Desenvolvimento de embalagens e vedantes biodegradáveis a partir de materiais renováveis e resíduos agroindustriais

Abstract

Polímeros sintéticos são amplamente utilizados no desenvolvimento de bens de consumo. Entretanto, o descarte incorreto desses itens na natureza agrava problemas de poluição ambiental. Neste contexto, o uso de polímeros naturais, renováveis e biodegradáveis surge como uma alternativa ambientalmente amigável no desenvolvimento de embalagens descartáveis e de uso único, pois muitos desses polímeros possuem baixo custo, são abundantes na natureza e facilmente processáveis. No entanto, é importante ressaltar que a utilização de materiais naturais também possui limitações, como é o caso da cortiça aplicada na produção de rolhas usadas para selar garrafas de vinhos e espumantes, cujo processo de transformação inclui etapas não mecanizadas, que demandam experiência e conhecimento humano, suscetíveis a erros, assim como longos períodos entre os descortiçamentos. Portanto, visando à preparação de vedantes em substituição aos materiais atualmente utilizados, cinco tipos de rolhas comerciais à base de cortiça (natural, colmatada, micro-aglomerada, silktop 1+1 e de champagne) foram caracterizados em relação as suas propriedades físico-químicas e estruturais. Biopolímeros foram selecionados (amido, entrecasca e fécula gelatinizada de mandioca e proteína isolada de soja) para fabricar biocompósitos pelo processo de termocompressão sem e com uma etapa de pré-gelatinização das matrizes amiláceas. Os efeitos da aplicação de tratamentos físicos (térmico) e químicos (mercerização) ao engaço de uva, resíduo da indústria vitivinícola, aplicado como agente de reforço nos biocompósitos também foram avaliados. Os biocompósitos à base de amido, entrecasca e engaços, foram desenvolvidos visando à utilização como embalagens para diferentes alimentos, sendo testado o armazenamento de bolo de cenoura e tomate-cereja. Rolhas biodegradáveis foram desenvolvidas por termocompressão a partir da incorporação de polímeros naturais, plastificantes (sorbitol e glicerol) e engaço de uva ao látex natural. As propriedades das rolhas foram avaliadas, bem como o desempenho perante o armazenamento de vinho tinto. Os resultados mostraram que as rolhas comerciais à base de cortiça apresentaram baixa capacidade de absorção de água (CAA) e vinho (CAV), 9 % para as rolhas de champagne e micro-aglomerada, respectivamente, após 24 h, confirmando a hidrofobicidade desse material. O processo de aglomeração, aplicado para formatar as rolhas microaglomerada, silktop 1+1 e de champanhe alterou a morfologia da cortiça, mas não provocou a ruptura das células. Esse processo foi responsável por aumentar a flexibilidade das rolhas, uma vez que a amostra micro-aglomerada apresentou o menor módulo de elasticidade (18 MPa). A elevada estabilidade térmica da cortiça pôde ser comprovada. Em relação aos biocompósitos produzidos, foi possível observar que a composição química e a CAA das matérias-primas, bem como a porcentagem de amido das formulações, tiveram impacto nas propriedades das amostras. Espumas produzidas somente com amido pré-gelatinizado apresentaram maior resistência mecânica, enquanto biocompósitos fabricados com incorporação de entrecasca, sem pré-gelatinização, apresentaram menor CAA (84 % após 90 min), demonstrando seu elevado potencial de aplicação como embalagem de uso rápido, para alimentos com baixo teor de umidade. O fato da etapa de pré-gelatinização não ser requerida para otimizar as propriedades dos materiais possibilita aumentar sua velocidade de fabricação, bem como reduzir os custos de produção. Também é importante destacar a redução de custos relacionada à substituição do amido nativo por resíduos do processamento da mandioca. Foi possível verificar maiores teores de cinzas e celulose e redução de lipídeos devido ao tratamento químico (mercerização) aplicado ao engaço de uva. As micrografias mostraram que a mercerização aumentou a rugosidade da superfície da fibra e danificou o lúmen central. A capacidade de absorção de etanol (CAE) diminuiu após a mercerização e os tratamentos físicos tiveram maior impacto na CAA e na CAV. Os engaços não mercerizados apresentaram maior estabilidade térmica e todas as amostras avaliadas apresentaram atividade antimicrobiana frente ao Staphylococcus aureus. A partir dos resultados, a incorporação das fibras modificadas em matrizes poliméricas pode ser considerada uma proposta promissora para aperfeiçoar as propriedades dos biocompósitos. Espumas produzidas com engaços sem tratamento e engaços tratados termicamente (tratamento físico) foram selecionadas para o armazenamento de alimentos. Em comparação às embalagens plásticas utilizadas em supermercados, observou-se melhor preservação da firmeza dos tomates-cereja quando armazenados nas embalagens biodegradáveis. Desse modo, as embalagens desenvolvidas a partir de resíduos agroindustriais podem ser consideradas materiais ecologicamente corretos e promissores para preservar a qualidade e o frescor desse tipo de alimento. Com relação às rolhas, seu desenvolvimento a partir de materiais naturais, renováveis e biodegradáveis foi comprovado. Entretanto, o armazenamento desses materiais em condições controladas (20 ± 3 °C; 75 ± 5 % UR) se mostrou essencial para a manutenção de suas propriedades. De modo geral, a adição de engaço de uva parece não ter provocado alterações significativas nas propriedades das rolhas biodegradáveis, que apresentaram índices de capacidade de absorção inferiores aos materiais à base de cortiça. Embora tenha ocorrido aumento da rigidez das rolhas ao longo do tempo, não foram observados vazamentos durante os testes de armazenamento de vinho utilizando os biocompósitos desenvolvidos no presente estudo. A morfologia interna mais fechada desses materiais e as baixas porosidades sugerem baixas taxas de permeabilidade gasosa, demonstrando potencial de aplicação para selar garrafas de vinhos brancos, consumidos ainda jovens.

Synthetic polymers are widely used in the development of consumer goods. However, the incorrect disposal of these items in nature aggravates environmental pollution problems. In this context, the use of natural, renewable, and biodegradable polymers emerges as an environmentally friendly alternative in the development of disposable, singleuse packaging, once many of these polymers have low cost, are abundant in nature, and are easily processed. However, it is important to highlight that the use of natural materials also has limitations, as is the case with the cork applied in the production of cork-based stoppers used to seal bottles of wine and sparkling wines, which transformation process includes non-mechanized steps that require human experience and knowledge, inherently susceptible to errors, as well as long periods between stripping processes. Therefore, aiming at the preparation of closures to replace the materials currently used, five types of commercial cork stoppers (natural, colmated, micro-agglomerated, silktop 1+1, and champagne) were characterized regarding their physicochemical and structural properties. Biopolymers were selected (starch, inner bark, and gelatinized cassava starch and isolated soy protein) to manufacture biocomposites by a thermocompression process without and with a pre-gelatinization step of the starchy matrices. The effects of the application of physical (thermal) and chemical (mercerization) treatments to the grape stalks, a residue from the wine industry, applied as a reinforcing agent in the biocomposites, were also evaluated. The biocomposites based on starch, inner bark, and stalks were developed to be used as packaging for different foods, being tested in the storage of carrot cake and cherry tomato. Biodegradable stoppers were developed by thermocompression based on the incorporation of natural polymers, plasticizers (sorbitol or glycerol), and grape stalks into natural rubber latex. The properties of the stoppers were evaluated, as well as their performance in the storage of red wine. The results showed that commercial cork-based stoppers showed low water (WAC) and wine (WIAC) absorption capacities, 9 % for the champagne and the micro-agglomerated stoppers, respectively, after 24 h, confirming the hydrophobicity of this material. The agglomeration process, applied in the production of micro-agglomerated, silktop 1+1, and champagne stoppers, changed the morphology of the cork, but did not cause the breaking of the cork cells. This process was responsible for increasing the flexibility of the stoppers since the micro-agglomerated sample had the lowest elastic modulus (18 MPa). The high thermal stability of the cork has been proven. Regarding the biocomposites produced, it was possible to observe that the chemical composition and the WAC of the raw materials, as well as the percentage of starch in the formulations, had an impact on the properties of the samples. Foams produced only with pre-gelatinized starch showed higher mechanical strength, while biocomposites made with the incorporation of inner bark, without the pre-gelatinization step, presented lower WAC (84 % after 90 min), demonstrating its high potential for application as quick-use packaging, for foods with low moisture content. The fact that the pre-gelatinization step is not required to optimize the properties of the materials makes it possible to increase their manufacturing speed as well as reduce production costs. It is also important to highlight the cost reduction related to the replacement of native starch with residues from the cassava processing. It was possible to verify higher ash and cellulose contents and the reduction of lipids’ content due to the chemical treatment (mercerization) applied to the grape stalks. Micrographs showed that mercerization increased the fiber surface roughness and damaged the central lumen. Ethanol absorption capacity (EAC) decreased after mercerization and physical treatments had a greater impact on WAC and WIAC. The nonmercerized stalks showed greater thermal stability and all samples evaluated showed antimicrobial activity against Staphylococcus aureus. From the results, the incorporation of modified fibers in polymeric matrices can be considered a promising proposal to improve the properties of biocomposites. Foams produced with untreated stalks and heat treated stalks (physical treatment) were selected for food storage tests. Compared to the plastic packaging used in supermarkets, a better firmness preservation of the cherry tomatoes was observed when the product was kept in the biodegradable packaging. This way, packaging developed from agro-industrial wastes can be considered ecologically correct and promising materials to preserve the quality and freshness of this type of food. Regarding the biodegradable stoppers, their development based on natural, renewable, and biodegradable materials has been proven. However, the storage of these materials under controlled conditions (20 ± 3 °C; 75 ± 5 % RH) proved to be essential for the maintenance of their properties. In general, the incorporation of grape stalks did not seem to have caused significant changes in the properties of the biodegradable stoppers, which showed lower absorption capacities than cork-based materials. Although there was an increase in stoppers stiffness over time, no leaks were observed during the wine storage tests using the biocomposites developed in the present study. The more closed internal morphology of the biodegradable stoppers and their low porosities suggest low rates of gas permeability, demonstrating potential application to seal bottles of white wines, consumed at a young age.