Desenvolvimento de nanoesferas de bixina e norbixina para incorporação em filmes biodegradáveis de alginato de sódio

Abstract

Embalagens plásticas derivadas de petróleo geram graves consequências ao meio ambiente, devido à dificuldade de degradação. Uma alternativa sustentável é o desenvolvimento de embalagens biodegradáveis, com adição de compostos bioativos, capazes de melhorar suas propriedades e adicionar funcionalidade, como a atividade antioxidante. A bixina e a norbixina são pigmentos antioxidantes naturais muito utilizados como corantes naturais, porém muito suscetíveis a degradação por fatores ambientais. Técnicas de encapsulamento têm sido elaboradas para melhorar a estabilidade desses compostos. O alginato de sódio é um polímero natural com alta capacidade de formação de hidrogéis e de solução filmogênica, muito utilizado para aplicação em encapsulamento e desenvolvimento de filmes. O objetivo do presente trabalho foi elaborar nanoesferas de alginato de sódio com bixina e norbixina, avaliar sua liberação em simulantes de alimentos e aplicar em filmes biodegradáveis de alginato de sódio. Foram elaboradas nanoesferas de alginato de sódio pelo método de emulsificação/gelificação interna com adição de bixina e norbixina em diferentes concentrações (1,25 x 10-3, 2,5 x 10-3, 5,0 x 10-3 e 7,5 x 10-3 g/g de biopolímero). As melhores eficiências de encapsulamento (EE) foram obtidas nas formulações com maior concentração de pigmentos, tanto para bixina como para norbixina (37,9% e 51,5%, respectivamente) e esta foi a formulação para realizar as análises de caracterização das nanoesferas. A distribuição de tamanho de partícula apresentou valores de 741,9 ± 41,0 nm, 622,9 ± 71,0 nm e 589,5 ± 99,1 nm para nanoesferas controle, de bixina e de norbixina, respectivamente. As nanoesferas encapsuladas apresentaram coloração vermelho-alaranjado, com diferença de cor significativa entre elas. A análise térmica indicou um aumento na estabilidade térmica dos pigmentos após o encapsulamento e as nanoesferas apresentaram capacidade de sequestrar o radical livre ABTS+. O ensaio de liberação em simulante de alimentos gordurosos (etanol 95%) mostrou uma rápida liberação nas primeiras horas, as nanoesferas de bixina apresentaram melhor liberação e, portanto, foram escolhidas para aplicação nos filmes. Filmes biodegradáveis de alginato de sódio com nanoesferas de bixina em diferentes concentrações de (1, 5 e 10 % m/m biopolímero) foram desenvolvidos pela técnica de casting com duas etapas de complexação com cloreto de cálcio. Os filmes com a maior concentração de nanoesferas de bixina mostraram uma melhora das propriedades mecânicas, uma diferença visível na cor e uma maior opacidade. A incorporação das nanoesferas reduziu significativamente a permeabilidade ao vapor de água e a solubilidade dos filmes em água, e manteve a estabilidade térmica dos filmes. Além disso, os filmes biodegradáveis de alginato de sódio com 10% de nanoesferas de bixina mostraram um efeito protetivo contra oxidação lipídica do óleo de girassol em condições aceleradas de oxidação. Portanto, foi possível produzir nanoesferas de bixina e norbixina que protegeram o pigmento da degradação térmica e com capacidade de liberação nos alimentos e nanoesferas de bixina foram aplicadas na em filmes biodegradáveis para proteção de alimentos ricos em lipídeos.

Petroleum-derived plastic packaging generates severe environmental consequences due to the difficulty of degradation. A sustainable alternative is the development of biodegradable packaging with bioactive compound incorporation, capable of improving its properties and adding functionality, such as antioxidant activity. Bixin and norbixin are natural antioxidant pigments widely used as natural dyes, but they are very susceptible to degradation by environmental factors. Encapsulation techniques have been developed to improve the stability of these compounds. Sodium alginate is a natural polymer with a high capacity for forming hydrogels and film-forming solutions, widely used for encapsulation and film development. The objective of the present work was to prepare sodium alginate nanospheres with bixin and norbixin, evaluate their release in food simulants, and apply them to biodegradable sodium alginate films. Sodium alginate nanospheres were prepared using the emulsification/internal gelation method with the incorporation of bixin and norbixin in different concentrations (1.25 x 10-3, 2.5 x 10-3, 5.0 x 10-3 and 7.5 x 10-3 g/g of biopolymer). The best encapsulation efficiencies (EE) were obtained in formulations with the highest concentration of pigments, both for bixin and norbixin (37.9% and 51.5%, respectively), and this was the formulation used for the characterization analyses of the nanospheres. The particle size distribution showed 741.9 ± 41.0 nm for control nanospheres, 622.9 ± 71.0 nm for bixin nanospheres, and 589.5 ± 99.1 nm for norbixin nanospheres. The encapsulated nanospheres showed a red-orange color, with a significant color difference. Thermal analysis indicated an increase in the thermal stability of the pigments after encapsulation, and the nanospheres showed the ability to scavenge the ABTS+ free radical. The release test in a fatty food simulant (95% ethanol) showed a rapid release in the first hours. The bixin nanospheres showed better release and were chosen for application in the films. Biodegradable sodium alginate films with bixin nanospheres in different concentrations (1, 5, and 10% w/w bioplymer) were developed using a casting technique with two complexation steps with calcium chloride. Films with the highest concentration of bixin nanospheres showed mechanical properties improvement, a visible color difference, and higher opacity. Nanosphere incorporation significantly reduced the water vapor permeability and solubility of the films in water and maintained their thermal stability. Furthermore, biodegradable sodium alginate films with 10% bixin nanospheres showed a protective effect against lipid oxidation of sunflower oil under accelerated oxidation conditions. Therefore, it was possible to produce bixin and norbixin nanospheres that protected the pigment from thermal degradation and with the ability to release into food, and bixin nanospheres were applied to biodegradable films to protect foods rich in lipids.