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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



2.6.4 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


3.2 Caracterização dos óleos refinados.............................................................................26

3.3 Caracterização dos filmes............................................................................................27

3.3.1 Espessura.................................................................................................................27



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


3.2 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




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



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




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



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.


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 diferença de pressão parcial de vapor através do filme (kPa).


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


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.


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.


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 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


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.

ScholarOne Manuscripts is a trademark of ScholarOne, Inc. ScholarOne is a

registered trademark of ScholarOne, Inc. Follow ScholarOne on Twitter

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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

mailto:[email protected]

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

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