Aproveitamento de resíduos vegetais como alternativa na fabricação de
embalagens biodegradáveis
Use of vegetable waste as an alternative in the manufacture of biodegradable
packaging
DOI:10.34117/bjdv6n11-155
Recebimento dos originais: 09/10/2020 Aceitação para publicação: 09/11/2020
Magno de Lima Silva
Graduando em Engenharia de Materiais – Universidade Federal do Cariri
Endereço: Av. Tenente Raimundo Rocha, 1639, Cidade Universitária, Juazeiro do Norte – CE, Brasil CEP: 63048-080
E-mail: magnolima9@gmail.com
Wellyson Jorney dos Santos Silva
Graduando em Tecnologia em Alimentos – Faculdade de Tecnologia do Cariri Endereço: Rua Prof. Francismar Roque, s/n, Triângulo, Juazeiro do Norte – CE, Brasil
CEP: 63041-145
E-mail: wellney1046@gmail.com
Allana Kellen Lima Santos Pereira
Doutora em Química pela Universidade Federal do Ceará – UFC Universidade Federal do Cariri – UFCA
Endereço: Av. Tenente Raimundo Rocha, 1639, Cidade Universitária, Juazeiro do Norte – CE, Brasil CEP: 63048-080
RESUMO
Na atualidade em que vivemos, o setor de produção de embalagens apresenta-se como prioritário, conferindo importância em razão da sua distribuição e comercialização. A partir de matérias-primas naturais e renováveis, têm se produzido embalagens ativas, empregando aditivos funcionais incorporados, proporcionando assim a condição da biodegradabilidade. O objetivo foi apresentar as diferentes matérias-primas precursoras utilizadas na confecção de embalagens biodegradáveis obtidas a partir de resíduos vegetais, como também abordar as principais propriedades proporcionadas as mesmas pela adição desses resíduos. Os dados que compõem esta pesquisa foram buscados através de bases de dados científicas como Google Acadêmico, Web of Science, ScienceDirect, SciELO - Scientific Electronic Library Online e Portal de Periódicos CAPES nos quais foram selecionados os materiais que abordassem de forma relevante o tema supracitado. Os filmes biodegradáveis devem ser eficazes quanto barreira a vapores de água e ou de gás; ser solúvel em água ou lipídio; possuir boas características mecânicas e reológicas; não ser tóxico, entre outras propriedades, para que possam ser usados como embalagens. A composição, o método de fabricação, a maneira que se é aplicado e condicionado e a espessura do filme são fatores que devem ser controlados para que se possa obter as exigências citadas. Através de muitas pesquisas, têm se avaliado a viabilidade de se utilizar as fibras naturais para a substituição das fibras sintéticas as quais normalmente são utilizadas para reforçarem os materiais compósitos de matriz polimérica. Isso em prol de alcançar fontes naturais e renováveis de matérias-primas, para reduzir os impactos ambientais causados por esses materiais e também reduzir os custos. Conclui-se que as matérias-primas vegetais apresentam viabilidade na produção de embalagens biodegradáveis, uma vez que estas possuem características físicas e químicas que venham a ser eficazes na proteção de produtos, como também a sua facilidade de obtenção, pois apresentam vasta variedade disponível.
Palavras-Chave: Fibras Vegetais, Compósitos, Resíduos, Embalagens Biodegradáveis. ABSTRACT
Currently, the packaging production sector presents itself as a priority, giving importance due to its distribution and commercialization. Active and renewable raw materials have been used to produce active packaging using functional additives incorporated, thus presenting the character of biodegradability. The objective was to present the different precursor raw materials used in the manufacture of biodegradable packaging obtained from plant residues, as well as to address the main properties provided by the addition of these residues. The data that make up this research were searched through scientific databases such as Google Scholar, Web of Science, ScienceDirect, SciELO - Scientific Electronic Library Online and CAPES Journal Portal in which the materials that addressed the aforementioned topic were selected. Biodegradable films must be effective as a barrier to water and / or gas vapors; be soluble in water or lipid; have good mechanical and rheological characteristics; not be toxic, among other properties, so they can be used as packaging. The composition, the method of manufacture, the way it is applied and conditioned and the thickness of the film are factors that must be controlled in order to obtain the requirements mentioned. Through much research, the feasibility of using natural fibers to replace synthetic fibers, which are normally used to reinforce polymer matrix composite materials, has been evaluated. This in order to reach natural and renewable sources of raw materials, to reduce the environmental impacts caused by these materials and also to reduce costs. It is concluded that the vegetable raw materials are viable in the production of biodegradable packaging, since these have physical and chemical characteristics that will be effective in protecting products, as well as their ease of obtaining, as they have a wide variety available.
1 INTRODUÇÃO
Na atualidade em que vivemos, o setor de produção de embalagens apresenta-se como prioritário, conferindo importância em razão da sua distribuição e comercialização tanto nos produtos que passam por processos de industrialização, tanto para produtos in natura que são exportados ou não (CARR, 2007).
Com o passar dos anos, objetivando-se a concepção de embalagens que tenham interações com os produtos, surgem-se novas temáticas de estudos científicos, conferindo a elas benefícios a mais. A partir de matérias-primas naturais e renováveis, têm se produzido embalagens ativas, empregando aditivos funcionais incorporados, proporcionando assim a condição de biodegradabilidade (SANTANA et al., 2013).
Visando substituição de polímeros sintéticos por matérias-primas mais sustentáveis, também estão sendo realizadas inúmeras estudos na área, como a exemplo pode-se citar a biodegradação realizada por microrganismos que degradam polímeros sintéticos (CARR, 2007).
A conversão em compostos mais simples decorrentes da degradação do material resultante da ação de microrganismos da natureza e que são redistribuídos através de ciclos elementares como o do carbono, nitrogênio e enxofre, é conhecido como o processo natural de biodegradação (ROSA; FILHO, 2003).
De acordo com Moraes (2009), em relação a origem dos polímeros biodegradáveis, estes, podem ser classificados em renováveis e não renováveis sendo os não renováveis os que são os provenientes do petróleo como o poli (e-caprolactona) (PCL), já os renováveis são os que derivam de biomassa, como por exemplo o amido, a celulose, a quitosana, o colágeno, entre outros. Também podem ser derivados a contar da ação dos microrganismos, cita-se como exemplo os polihidroxialcanoatos.
As embalagens biodegradáveis possuem alta aplicabilidade, desde a embalagem de frutas e hortaliças minimamente processadas, que são alimentos perecíveis; os embutidos, como presunto, salsicha, linguiça; os produtos de panificação; queijos fatiados dentre outros (DE OLIVEIRA; MARIM, 2013).
Para a confecção de embalagens biodegradáveis, os insumos que mais são utilizados são os materiais de origem agrícola, uma vez que estes têm preço mais acessível, podem ser encontrados durante todo o ano e advém de fontes sustentáveis de natureza renovável (CARR, 2007).
Carrijo, Liz e Makishima (2002), explicam que a casca de coco verde, resíduo derivado da utilização industrialização da água de coco, é depositada em lixeiras espalhadas e nos terrenos ao lado de estradas, onde passam cerca de 8 anos para desintegrar-se totalmente pois trata-se de um material com dificuldade para decomposição. Visto esta problemática, o processamento da casca de coco verde
para produção de embalagens biodegradáveis, além de sua importância para a economia e para as questões sociais, também se mostra importante no ponto de vista ambiental.
O objetivo dessa revisão foi apresentar as diferentes matérias-primas precursoras utilizadas na confecção de embalagens biodegradáveis obtidas a partir de resíduos vegetais, como também abordar as principais propriedades proporcionadas as mesmas pela adição desses resíduos.
2 METODOLOGIA
A metodologia deste estudo consistiu-se numa revisão bibliográfica, acerca de alguns trabalhos que tenham embasamento em embalagens biodegradáveis, abordando suas principais matérias-primas, sua usabilidade e sua importância para a durabilidade e mantenimento da condição padrão dos produtos.
Os dados que compõem esta pesquisa foram buscados através de bases de dados científicas como Google Acadêmico, Web of Science, ScienceDirect, SciELO - Scientific Electronic Library Online e Portal de Periódicos CAPES nos quais foram selecionados os materiais que abordassem de forma relevante o tema supracitado.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 FILMES BIODEGRADÁVEIS À BASE DE AMIDO
Atualmente, com a enorme produção de alimentos que buscam alta qualidade, o interesse pelo desenvolvimento de biofilmes comestíveis e biodegradáveis vem crescendo com o intuito de solucionar as preocupações com o meio ambiente sobre o descarte incorreto das matérias não renováveis das embalagens, bem como planejar a criação de novos meios de produção para as matérias-primas de embalagens biodegradáveis provenientes de produtos agrícolas (HENRIQUE; CEREDA; SARMENTO, 2008).
Para produzir biofilmes, se faz necessário seguir determinados pontos, tais como: a utilização de um agente formador de filme, um solvente e um plastificante (DA SILVA, 2011). A partir de polissacarídeos, proteínas, lipídios e derivados, pode-se produzir um filme, onde a obtenção deste baseia-se na dissolução em solvente como água, etanol ou ácidos orgânicos e que tenham também acréscimos de aditivos que podem ser plastificantes ou agentes de liga, caracterizando-se uma solução ou dispersão filmogênica. Após esta etapa, se requer um processo de secagem para que se tenha o filme tipo casting (REIS et al., 2011).
Segundo De Andrade (2014), os filmes biodegradáveis devem ser eficazes quanto barreira a vapores de água e ou de gás; ser solúvel em água ou lipídio; possuir boas características mecânicas e reológicas; não ser tóxico, entre outras propriedades, para que possam ser usados como embalagens. A
composição, o método de fabricação, a maneira que se é aplicado e condicionado e a espessura do filme são fatores que devem ser controlados para que se possa obter as exigências citadas.
O amido é um carboidrato obtido de fontes de reserva vegetal, composto por dois polissacarídeos: a amilose, uma molécula linear e a amilopectina, molécula com estrutura bastante ramificada. O amido apresenta-se em grânulos semicristalinos muito pequenos, que a partir de diversas fontes naturais pode ser isolado (THIRÉ, 2004).
Os filmes à base de amido apresentam coloração transparente; possuem facilidade de seu processamento; são eficazes contra a passagem do oxigênio e dióxido de carbono; fácil biodegradabilidade e ainda são harmonizáveis com outros materiais, facilitando a junção dos componentes quando em mistura (ARENAS, 2012).
Nos sistemas de produção de embalagens biodegradáveis à base de amido, percebe-se uma gama de possibilidades de sua utilização com foco maior no setor de alimentação em decorrência de seu baixo custo e abundância (FARIA; VERCELHEZE; MALI, 2012).
No desenvolvimento de bioplásticos são utilizadas variadas fontes de amido e estas podem ser empregadas de acordo com a disponibilidade em suas regiões de maior produtividade (ARENAS, 2012).
O milho, a batata, o arroz, o trigo e a mandioca, são consideradas como as principais fontes de amido no comércio, mas não quer dizer que são as únicas, pois existem ainda, outras fontes com grande potencial para se obter amido, tais como os tubérculos de inhame (Dioscorea alata) e os grãos de aveia (Avena sativa) (MALI; GROSSMANN; YAMASHITA, 2010).
A utilização exclusiva do amido no desenvolvimento de filmes biodegradáveis, torna-se limitante, uma vez que estas oferecem características comprometedoras como resistência mecânica baixa e uma alta afinidade do material por água onde inviabiliza sua atuação em ambientes que exista a presença de elevada umidade relativa no seu interior. Isso proporciona ao filme biodegradável, maior facilidade quebradiça como também maior capacidade de absorção de água. Porém para superar esses danos, os resíduos agroindustriais, por constituir-se de fibras naturais, provenientes de vegetais, quando utilizados como reforço material para matrizes poliméricas de amido, podem ser uma alternativa viável (FRANCO; FARIA; BILCK, 2019).
A junção amido/fibras resulta no desenvolvimento de compósitos poliméricos, os quais apresentam inúmeras vantagens, tais como: melhores propriedades mecânicas; maior resistência à umidade; diminuição de custos e aumento da biodegradabilidade. Esta melhora nas propriedades mecânicas se dá devido à compatibilidade entre as fibras de celulose com o amido, o que possibilita maior adesão entre a matriz polimérica do amido e a fibra (FRANCO; FARIA; BILCK, 2019).
3.2 COMPÓSITOS BIODEGRADÁVEIS REFORÇADOS POR FIBRAS VEGETAIS
Na atualidade, através de muitas pesquisas, têm se avaliado a viabilidade de se utilizar as fibras naturais para a substituição das fibras sintéticas as quais normalmente são utilizadas para reforçarem os materiais compósitos de matriz polimérica. Isso em prol de alcançar fontes naturais e renováveis de matérias-primas, para reduzir os impactos ambientais causados por esses materiais e também reduzir os custos (SANCHEZ et al., 2010).
No Brasil é ofertado uma imensa variedade de fibras vegetais, onde diversas propriedades químicas, físicas e mecânicas são apresentadas. Em literaturas próprias sobre o tema pode-se observar que é citado diversos tipos de fibras e cargas naturais dos vegetais, onde atuam como modificadores potenciais de polímeros e que podem ser provenientes ou não dos resíduos, tais como: (i) fibras nativas brasileiras: sisal, coco, juta, rami, curauá, fibra de bagaço de cana-de-açúcar e soja; (ii) fibras do exterior: kenaf, fique e hemp; (iii) amidos; (iv) resíduos de madeira: estes resíduos são comercialmente denominados farinha de madeira ou pó de madeira; (v) casca de arroz, trigo e outros cereais (MARINELLI et al., 2008).
Marengo, Vercelheze e Mali (2013) produziram por termoformagem, compósitos biodegradáveis em formatos de bandejas, utilizando-se como matéria-prima o amido de mandioca com adição de três resíduos da agroindústria diferentes, sendo eles: o bagaço da cana-de-açúcar; as fibras de coco e os farelos da soja. Ao analisar os resultados, puderam observar que as bandejas produzidas apresentaram excelência comercial no que se tratava da aparência e seu manuseio, mas, atingiu-se propriedades diferentes para cada resíduo empregado. As embalagens feitas a partir do bagaço da cana-de-açúcar, revelaram-se menos densas e resistentes como também apresentaram maior capacidade para absorver água. As que foram feitas com o farelo da soja, tiveram maior densidade, espessura e umidade equilibrada. E por fim, a embalagem que apresentou maior resistência mecânica foi a confeccionada com fibras de coco.
3.2.1 Fibras do bagaço da cana-de-açúcar
O bagaço da cana-de-açúcar apresenta cerca de 45% de fibras, das quais 41% de celulose, 25% de hemicelulose e 20% de lignina (SANTOS et al., 2011) além de ser um produto fortemente produzido no Brasil. Na agroindústria brasileira, o bagaço é visto como o principal exemplo de subproduto, pois seu reuso é bem aproveitado no solo como adubo e ou como fonte de energia, produzindo combustível nas caldeiras industriais minimizando os gastos (SANCHEZ et al., 2010).
Debiagi et al. (2010) em seu estudo, confeccionaram via extrusão, compósitos biodegradáveis expandidos a partir de mistura feita de “amido de mandioca, glicerol (plastificante) e diferentes tipos de fibras vegetais (as fibras da cana-de-açúcar e as fibras da aveia)”, onde com auxílio de uma extrusora
do tipo mono-rosca, utilizaram “três diferentes teores de fibras de aveia ou de cana-de-açúcar (0,5 e 10 g/100 g amido), dois teores de umidade (18 e 26%) e teor fixo de glicerol (20 g/100 g sólidos)”. Foi realizada a caracterização para densidade, para expansão, capacidade para absorção e solubilidade em água. Os resultados indicaram que não houve grandes mudanças pela adição das fibras no índice de expansão e que o índice de solubilidade decresceu, conferindo aos compósitos certa vantagem. Com a adição das fibras, os compósitos apresentaram para a análise de luminosidade baixos valores causando o escurecimento para uma coloração avermelhada e amarelada.
3.2.2 Fibras de casca de aveia
O setor industrial de cereais gera com resíduos primários como as cascas, talos, palhas e outros, em torno 25 a 30% derivados apenas do processamento da aveia e com descartes como as aveias duplas, finas e leve o teor é de 10 a 20%. Com os resíduos secundários, que são aqueles provenientes a partir da limpeza dos equipamentos; os produtos fora do padrão; o pó que é formado no processamento e dos resíduos de polimento do grão de aveia, é gerado em torno de 2 a 3% (COSTA, 2018).
Debiagi e De Oliveira (2008) em seu estudo, determinaram os parâmetros índice de expansão (IE) e densidade para os compósitos biodegradáveis expandidos produzidos pelo processo de extrusão, utilizando amido de mandioca, glicerol como agente plastificante e fibras da casca de aveia. Para a preparação dos compósitos, utilizou-se mesma metodologia citada acima no trabalho de Debiagi et al. (2010). Nos resultados, pode-se observar uma variação na densidade das amostras que passou de 0,86 para 0,97 g/mL, valor mais elevado ao do poliestireno expandido, que é de 0,18 g/mL, sendo este o mas comparável aos relatados por autores que estudaram materiais à base de amido. As amostras variaram também quanto ao índice de expansão, indo de 2,46 para 2,88 e, igualando-se a densidade, não houve variação em função dos diferentes teores de fibras e umidade. Os resultados alcançados, portanto, indicaram que as propriedades de expansão dos materiais obtidos não foram afetadas significativamente com adição das fibras e da umidade, sendo uma vantagem pois favoreceu a utilização das fibras como reforço dos compósitos.
3.2.3 Fibras de casca de arroz
O resíduo agrícola lignocelulósico, assim denominada a casca do arroz está presente em grande quantidade no Brasil e nos outros países que produzem arroz. Com baixo teor de proteínas e pouca capacidade digestível, a casca de arroz é um material que possui também em média cerca de 50% de celulose, 25-30% de lignina e 15-20% de sílica (TOSCAN et al. 2018).
Azevedo et al. (2014) realizaram em compósitos obtidos a partir de uma blenda comercial de PBAT-amido e casca de arroz a avaliação quanto às propriedades mecânicas e sua condição de
biodegradabilidade. Estes compósitos foram obtidos a partir de um misturador interno com 10, 20 e 30% de casca de arroz micronizada com partículas variando de tamanho entre 275 e 512,5 µm e em seguida, foram caracterizados por ensaios mecânicos como os de tração e flexão; caracterização morfológica por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e a biodegradação foi avaliada através do Teste de Sturm. As análises de MEV indicam que as partículas de carga foram adequadamente molhadas pela matriz e que a adesão carga/matriz é boa, o que refletiu nas propriedades mecânicas dos sistemas. Uma maior produção de CO2 para as amostras com casca de arroz foi indicada através de
Teste de Sturm, observando que este favorece que a amostra seja degradada no ambiente no qual o ensaio foi realizado.
Para além disso, Azevedo et al. (2016) também caracterizaram estes mesmos compósitos de PBAT-amido e casca de arroz utilizando duas técnicas de processamento distintas. As misturas foram preparadas em misturador interno e extrusora de rosca dupla. Os resultados indicaram que algumas propriedades mecânicas foram influenciadas pelo tipo de processamento executado. O módulo elástico foi maior em extrusora dupla rosca se comparado ao uso do misturador; a resistência ao impacto diminuiu significativamente e a resistência à tração aumentou moderadamente com o teor de casca de arroz, independentemente do tipo de processamento utilizado.
3.2.4 Fibras de coco
As fibras de coco são resíduos gerados pelo grande consumo de coco no Brasil originando grandes quantidades deste resíduo. A espessura do material fibroso do coco verde varia de 3-4 cm e quando passa pelo processo de secagem, resulta em fibras de tamanhos distintos, onde estas fibras são empregadas como reforçadoras de compósitos de matrizes termoplásticas. Inúmeras vantagens comparadas com os materiais inorgânicos podem ser apontadas pelas fibras naturais e as fibras de coco verde, tais como: a densidade baixa; baixa característica de abrasão para moldes; equipamentos de mistura e baixo custo, além de ser uma matéria-prima renovável (CORDI, 2008).
Machado et al. (2012) elaboraram filmes biodegradáveis utilizando como base o amido de mandioca e a nanocelulose da fibra de coco como reforçador. Realizaram análises a fim de perceberem a influência como aditivo antioxidante do extrato da erva-mate nas propriedades mecânicas e de barreira dos nanobiocompósitos. Para produção dos filmes foi usado uma mistura contendo 4,5 e 6,0 % de amido; 0,5 e 1,5 % de glicerol; 0,3% de nanocelulose e 20% de extrato de erva-mate. A partir dos resultados, puderam concluir que as propriedades mecânicas e de barreira não sofreram alterações quanto a adição do extrato, e que a nanocelulose de coco e os diferentes teores da matriz e de plastificante utilizados melhoraram as propriedades mecânicas.
3.2.5 Fibras de sisal
Entre as fibras vegetais, essa é uma que além de ter elevada resistência a tração, também é mutuamente indicada para reforçar as matrizes poliméricas.
Agave sisalana, é no Brasil a espécie cultivada em maior quantidade, e o estado da Bahia produz
85% em relação a produção total do país. Assim como ocorre em outras fibras vegetais, exibem uma variação muito grande das propriedades mecânicas e físicas (PAIVA, 2019).
Corradini et al. (2008) através da matriz de amido/glúten de milho/glicerol produziram compósitos biodegradáveis utilizando fibras de sisal para reforçar. Processaram a matriz e os compósitos com um reômetro de torque Haake à 130 °C, 50 rpm por 10 minutos e as propriedades de absorção de água, mecânicas, termodinâmico-mecânicas e de morfologia dos compósitos foram investigadas em função do teor de fibra (5 a 30%). Através da análise dos resultados puderam perceber que em relação à matriz, houve uma melhoria nas propriedades mecânicas dos compósitos decorrente do conteúdo da fibra; que as fibras apresentaram uma boa dispersão dentro da matriz e que o módulo de armazenamento (E’) aumentou com o aumento do teor de fibra enquanto o amortecimento (tan δ) diminuiu, confirmando o efeito de reforço das fibras de sisal.
3.2.6 Fibras de casca de soja
Os resíduos agroindustriais da soja provêm materiais lignocelulósicos que requerem certa atenção em razão das expressivas quantidades e pela forte valorização. Atualmente, a soja revela ser no mundo a maior cultura agrícola, sendo a casca do grão um subproduto das indústrias processadoras, constituindo por volta de 8 % de todo o grão (MICHEL, 2007).
Engel, Santana e De Oliveira (2015) avaliaram o mais adequado teor de casca de soja almejando o melhor desempenho mecânico como reforço de embalagens de amido. Com isso, a fração dos componentes da mistura foram variados e com base em outros estudos de planejamento experimental utilizaram a casca de soja, o amido e o amido gelatinizado onde foram analisados de acordo com a norma ASTM D638 as propriedades mecânicas de resistência à tração das amostras. Evidenciou-se com os resultados obtidos que o teor de casca de soja e o teor de amido tiveram grande influência no parâmetro mecânico tensão de ruptura. Os resultados que apresentaram melhor desempenho nas embalagens foram os da formulação contendo: 20% de fibras celulósicas de casca de soja, 32% amido de batata e 42% de gel de amido de batata.
4 CONCLUSÃO
As matérias-primas vegetais apresentam viabilidade na produção de embalagens biodegradáveis, uma vez que estas possuem características físicas e químicas que venham a ser eficazes
na proteção de produtos, como também a sua facilidade de obtenção, pois apresentam vasta variedade disponível. Além disso, os resíduos utilizados terão um novo destino, minimizando o acúmulo dos mesmos e gerando produtos sustentáveis.
Conclui-se que é notável os poucos estudos referentes às embalagens biodegradáveis à base de resíduos vegetais e que estudos mais detalhados devem ser elaborados.
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