosana-glicerol, em diferentes
pHs.....................................................................................................................................42
Figura 2. Elongação na ruptura dos filmes compostos de quitosana-glicerol, em
diferentes pHs....................................................................................................................43
Figura 3. Micrografias de MEV dos filmes: (a) QTS; (b) QTS-Glicerol; (c) QTS-ORP
(10:1); (d) QTS-ORP (4:1)..................................................................................................46
APÊNDICE.........................................................................................................................63
Apêndice 1. Fluxograma do processo de produção dos filmes........................................63
ix
LISTA DE TABELAS
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO.......................................................................19
ARTIGO 1: PRODUÇÃO DE FILME BIOPOLIMÉRICO A PARTIR DE QUITOSANA
MODIFICADO COM FRAÇÃO LIPÍDICA..........................................................................20
Tabela 1. Perfil de ácidos graxos livres (%) e classes de lipídios (% do total de ácidos
graxos) dos óleos refinados de carpa e arroz....................................................................26
Tabela 2. Permeabilidade ao vapor de água, resistência a tração e elongação na ruptura
dos diferentes filmes..........................................................................................................27
ARTIGO 2: AVALIAÇÃO DA PERMEABILIDADE AO VAPOR DE ÁGUA DE FILMES
BIOPOLIMÉRICOS A BASE DE QUITOSANA COM INCORPORAÇÃO DE ÓLEO DE
CARPA..............................................................................................................................35
Tabela 1. Perfil de ácidos graxos livres (%) e classes de lipídios (% do total de ácidos
graxos) do óleo refinado de carpa.....................................................................................41
Tabela 2. Propriedades dos filmes compostos de quitosana-plastificante/óleo refinado de
pescado..............................................................................................................................45
x
NOMENCLATURA E SIMBOLOGIA
A: Área da superfície exposta do filme, (m2);
AC=O: Absorbância do grupo C=O;
A-OH: Absorbância do grupo –OH;
AGL: Ácidos graxos livres, (% ácido oléico);
AGMI: Ácidos graxos monoinsaturados, (%);
AGPI: Ácidos graxos poliinsaturados, (%);
AGS: Ácidos graxos saturados, (%);
D: Diâmetro das amostras de filmes, (mm);
DFFs: Dispersões filme formadoras;
DHA: Docosahexaenóico
E: Elongação na ruptura, (%);
EPA: Eicosapentaenóico
GD: Grau de desacetilação, (%);
K: Constante para quitosana em um sistema de ácido acético/cloreto de sódio a 25 °C,
(mL g-1);
k: Constante válida para cada polímero, (adimensional);
L: Espessura média do filme, (mm);
mab: Massa de umidade absorvida, (g);
Mv: Massa molar viscosimétrica média, (Da);
PVA: Permeabilidade ao vapor de água, (g mm kPa-1 dia-1 m-2);
QTS: Quitosana;
QTS-AE: Quitosana-ácido esteárico;
QTS-AO: Quitosana-ácido oléico;
QTS-ORA: Quitosana-óleo refinado de arroz;
QTS-ORC: Quitosana-óleo refinado de carpa;
QTS-ORP: Quitosana-óleo refinado de pescado;
RT: Resistência a tração, (MPa);
t: Tempo de duração do teste, (dias);
TBA: Ácido tiobarbitúrico, (mg malonaldeído kg-1);
T600: Transmitância a 600 nm;
UR: Umidade relativa, (%);
α: Constante para quitosana em um sistema de ácido acético/cloreto de sódio a 25 °C,
(adimensional);
ɸ: Diâmetro das placas de petri, (cm);
xi
∆P: Diferença de pressão parcial de vapor de água através do filme, (Pa);
η: Viscosidade intrínseca, (mL g-1).
xii
RESUMO
Visando o desenvolvimento sustentável, a procura por novos materiais e tecnologias
capazes de minimizar os danos ao meio ambiente tem aumentado consideravelmente.
Filmes biopoliméricos e/ou comestíveis estão inseridos neste contexto. Estes são
produzidos a partir de polímeros naturais, principalmente polissacarídeos, lipídios e/ou
proteínas. Neste trabalho, o polissacarídeo utilizado foi a quitosana. Glicerol foi ensaiado
como plastificante. Para conferir hidrofobicidade ao filme, investigou-se a incorporação de
ácidos graxos saturado (C18:0) ou insaturado (C18:1 ω-9), assim como, óleos vegetal
(refinado de arroz) ou animal (refinado de pescado) tendo sido dada atenção especial ao
óleo de pescado, devido sua elevada hidrofobicidade e por possuir consideráveis
quantidades de eicosapentaenóico (C 20:5 EPA ω-3) e docosahexaenóico (C 22:6 DHA
ω-3). O efeito do pH foi estudado, com a finalidade de observar se este exerce influência
nas propriedades dos filmes. Os filmes biopoliméricos foram obtidos por evaporação de
solvente em estufa com circulação de ar, e as suas propriedades foram caracterizadas e
comparadas com os filmes de quitosana simples. A quitosana produzida apresentou
massa molar em torno de 150±5 kDa e grau de desacetilação 86±1%. O óleo refinado
obtido, a partir de vísceras de carpa, apresentou 69% de ácidos graxos monoinsaturados
e poliinsaturados, dos quais 27% correspondem a ω-3 e ω-6. Os resultados mostraram
que a adição das diferentes frações lipídicas melhorou as propriedades de
permeabilidade ao vapor de água, sendo que o óleo de pescado proporcionou a maior
redução (cerca de 60%). As propriedades mecânicas (resistência a tração e elongação
na ruptura), assim como, a transparência diminuíram com a adição do óleo de pescado. A
microscopia de infravermelho mostrou que interações não estavam presentes entre os
grupos hidroxila dos ácidos graxos (presentes no óleo de pescado) e os grupos amino da
quitosana. A análise morfológica (microscopia eletrônica de varredura) dos filmes
mostrou que a incorporação de lipídios aumentou a irregularidade da superfície. No
entanto, as micrografias de superfície dos filmes compostos com óleo de pescado
indicaram uma melhor incorporação na matriz filmogênica resultando em uma superfície
relativamente lisa e contínua.
Palavras-chave: ácido graxo, filme biopolimérico, óleo de pescado, óleo vegetal,
permeabilidade ao vapor de água, quitosana.
xiii
ABSTRACT
Seeking the sustainable development, the number of researches on new materials and
technologies that are able to minimize the environmental damages have grown
considerably. Biopolymer and/or edible films are inserted in this context. These are
produced from natural polymers, especially polysaccharides, lipids and/or proteins. In this
work chitosan was used. Glycerol was tested as plasticizers. To impart the hydrophobicity
of the film, different lipid fractions were incorporated into the filmogenic matrix, saturated
fatty acid (C18:0), unsaturated fatty acid (C18:1 ω-9), vegetable oil (rice refined) and
animal oil (fish refined), with special consideration to fish oil, due to its high
hydrophobicity, and presence of eicosapentaenoic (C 20:5 EPA ω-3) and
docosahexaenoic (C 22:6 DHA ω-3). The effect of pH was also studied, with the purpose
of observing if it influences the properties of films. The biopolymer films were obtained by
evaporating the solvent in an oven with air circulation, and compared to films from pure
chitosan. The chitosan obtained presented molar weight of around 150±5 kDa and
deacetylation degree 86±1%. The refined fish oil produced showed 69% of unsaturated
and polyunsaturated fatty acids, of which 27% correspond to ω-3 and ω-6. Results
showed that incorporation of different lipid fractions decreased the water vapor
permeability (WVP). A higher reduction (60%) in WVP was found with the addition of
refined fish oil. The transparency, and mechanical properties (tensile strength and
elongation percentage at break point) decreased in films with fish oil. Results indicated
that interactions were not present between the hydroxyl groups of fatty acids present in
fish oil and the amino groups of chitosan. Morphological analyses (scanning electron
microscopy) of films showed increased surface irregularity with the incorporation of lipids.
However, refined fish oil appeared to be well incorporated in the filmogenic matrix
resulting in a relatively smooth and continuous surface.
Keywords: biopolymer film, chitosan, fatty acid, fish oil, vegetable oil, water vapor
permeability.
1. INTRODUÇÃO
O desenvolvimento e a caracterização de filmes biopoliméricos e/ou comestíveis
têm sido muito estudados devido ao seu potencial para uso como embalagens, e também
pela questão da biodegradabilidade. Durante as últimas décadas observa-se um número
expressivo de publicações em filmes biopoliméricos e suas caracterizações (Denavi et al.,
2009; Ferreira et al., 2009).
Além da possibilidade de retornarem ao ciclo biológico depois do uso, os filmes
biopoliméricos podem ser desenvolvidos a fim de se obter propriedades que satisfaçam
as aplicações requeridas, tais como barreira a transferência de massa (vapor de água e
gases), transporte de aditivos alimentares (pigmentos, aromas, flavorizantes) e liberação
controlada de substâncias ativas (antioxidantes e agentes micóticos) (Peressini et al.,
2003).
Entre os biopolímeros de maior potencial para obtenção de embalagens, em
especial como filmes comestíveis, a quitosana é um dos mais promissores, devido as
suas propriedades antimicrobianas, atóxicas e de biocompatibilidade, além do seu caráter
catiônico e sua excelente capacidade em formador películas (No et al., 2007).
Filmes formados a partir de polissacarídeos, como a quitosana, possuem boas
propriedades mecânicas e permeabilidade seletiva aos gases CO2 e O2. Porém, o fato de
serem altamente permeáveis ao vapor de água, devido ao caráter fortemente hidrofílico,
limita suas potenciais aplicações, sendo que um efetivo controle de transferência de
umidade é desejável para a maioria dos alimentos (Fernandez-Saiz et al., 2009).
A fim de aumentar a resistência à difusão de vapor de água de filmes formados a
partir de polissacarídeos, frequentemente, são incorporadas a matriz filmogênica
substâncias hidrofóbicas, como lipídios. A literatura descreve diversos trabalhos com este
objetivo (Bourtoom & Chinnan, 2009; Bravin et al., 2006). No entanto, ao melhor de nosso
conhecimento, não existem dados sobre o impacto da incorporação de óleo de pescado
nas propriedades dos filmes.
A natureza química dos lipídios, como o comprimento da cadeia, modifica as
propriedades dos filmes, pois quanto maior o número de carbonos na estrutura lipídica,
mais difícil é a incorporação dos compostos lipídicos na dispersão formadora do filme.
Para obtenção de emulsão e estabilização interfacial da mistura do polissacarídeo-lipídio
se faz necessário, adição de surfactante, e assim, promover um aumento da viscosidade
2
da fase contínua (quitosana), onde a estabilização é alcançada por meio de um efeito
eletro-estérico (Vargas et al., 2009).
As ceras são os lipídios mais utilizados em filmes baseados em polissacarídeos.
Estudos mostram que estas são mais efetivas que ácidos graxos saturados na melhoria
da propriedade de permeabilidade ao vapor de água. Isto é devido ao seu caráter
fortemente hidrofóbico (Fabra et al., 2008; Hambleton et al., 2009).
Tendo em vista a elevada hidrofobicidade do óleo de pescado, este poderia ser
utilizado como fase dispersa, podendo proporcionar permeabilidade seletiva ao vapor de
água (Hambleton et al., 2009). Além disso, o óleo de pescado, poderia agregar valor ao
filme, devido, principalmente, a presença de eicosapentaenóico (C 20:5 EPA ω-3) e
docosahexaenóico (C 22:6 DHA ω-3) (Crexi et al., 2010), os quais são essenciais para
respostas bioquímicas e fisiológicas do organismo (Navarro-García et al., 2004), podendo
influenciar positivamente em diversos fatores biológicos associados a doenças
cardiovasculares (Abedian-Kenari et al., 2009).
A carpa comum (Cyprinus carpio) é uma das principais espécies de pescado na
produção da aquicultura mundial (Vandeputte et al., 2008). Os rejeitos de carpa se
apresentam como fonte de elevada qualidade nutricional, e são utilizados na obtenção de
óleo. O óleo refinado de carpa possui baixo ponto de fusão e é uma importante fonte de
ácidos graxos poliinsaturados (AGPI), constituído, principalmente, de eicosapentaenóico
e docosahexaenóico (Crexi et al., 2010).
1.1 Justificativas
A poluição ambiental causada pela deposição de embalagens sintéticas demanda
alternativas para o seu controle e/ou eliminação, diante disso, se faz necessário a busca
de fontes renováveis e biodegradáveis para obtenção de embalagens que satisfaçam as
propriedades requeridas, mas que retornem ao ciclo biológico depois do uso. Pesquisas
direcionadas neste sentido podem gerar novas perspectivas de produção no setor de
plásticos, como uso em filmes biodegradáveis e comestíveis.
A quitosana é um biopolímero derivado da quitina que é uma das fontes naturais
mais abundantes da terra. Tendo em vista que a quitina pode ser obtida de
exoesqueletos e cefalotóraces de crustáceos (Al Sagheer et al., 2009), e as indústrias de
pescado apresentam altas produções de rejeitos da industrialização do camarão, torna-se
oportuno estudar o aproveitamento de tal na produção de quitina para posterior obtenção
3
de quitosana, já que esta possui um grande valor agregado e sua utilização como filme
biopolimérico aumenta este valor.
Pesquisas recentes estão sendo realizadas a fim de desenvolver filmes
compostos que combinam diversos biopolímeros compatíveis visando melhorar as
características dos mesmos, aproveitando as vantagens individuais de cada um dos
componentes. Os filmes compostos também podem oferecer significativos benefícios
econômicos através da substituição parcial de um componente de alto custo da
formulação (García et al., 2004).
Filmes compostos, cujo lipídio saturado e de cadeia curta é um dos componentes,
mostram-se heterogêneos, devido a pouca miscibilidade entre os biopolímeros, o que
resulta, muitas das vezes, em propriedades (mecânicas e permeabilidade ao vapor de
água) menos nobres em comparação com os biopolímeros obtidos separadamente. Isto
pode estar relacionado à formação de interações eletrostáticas entre grupos funcionais
de ambos biopolímeros. Nossa hipótese é que possam ser desenvolvidas interações
intermoleculares benéficas entre a quitosana, um polieletrólito catiônico, e o óleo refinado
de pescado, altamente insaturado, resultando em filmes compostos com melhores
propriedades de permeabilidade, distintas daquelas alcançadas por cada biopolímero
separadamente.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo geral
Este trabalho teve como objetivo desenvolver e caracterizar filmes biopoliméricos
a partir de quitosana incorporando diferentes frações lipídicas, óleo de pescado (refinado
das vísceras de carpa), óleo vegetal (refinado de arroz), ácido graxo saturado (esteárico)
ou ácido graxo insaturado (oléico).
1.2.2 Objetivos específicos
Produzir quitosana como produto da quitina extraída dos rejeitos da indústria de
processamento do camarão (Farfantepenaeus brasiliensis);
Caracterizar a quitosana quanto a sua massa molar e grau de desacetilação;
Realizar o refino químico do óleo bruto extraído de vísceras de carpa (Cyprinus
carpio) através do processo termomecânico;
Caracterizar o óleo refinado quanto as suas propriedades físico-químicas (índice
de ácido tiobarbitúrico, ácidos graxos livres e perfil graxo);
4
Caracterizar a dispersão filme formadora quanto a sua propriedade reológica
(tensão interfacial);
Caracterizar os filmes quanto as suas propriedades de permeabilidade (ao vapor
de água), mecânicas (resistência a tração e elongação no ponto de ruptura), ótica
(transparência), espectrofotométrica (interações intermoleculares) e morfológica
(superfície).
1.3 Histórico da linha de pesquisa no Laboratório de Operações Unitárias da
Universidade Federal do Rio Grande/FURG
1989. Sob a coordenação do Prof. Dr. Walter Augusto Ruiz teve início as mobilizações de
estudos sobre a produção e aplicações de quitosana obtida a partir de rejeitos de
camarão;
1992. Encaminhamento dos primeiros projetos para estudo da quitosana no tratamento
de águas e efluentes, os quais contaram com a participação de bolsistas de iniciação
científica e dos professores MSc. Omar Gonzalez e Sérgio Przybylski;
1996. O Prof. Dr. Luiz Antonio de Almeida Pinto assumiu as pesquisas com quitosana.
Estas contavam com o apoio do Pólo Pesqueiro (FAPERGS), do Departamento de
Química da FURG e de bolsistas (CNPq/FAPERGS/FURG);
1997. Início da linha de pesquisa sobre aproveitamento de rejeitos para obtenção de óleo
de pescado, tendo como agência de fomento a Coordenação de Aperfeiçoamento de
Pessoal de Nível Superior (CAPES);
1998. Início do estudo do processo de refino de óleo de pescado, o qual foi tema da
dissertação de mestrado (1998-2000) do Engenheiro de Alimentos Marcílio Machado
Morais. Este trabalho foi intitulado: Estudo do processo de refino de óleo de pescado;
1999. Estudo da otimização do processo de produção de quitosana em escala de
bancada e em escala piloto;
2000. Início de estudos de secagem e aplicações da quitina e/ou quitosana (como
agentes floculantes e adsorventes), visando o tratamento de efluentes e clarificação de
óleos. Além disso, teve início a pesquisa de mestrado (2000-2002) da Engenheira de
Alimentos Daniele Colembergue da Cunha. Este trabalho foi intitulado: Estudo de
métodos de fracionamento de óleo de pescado via “winterização” para fins farmacêuticos;
5
2001. Início e defesa da pesquisa de trabalho de conclusão de curso de graduação em
Engenharia de Alimentos de Lucia de Moraes Batista. Este trabalho foi intitulado:
Produção de quitosana a partir de resíduos de camarão;
2002. Início da pesquisa de dissertação de mestrado (2002-2004) de Lúcia de Moraes
Batista. Este trabalho foi intitulado: Secagem de quitosana obtida a partir de resíduos de
camarão: análise da cinética de secagem considerando o encolhimento;
2003. Início de pesquisas para obtenção de quitosana a partir de rejeitos de siri. Neste
mesmo ano teve início a pesquisa de dissertação de mestrado (2003-2005) da
Engenheira de Alimentos Christine Yates Halal. Este trabalho foi intitulado: Secagem de
quitosana em camada delgada e leito de jorro: análise das condições operacionais e das
características do produto. Assim como, o início da pesquisa de dissertação de mestrado
(2003-2005) da Engenheira de Alimentos Valéria Terra Crexi. Este trabalho foi intitulado:
Refino de óleos de pescado provenientes dos processos de silagem ácida e
termomecânico de farinha;
2004. Neste mesmo ano, iniciaram-se estudos buscando avaliar a despolimerização
química da quitosana, e a influência das condições de secagem sobre a sua massa
molar. Onde teve início a pesquisa de doutorado (2004-2009) de Lucia de Moraes
Batista, intitulada: Produção de quitosana a partir de resíduos de camarão: análise do
processo e da operação de secagem;
2005. Estudos da otimização do processo em escala piloto para obtenção de quitosana a
partir de rejeitos de siri e camarão, que correspondeu a trabalho de conclusão de curso
em Engenharia de Alimentos de Catarina Motta de Moura;
2006. As pesquisas direcionadas a quitosana passaram a visar a sua obtenção com
características específicas para a produção de recobrimentos comestíveis, e sua
aplicação em alimentos. Início da pesquisa de dissertação (2006-2008) de mestrado da
Engenheira de Alimentos Catarina Motta de Moura. Esta dissertação foi intitulada:
Avaliação da reação de desacetilação da quitina e estudo da secagem de pellets de
quitosana para aplicação em filmes poliméricos;
2007. Início da pesquisa de mestrado (2007-2009) do Engenheiro de Alimentos Jeferson
Steffanello Piccin. Dissertação intitulada: Produção de quitosana a partir de resíduos de
camarão e sua aplicação como adsorvente do corante alimentício FD&C Vermelho n 40.
Neste mesmo ano teve início a pesquisa de doutorado (2007-2010) de Valéria Terra
Crexi. Esta tese foi intitulada: Obtenção, refino e produção de concentrados de ácidos
graxos poliinsaturados;
6
2008. Início da pesquisa de doutorado de Catarina Motta de Moura. Esta pesquisa foi
intitulada: Produção de biofilmes de gelatina/quitosana obtida de rejeitos da indústria
pesqueira. Neste mesmo ano, ocorreu o desenvolvimento e defesa do trabalho de
conclusão de curso de graduação em engenharia de alimentos do aluno Guilherme Luiz
Dotto. Este trabalho foi intitulado: produção de quitosana utilizando resíduos de camarão
para a utilização como filmes comestíveis;
2009. Início da pesquisa de dissertação de mestrado (2009-2010) de Guilherme Luiz
Dotto. Este trabalho foi intitulado: Adsorção de corantes alimentícios pelo biopolímero
quitosana;
2011. Atualmente, as pesquisas com quitosana vêm sendo realizadas visando sua
aplicação como revestimentos e filmes biopoliméricos, adsorvente de íons metálicos e de
corantes da indústria alimentícia. Além disso, continua sendo desenvolvida a linha de
pesquisa sobre aproveitamento de rejeitos para obtenção de óleo de pescado,
principalmente de rejeitos de carpa e corvina;
Durante todo este período houve também o envolvimento de alunos de iniciação
científica, com o apoio de bolsas: CNPq, CAPES, FAPERGS, FURG, PROBIC e PIBIC.
Foram publicados vários trabalhos ao longo destes anos, tanto em eventos técnico-
científico internacionais, nacionais e regionais como também em periódicos nacionais e
internacionais (Brazilian Journal of Chemical Engineering, Brazilian Journal of Food
Technology, Carbohydrate Polymers, Ciência e Tecnologia de Alimentos, Chemical
Engineering and Processing, Engenharia na Agricultura, Food Chemistry, International
Journal of Food Science & Technology, Journal of Food Engineering, Journal of Food
Process Engineering, Journal of Hazardous Materials, Lebensmittel Wissenschaft und
Technology/Food Science and Techonolgy, Revista Brasileira de Tecnologia
Agroindustrial, Revista do Instituto Adolfo Lutz, Revista Univap, Vetor).
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesta revisão são apresentados os aspectos relacionados a obtenção de filmes
biopoliméricos, como mecanismos e técnicas de obtenção. Assim como, os principais
métodos utilizados para avaliação das propriedades dos filmes. Também são
apresentadas as características das matérias-primas utilizadas neste trabalho, assim
como os seus processos produtivos.
2.1 Filmes biopoliméricos e/ou comestíveis
Os filmes e recobrimentos biopoliméricos são aqueles formados a partir de
polímeros naturais, de origem animal ou vegetal, e que quando lançados no meio
ambiente, convertem-se em compostos simples, mineralizados, que, redistribuídos
através dos ciclos de carbono, nitrogênio e enxofre não agridem o biossistema. Esses
filmes são camadas finas biodegradáveis e/ou comestíveis que são aplicadas a superfície
de um material, após serem preparadas separadamente. Ao contrário das embalagens
sintéticas, fazem sempre parte da superfície do alimento (Hu et al., 2009; Chandra &
Rustgi, 1998).
O uso de filmes comestíveis tem sido proposto para estender a vida útil do
produto alimentício, através do controle de danos biológicos, químicos e físicos. Podendo
atuar como barreira seletiva ao vapor de água, oxigênio, dióxido de carbono, migração de
aroma entre componentes adjacentes do alimento e o meio ambiente, e como portador
de compostos ativos (Dutta et al., 2009; Zinoviadou et al., 2009). Além disso, devem
impedir danos físicos ao material, durante etapas de manuseio, transporte e
armazenamento, sendo necessário que apresentem capacidade de deformação e
resistência mecânica.
Para obtenção de filme biopolimérico é necessário pelo menos um polímero de
alta massa molar (agente formador de filme, também denominado macromolécula), para
que seja obtida uma matriz com força de coesão e tensão adequada (Shellhammer &
Rhim, 2005). Além, de solvente e um plastificante (Denavi et al., 2009).
A formação desses biomateriais geralmente envolve associações inter e
intramoleculares ou ligações cruzadas de cadeias de polímeros. Os plastificantes
aumentam o espaço livre entre as cadeias, provocando uma diminuição das forças
intermoleculares ao longo da matriz (Souza et al., 2009; Rodriguez et al., 2006),
diminuindo a temperatura de transição vítrea e melhorando a flexibilidade (Galdeano et
8
al., 2009). Em termos estruturais ocorre a formação de uma rede tridimensional semi-
rígida que retém o solvente (Karbowiak et al., 2007)
A formação dos filmes comestíveis pode envolver um dos seguintes mecanismos
(Kester & Fennema, 1986):
Coacervação simples: Consiste na precipitação de um hidrocolóide que está
disperso em solução aquosa. Esta precipitação pode ser obtida por precipitação
de um solvente (secagem), pela adição de um soluto não eletrólito e no qual o
hidrocolóide não é solúvel, pela adição de um eletrólito que induz a precipitação
ou cruzamento dos componentes, ou pela modificação do pH da solução;
Coacervação complexa: Consiste em se obter a precipitação pela mistura de duas
soluções de hidrocolóides com cargas elétricas opostas que interagem, formando
o polímero complexo;
Gelificação ou coagulação térmica: Consiste no aquecimento da macromolécula,
levando a uma desnaturação e formação de gel ou uma precipitação. A
gelificação também pode ser obtida pelo resfriamento da solução hidrocolóide.
Esses filmes são obtidos a partir de uma solução ou dispersão do agente
formador de filme, seguido da formação de uma camada fina através de técnicas, tais
como, “casting”, extrusão, termoformagem, injeção, sopro, entre outras (Galdeano et al.,
2009; Shellhammer & Rhim, 2005).
A técnica “casting” é amplamente utilizada em estudos de laboratório, por não
exigir equipamentos específicos e grandes quantidades de matéria prima. Esta técnica
consiste no espalhamento da solução filme formadora (macromolécula, solvente e
plastificante) em um suporte, que posteriormente é submetida a secagem para
evaporação do solvente (Denavi et al., 2009). A extrusão tem como vantagem o baixo
custo, além de possuir um sistema de produção contínuo e versátil, sendo adequado para
escala industrial (Sothornvit & Pitak, 2007).
Diferentes métodos e condições de secagem têm sido relatados para preparação
de filmes biopoliméricos, entre os quais, estufa (Rivero et al., 2009; Ferreira et al., 2009;
Bertuzzi et al., 2007), por infravermelho (Srinivasa et al., 2007), aquecimento ôhmico
(Souza et al., 2009), a vácuo, baixa pressão e vapor super aquecido (Mayachiew &
Devahastin, 2010) e temperatura ambiente (Vargas et al., 2009; Lagarón & Fendler, 2009;
Bourtoom & Chinnan, 2009; Portes et al., 2009; Silva et al., 2009, Andreuccetti et al.,
2009; Cárdenas et al., 2008).
9
Segundo Souza et al. (2009) e Ziani et al. (2008), os principais biopolímeros
utilizados na obtenção de filmes, são carboidratos (polissacarídeos, pectinas e amidos),
proteínas, lipídios, resinas ou combinações desses. Os filmes formados a partir de
polissacarídeos possuem permeabilidade seletiva a O2, CO2 e boas propriedades
mecânicas, porém devido a sua natureza hidrofílica são altamente permeáveis ao vapor
de água (Mastromatteo et al., 2009) o que limita a sua potencial aplicação, sendo que um
efetivo controle a umidade é desejável (Sánchez-González et al., 2009).
De acordo com Hambleton et al. (2009) e Fabra et al. (2008), os filmes a base de
lipídios fornecem melhor barreira ao vapor de água que os de polissacarídeos, devido ao
seu caráter hidrofóbico. Porém, apresentam menor eficiência nas propriedades
mecânicas, sendo que a combinação desses possibilita boas propriedades mecânicas e
de permeabilidade ao vapor de água.
Propriedades, tais como, óticas (opacidade, transparência e brilho), de barreira
(permeabilidade ao vapor de H2O, O2 e CO2) e mecânicas (resistência a tração e
elongação na ruptura), são afetadas por fatores como pH, concentração e tipo de
solvente da solução filme formadora, assim como, massa molar do agente formador de
filme e concentração de aditivos (Silva et al., 2009).
Visando combinar as vantagens dos lipídios e dos polissacarídeos filmes
envolvendo esses biopolímeros são preparados por emulsão ou bicamadas, onde o
lipídio ajuda a diminuir a transmissão de vapor de água, e o polissacarídeo proporciona
força e integridade necessária à matriz polimérica (Rivero et al., 2009; Giancone et al.,
2008).
Filmes de bicamadas consistem na formação de uma camada lipídica adicional
sobre a matriz do filme anteriormente formado, necessitando de duas etapas de
secagem. Já os emulsionados, necessitam apenas de uma etapa de secagem após a
obtenção da solução filme formadora, o que faz com que estes recebam uma maior
atenção tanto dos pesquisadores como das indústrias (Fabra et al., 2010; Giancone et al.,
2008; Kristo et al., 2007).
2.1.1 Filmes emulsionados
Filmes emulsionados consistem na dispersão de fração lipídica na matriz
filmogênica, por meio de uma homogeneização, formando uma emulsão que
posteriormente é submetida à secagem para remoção do solvente (The et al., 2009). Os
lipídios são utilizados devido a sua natureza apolar, sendo que sua eficiência as
10
propriedades mecânicas e de permeabilidade depende do seu estado físico (líquido,
sólido ou cristalino), comprimento da cadeia de ácidos graxos, grau de saturação,
polaridade, distribuição de granulometria na fase dispersa, estrutura química e outros
(Fabra et al., 2008; Bertan et al., 2005; Villalobos et al., 2005).
A transferência de massa através de filmes emulsionados é descrita por dois
modelos. O primeiro denominado “microvoid”, onde Ukai et al. (1976) sugeriu que a
transferência de massa de gases e vapores ocorre através de micro-vazios, que são
formados entre as micro-partículas do material hidrofóbico e a matriz hidrocolóide na
emulsão, durante a secagem. De acordo com o “modelo micropathway”, proposto por
Krochta (1990), a transferência de massa ocorre através da própria matriz polimérica.
Isso pode ocorrer porque as proteínas e os polissacarídeos são muitas vezes
compatíveis com a umidade e gases e pode oferecer pouca resistência à sua
transmissão
Em geral, emulsões lipídicas, são dispersões heterogêneas de dois líquidos
imiscíveis e estão sujeitas a vários processos de instabilidade como a agregação,
floculação e coalescência, consequentemente uma eventual separação das fases.
Surfactantes são utilizados, por serem substâncias anfifílicas que interagem,
simultaneamente, com a fase descontínua (lipídio) e contínua (carboidratos, proteínas,
etc), estabilizando e formando a emulsão, através de um efeito eletro-estérico (Vargas et
al., 2009; Narsimhan, 2009; Tamilvanan, 2004). A estabilidade da emulsão é influenciada
pelo pH, força iônica e viscosidade da fase contínua, densidade e tamanho dos glóbulos
lipídico (Rangsansarid & Fukada, 2007; Petersson & Stading, 2005).
Chien-Hsien et al., (2009), observaram que o acréscimo de surfactante em filmes
de amido e goma DHG proporcionou um aumento significativo no desempenho a
permeabilidade ao vapor de água, com tendência a uma menor resistência mecânica,
devido a uma redução da proximidade e da interação entre as cadeias dos biopolímero.
Villalobos et al. (2006) verificaram uma redução na umidade de equilíbrio dos filmes e
uma melhor propriedade de barreira ao vapor de água, através da incorporação de
surfactante em filmes baseados em HPMC (Hidroxipropil metilcelulose).
2.2 Propriedades dos filmes biopoliméricos
Os métodos utilizados para avaliação das propriedades dos filmes biopoliméricos
são adaptados dos métodos tradicionais aplicados aos materiais sintéticos, levando em
consideração, a grande sensibilidade, umidade relativa e a temperatura, que estão
envolvidas com os filmes biopoliméricos (Guilbert & Biquet, 1995). As diferentes
11
características e propriedades dependem dos componentes e do processo de obtenção,
entre as quais destacam-se a espessura, transparência, propriedades mecânicas e de
permeabilidade ao vapor de água.
2.2.1 Espessura
A fim de conferir uniformidade ao filme, o controle da espessura é de fundamental
importância. Esse controle garante uma adequada repetitividade das medidas das
propriedades dos filmes (Gennadios et al., 1993). A espessura deve ser instituída de
acordo com a aplicação requerida do filme, que depende do alimento que se deseja
acondicionar (Sarmento, 1999). Além disso, as características das formulações devem
ser levadas em consideração quando se deseja controlar a espessura de um filme
biopolimérico (Sobral, 1999).
Bravin et al. (2006) e Bertuzzi et al. (2007), estudando, respectivamente,
recobrimentos compostos de polissacarídeos-lipídios e a permeabilidade ao vapor de
água (PVA) de filmes a base de amido, observaram que a PVA aumenta linearmente com
o aumento da espessura dos filmes, fato atribuído a modificações estruturais nos filmes,
resultantes da secagem das dispersões filme formadoras. Segundo Cuq et al. (1996), a
resistência a tração pode variar com a espessura dos filmes, quanto maior a quantidade
de matéria seca por superfície, maior o número de interações intermoleculares.
2.2.2 Transparência
Quando a luz incidente atravessa o material com um mínimo de absorção ou
reflexão o material é denominado de transparente. Um material é dito opaco quando
absorve e/ou reflete toda luz que incide sobre ele, sem que ocorra transmissão de luz
(Vicentini, 2003). A transparência pode ser avaliada tanto por transmitância quanto por
absorbância, dependendo do tipo do material (Veiga-Santos et al., 2005). E entre os
vários tipos de equipamento para avaliar a transparência pode ser utilizado um
espectrofotômetro (Bourtoom & Chinnan, 2009).
2.2.3 Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas de embalagens são uma das mais estudadas, pois
estão relacionadas diretamente com a sua aplicação. Essas propriedades determinam a
resposta às influências mecânicas externas, estando associadas à capacidade de
desenvolver deformações reversíveis e irreversíveis e de apresentar resistência à fratura.
12
As embalagens (filmes) obtidas devem ser resistentes à ruptura e a abrasão, fazendo
com que o alimento a ser embalado não perca sua integridade e proteção por manuseio e
transporte. Além disso, esta deve possuir flexibilidade o suficiente para se adaptar a
eventuais deformações no produto sem dano mecânico (Gontard et al.. 1994).
As principais propriedades mecânicas dos filmes biopoliméricos são a resistência
a tração e a elongação na ruptura. O módulo de Young também tem sido analisado. A
resistência à tração é a resistência oferecida pelo material no ponto da ruptura. A
elongação é a relação percentual entre a elongação do corpo de prova no teste e seu
comprimento inicial. O módulo de Young é a relação entre a resistência a tração e a
deformação na região elástica, em que a resposta do corpo de prova a elongação é
crescente e linearmente proporcional à tração imposta (Sarantópoulos et al., 2002; Van
De Velde & Kiekens, 2002).
A relaxação mecânica é outra propriedade mecânica, porém pouco estudada,
onde a partir de curvas de relaxação é possível determinar propriedades viscoelásticas.
De acordo com Ferry (1980), a viscoelasticidade é importante, pois fornece informações
relacionadas à conformação de macromoléculas e ao fenômeno de relaxação molecular.
2.2.4 Permeabilidade ao vapor de água
A American Society for Testing and Materials, norma E96-95 define a
permeabilidade ao vapor de água (PVA) e a gases como a taxa de transmissão de vapor
de água ou gases por unidade de área e espessura do material, e por unidade de
diferença de pressão parcial entre duas superfícies, sob condições específicas de
temperatura e umidade relativa (Debeaufort et al., 1998; Kester & Fennema, 1986).
A permeabilidade consiste em um processo de dissolução e difusão e não
transporte através de poros. De acordo com Rogers (1985), o soluto dissolve-se em um
lado do filme e se difunde até o lado oposto devido a um gradiente de potencial químico.
Segundo Roy et al. (2000), a transferência de vapor de água através de filmes
biopoliméricos envolve etapas de adsorção do vapor de água na superfície do filme,
solubilização do vapor na matriz polimérica, difusão do vapor através do filme e
dessorção do vapor na outra superfície do filme.
Vários alimentos são susceptíveis à deterioração devido ao aumento do teor de
umidade, por isso a PVA é de grande importância no desenvolvimento de embalagens a
fim de obter a vida útil desejada (Feldman, 2001). A escolha de uma embalagem
adequada depende das propriedades de permeabilidade que esta pode oferecer
13
(Vicentini, 2003). Uma embalagem pode ser considerada como de alta resistência ao
vapor de água, quando os valores forem menores que 8 g m-2 dia-1 e de altíssima
resistência quando for menor que 0,8 g m-2 dia-1 (Garcia et al.,1989). O método
gravimétrico é o mais utilizado na determinação da PVA. Um esquema de célula utilizada
nos ensaios de permeabilidade é apresentado na Figura 1.
Figura 1. Esquema da célula de difusão utilizada para determinar a permeabilidade
ao vapor de água dos filmes biopoliméricos
Conforme a Figura 1, o filme em forma de disco é fixado a célula, onde um
dessecante preenche o fundo da mesma e a umidade relativa (UR) no seu interior é
assumida como 0%. A célula esta armazenada em um ambiente cujo UR é de 75%
(ASTM, 1995). A pressão de vapor na superfície interna do filme, a qual é a mesma da
superfície do dessecante é definida como P1 e a pressão de vapor na superfície externa
do filme, a qual é a mesma do interior do ambiente produzida pela solução saturada de
cloreto de sódio é definida como P2. A permeabilidade ao vapor de água pode ser
determinada conforme a Equação 1.
PA
L
t
mPVA ab
.
. (1)
14
onde mab é a massa de umidade absorvida (g); t é o tempo de duração do teste (dias); L
é a espessura média do filme (mm); A é a área da superfície exposta do filme (m2), e ΔP
é a diferença de pressão parcial através do filme (kPa).
2.3 Quitosana
A quitosana (Figura 2) é um atrativo aminopolissacarídeo linear e é composto
principalmente de unidades repetidas de β-(1→4)2-amino-2-deoxi-D-glucose (D-
glucosamina), sendo o produto N-desacetilado da quitina, que é o principal componente
estrutural dos crustáceos, além disso, pode ser isolada de moluscos, insetos, parede
celular de fungos e leveduras (Fernandez-Saiz et al., 2009; Al Sagheer et al., 2009;
Vasnev et al., 2006; Raabe et al., 2007; Vincent & Wegst, 2000).
Figura 2. Estrutura química da quitosana (Van Der Merwe et al. 2004)
Conforme Crini & Badot, (2008), quimicamente, a quitosana é um polímero de alta
massa molar, sendo uma poliamina, composta por três tipos de grupos funcionais
reativos, um grupo amino, uma hidroxila primária e uma secundária nas posições C-2,
C6, C3, respectivamente. Onde, principalmente, os grupos amino (C-2) estão disponíveis
para reações químicas (preparação de derivados) e formação de sais com ácidos. A
massa molar da quitosana comercializada varia entre 10-1000 kDa (George & Abraham,
2006). O monômero de quitosana pode ser observado na Figura 3:
Figura 3. Monômero da quitosana (Du et al., 2009)
A quitosana é um grupo de polímeros parcialmente desacetilados, dos quais, os
que apresentam grau de desacetilação de cerca de 50% (dependendo da origem do
polímero), já podem ser considerados quitosana (Yang et al., 2009; Du et al., 2009;
Rinaudo, 2006;), sendo que as aplicações e características do polímero dependem do
15
grau de desacetilação, da distribuição dos grupos acetil, além da massa molar (Ziani et
al., 2008; Baskar & Kumar, 2009; Yue et al., 2009).
Conforme Fan et al. (2009) e Argin-Soysal et al. (2009), o grupo amino confere a
quitosana solubilidade em pH<6,5 (faixa de desprotonação) em solventes, tais como,
ácidos orgânicos diluídos como: ácido acético, ácido fórmico e ácidos inorgânicos, para
originar soluções viscosas. Esse carboidrato possui uma carga iônica global positiva,
visto que os grupos amino e hidroxila podem comportar-se como doadores de elétrons.
De acordo com Rinaudo, (2006) e Xu et al. (2005), em meio ácido, os grupos
aminos presentes no polímero, na posição do C-2 da unidade de repetição D-
glucosamina, captam íons hidrogênio do meio, resultando em uma carga global positiva à
quitosana que proporciona atração e ligação iônica às moléculas carregadas
negativamente, nas quais estão incluídas, ácido graxos (lipídios), corantes, íons de
metais de transição, proteínas, entre outros.
A quitosana quando comparada com outros polissacarídeos, possui vantagens
como, biocompatibilidade, bioatividade, atoxicidade e propriedades antimicrobianas, que
conjugado com seu caráter catiônico e suas propriedades formadoras de película faz com
que seja um dos materiais de maior potencial para aplicações nas indústrias alimentícias,
em especial como embalagens de alimentos (No et al., 2007; Suyatma et al., 2005).
Bourtoom & Chinnan, (2008), relataram que a permeabilidade ao vapor de água
dos filmes de mistura de carboidratos, entre estes a quitosana, aumenta quanto às
proporções desta são maiores. Essa tendência foi atribuída maior hidrofilicidade (grupos
NH3+) dos filmes com o aumento do teor de quitosana. Um aumento na resistência a
tração, também foi observado, fato atribuído a elevada formação de ligações
intermoleculares de hidrogênio, entre NH3+ da quitosana e os íons do outro carboidrato
presente na mistura.
Parâmetros como massa molar e grau de desacetilação têm influência direta na
atividade antimicrobiana, bem como nas propriedades mecânicas da quitosana. Ziani et
al. (2008), constataram que filmes de quitosana de maior grau de desacetilação
possuíram maior índice de cristalinidade, o qual foi atribuído ao fato das cadeias serem
mais compactas, o que facilita a formação de pontes de hidrogênio e cristalinidade no
filme. Quitosanas com maior grau de desacetilação contém um maior número de grupos
glucosamina, que também facilita a formação de pontes de hidrogênio. Além disso, o alto
grau de desacetilação possibilitou a obtenção de filmes com menor resistência a tração e
menor porcentagem de elongação que os filmes preparados com quitosana de menor
16
grau de desacetilação. Conforme o mesmo autor tem sido relatado que a resistência a
tração de filmes de quitosana aumenta com o aumento da massa molar.
2.3.1 Processo de produção da quitosana
Para a obtenção da quitosana, primeiramente, é necessário isolar a quitina. De
início, é feita uma desmineralização, diferentes substâncias ácidas podem ser utilizadas,
como HCl, HNO3, H2SO3, HCOOH ou H3CCOOH, com a finalidade de reduzir o teor de
cinzas do material. A seguir é feita uma desproteinização com solução aquosa alcalina,
tais como, NaOH, Na2CO3, NaHCO3, KOH, K2CO3 ou Ca(OH)2, para redução de
proteínas e gorduras, e por fim, é feita a desodorização/despigmentação, para eliminação
do odor e dos pigmentos, com solução de KMnO4, NaOCl ou H2O2. Em todas as etapas
são feitas lavagens para neutralização, seguido de secagem até a umidade comercial
(10%), podendo se obter um rendimento de 5 a 7% (Campana-Filho et al., 2007; Weska
et al., 2007).
Com a quitina isolada, pode ser obtida a quitosana, através de uma desacetilação
alcalina ou enzimática. De acordo com Konieczna-Molenda et al. (2008) e Ming et al.
(2006), a desacetilação enzimática ocorre a uma taxa de hidrólise muito lenta, além
disso, as enzimas perdem a atividade facilmente. Segundo Weska et al. (2007), a
desacetilação alcalina é a mais utilizada, e durante a reação de hidrólise os grupos
acetila da quitina podem ser removidos parcialmente ou totalmente, liberando grupos
amino que impõem natureza catiônica a quitosana resultante, que consiste de uma
mistura de monômeros. Na desacetilação alcalina, uma solução de NaOH ou KOH é
adicionada sobre a quitina sob temperaturas que variam de 80 a 140 °C e agitação por
até 10 h (Knorr, 1991).
2.4 Lipídios
A fim de aumentar a hidrofobicidade de filmes baseados em carboidratos, como a
quitosana, e consequentemente melhorar a sua permeabilidade ao vapor de água, as
principais frações lipídicas incorporadas são, ácidos graxos (Vargas et al., 2009;
Bourtoom & Chinnan, 2009; Cárdenas et al., 2008; Fabra et al., 2008; Li et al., 2008;
Srinivasa et al., 2007) , óleos vegetais (Bourtoom & Chinnan, 2009; Bravin et al., 2006;
Bravin et al., 2004), óleos hidrogenados (The et al., 2009; Gallo & Debeaufort, 2000) e
ceras (Hambleton et al., 2009; Fabra et al., 2008; Maftoonzad et al., 2007; Han et al.,
2006; Phan et al., 2005).
17
As ceras têm sido os lipídios mais utilizados em filmes a base de polissacarídeos
e/ou proteínas, estudos (Fabra et al., 2008) demonstram que são mais eficazes que os
ácidos graxos saturados na melhoria da propriedade de barreira ao vapor de água. Isso
se deve ao fato da sua alta hidrofobicidade. Conforme aumenta a extensão da cadeia,
diminui a mobilidade, fazendo com que os lipídios de cadeias longas sejam mais
eficientes como barreira a transmissão de vapor de água (Fabra et al., 2008;
Shellhammer & Rhim, 2005).
Vargas et al. (2009), estudaram o efeito da incorporação de ácido oléico na matriz
filmogênica de quitosana de alta massa molar, e observaram que quanto maior o teor do
ácido graxo insaturado, menor foi a permeabilidade ao vapor de água e a sorção de
umidade, além disso, a adição do mesmo provocou uma redução no alongamento,
resistência a tração e no módulo de elasticidade dos filmes emulsionados.
Bourtoom & Chinnan, (2009), demonstraram que a permeabilidade ao vapor de
água de filmes compostos de quitosana e amido, foi reduzida com a incorporação de óleo
de palma, ácido oléico ou margarina, porém, com o aumento da concentração dos
lipídios, as propriedades de resistência a tração e elongação foram reduzidas, o que
atribuíram a redução da interação entre as moléculas lipídicas não polares e moléculas
polares do carboidrato.
Em filme biopoliméricos, também podem ser utilizados triacilgliceróis ou lipídios
neutros, estes são ésteres de ácidos graxos com glicerol, possuindo maior
hidrofobicidade que as ceras, sendo que esta característica depende da sua estrutura.
São insolúveis em água, porém formam uma camada mono-estável em filmes
(Shellhammer & Rhim, 2005).
2.4.1 Óleo refinado
O óleo bruto de pescado é composto por cerca de 90% de lipídios neutros
(triacilgliceróis e ácidos graxos livres), apresentando ainda lipídios polares como
fosfolipídios, esfingolipídios e lipídios oxidados. Os triacilgliceróis quantitativamente
constituem a classe mais importante dos óleos, perfazendo, nos óleos refinados entre 96
a 98% (Ziller, 1996).
A fim de melhorar as características do óleo bruto de pescado, o refino deve ser
realizado, e segundo Morais et al. (2000), Wang et al. (2002) e Azbar & Yonar, (2004),
isso é possível através de etapas de degomagem com solução acidificada para remoção,
principalmente, de fosfolipídios. Posteriormente, ácidos graxos livres são neutralizados,
18
mediante solução alcalina, com subsequente hidratação para eliminação de sabões e
fosfatídios.
Ao término da hidratação dos ácidos graxos, os mesmos são colocados em
contanto com materiais adsorventes, tais como, terra diatomácea e/ou carvão ativado
para facilitar a filtração e a remoção de compostos menores e indesejáveis, esta etapa é
denominada branqueamento. A etapa de invernalização é realizada visando à
concentração de estearinas e, principalmente, oleínas, compostas entre outros, pelos
ácidos graxos eicosapentaenóico (C 20:5 EPA ω-3) e docosahexaenóico (C 22:6 DHA ω-
3 ). Uma etapa de desodorização é realizada através de um destilador com arraste de
vapor em temperaturas elevadas a vácuo, para que produtos de degradação térmica e
componentes voláteis responsáveis por odor e sabor característico sejam removidos,
obtendo-se o óleo refinado.
O óleo refinado das vísceras de carpa (Cyprinus carpio) oriundo do processo
termomecânico de farinha de pescado ou do processo de ensilagem ácida possuem
cerca de 67,4% de ácidos graxos monoinsaturados (AGMI) e poliinsaturados (AGPI),
destes 25,5% correspondem a ω6 e ω3-poliinsaturados (Crexi et al., 2010),
principalmente, eicosapentaenóico (C 20:5 EPA ω-3 ) e docosahexaenóico (C 22:6 DHA
ω-3 ), os quais são essenciais para respostas bioquímicas e fisiológicas do organismo
(Navarro-García et al., 2004).
De acordo com Abedian-Kenari et al. (2009), vários estudos mostram que o
consumo de óleo de pescado contendo ácidos graxos ω3-poliinsaturados pode influenciar
positivamente em diversos fatores biológicos associados a doenças cardiovasculares.
Pesquisas também têm mostrado que o consumo de ω-3 pode reduzir progressivamente
alguns tipos de câncer, como o câncer de próstata Shidhu, 2003 e o câncer de colo
Roynett et al., 2004. Devido as suas propriedades benéficas à saúde, e sua elevada
hidrofobicidade, esse óleo pode vir a ser uma alternativa para embalagens biopoliméricas
baseadas em polissacarídeos.
3. DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
O desenvolvimento do presente trabalho está estruturado em dois artigos
elaborados a partir dos resultados obtidos.
O primeiro artigo é intitulado: Produção de filme biopolimérico a partir de
quitosana modificado com fração lipídica, o qual foi submetido em 25/12/2010 ao
periódico International Journal of Food Science and Technology.
O segundo artigo é intitulado Avaliação da permeabilidade ao vapor de água
de filmes biopoliméricos a base de quitosana com incorporação de óleo de carpa, o
qual foi submetido em 12/09/2010 ao periódico Lebensmittel-Wissenchaft-und-
Technologie/Food Science and Technology.
20
ARTIGO 1. PRODUÇÃO DE FILME BIOPOLIMÉRICO A PARTIR DE
QUITOSANA MODIFICADO COM FRAÇÃO LIPÍDICA.
RESUMO: Devido às inúmeras vantagens dos filmes biodegradáveis sobre os sintéticos,
tem havido grande interesse, nos últimos anos, no desenvolvimento de filmes
biopoliméricos. Filmes formados a partir de polissacarídeos, como a quitosana, são
altamente permeáveis ao vapor de água. A fim de aumentar à resistência a difusão de
vapor de água de filmes a base de quitosana foi incorporado a matriz filmogênica uma
das frações lipídicas: óleo de pescado (refinado das vísceras de carpa), óleo vegetal
(refinado de arroz), ácido graxo saturado (esteárico) ou ácido graxo insaturado (oléico).
Os filmes biopoliméricos foram obtidos pela evaporação de solvente em estufa com
circulação de ar a 25 °C por 48 h. A quitosana obtida apresentou massa molar
viscosimétrica média de cerca de 150±5 kDa e grau de desacetilação de 86%±1. Os
resultados mostraram que a incorporação de frações lipídicas na matriz filmogênica
reduziu a permeabilidade ao vapor de água (PVA) quando comparado com o filme de
quitosana simples. Sendo que a adição do óleo refinado de pescado proporcionou a
maior redução (em torno de 60%) na PVA. Entretanto, os filmes de quitosana pura
apresentaram melhores propriedades mecânicas (resistência tração e elongação no
ponto de ruptura).
Palavras-chave: ácidos graxos, filmes biopoliméricos, óleo de pescado, óleo vegetal.
1. Introdução
Devido às inúmeras vantagens dos filmes biodegradáveis sobre os sintéticos, tem
havido grande interesse, nos últimos anos, no desenvolvimento de filmes biopoliméricos
que atuam como embalagem e/ou componente do material (Ferreira et al., 2009). Duas
promissoras aplicações desses filmes são a substituição de plásticos de vida curta em
embalagens de alimentos e a utilização como filmes comestíveis (Adebiyi et al., 2008)
A quitosana é um carboidrato do tipo amino polissacarídeo, com atividade
antimicrobiana, propriedades atóxicas e de biocompatibilidade, que combinado com seu
caráter catiônico e sua capacidade de formar película faz com que seja um dos
biopolímeros de maior potencial na obtenção de embalagens, especialmente como filmes
comestíveis (No et al., 2007).
Filmes formados a partir de polissacarídeos possuem boas propriedades
mecânicas, entretanto, o fato de serem altamente permeáveis ao vapor de água, devido
21
seu caráter fortemente hidrofílico, limita suas potenciais aplicações, sendo que um efetivo
controle de transferência de umidade é desejável para maioria dos alimentos (Fernandez-
Saiz et al., 2009).
A fim de melhorar as propriedades de permeabilidade ao vapor de água (PVA) de
filmes biopoliméricos, as principais frações lipídicas incorporadas são ácidos graxos
(Vargas et al., 2009; Fabra et al., 2008; Srinivasa et al., 2007), óleos vegetais (Bourtoom
& Chinnan, 2009), óleos hidrogenados (The et al., 2009) e ceras (Hambleton et al., 2009).
Bourtoom & Chinnan (2009), estudando a incorporação de lipídios em filmes a base de
quitosana-amido, observaram uma redução na PVA quando óleo de palma ou margarina
foi adicionado. O efeito da adição de alguns óleos vegetais, como óleo essencial de
orégano, também tem sido investigado (Chi et al., 2006). Entretanto, existem poucas
informações consistentes sobre o efeito da incorporação de óleo refinado de pescado nas
propriedades de filmes biopoliméricos.
As ceras têm sido os lipídios mais utilizados em filmes a base de polissacarídeos
e são mais efetivos na redução da PVA do que os ácidos graxos saturados. Isto é devido
a sua elevada hidrofobicidade (Fabra et al., 2008; Hambleton et al., 2009). Devido ao
caráter hidrofóbico do óleo de pescado, este poderia ser combinado com polissacarídeos.
Além disso, o uso do óleo refinado de pescado como fase dispersa poderia agregar valor
ao filme, devido, principalmente, a presença de eicosapentaenóico (C 20:5 EPA ω-3) e
docosahexaenóico (C 22:6 DHA ω-3) (Crexi et al., 2010).
O objetivo deste estudo foi de aumentar à resistência a difusão de vapor de água
de filmes a base de quitosana, incorporando diferentes frações lipídicas na matriz
filmogênica, óleo de pescado (refinado das vísceras de carpa), óleo vegetal (refinado de
arroz), ácido graxo saturado (esteárico) ou ácido graxo insaturado (oléico). Além disso,
foram avaliadas as propriedades mecânicas (resistência a tração e elongação no ponto
de ruptura). Microscopia eletrônica de varredura foi utilizada para examinar as superfícies
dos filmes.
2. Material e métodos
2.1 Produção da quitosana
A quitosana foi obtida de acordo com a metodologia de Weska et al., (2007)
através de desacetilação alcalina (NaOH 42,1%, a 130 °C por 90 min) da quitina obtida
através de etapas de desmineralização, desproteinização e desodorização dos rejeitos de
camarão (Farfantepenaeus brasiliensis). A quitina obtida foi seca em secador de
22
bandejas até atingir a umidade comercial (<10%). A quitosana foi purificada e seca em
leito de jorro de acordo com metodologia de Halal et al., (2010).
2.2 Obtenção das frações lipídicas
O óleo refinado de pescado foi obtido a partir de vísceras de carpa (Cyprinus
carpio) de acordo com metodologia proposta por Crexi et al., (2010): onde, o óleo bruto
foi obtido a partir do processo termomecânico, e submetido a um refino químico, através
de etapas de degomagem, neutralização, lavagem, desumidificação, branqueamento,
winterização e desodorização. Os ácidos graxos utilizados foram o esteárico e oléico
(Sigma-Aldrich, USA), óleo de arroz foi obtido no comércio local da cidade de Rio
Grande, RS.
2.3 Preparação dos filmes
As dispersões filme formadoras (DFFs) foram obtidas pela dissolução, a
temperatura ambiente, do pó de quitosana em uma solução aquosa de ácido acético
(0,01 g g-1). Quando requerido, Tween 80 na proporção de 0,05 g g-1quitosana (Ziani et al.,
2008) e uma das frações lipídicas (óleo de pescado, óleo de arroz, ácido oléico ou ácido
esteárico) na relação de quitosana-fração lipídica (QTS:FL) de 4:1 foram adicionados, e
as DFFs foram emulsificadas (modelo 1100-01 Dremel Stylys, CHN) a 10000 rpm por 4
min. Posteriormente, o pH foi ajustado para 5,0 com solução de NaOH (1 mol L-1) (Vargas
et al., 2009). Para incorporação do ácido esteárico, este foi dissolvido através de
aquecimento por meio de uma chapa aquecida. As dispersões foram filtradas através de
um filtro de papel sob vácuo. A espessura do filme foi obtida através do volume de
solução filmogênica vertida sobre placas (ɸ 15 cm) de petri. Todos os filmes foram
preparados com 100 mL de solução filmogênica. Os filmes foram obtidos pela
evaporação do solvente em estufa com circulação de ar a 25 °C por 48 h. Após, os filmes
foram removidos das placas e armazenados em dessecadores a 25 °C e 55% de
umidade relativa por até 48 h antes das análises. Os experimentos foram realizados em
réplicas. Um resumo gráfico do processo de produção dos filmes é apresentado no
Apêndice (Página 63).
2.4 Caracterização do pó de quitosana
A massa molar viscosimétrica média foi determinada pelo método viscosimétrico
(modelo Schott Gerate, GMBH-D65719, Cannon-Fenske, GER). A viscosidade intrínseca
foi obtida pela equação de Huggins, e convertida em massa molar usando equação de
23
Mark-Houwink-Sakurada, Eq. (1), onde K = 1,81 x 10-3 mL g-1 e α = 0,93 (Weska et al.,
2007).
αvMK =η (1)
onde é a viscosidade intrínseca (mL g-1); e Mv é a massa molar viscosimétrica média
(Da).
O grau de desacetilação (GD) foi determinado através de análise de
Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (Prestige 21, 210045,
Japan). O pó foi preparado com KBr (Sigma-Aldrich, USA) (Sakkayawong et al., 2007) e o
GD determinado de acordo com a Eq. (2) (Cervera et al., 2004).
OHOC AAGD /38,87 (2)
onde GD é o grau de desacetilação (%); AC=O a absorbância do grupo C=O, e A-OH é a
absorbância de grupo –OH.
2.5 Caracterização físico-química dos óleos refinados
O ácido tiobarbitúrico foi determinado de acordo com Vyncke (1970), utilizando o
método espectrofotométrico (modelo Q-108 DRM, Quimis, BRA), calculado a partir da
curva padrão obtida pela reação de quantidades conhecidas de 1,1,3,3
tetrametoxipropano com TBA.
O conteúdo de ácidos graxos livres foi determinado de acordo com métodos da
American Oil Chemists Society, (AOCS, 1980). O método de ácidos graxos livres (FFA,
Ca 5a-40) foi utilizado com base em titulação do óleo com uma solução de hidróxido de
sódio (fenolftaleína como indicador), diluída com uma mistura de éter etílico-álcool etílico.
Os perfis de ácidos graxos dos óleos refinados foram determinados por
preparação de ésteres metílicos de acordo com Metcalfe & Schimitz (1966). Os ésteres
metílicos de ácidos graxos foram identificados por cromatografia gasosa (cromatógrafo
modelo Varian-3400 CX, USA).
2.6 Caracterização dos filmes
2.6.1 Espessura
24
Após o período de acondicionamento, a espessura dos filmes foi obtida utilizando
um paquímetro digital (modelo VTC, Stainless Hardened, BRA) resolução 0,0100±0,0005
mm. A espessura foi fixada como sendo a média aritmética de 12 medidas aleatórias
sobre a área do filme.
2.6.2 Permeabilidade ao vapor de água
Ensaios de permeabilidade ao vapor de água (PVA) foram realizados
gravimetricamente a 25°C, de acordo com o método E96-95 da American Society for
Testing and Materials (ASTM, 1995). As amostras de cada filme, em forma de discos
(D=70 mm), foram fixadas com parafina em células de permeação de alumínio, contendo
cloreto de cálcio anidro granulado. Essas células foram acondicionadas em dessecadores
a 25 °C e 75% UR. A partir do ganho de massa do cloreto de cálcio granulado,
mensurado em intervalos de 24 h, durante 7 dias, foi possível determinar o vapor de água
transferido através do filme, conforme Eq. (3).
PA.
L
t
m= PVA ab.
(3)
onde mab é a massa de umidade absorvida (g); t é o tempo de duração do teste (dias); L
é a espessura média do filme (mm); A é a área da superfície exposta do filme (m2), e ΔP
é a diferença de pressão parcial de vapor através do filme (kPa).
2.6.3 Propriedades mecânicas
A resistência a tração (RT) e elongação na ruptura (E) foram mensurados
uniaxialmente esticando a amostra em uma direção usando um texturômetro (modelo
TA.XP, Stable Microsystems SMD, UK) de acordo com o método padrão da American
Society for Testing and Materials, ASTM D-882 (ASTM, 2001), com célula de carga de 50
N. As amostras de filmes foram cortadas, com 100 mm de comprimento e 25 mm de
largura. Como parâmetros de execução de ensaios adotou-se uma distância inicial entre
as garras de 50 mm e uma velocidade de 50 mm min-1.
2.6.4 Análise de espectroscopia no infravermelho (FT-IV)
Os filmes foram analisados usando equipamento espectrofotométrico FT-IV
(Prestige 21, 210045, Japan) na região espectral de 4000-400 cm-1 (Xu et al., 2005).
2.6.5 Microscopia eletrônica de varredura
25
Amostras de filme foram analisadas para determinar as características de
superfície usando um microscópio eletrônico de varredura (modelo JSM-5800 LV, JEOL,
JPN) operando a 10 kV. Cinco amostras foram colocadas sobre um tubo de bronze e
revestidas com uma camada de ouro antes de obter as imagens (Vargas et al., 2009).
2.7 Análise estatística
Para determinar diferenças, estatisticamente, significativas (p ≤0,05) entre médias,
análises One-way de variância e teste de Tukey foram utilizadas, usando o software
Statistic 6.0 (Statsoft, USA).
3. Resultados e discussão
3.1 Caracterização do pó de quitosana
A quitosana apresentou massa molar viscosimétrica média de 150±5 kDa (Eq. 1).
A Figura 1 mostra o espectro FT-IV utilizado para determinar as bandas de quitosana e
posteriormente o grau de desacetilação.
Figura 1. Espectro do pó de quitosana
Conforme a Figura 1, uma banda em 1556 cm-1 corresponde ao grupo amina (-
NH2), típico da quitosana (Ziani et al., 2008). Pode-se observar em 1640 cm-1 uma
deformação axial de C=0 (banda 1 de amida) (Martínez-Camacho et al., 2010). Bandas
fracas em 1020 cm-1 e 1080 cm-1 são relativas a links C-N, e em 2933 cm-1 a amina
primária. Além disso, podem ser observados links de grupos hidroxila na estrutura da
quitosana (Baskar & Kumar, 2009). O grau de desacetilação obtido pela análise de
espectroscopia de infravermelho, através da Eq. (2), foi de 86±1%.
26
3.2 Caracterização dos óleos refinados
Os valores de ácido tiobarbitúrico (TBA) e ácidos graxos livres (AGL) dos óleos
refinados de pescado (TBA: 5,9±0,2 mg malonaldeído kg-1; AGL: 0,09±0,01 %ácido
oléico) e arroz (TBA: 0,14±0,02 mg malonaldeído kg-1; AGL: 0,22±0,01 %ácido oléico)
estão de acordo com os padrões requeridos para aceitabilidade do consumo humano,
que são de 7-8 mg malonaldeído kg-1 e 1,8-3,5 %ácido oléico (Boran et al., 2006; Sathivel
et al., 2003). Os óleos refinados obtidos oferecem qualidade e estabilidade oxidativa, e
assim podem ser utilizados como componentes comestíveis.
O perfil de ácidos graxos livres e as classes de lipídios dos óleos refinados de
carpa e arroz são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Perfil de ácidos graxos livres (%) e classes de lipídios (% do total de
ácidos graxos) dos óleos refinados de carpa e arroz
Conforme a Tabela 1, os principais ácidos graxos presentes no oléo refinado de
carpa são: palmítico (C16:0), palmitoléico (C16:1), oléico (C18:1 ω-9), linoléico (C18:2 ω-
6) e linolênico (C18:3 ω-3) que constituem aproximadamente 68% do total. Além disso, o
óleo refinado de carpa apresentou 69% de AGMI + AGPI, dos quais 28% correspondem a
ω-3 e ω-6. Estas proporções estão de acordo com os resultados encontrados por Crexi et
al., (2010). Os principais ácidos graxos presentes no óleo de arroz são ácido palmítico
(20,2%), ácido esteárico (1,2%), ácido oléico (41,9%) e ácido linoléico (28,6%).
27
As proporções (1,2%) de ácido linolênico presente no óleo refinado de arroz é
baixa quando comparada com a quantidade (7,6%) presente no óleo refinado de pescado
obtido. A conversão metabólica de ácido linolênico em EPA e DHA não é eficiente, por
isso é considerado essencial e deve ser suprido na alimentação (Horrocks & Yeo, 1999).
3. 3 Caracterização dos filmes
3.3.1 Espessura
Todos os filmes apresentaram espessura média de 0,030±0,001 mm, e foram
caracterizados em termos de permeabilidade ao vapor de água e propriedades
mecânicas (resistência a tração e elongação na ruptura) conforme apresentado na
Tabela 2.
Tabela 2. Permeabilidade ao vapor de água, resistência a tração e elongação na
ruptura dos diferentes filmes
A Tabela 2 mostra diferenças, estatisticamente, significativas (p≤0,05), entre as
propriedades mecânicas e de permeabilidade dos filmes, através do teste de Tukey.
3.3.2 Permeabilidade ao vapor de água
A incorporação das diferentes frações lipídicas reduziu a permeabilidade quando
comparado com o filme de quitosana pura (Tabela 2). Os resultados mostram que a
incorporação de óleo refinado de pescado (ORP) ou ácido oléico (AO) proporcionaram as
maiores reduções. Para os filmes contendo ácidos graxos, a PVA decresceu com o
aumento do grau de insaturação.
A baixa transferência de vapor de água entre as cadeias poliméricas dos filmes
compostos de quitosana – óleo refinado (ORP ou ORA) pode ser devido a baixa
interação de moléculas altamente polares presentes no óleo (Tabela 1), tais como
hidroxila de alcoóis graxos e grupos carboxila de ácidos graxos. Neste sentido, os
resultados obtidos indicam que a predominância de moléculas lipídicas de cadeias
28
longas, especialmente EPA e DHA podem ter sido responsáveis pela maior resistência a
difusão de vapor de água dos filmes compostos de QTS-ORP, onde conteúdos de
EPA+DHA nos óleos de pescado e arroz são respectivamente, 5,3% e 0,1% (Tabela 1).
Assim, moléculas da porção polar podem ter tido pouca influência sobre a matriz de
hidrocarbonetos de cadeias longas, possibilitando a água migrar preferencialmente
através da matriz contínua (hidrofílica) e a fase lipídica dispersa aumentar a tortuosidade
nas cadeias poliméricas dificultando a difusão de vapor de água (Shellhammer & Rhim,
2005).
O ácido oléico possui um certo grau de mobilidade devido a sua insaturação, que
pode ter resultado na redução da PVA (Monedero et al., 2009; Fabra et al., 2008). Apesar
da elevada quantidade de ácido oléico presente no óleo refinado de arroz (Tabela 1), os
filmes contento ácido oléico puro tiveram menores valores de PVA que aqueles contendo
óleo de arroz. Os resultados observados para os filmes de QTS-ORA pode ser devido ao
desenvolvimento de interações particulares do ácido oléico com a matriz de quitosana
que não possibilitaram o aumento da hidrofobicidade da matriz quando o ORA foi
incorporado.
3.3.3 Propriedades mecânicas
Os valores de percentagem de elongação (%E) e resistência a tração (RT) dos
filmes de quitosana pura (Tabela 2) foram, em geral, compatíveis com aqueles
encontrados na literatura para filmes de quitosana, que estão na faixa de 40 MPa
(Srinivasa et al., 2007) e 20% (Vargas et al., 2009) para RT e E, respectivamente.
A incorporação das diferentes frações lipídicas resultou em uma redução na RT e
E, que coincide com os resultados reportados por Srinivasa et al., (2007) e Vargas et al.,
(2009) que adicionaram ácidos graxos saturados (ácidos palmítico e esteárico) e
insaturados (ácido oléico) em matriz de quitosana, respectivamente. Bourtoom & Chinnan
(2009), incorporaram ácido oléico, óleo de palma ou margarina em uma matriz de
quitosana-amido. A baixa RT dos filmes compostos pode ser devido a uma redução da
proximidade e da interação entre as cadeias poliméricas, causado pela adição de
surfactante. De acordo com Bourtoom & Chinnan (2009), a baixa E é consequência de
uma redução da interação entre as moléculas lipídicas (não polar) e de carboidratos
(polar).
Os filmes compostos com óleo refinado de arroz apresentaram maior elongação,
quando comparados com os obtidos com ácidos graxos ou óleo refinado de pescado.
Devido à maior quantidade de ácido oléico presente nos óleos (Tabela 1), especialmente,
29
no refinado de arroz, esperava-se um efeito plastificante do mesmo (Monedero et al.,
2009). Se a plastificação ocorre, a RT diminui, ao mesmo tempo em que a elongação
aumenta. Entretanto, este não foi o caso quando o valor de elongação do filme de
quitosana pura foi comparado com os dos filmes compostos. Isto pode ser um caso de
separação de fases devido à incompatibilidade, o que pode ser deduzido a partir de
técnicas de imagens como a microscopia eletrônica de varredura, onde as
microestruturas das superfícies dos filmes podem ser observadas (Figura 3). De acordo
com a classificação estabelecida por Krochta & De Mulder-Johnston (1997) para filmes
biopoliméricos, os atributos mecânicos obtidos pelos filmes compostos desenvolvidos
neste estudo podem ser considerados como pobres, quando comparados com os dos
filmes sintéticos.
3.3.4 Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FT-IV)
A espectroscopia FT-IV foi usada para examinar as interações entre quitosana e
óleo refinado de pescado. A Figura 2 apresenta o espectro de infravermelho dos filmes
de quitosana pura e quitosana-óleo refinado de pescado.
Figura 2. Espectro dos filmes de quitosana pura e quitosana-óleo refinado de
pescado
O espectro de infravermelho do filme de quitosana pura apresenta um pico em
3292 cm-1 de estiramento OH que sobrepõem um estiramento NH na mesma região. Os
picos em 2877 cm-1, 2927 cm-1 e 2981 cm-1 são relativos à deformação axial simétrica e
assimétrica de CH (CH3 e CH2). A banda em 1560 cm-1 corresponde a NH (amida II). Um
pequeno pico em 1415 cm-1 foi devido ao estiramento de C=O (amida I), e o pico em
30
1707 cm-1 sugere a presença de grupos carbonila no filme (Xu et al., 2005). No espectro
do filme de quitosana-óleo refinado de pescado, o pico amino da quitosana não foi
movido com a adição do óleo. Ao contrário do trabalho de Xu et al., (2005), preparando
filmes compostos, estes resultados indicam que interações não estavam presentes entre
os grupos hidroxila de ácidos graxos (presentes no óleo) e os grupos amino da quitosana.
Os picos em 1535-1251 cm-1 referem-se a predominância de insaturados presentes no
óleo refinado. Os picos em 2924 e 2852 cm-1 correspondem a CH2 e CH,
respectivamente.
3.3.5 Microestrutura
Para melhor elucidar a relação entre as características de superfície e as
propriedades (permeabilidade ao vapor de água, resistência a tração e elongação na
ruptura) dos filmes, microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada para examinar
as superfícies dos mesmos. As micrografias de MEV (Figura 3) mostram um aumento da
irregularidade da superfície com a incorporação de lipídios. Entretanto, ácido oléico
(Figura 3b) e óleo refinado de pescado (Figura 3c) aparentam estarem bem incorporados
na matriz de quitosana, resultando em uma superfície relativamente lisa e contínua. Os
filmes compostos com óleo refinado de arroz (Figura 3d) ou ácido esteárico (Figura 3e)
apresentaram uma superfície altamente irregular, sugerindo uma separação de fases
devido a incompatibilidade. As diferenças na estrutura da superfície podem ter
contribuído em alguma extensão para as diferenças nas propriedades (permeabilidade ao
vapor de água e mecânicas) dos dois filmes. A agregação possivelmente foi mais difícil
para formulação com óleo refinado de arroz ou ácido esteárico, devido à separação de
fases ou maior tensão de superfície. Esta separação resultou em maiores
descontinuidades na estrutura dos filmes e possivelmente proporcionou a formação de
caminhos preferencias para a difusão de vapor de água, o que explica, respectivamente,
a maior PVA e a menor RT dos filmes (Tabela 2), quando comparados com os filmes de
quitosana pura ou com óleo refinado de pescado.
31
Figura 3. Micrografias de MEV dos filmes: (a) QTS; (b) QTS-AO; (c) QTS-ORP; (d)
QTS-OAR; (e) QTS-AE.
4. Conclusões
Os resultados mostraram que a incorporação das frações lipídicas nos filmes
reduziu a permeabilidade ao vapor de água, quando comparada com a dos filmes de
quitosana pura. Sendo que a adição do óleo refinado de pescado proporcionou a maior
redução (cerca de 60%). Entretanto, os filmes de quitosana pura apresentaram melhores
propriedades mecânicas (resistência a tração e elongação na ruptura). Esses resultados
32
sugerem que os filmes resultantes, principalmente, de quitosana-óleo refinado de
pescado podem ser classificados como material de embalagem para alimentos que
requeiram controle da transferência de vapor de água para aumentar a vida útil de
produtos.
5. Referências
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35
ARTIGO 2. AVALIAÇÃO DA PERMEABILIDADE AO VAPOR DE ÁGUA
DE FILMES BIOPOLIMÉRICOS A BASE DE QUITOSANA COM
INCORPORAÇÃO DE ÓLEO DE CARPA.
RESUMO: Filmes formados apenas por quitosana possuem baixa resistência a difusão
de vapor de água. Uma alternativa para melhorar a permeabilidade é a incorporação de
biopolímeros hidrofóbicos. Tanto a formulação, quanto o uso desses filmes dependem de
fatores como concentração de aditivos e pH da dispersão filme formadora. O objetivo
deste trabalho foi desenvolver filmes compostos de quitosana-óleo de carpa (Cyprinus
carpio) e analisar o efeito da incorporação de diferentes proporções de óleo de carpa
sobre as propriedades de permeabilidade ao vapor de água, resistência a tração (RT),
elongação na ruptura (E) e transparência. Além disso, o pH das dispersões filme
formadoras foi estudado com a finalidade de observar sua influência sobre as
propriedades dos filmes para obter as condições físico-quimica para sua formação. A
quitosana obtida apresentou massa molar viscosimétrica media de cerca de 150±5 kDa e
grau de desacetilação de 86±1%. O óleo refinado de carpa apresentou 69% de
insaturação. A incorporação do óleo de carpa, nas proporções estudadas, resultou em
um aumento da resistência a difusão de vapor de água dos filmes. Entretanto, os filmes
de quitosana pura apresentaram melhores propriedades mecânicas, sendo que os
maiores e menores valores de RT e E foram obtidos em pH 3,5 e 5,5, respectivamente.
Palavras-chave: filme biopolimérico, óleo de pescado, pH, tensão superficial,
transparência.
1. Introdução
Devido preocupações com recursos naturais limitados e impactos ambientais
causados pelo uso de polímeros sintéticos, filmes baseados em biopolímeros tem sido
objeto de grande interesse nos últimos anos. Os materiais baseados em biopolímeros,
especialmente filmes comestíveis, possuem habilidade para retardar umidade, oxigênio,
aromas e produtos ativos, podendo substituir, em algumas aplicações, as embalagens
sintéticas (Ferreira et al., 2009).
O uso de filmes biopoliméricos em aplicações de alimentos depende de vários
fatores como custo, disponibilidade, atributos funcionais, propriedades mecânicas (força e
flexibilidade), qualidade ótica (cor e opacidade), requisitos de barreira (permeabilidade ao
vapor de água, O2 e CO2), resistência estrutural a água e aceitabilidade sensorial. Essas
36
características são influenciadas por parâmetros como o tipo de material utilizado como
matriz estrutural (conformação, massa molar, distribuição de carga), condições de
produção do filme (solvente, pH, concentração, temperatura, etc.) e o tipo e concentração
de aditivos (plastificantes, agentes de reticulação, antimicrobianos, antioxidantes) (Aider,
2010; Silva et al., 2009).
Quitosana é um dos mais abundantes polissacarídeos de ocorrência natural,
sendo o produto N-desacetilado da quitina e é composto principalmente de unidades
repetidas de β -(1→4)2-amino-2-deoxi-D-glucose (D-glucosamina). Devido as suas
características de biodegradabilidade, biocompatibilidade, atividade antimicrobiana,
caráter catiônico e facilidade em formar película, possui imenso potencial como material
de embalagem (No et al., 2007). Entretanto, filmes a base de quitosana são altamente
permeáveis ao vapor de água (Vargas et al., 2009). Uma das estratégias utilizadas para
superar as pobres propriedades de permeabilidade ao vapor de água (PVA), preservando
a biodegradabilidade dos materiais é a incorporação de fração lipídica, principalmente,
ácidos graxos, óleos vegetais ou ceras naturais (Bourtoom et al., 2009; Fabra et al.,
2008a; Srinivasa et al., 2007; Vargas et al. 2009). No entanto, não existem dados sobre o
efeito de óleo animal, como o óleo refinado de pescado, sobre propriedades de filmes
biopoliméricos.
A carpa comum (Cyprinus carpio) é uma das principais espécies de pescado na
produção da aquicultura mundial (Vandeputte et al., 2008). Os rejeitos de carpa
apresentam como fonte de elevada qualidade nutricional, e são utilizados na obtenção de
óleo. O óleo refinado de carpa possui baixo ponto de fusão e é uma importante fonte de
ácidos graxos poliinsaturados (AGPI), constituído, principalmente, de eicosapentaenóico
e docosahexaenóico (Crexi et al., 2010), que são benéficos a saúde humana, sendo
essenciais para o desenvolvimento e funcionamento de determinados órgãos e algumas
respostas bioquímicas e fisiológicas do organismo (Navarro-García et al., 2004).
A incorporação de lipídios de baixo ponto de fusão, em filmes compostos, pode
ser uma alternativa de plastificação e aumento da resistência a difusão de vapor de água
dos mesmos (Shaw et al., 2002). Assim, estes filmes podem ser mais aceitáveis que os
contendo lipídios de alto ponto de fusão, proporcionando uma maior gama de aplicações
em alimentos. Neste trabalho, foram desenvolvidos filmes compostos de quitosana-óleo
refinado de carpa, e analisados os efeitos da incorporação de diferentes proporções de
óleo refinado de carpa na permeabilidade ao vapor de água (PVA), nas propriedades
mecânicas e transparência dos filmes obtidos. Além disso, o pH das dispersões filme
formadoras foi estudado, com a finalidade de observar sua influência sobre as
propriedades dos filmes.
37
2. Material e métodos
2.1 Produção da quitosana
A quitosana foi obtida a partir de rejeitos de camarão (Farfantepenaeus
brasiliensis) através do processo descrito por Weska et al., (2007): desmineralização,
desproteinização, desodorização e desacetilação. Posteriormente, a quitosana foi seca
em um leito de jorro de acordo com a metodologia de Halal et al., (2010).
2.2 Obtenção do óleo refinado
O óleo refinado foi obtido a partir de vísceras de carpa (Cyprinus carpio) de
acordo com metodologia proposta por Crexi et al., (2010): onde, o óleo bruto foi obtido a
partir do processo termomecânico, e submetido a um refino químico, através de etapas
de degomagem, neutralização, lavagem, desumidificação, branqueamento, winterização
e desodorização.
2.3 Preparação das dispersões filme formadoras
As dispersões filme formadoras (DFFs) foram obtidas pela dissolução, a
temperatura ambiente, do pó de quitosana em uma solução aquosa de ácido acético
(0,01 g g-1). Quando requerido, 0,02 gglicerol g-1quitosana foi adicionado como agente
plastificante, e a DFF homogeneizada (model MAG-01H, Marte, BRA) à temperatura
ambiente por 10 min (Ziani et al., 2008). Tween (0,05 g g-1quitosana) (Ziani et al., 2008) e
quitosana:óleo refinado de carpa (4:1 ou 10:1) foram adicionados nas DFFs sem
plastificantes, e estas foram emulsificadas (model 1100-01 Dremel Stylys, CHN) a 20000
rpm por 10 min. Posteriormente, o pH foi ajustado para 3,5 com solução de NaOH (1 mol
L-1)
2.4 Preparação dos filmes
As dispersões foram filtradas através de um filtro de papel sob vácuo. A
espessura do filme foi obtida através do volume de solução filmogênica vertida sobre
placas (ɸ 15 cm) de petri. Todos os filmes foram preparados com 100 ml de solução
filmogênica. Os filmes foram obtidos pela evaporação do solvente em uma estufa com
circulação de ar a 25 °C por 48 h. Após, os filmes foram removidos das placas e
armazenados em dessecadores a 25 °C e 55% de umidade relativa por até 48 h antes
das análises. Os experimentos foram realizados em réplicas.
38
2.5 Metodologia analítica
2.5.1 Caracterização do pó de quitosana
A massa molar viscosimétrica média foi determinada pelo método viscosimétrico
(modelo Schott Gerate, GMBH-D65719, Cannon-Fenske, GER). A viscosidade intrínseca
foi obtida pela equação de Huggins, e convertida em massa molar usando equação de
Mark-Houwink-Sakurada, Eq. (1), onde K = 1,81 x 10-3 mL g-1 e α = 0,93 (Weska et al.,
2007).
αvMK =η (1)
onde é a viscosidade intrínseca (mL g-1); Mv é a massa molar viscosimétrica média
(Da); K e são constante para a quitosana no sistema ácido acético/cloreto de sódio à
25ºC (adimensional).
O grau de desacetilação (GD) foi determinado através de análise de
Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (Prestige 21, 210045,
Japan). O pó foi preparado com KBr (Sigma-Aldrich, USA) (Sakkayawong et al., 2007) e o
GD determinado de acordo com a Eq. (2) (Cervera et al., 2004).
OHOC AAGD /38,87 (2)
onde GD é o grau de desacetilação (%); AC=O a absorbância do grupo C=O, e A-OH é a
absorbância de grupo –OH.
2.5.2 Caracterização físico-química do óleo refinado
O ácido tiobarbitúrico foi determinado de acordo com Vyncke (1970), utilizando o
método espectrofotométrico (modelo Q-108 DRM, Quimis, BRA), calculado a partir de
uma curva padrão obtida pela reação de quantidades conhecidas de 1,1,3,3
tetrametoxipropano com TBA.
Conteúdo de ácidos graxos livres foi determinado de acordo com métodos da
American Oil Chemists Society, (AOCS, 1980). O método de ácidos graxos livres (FFA,
Ca 5a-40) foi utilizado com base em titulação do óleo com uma solução de hidróxido de
sódio (fenolftaleína como indicador), diluídas com uma mistura de éter etílico-álcool
etílico.
39
O perfil de ácidos graxos dos óleo refinado foi determinado por preparação de
ésteres metílicos de acordo com Metcalfe & Schimitz (1966). Os ésteres metílicos de
ácidos graxos foram identificados por cromatografia gasosa (cromatógrafo modelo
Varian-3400 CX, USA)
2.5.3 Caracterização das dispersões filme formadoras
A tensão interfacial das dispersões filme formadoras foi mensurada usando o
método do anel com um tensiômetro digital (modelo K9-MK1, Krüss Gembh, GER). Entre
cada medida, o anel foi lavado com água destilada. Cinco medidas foram realizadas em
cada amostra de solução, a 25 °C.
2.5.4 Caracterização dos filmes
A espessura dos filmes foi obtida, após período de acondicionamento, utilizando
um paquímetro digital (modelo VTC, Stainless Hardened, BRA) resolução 0,0100±0,0005
mm. A espessura foi fixada como sendo a média aritmética de doze medidas aleatórias
sobre a área do filme.
Ensaios de permeabilidade ao vapor de água (PVA) foram realizados
gravimetricamente a 25°C, de acordo com o método E96-95 da American Society for
Testing and Materials (ASTM, 1995). As amostras de cada filme, em forma de discos
(D=70 mm), foram fixadas com parafina em células de permeação de alumínio, contendo
cloreto de cálcio anidro granulado. Essas células foram acondicionadas em dessecadores
a 25 °C e 75% UR. A partir do ganho de massa do cloreto de cálcio granulado,
mensurado em intervalos de 24 h, durante 7 dias, foi possível determinar o vapor de água
transferido através do filme, conforme Eq. (3).
PA.
L
t
m= PVA ab.
(3)
Onde mab é a massa de umidade absorvida (g); t é o tempo de duração do teste (dias); L
é a espessura média do filme (mm); A é a área da superfície exposta do filme (m2), e ΔP
é a diferença de pressão parcial de vapor através do filme (kPa).
A resistência a tração (RT) e elongação na ruptura (E) foram mensuradas
uniaxialmente esticando a amostra em uma direção usando um texturômetro (modelo
TA.XP, Stable Microsystems SMD, UK) de acordo com o método padrão da American
Society for Testing and Materials, ASTM D-882 (ASTM, 2001), com célula de carga de 50
N. As amostras de filmes foram cortadas, com 100 mm de comprimento e 25 mm de
40
largura. Como parâmetros de execução de ensaios adotou-se uma distância inicial entre
as garras de 50 mm e uma velocidade de 50 mm min-1.
A transparência dos filmes foi determinada utilizando um espectrofotômetro
(modelo Q-108 DRM, Quimis, BRA). As amostras de filme foram cortadas em retângulos
e colocadas no lado interno da célula do espectrofotômetro. A transparência foi
determinada a 600 nm através da Eq. (4), como descrito por Bourtoom & Chinnan
(2009).
L
TciaTransparên 600log
(4)
onde T600 é a transmitância a 600 nm, e L é a espessura do filme (mm).
As características de superfície das amostras de filme foram analisadas usando
um microscópio eletrônico de varredura (modelo JSM-5800 LV, JEOL, JPN) operando a
10 kV. Cinco amostras foram colocadas sobre um tubo de bronze e revestidas com uma
camada de ouro antes de obter as imagens.
2.6 Análise estatística
Para determinar diferenças, estatisticamente significativas (p ≤0,05), análises
One-way de variância e teste de Tukey foram utilizadas, usando o software Statistic 6.0
(Statsoft, USA).
3. Resultados e discussão
3.1 Caracterização do pó de quitosana
A quitosana seca utilizada como matriz contínua dos filmes apresentou massa
molar viscosimétrica média de 150±5 kDa. A análise FT-IV (Figura apresentada no Artigo
1) foi realizada: uma banda em 1556 cm-1 corresponde ao grupo amina (-NH2), típico da
quitosana (Ziani et al., 2008). Pode-se observar em 1640 cm-1 uma deformação axial de
C=0 (banda 1 de amida) (Martínez-Camacho et al., 2010). Bandas fracas em 1020 cm-1 e
1080 cm-1 são relativas a links C-N, e em 2933 cm-1 a amina primária. Além disso, pode
ser observados links de grupos hidroxila na estrutura da quitosana (Baskar & Kumar,
2009). O grau de desacetilação obtido pela análise de FT-IV foi de 86±1%.
41
3.2 Caracterização do óleo refinado
Os valores de ácido tiobarbitúrico (TBA: 5,9±0,2 mg malonaldeído kg-1) e ácidos
graxos livres (AGL: 0,09±0,01 %ácido oléico ) obtidos para o óleo refinado de carpa estão
de acordo com os padrões requeridos para aceitabilidade do consumo humano, que são
de 7-8 mg malonaldeído kg-1 e 1,8-3,5 %ácido oléico (Boran et al., 2006; Sathivel et al.,
2003). O óleo refinado obtido oferece qualidade e estabilidade oxidativa, e assim pode
ser utilizado como componente comestível.
O perfil de ácidos graxos livres e classes de lipídios do óleo refinado de carpa são
apresentados na Tabela 1.
Tabela 1. Perfil de ácidos graxos livres (%) e classes de lipídios (% do total de
ácidos graxos) do óleo refinado de carpa
Conforme a Tabela 1, os principais ácidos graxos presentes no oléo refinado de
carpa são: palmítico (C16:0), palmitoléico (C16:1), oléico (C18:1 ω-9), linoléico (C18:2 ω-
6) e linolênico (C18:3 ω-3) que constituem aproximadamente 68% do total. Além disso, o
óleo refinado apresentou 69% de AGMI + AGPI, dos quais 28% correspondem a ω-3 e
ω-6. Estas proporções estão de acordo com os resultados encontrados por Crexi et al.,
(2010).
42
3. 3 Formulação e caracterização dos filmes
Para obter as condições físico-químicas para formação do filme, foi avaliado o
efeito do pH sobre as propriedades mecânicas de resistência a tração (RT) e elongação
na ruptura (E) (Figura 1 e 2).
Figura 1. Resistência a tração dos filmes compostos de quitosana-glicerol, em
diferentes pHs. (n=3 repetições); o desvio padrão é mostrado através do diagrama
de barras, letras diferentes indicam diferenças (p≤0,05) significativas de acordo
com o teste de Tukey.
43
Figura 2. Elongação na ruptura dos filmes compostos de quitosana-glicerol, em
diferentes pHs. (n=3 repetições); o desvio padrão é mostrado através do diagrama
de barras, letras diferentes indicam diferenças (p≤0,05) significativas de acordo
com o teste de Tukey.
Testes preliminares mostraram que a preparação de filmes de quitosana com a
incorporação de glicerol foi possível quando a dispersão filme formadora tinha um pH na
faixa de 3,0-6,0. Entretanto, em pHs 3,0 e 6,0 foram obtidos filmes frágeis e
heterogêneos, respectivamente. A baixa uniformidade (pH 6,0) dos filmes é devido a
proximidade do ponto de maior solubilidade da quitosana, onde a transição solúvel-
insolúvel ocorre em valor de pH entre 6-6,5 (Pillai et al., 2009). A obtenção de filmes
frágeis (pH 3,0) pode estar relacionada a maior interação entre as cadeias poliméricas de
quitosana e glicerol, proporcionando uma menor mobilidade e formação de cristais (Ziani
et al., 2008). Os filmes apresentaram espessura de 30,0±1,0 µm.
De acordo com as Figuras 1 e 2, os valores de RT variarão entre 5,0-13,0 MPa e
os valores de E de 13,5-43,0%. Sendo que os maiores valores médios de RT e E foram
obtidos em pH 3,5. Na faixa de pH 4-5 não foram observadas diferenças,
estatisticamente, significativas a um nível de confiança de 95% (p≤0,05). Em pH 5,5 foi
observada uma redução significativa da RT (5,48±0,43 MPA) e E (15,75±2,33%). Isto foi
devido a uma redução da carga elétrica líquida, causada pela redução de íons H+ na
44
DFF, resultando em uma predominância de carga negativa que proporcionou uma
neutralização dos grupos amino da quitosana (pKa NH3+/NH2 ≈ 6.5) através de interações
com grupos hidroxila do glicerol (Vargas et al. 2009). Consequentemente, uma maior
repulsão entre as cargas, proporcionando uma menor interação eletrostática, e assim
uma menor capacidade de elongação e resistência a tração (Mathew & Abraham, 2008).
3. 3.1 Caracterização das dispersões filme formadoras (DFFs)
A fim de obter as condições (tensão interfacial) adequadas para formação dos
filmes, DFFs foram obtidas, em ensaios preliminares, com diferentes proporções de
quitosana:óleo de carpa (1:1, 2:1, 4:1, 6:1, 8:1, 10:1, 15:1, 20:1), velocidades de agitação
(2500, 5000, 7500, 10000, 15000, 20000 e 25000 rpm) e tempos de homogeneização (1,
3, 4, 6, 8, 10, 12 min.). As relações 1:1 e 2:1 proporcionaram dispersões heterogêneas e
resultaram em filmes com separação de fases. As proporções 15:1 e 20:1
proporcionaram dispersões homogêneas, porém resultaram em filmes quebradiços,
possivelmente devido a interações particulares entre grupos funcionais da quitosana e do
óleo. Tempos muito curtos ou longos (1, 3 e 12 min) e velocidades muito baixas (2500,
5000 rpm) ou altas (25000 rpm) não promoveram a formação de emulsão ou
desestabilizou a mesma. A escolha da velocidade (2000 rpm) e tempo (10 min) de
homogeneização, assim como a relação quitosana:óleo (4:1 e 10:1) utilizados neste
trabalho se deu devido a melhor estabilidade das dispersões filme formadoras, as quais
eram mais viscosas.
A presença de glicerol não modificou significativamente a tensão interfacial (70,
0±0,3 mN/m) das dispersões de quitosana. Esses resultados eram esperados tendo em
vista que o glicerol não é uma molécula tensoativo. Após a adição do tensoativo e do óleo
refinado de carpa as dispersões resultantes apresentaram um decréscimo (36%) nas
tensões interfaciais. Onde as dispersões de quitosana-óleo refinado de carpa (4:1) e
(10:1) apresentaram valores de 46,8±0,7 mN/m e 45,4±0,9 m/Nm, respectivamente. O
tensoativo foi adsorvido em parte ou toda superfície (ou interface) do sistema, e assim
reduziu significativamente a quantidade de trabalho necessário para expandir essas
interfaces, resultando em uma melhor molhabilidade (Ziani et al. 2008).
3. 3. 2 Propriedades dos filmes compostos de quitosana-óleo refinado de pescado
Todos os filmes foram caracterizados em termos de permeabilidade ao vapor de
água (PVA), propriedades mecânicas (resistência a tração (RT), elongação na ruptura
(E)) e transparência, os resultados de sua caracterização são apresentados na Tabela 2.
45
Tabela 2. Propriedades dos filmes compostos de quitosana-plastificante/óleo
refinado de pescado*
De acordo com a Tabela 2, os filmes compostos de quitosana-óleo refinado de
carpa apresentaram diferenças significativas (p≤0,05) entre as suas propriedades. A
incorporação do ORP reduziu a PVA em cerca de 60% quando comparado com os filmes
de quitosana pura e plastificado, porém, nas diferentes taxas (4:1 e 10:1) estudadas, não
foram observadas diferenças significativas. Esses resultados são suportados pelos
trabalhos de Kamper & Fennema (1984) que relataram que o aumento das
concentrações de lipídios não afeta a PVA de filmes compostos. A maior resistência a
difusão de vapor de água dos filmes compostos com óleo foi devido a uma menor
mobilidade das cadeias poliméricas, consequência da predominância de ácidos graxos
de cadeias longas.
Os valores de RT dos filmes de quitosana pura (Tabela 2), foram superiores aos
de filmes de polietileno de baixa densidade (8,3-27,6 MPa) (Andreuccetti et al., 2009;
Arvanitoyannis et al., 1998). Os valores de E foram inferiores aos encontrados para filmes
de polímeros sintéticos que estão na faixa de 250-300% (Brody & Marsh, 1997). A
incorporação do óleo afetou significativamente (p≤0,05) as propriedades de RT e E dos
filmes. Com a incorporação do óleo, nas diferentes concentrações estudadas, uma
redução na RT e E ocorreu. Estes resultados coincidem com os resultados relatados por
Srinivasa et al., (2007), Vargas et al., (2009) e Bourtoom & Chinnan (2009). De acordo
com a classificação estabelecida por Krochta & De Mulder-Johnston (1997) para filmes
biopoliméricos, os atributos mecânicos e de permeabilidade obtidos pelos filmes
compostos de quitosana-óleo refinado de pescado desenvolvidos neste estudo podem
ser considerados como pobres, e moderados, respectivamente, quando comparados com
os dos filmes sintéticos.
Em algumas aplicações de embalagens de alimentos, a transparência é uma
característica importante. A adição de lipídios na matriz filmogênica reduziu a
transparência dos filmes (Tabela 2). Os filmes compostos de quitosana-glicerol e os de
quitosana pura foram bastante transparentes. No entanto, quanto maior a concentração
46
de óleo de pescado menor foi a transparência dos filmes. Uma redução da transparência
poderia sugerir uma má distribuição das gotículas lipídicas através da matriz polimérica
de quitosana-óleo de pescado. Pois a incorporação de lipídios, geralmente, faz com que
os filmes percam a transparência (Bourtoom & Chinnan, 2009).
Conforme as micrografias de superfície apresentadas na Figura 3, o filme de
quitosana pura (Figura 3a) estava livre de bolhas de ar, possuindo uma superfície lisa e
contínua, sem estrutura granulada e porosa. Além disso, uma maior irregularidade da
superfície foi observada após a adição de glicerol (Figura 3b). Essas imperfeições
possivelmente facilitaram a difusão do vapor de água, o que explica a maior PVA (Tabela
2) desse filme. Os resultados mostram que os filmes compostos com óleo (Figura 3c e
3d) apresentaram certas irregularidades na superfície, no entanto, não o suficiente para
facilitar a difusão do vapor de água nas cadeias poliméricas.
Figura 3. Micrografias de MEV dos filmes: (a) QTS; (b) QTS-Glicerol; (c) QTS-ORP
(10:1); (d) QTS-ORP (4:1).
47
4. Conclusões
Neste trabalho, foram desenvolvidos filmes compostos de quitosana-glicerol/óleo
de carpa, e avaliado o efeito da incorporação de diferentes proporções de óleo refinado
de carpa sobre as propriedades de PVA, RT e transparência. A incorporação do óleo, em
ambas as proporções estudadas, resultou em um aumento (cerca de 60%) da resistência
a difusão de vapor de água dos filmes. Entretanto, os filmes de quitosana pura
apresentaram melhores propriedades mecânicas, sendo que os maiores valores de RT e
E foram obtidos em pH 3,5 (12,58±0,28 MPa; 38,30±2,84%) e os menores valores em pH
5,5 (5,48±0,43 MPa; 15,75±2,33%). A partir dos resultados obtidos é recomendado a
incorporação do óleo de pescado em filmes a base de quitosana visando suas aplicações
em materiais que necessitam do controle da permeabilidade ao vapor de água.
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4. CONCLUSÃO GERAL
A quitosana, obtida a partir de rejeitos de camarão, apresentou massa molar
viscosimétrica média em torno de 150±5 kDa e grau de desacetilação 86±1%. O óleo
refinado obtido, a partir de vísceras de carpa, apresentou 69% de ácidos graxos
monoinsaturados e poliinsaturados, dos quais 27% correspondem a ω-3 e ω-6.
A adição de tensoativo foi efetiva na redução da tensão superficial das DFFs. As
dispersões cujo pH foi ajustado para 3,5 resultaram em filmes com melhor resistência a
tração e elongação na ruptura. Os resultados mostraram que a adição de frações
lipídicas na matriz filmogênica a base de quitosana melhorou as propriedades de
permeabilidade ao vapor de água (PVA), sendo que o óleo de pescado proporcionou a
maior redução (cerca de 60%), além disso, não foram observadas diferenças,
estatisticamente, significativas na PVA com o aumento da proporção de óleo de pescado
na matriz filmogênica. As propriedades mecânicas, assim como, a transparência
diminuíram com a adição do óleo de pescado. A análise morfológica dos filmes mostrou
que a incorporação de lipídios aumentou a irregularidade da superfície. No entanto, as
micrografias de superfície dos filmes compostos com óleo de pescado indicaram uma
melhor incorporação (em relação aos outros lipídios) na matriz filmogênica resultando em
uma superfície relativamente lisa e contínua.
4.1 Sugestões para trabalhos futuros
Após o desenvolvimento desse trabalho são feitas as seguintes sugestões:
o Estudar o efeito, especialmente, em nível molecular das interações entre quitosana-
lipídio, as quais podem fornecer dados mais exatos;
o Verificar a influência de temperaturas de refrigeração na permeabilidade ao vapor de
água dos filmes.
o Verificar a eficiência dos filmes produzidos em testes práticos de vida útil, embalando
frutas e hortaliças;
o Incorporar agentes micóticos e realizar ensaios de liberação em um sistema
alimentício;
o Modelar o processo de difusão, levando em consideração a variação de espessura do
filme;
51
o Realizar estudos de análise térmica dos filmes compostos para verificar a influência
da incorporação do lipídio, na cristalinidade e temperatura de transição vítrea da
matriz polimérica, além disso;
o Realizar ensaios de relaxação mecânica;
o Avaliar a influência da incorporação de agentes reticulantes sobre as propriedades
mecânicas dos filmes.
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APÊNDICE
Apêndice 1 - Fluxograma do processo de produção dos filmes
ANEXOS
Anexo 1 - Carta de submissão do Artigo 1 ao International Journal of Food Science
and Technology
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Thank you for submitting your manuscript to International Journal of Food Science
and Technology.
Manuscript ID: IJFST-2010-07479
Title: Obtainment of biopolymer film from chitosan modified with lipid fraction
Authors: Souza, Vanderlei; Monte, Micheli; Pinto, Luiz
Date Submitted: 25-Dec-2010
ScholarOne ManuscriptsTM v4.5.0 (patent #7,257,767 and #7,263,655). ©
ScholarOne, Inc., 2010. All Rights Reserved.
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65
Anexo 2 - Carta de submissão do Artigo 2 ao Lebensmittel-Wissenchaft-und-
Technologie/Food Science and Technology
De: [email protected] em nome de LWT - Food
Science & Technology [[email protected]]. Enviado em: Tuesday, September
07, 2010 9:17 AM. Para: [email protected]. Assunto: A manuscript number has been
assigned: LWT-D-10-01019
Ms. Ref. No.: LWT-D-10-01019. Title: Improvement of water vapor permeability of
chitosan-based biopolymer films incorporated with fish oil LWT - Food Science and
Technology
Dear PINTO,
Your submission "Improvement of water vapor permeability of chitosan-based
biopolymer films incorporated with fish oil" has been assigned manuscript number LWT-D-
10-01019. To track the status of your paper, please do the following:
http://ees.elsevier.com/lwt/
Thank you for submitting your work to LWT - Food Science and Technology.
Kind regards,
Rosie Pyne
Central Administrator
LWT - Food Science and Technology
66
Anexo 3 - Demais publicações
SOUZA, V. C., PINTO, L. A. A. Obtenção de filme biopolimérico a partir de
quitosana modificado com óleo refinado de pescado. In: XVII Congresso Brasileiro de
Engenharia Química – COBEQ, 2010, Foz do Iguaçu – PR. Anais do XVIII Congresso
Brasileiro de Engenharia Química (ISSN: 2178-3659). São Carlos – SP: Cubo Multimídia
Ltda, 2010. CD-Rom, p. 10351-10358.
SOUZA, V. C., PINTO, L. A. A. Development and characterization of chitosan-fish
oil composite films. In: 4th International Congress on Bioprocesses in Food
Industries – ICBF, 2010, Curitiba: UFPR. Proceedings of the 4th International Congress
on Bioprocesses in Food Industries (ISBN: 978-85-60299-03-4) SP: TecArt, 2010. CD.
SOUZA, V. C., SCHMATZ, D. A., ZILLI, J. G., MANETTI, K. O., PINTO, L. A. A.
Effect of pH on biopolymer films properties from the chitosan obtained of shrimp
(Farfantepenaeus brasiliensis) wastes. In: ICBF, 2010. Curitiba: UFPR. Proceedings of
the 4th International Congresso on Bioprocesses in Food Industries (ISBN: 978-85-60299-
03-4). São Paulo – SP: TecArt, 2010. CD.
SOUZA, V. C., MANETTI, K. O., SCHMATZ, D. A., ZILLI, J. G., PINTO, L. A. A.
Efeito da incorporação de óleo de pescado sobre propriedades de permeabilidade e
mecânicas de filmes biopoliméricos obtidos de quitosana. In: XXIV Congresso Regional
de Iniciação Científica e Tecnológica em Engenharia, 2010. Rio Grande: FURG. Anais
do XXIV Congresso Regional de Iniciação Científica e Tecnológica em Engenharia, 2010.
MANETTI, K. O., SCHMATZ, D. A., ZILLI, J. G., MONTE, M. L., SOUZA, V. C.,
PINTO, L. A. A. Efeito combinado de plastificante e surfactante sobre propriedades de
filmes compostos: quitosana-óleo de pescado. In: Mostra da produção universitária da
Universidade Federal do Rio Grande (FURG) – RS, 2010.
DOTTO, G. L., SOUZA, V. C., PINTO, L. A. A. Secagem de quitosana purificada
em leito de jorro: influência da Geometria do Equipamento. In: XXXIV Congresso
Brasileiro de Sistemas Particulados – Enemp, 2009. Campinas: UNICAMP. Anais do
XXXIV Congresso Brasileiro de Sistemas Particulados/ENEMP 2009 (ISSN 2175-3229).
São Carlos – SP: Cubo Multimídia Ltda, 2009. CD-Rom, p. 709-716.
DOTTO, G. L., SOUZA, V. C., PINTO, L. A. A. Drying of chitosan in a spouted bed:
The influences of temperature and equipment geometry in powder quality. Lebensmittel-
Wissenchaft-und-Technologie/Food Science and Technology, 2011. DOI:
10.1016/j.lwt.2011.03.019