Production and application of nanocomposites formed by starch and cellulose nanofibers from banana : Produção e aplicação de nanocompósitos formados por amido e nanofibras de celulose de banana

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS

HELOISA TIBOLLA

PRODUCTION AND APPLICATION OF NANOCOMPOSITES

FORMED BY STARCH AND CELLULOSE NANOFIBERS FROM

BANANA

PRODUÇÃO E APLICAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS FORMADOS

POR AMIDO E NANOFIBRILAS DE CELULOSE DE BANANA

CAMPINAS 2018

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PRODUCTION AND APPLICATION OF NANOCOMPOSITES

FORMED BY STARCH AND CELLULOSE NANOFIBERS FROM

BANANA

PRODUÇÃO E APLICAÇÃO DE NANOCOMPÓSITOS FORMADOS

POR AMIDO E NANOFIBRILAS DE CELULOSE DE BANANA

Thesis presented to the Faculty of Food Engineering of University of Campinas in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor in Food Engineering

Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Alimentos da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Doutora em Engenharia de Alimentos

Orientadora: Profª. Drª. Rosiane Lopes da Cunha

Co-orientadora: Profª. Drª. Franciele Maria Pelissari Molina

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DE TESE DEFENDIDA PELA ALUNA HELOISA TIBOLLA E ORIENTADA PELA PROFª. DRª. ROSIANE LOPES DA CUNHA

CAMPINAS 2018

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas

Biblioteca da Faculdade de Engenharia de Alimentos Claudia Aparecida Romano - CRB 8/5816

Tibolla, Heloisa,

T434p TibProdução e aplicação de nanocompósitos formados por amido e nanofibras de celulose de banana / Heloisa Tibolla. – Campinas, SP : [s.n.], 2018.

TibOrientador: Rosiane Lopes da Cunha.

TibCoorientador: Franciele Maria Pelissari Molina.

TibTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de

Engenharia de Alimentos.

Tib1. Nanofibras de celulose. 2. Citotoxicidade. 3. Filmes de amido. 4. Nanocompósitos. 5. Embalagens. I. Cunha, Rosiane Lopes. II. Molina,

Franciele Maria Pelissari. III. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia de Alimentos. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Production and application of nanocomposites formed by starch

and cellulose nanofibers from banana

Palavras-chave em inglês: Cellulose nanofibers Citotoxicity Starch films Nanocomposites Packaging

Área de concentração: Engenharia de Alimentos Titulação: Doutora em Engenharia de Alimentos Banca examinadora:

Rosiane Lopes da Cunha [Orientador] Carlos Raimundo Ferreira Grosso Carolina Siqueira Franco Picone

Henriette Monteiro Cordeiro de Azeredo João Borges Laurindo

Data de defesa: 13-07-2018

Programa de Pós-Graduação: Engenharia de Alimentos

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Profª. Dr. Rosiane Lopes da Cunha Orientadora

Prof. Dr. Carlos Raimundo Ferreira Grosso Membro Titular

Profª. Dr. Carolina Siqueira Franco Picone Membro Titular

Dr. Henriette Monteiro Cordeiro de Azeredo Membro Titular

Embrapa Agroindústria Tropical/Embrapa Instrumentação

Prof. Dr. João Borges Laurindo Membro Titular

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DEDICATÓRIA

Dedico, com saudade, este trabalho à professora Florencia Cecilia Menegalli (in memoriam), que me guiou em busca do sucesso e que sempre confiou em minha capacidade. Gratidão pela orientação, incentivo e carinho. Flor, pa0ra sempre em meu coração.

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A Deus, pelo dom da vida, que me dá inspiração e força interior, por me amparar nos momentos difíceis, por ser meu grande mentor e me suprir em todas as minhas necessidades.

A minha orientadora Profª. Dra. Florencia Cecilia Menegalli, pela orientação que elevou meus conhecimentos científicos e muito estimulou o meu desejo de fazer o melhor e querer aprender sempre mais. Agradeço também a oportunidade que me deu de me integrar no seu grupo de pesquisa, a confiança em mim depositada e por acreditar no futuro deste projeto, sendo um exemplo de profissional. Neste final, o destino quis que estivesse me orientando de outro plano, mas sempre esteve e estará presente em meu coração.

A minha orientadora Profª. Dra. Rosiane Lopes da Cunha, por me acolher em um momento difícil e acreditar que este trabalho poderia ser concluído com sucesso. Obrigada pelos conhecimentos compartilhados e pela oportunidade de trabalharmos juntas.

A minha co-orientadora e amiga Profª Dra. Franciele Maria Pelissari Molina, agradeço a total disponibilidade e dedicação, pela orientação, conselhos, apoio constante, palavras de incentivo e conhecimentos transmitidos para meu crescimento profissional.

Aos meus amados familiares (Dal Piva e Tibolla) que torceram por mim. Em especial aos meus pais, Ari Vitorio e Salete, pela educação, por todos os ensinamentos da vida e pelo modo como sabem deixar nossa família sempre unida. Por acreditarem sempre em mim, pelo apoio nos momentos de tomar decisões, obrigada por não me deixarem desistir dos meus sonhos. Mãe linda, meu exemplo de mulher forte e guerreira, obrigada pelo carinho que acalma. Pai ídolo, meu exemplo de pessoa batalhadora, obrigada pela ajuda, apoio e proteção. Vocês foram a sustentação para que este trabalho fosse possível. Aos meus irmãos, Gustavo e Igor, pelo amor, carinho, companheirismo, brincadeiras e risadas. Mesmo com a distância, obrigada por manterem o laço de união que sempre nos acompanha. Amo vocês.

Ao meu namorado Diego. Meu querido, obrigada pelo inestimável companheirismo, paciência e compreensão durante a realização deste trabalho, pelos abraços ternos, pelo sorriso meigo e pelo amor incessante.

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A minha cãopanheira Athena, minha “nenê” que chegou para completar minha vida, trazendo mais alegria e amor para dentro de casa e no meu dia-a-dia.

As minhas queridas amigas e companheiras de todas as horas Tana, Lari, Gabi, Aline e Karine. Agradeço a companhia diária, pela ajuda em todas as etapas do meu trabalho, pelas palavras de carinho e conselhos de irmãs. Obrigada por me mostrarem como levar a vida a sério, mas não ficar sério para a vida. Vou ter vocês guardadas pra sempre no meu coração.

As minhas amigas de infância: Ana Caroline, Mariane, Tabata, Bruna e a prima Nati, pelos intermináveis desabafos ao telefone, pela partilha dos bons e “menos bons” momentos. Obrigada pela amizade sincera que dura há 28 anos, pelas palavras de apoio, conselhos, puxões de orelha e o amor indestrutível. Obrigada por sempre estarem ao meu lado e por não deixar a distância mudar nada entre nós.

Aos membros da minha banca examinadora, pelas observações e contribuições dadas que enriqueceram este trabalho. Ao CNPq pela concessão da bolsa de doutorado, e a CAPES pela bolsa de doutorado sanduíche e pelo apoio financeiro.

Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia de Alimentos (DEA/FEA/UNICAMP). A técnica do laboratório LEP, Zil, pela ajuda na realização de análises e por tornar o ambiente de trabalho mais alegre. Aos colegas de laboratório Davi, Guilherme e Cris, pelo companheirismo e agradável convívio que me proporcionaram a amizade compartilhada.

A Universidade do Minho (UMINHO), em especial ao professor Vicente e a querida Joana que me receberam muito bem, orientaram e repassaram conhecimentos científicos durante o período do doutorado sanduíche. Aos colegas e amigos que me acolheram em Braga-PT, em especial à Adri, Rejane e Lili, companheiras de todos os dias, vou levar as boas lembranças e vocês sempre no coração.

Enfim, a todos aqueles que, embora não mencionados, estiveram envolvidos e de uma forma ou de outra, contribuíram e participaram para a execução desse trabalho.

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RESUMO

Este estudo teve como objetivo produzir e caracterizar filmes biodegradáveis de amido incorporados com nanofibrilas de celulose (NFCs), a fim de melhorar suas propriedades mecânicas e de barreira à umidade. Primeiramente foram investigados diferentes métodos para o isolamento de nanofibrilas de celulose a partir da casca de banana verde da variedade “Terra” (Musa paradisíaca). NFCs foram produzidas via hidrólise ácida, estudando o efeito do uso de diferentes concentrações de ácido e, também da adição de tratamento mecânico (homogeneização à alta pressão) nas propriedades das NFCs. Com o intuito de desenvolver um método menos agressivo ao ambiente, NFCs foram produzidas através de hidrólise enzimática com xilanase, processo que não envolveu o uso de reagentes químicos. Em seguida, NFCs obtidas foram caracterizadas quanto a sua morfologia, diâmetro e comprimento, potencial zeta, cristalinidade e composição química. As NFCs foram avaliadas quanto à sua toxicidade a partir de uma linhagem celular Caco-2. A realização deste estudo mostrou a potencialidade da casca de banana verde como matéria-prima para o isolamento de NFCs, as quais apresentaram características ideais para aplicação como agente de reforço em compósitos poliméricos. A análise toxicológica apresentou um elevado nível de segurança do uso das NFCs frente à saúde humana. Nas próximas etapas foram produzidos nanocompósitos à base de amido da polpa de banana verde da variedade “Terra” reforçados com NFCs. A fim de avaliar o efeito da adição de um material de reforço à matriz de amido, os filmes foram caracterizados quanto à sua microestrutura, cristalinidade, estrutura química e propriedades de barreira à umidade, mecânicas e óticas. Os nanocompósitos apresentaram um aumento da tensão de ruptura sem afetar drasticamente a sua elongação, o qual demonstrou que a incorporação de nanofibras melhorou a resistência mecânica dos filmes. A diminuição significativa da permeabilidade ao vapor de água, solubilidade e absorção de umidade também evidenciaram o efeito benéfico das nanofibras na matriz de amido. As propriedades dos nanocompósitos foram relacionadas com as características físico-químicas das nanofibras incorporadas e também com a boa compatibilidade apresentada entre o amido e as nanofibras. A última etapa deste trabalho foi avaliar o efeito dos nanocompósitos produzidos como embalagem frente à estabilidade de castanhas de caju durante 35 dias de armazenamento sob condições controladas (35 ºC e 58% umidade relativa). As amostras foram avaliadas em função das características de qualidade das castanhas de caju: nível de peróxidos (POV), acidez, ganho de peso, atividade de água (Aw), propriedades de cor e dureza (textura). As castanhas de caju embaladas com os nanocompósitos

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apresentaram estabilidade similar às das amostras embaladas com filme de polietileno (PEF) comercial, mostrando o potencial dos nanocompósitos para serem utilizados como material de embalagem. Os resultados experimentais obtidos no decorrer do estudo mostraram que foi possível o uso de um subproduto agrícola no desenvolvimento de um produto de alto valor agregado. Além disso, os nanocompósitos produzidos mostram competitividade com materiais de embalagem comerciais com a vantagem de ser um material renovável, de baixo custo, biocompatível e biodegradável.

Palavras-chave: Nanofibrilas de celulose, Hidrólise ácida, Hidrólise enzimática, Citotoxicidade, Filmes de amido, Nanocompósitos, Embalagem.

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ABSTRACT

This study aimed to develop and characterize starch-based biodegradable films incorporated with cellulose nanofibers (CNFs), in order to improve their mechanical and water barrier properties. At a first moment different methods to isolate cellulose nanofibers from unripe banana peel of variety “Terra” (Musa paradisíaca) was investigated. CNFs were isolated by acid hydrolysis and, the effect of the use of different acid concentrations and, also the addition of mechanical treatment (high pressure homogenizations) on the CNFs properties were studied. In order to develop an environmental friendly method, CNFs were produced from enzymatic hydrolysis using xylanase, which can be considered a mild process since it does not involve the use of chemical reagents. Then, CNFs were characterized in terms of their morphology, diameter and length, zeta potential, crystallinity and chemical groups. Toxicity of CNFs was also evaluated from a Caco-2 cell line. The accomplishment of this study showed the potentiality of the use of unripe banana peels as raw material for the CNFs isolation, which showed ideal features for their application as a reinforcing agent in polymeric composites. Toxicological analysis showed a high level of safety of the use of CNFs in relation to human health. In the next step, unripe banana starch-based nanocomposites reinforced with CNFs were produced. In order to evaluate the effect of adding a reinforcing material to the starch matrix, the films were characterized from their microstructure, crystallinity, chemical structure and water barrier, mechanical and optical properties. The nanocomposites showed an increase of the tensile strength without a remarkable effect on elongation, demonstrating that nanofibers incorporation improved the mechanical strength of the films. A significant decrease in water vapor permeability, solubility and moisture absorption also evidenced the beneficial effect of the nanofibers on the starch matrix. The nanocomposite properties were related to the physico-chemical characteristics of the incorporated nanofibers, and also to the good compatibility between starch and nanofibers. Lastly, the effect of the nanocomposites produced as packaging on the stability of cashew nut kernels during 35 days of storage under controlled conditions (35 ºC and 58% relative humidity) was studied. The samples were evaluated according to the quality characteristics of the cashew nut kernels: peroxides level (POV), acidity, weight gain, water activity (Aw), color properties and hardness (texture). The cashew nut kernelss packed with the nanocomposites presented similar stability to the samples packed with commercial polyethylene (PEF) film, showing the potential of the nanocomposites to be used as packaging material. Experimental results obtained in this study showed that it was possible to use an

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agricultural byproduct in the development of a high-added value product. In addition, the produced nanocomposites show competitiveness with commercial packaging materials with the advantage of being a renewable, low cost, biocompatible and biodegradable material.

Keywords: Cellulose nanofibers, Acid hydrolysis, Enzymatic hydrolysis, Citotoxicity, Starch films, nanocomposites, packaging.

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LISTA DE FIGURAS

C

APÍTULO

2

Figura 2.1 - Organização estrutural de uma fibra vegetal (fibra de madeira). S1, S2 e S3: Paredes secundárias, P:Parede primária e ML: Lamela média. ... 35 Figura 2.2 - Estrutura dos principais componentes de uma fibra vegetal. ... 36 Figura 2.3 - Hierarquia de nomeação para nanocelulose ... 37 Figura 2.4 - Detalhes da estrutura de fibras celulósicas com ênfase nas microfibrilas de celulose e regiões cristalinas e amorfas. ... 38 Figura 2.5 - Efeito do pré-tratamento na estrutura de materiais lignocelulósicos. ... 45 Figura 2.6 - Mecanismo de ação das enzimas xilanolíticas sobre a degradação da hemicelulose. 46

C

APÍTULO

3

Figure 3.1 - Scheme describing the chemical and mechanical procedures used to isolate cellulose nanofibrils from banana peel bran ... 66 Figure 3.2 - SEM images of the untreated banana peel bran (1400 x, scale bar = 20 µm) ... 71 Figure 3.3 - TEM images of the CNFs produced by chemical hydrolysis with or without mechanical treatment: a) N 0.1%, b) N 1%, c) N 10%, d) NM 0.1%, e) NM 1% and f) NM 10% (scale bar = 200 nm) ... 72 Figure 3.4 - AFM images from cellulose nanofibrils obtained by acid hydrolysis without mechanical treatment: (a) topography, (b) electric potential and (c) dC/dz (scanning area 1.0 µm x 1.0 µm, scale bar = 200 nm)... 73 Figure 3.5 - AFM images from cellulose nanofibrilsobtained by acid hydrolysis with mechanical treatment: (a) topography, (b) electric potential and (c) dC/dz (scanning area 1.0 µm x 1.0 µm, scale bar = 200 nm)... 74 Figure 3.6 - Histogram distribution of the intensity of surface capacitance values over 1x1 µm sample of the cellulose nanofibrils produced by acid hydrolysis and mechanical treatments (NM) and acid hydrolysis (N). Acid concentration: 0.1, 1 and 10 % of H2SO4 ... 76 Figure 3.7 - X-ray diffraction patterns of the banana peel bran, cellulose nanofibrils obtained by chemical treatment (N 0.1%, N 1% and N 10%) and combination of chemical and mechanical treatments (NM 0.1%, NM 1% and NM 10%)... 80

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Figure 3.8 - FTIR spectra of the banana peel bran, alkaline treatment sample, bleaching treatment sample, cellulose nanofibrils obtained by chemical treatment (N 0.1%, N 1% and N 10%) and chemical and mechanical treatments (NM 0.1%, NM 1% and NM 10%) ... 81 Figure 3.9 - Effect of CNFs produced by chemical and mechanical treatments on Caco-2 cell viability after 24 h of incubation, at 0 (positive control group), 50 – 5000 µg/mL of CNFs (bars represent standard deviation). a,b,c,d_{Different letter superscripts in the same concentration} indicate a statistically significant difference between samples (p < 0.05). * Asterisks denote a significant difference relative to the positive control group (p < 0.05) ... 84

C

APÍTULO

4

Figure 4.1 - Storage (G´) and loss (G´´) moduli of aqueous suspensions with 1.0 % (w/w) CNF as a function of frequency for CNF suspensions isolated with different acid concentration: CN 0.1% (●); N 1% (▲) and CN 10% (■) and with mechanical treatment: CNM 0.1% (●); CNM 1% (▲) and CNM 10% (■). Filled symbols correspond to G’ and open symbols correspond to G’’. ... 104 Figure 4.2 - SEM surfaces (500x, scale bar = 20 µm) and cross-section (2000x, scale bar = 10 µm) of the control film (CF) and nanocomposites reinforced with cellulose nanofibrils isolated by chemical treatment (FN0.1, FN1 and FN10). ... 105 Figure 4.3 - SEM surfaces (500x, scale bar = 20 µm) and cross-section (2000x, scale bar = 10 µm) of nanocomposites reinforced with cellulose nanofibrils isolated by chemical treatment followed by mechanical treatment (FNM 0.1, FNM1 and FNM10). ... 106 Figure 4.4 - AFM images of the nanocomposite films: FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10 obtained from topography (A) and phase (B) images (scanning area 2.0 µm x 2.0 µm, scale bar = 200 nm). ... 110 Figure 4.5 - Water uptake during conditioning at 95% RH as a function of time for the control film (FC) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 113 Figure 4.6 - Photography of the control film (FC) and nanocomposites reinforced with cellulose nanofibrils obtained from acid treatment (FN0.1) and from acid treatment followed by mechanical treatment (FNM10)... 116 Figure 4.7 - Light transmittance of the control film (CF) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 117 Figure 4.8 - X-ray diffraction patterns of the control film (FC) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 118

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Figure 4.9 - FTIR spectra of the control film (FC) and nanocomposites reinforced with cellulose nanofibers. ... 120 Figure 4.10 - Control film infrared spectrum (a), topography (b) and chemical maps (c) with nanometer resolution. ... 121 Figure 4.11 - Nanocomposites infrared spectrum (a), topography (b) and chemical maps (c) with nanometer resolution for FN0.1, FN1 and FN10. ... 123 Figure 4.12 - Nanocomposites infrared spectrum (a), topography (b) and chemical maps (c) with nanometer resolution for FNM0.1, FNM1 and FNM10. ... 124

C

APÍTULO

5

Figure 5.1 - Effect of CNFs (CNF1 and CNF2) produced by enzymatic treatment on Caco-2 cell viability after 24 h of incubation (bars represent standard deviation). a _{Same lowercase letter} superscripts in the same concentration indicate no statistically significant difference between samples (p ≥ 0.05). ABCD _{Different uppercase letter superscripts indicate statistically significant} difference between the samples in the different concentrations (p ≤ 0.05). * Asterisks denote a significant difference relative to the positive control group (p ≤ 0.05). ... 141 Figure 5.2 - SEM images of surface (1000x, scale bar = 10 µm) and cross-section (1000x, scale bar = 20 µm) of the control film (CF) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2) ... 143 Figure 5.3 - AFM images of the films: CF, CNFF1 and CNFF2 obtained from topography signal (A), amplitude (B) and phase (C) images (scanning area: 2.0 µm x 2.0 µm, scale bar: 200 nm). ... 144 Figure 5.4 - Water uptake during conditioning at 95% RH as a function of time for the control film (FC) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 149 Figure 5.5 - Light transmittance of the control film (FC) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 151 Figure 5.6 - X-ray diffraction patterns and FTIR spectra of the control film (FC) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 152 Figure 5.7 - AFM-IR images of control film (CF) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2): infrared spectrum (a), topography (b) chemical maps (c) with nanometer resolution and comparison between infrared spectra, in region 1, of all films (d). ... 157

(15)

C

APÍTULO

6

Figure 6.1 - Cashew nut kernels film-packaging preparation and storage conditions: unpacked and packed with commercial polyethylene film (PEF), starch film (CF), starch film with cellulose nanofibrils from chemical hydrolysis (CHF) and starch film with cellulose nanofibrils from enzymatic hydrolysis (EHF). ... 171 Figure 6.2 - Weight gain (a) and Aw change (b) of the cashew nut kernels submitted to five treatments: unpacked and packed with commercial polyethylene film (PEF), starch film (CF), starch film with cellulose nanofibrils from chemical hydrolysis (CHF) and starch film with cellulose nanofibers from enzymatic hydrolysis (EHF). ... 177

A

PÊNDICE

1

Figure 1 - TEM images of the validation test (VT) samples: a) VT1 (T = 35 °C, pH = 6.0, [E] = 70 U/g, [S] = 35 %) (20000 x, scale bar = 200 nm), b) VT2 (T = 35 °C, pH = 6.0, [E] = 70 U/g, [S] = 15 %) (50000 x, scale bar = 100 nm), c) VT3 (T = 55 °C, pH = 6.0, [E] = 70 U/g, [S] = 35 %) (25000 x, scale bar = 200 nm) and d) VT4 (T = 55 °C, pH = 6.0, [E] = 70 U/g e [S] = 15 %) (25000 x, scale bar = 200 nm) ... 218 Figure 2 - (a) X-ray diffraction pattern and (b) FTIR spectra of the CNFs samples obtained by the validation tests (VTs) ... 219

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LISTA DE TABELAS

C

APÍTULO

2

Tabela 2.1 - Percentual da composição de diferentes fibras lignocelulósicas. ... 36 Tabela 2.2 - Composição percentual em massa seca dos resíduos da bananeira. ... 37 Tabela 2.3 - Dimensões de diferentes formas de nanocelulose. ... 38 Tabela 2.4 - Efeitos obtidos em filmes incorporados com nanofibrilas de celulose obtidas por diferentes métodos... 41 Tabela 2.5 - Estudos toxicológicos de diferentes partículas em diferentes modelos para métodos In vitro. ... 50

C

APÍTULO

3

Table 3.1 - Results obtained for CNFs samples produced by chemical and mechanical treatments 75

Table 3.2 - Main bands of the FTIR spectra for the bran and CNFs ... 82

C

APÍTULO

4

Table 4.1 - Characteristics of cellulose nanofibrils from banana peels produced by chemical and mechanical treatments (data from Tibolla et al., 2017). ... 97 Table 4.2 - Thickness, density, roughness and mechanical properties of the control film (CF) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 108 Table 4.3 - Moisture, solubility in water and water vapor permeability (WVP) of the control film (CF) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 112 Table 4.4 - Optical properties of control film (CF) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 115 Table 4.5 - Optical properties of control film (FC) and nanocomposites (FN0.1, FN1, FN10, FNM0.1, FNM1 and FNM10) reinforced with cellulose nanofibers. ... 122

C

APÍTULO

5

Table 5.1 - Characteristics of cellulose nanofibrils (CNFs) added to starch-based films (data from Tibolla et al., 2017). ... 134

(17)

Table 5.2 - Thickness, density, mechanical properties and water barrier properties of the control film (CF) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 146 Table 5.3 - Optical properties and light transmittance of control film (FC) and nanocomposites reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 150 Table 5.4 - Main bands of the FTIR spectra for control film (FC) and nanocomposite films reinforced with cellulose nanofibrils (CNFF1 and CNFF2). ... 154

C

APÍTULO

6

Table 6.1 - Characteristics of the control film (CF) and nanocomposites (CHF and EHF) reinforced with cellulose nanofibers... 169 Table 6.2 - Peroxide and acidity values of unpacked and packed cashew nut kernels with different films (PEF, CF, CHF and EHF) during 35 days of storage. ... 175 Table 6.3 - Mechanical properties of unpacked and packed cashew nut kernels with different films (PEF, CF, CHF and EHF) during 35 days of storage. ... 179 Table 6.4 - Optical properties of unpacked and packed cashew nut kernels with different films (PEF, CF, CHF and EHF), during 35 days of storage. ... 181

A

PÊNDICE

1

Table 1 - Process conditions of the tests (VTs) and respective results obtained from the characterization of cellulose nanofibers (CNFs). ... 214

(18)

SUMÁRIO

C

APÍTULO

1 I

NTRODUÇÃO GERAL

,

OBJETIVOS E ESTRUTURA DA TESE

1. 1 INTRODUÇÃO GERAL... 25 1. 2 OBJETIVOS ... 27 1. 2. 1 Objetivo geral ... 27 1. 2. 2 Objetivos específicos ... 27 1. 3 ESTRUTURA DA TESE ... 28

C

APÍTULO

2 R

EVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2. 1 A BANANA... 31 2. 2 FILMES BIODEGRADÁVEIS ... 31

2. 2. 1 Filmes biodegradáveis a base de amido ... 32

2. 2. 2 Agentes de reforço para filme ... 33

2. 2. 2. 1 Fibras vegetais lignocelulósicas ... 34

2. 2. 2. 2 Nanocelulose ... 37

2. 2. 3 Filmes reforçados com nanofibrilas de celulose (nanocompósitos) ... 39

2. 2. 4 Isolamento de nanofibrilas de celulose ... 44

2. 2. 4. 1 Hidrólise enzimática ... 45

2. 2. 4. 2 Hidrólise ácida ... 47

2. 3 TOXICIDADE DE NANOFIBRAS/NANOWHISKERS DE CELULOSE ... 48

2. 4 CONCLUSÃO ... 51

REFERÊNCIAS ... 51

C

APÍTULO

3

CELLULOSE NANOFIBRILS PRODUCED FROM BANANA PEEL BY CHEMICAL AND MECHANICAL TREATMENTS

:

CHARACTERIZATION AND CYTOTOXICITY ASSESSMENT 3. 1 INTRODUCTION... 62

3. 2 MATERIALS AND METHODS ... 64

3. 2. 1 Materials ... 64

3. 2. 2 Banana peel bran preparation ... 64

3. 2. 3 Cellulose nanofiber isolation – Chemical and mechanical treatments ... 64

3. 2. 4 Cellulose nanofiber characterization ... 67

3. 2. 4. 1 Scanning electron microscopy (SEM) ... 67

(19)

3. 2. 4. 3 Atomic force microscopy (AFM) ... 67

3. 2. 4. 4 Dynamic light scattering (DLS) measurements ... 68

3. 2. 4. 5 CNF yield after acid hydrolysis ... 68

3. 2. 4. 6 X-Ray diffraction (XRD) ... 68

3. 2. 4. 7 Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) ... 69

3. 2. 4. 8 2.4.8. Cellulose nanofiber cytotoxicity ... 69

3. 2. 5 Statistical analyses ... 70

3. 3 RESULTS AND DISCUSSION ... 70

3. 3. 1 Cellulose nanofiber cytotoxicity ... 83

3. 4 CONCLUSION ... 86

ACKNOWLEDGEMENTS ... 87

REFERENCES ... 87

C

APÍTULO

4 S

TARCH

-B

ASED

N

ANOCOMPOSITES WITH

C

ELLULOSE NANOFIBRILS

O

BTAINED FROM

C

HEMICAL AND MECHANICAL TREATMENTS 4. 1 INTRODUCTION... 94

4. 2 MATERIAL AND METHODS ... 95

4. 2. 1 Materials ... 95

4. 2. 2 Cellulose nanofibrils (CNFs) isolation ... 95

4. 2. 2. 1 Rheological behavior of cellulose nanofibrils suspensions ... 98

4. 2. 3 Nanocomposites production ... 98

4. 2. 4 Nanocomposites characterization ... 99

4. 2. 4. 1 Topography and roughness ... 99

4. 2. 4. 2 Thickness and density ... 99

4. 2. 4. 3 Mechanical properties ... 99

4. 2. 4. 4 Moisture content and solubility ... 100

4. 2. 4. 5 Water vapor permeability (WVP) ... 100

4. 2. 4. 6 Water uptake (WU) ... 101

4. 2. 4. 7 Optical properties and light transmittance ... 101

4. 2. 4. 10 Atomic force microscopy-based infrared spectroscopy (AFM-IR)... 102

(20)

4. 3. 2 Nanocomposites characterization ... 104

4. 3. 2. 1 Microstructure ... 104

4. 3. 2. 2 Thickness, roughness and density ... 107

4. 3. 2. 4 Optical properties (color, opacity and light transmittance)... 114

REFERENCES ... 126

C

APÍTULO

5 B

ANANA

S

TARCH

-

BASED

N

ANOCOMPOSITES

F

ILMS

R

EINFORCED WITH

C

ELLULOSE NANOFIBRILS ISOLATED FROM

B

ANANA

P

EEL BY

E

NZYMATIC

T

REATMENT

:

I

N VITRO

C

YTOXICITY

A

SSESSMENT 5. 1 INTRODUCTION... 132

5. 2 MATERIAL AND METHODS ... 133

5. 2. 1 Materials ... 133

5. 2. 2 Effect of CNFs on cell viability ... 134

5. 2. 2. 1 Cell culture ... 134

5. 2. 2. 2 Cell viability assay... 134

5. 2. 3 Nanocomposite films production ... 135

5. 2. 4 Nanocomposite films characterization ... 136

5. 2. 4. 2 Thickness, density and moisture content ... 136

5. 2. 4. 4 Water-soluble fraction ... 137

5. 2. 4. 5 Water vapor permeability (WVP) ... 138

5. 2. 4. 6 Water uptake (WU) ... 138

5. 2. 4. 7 Optical properties and light transmittance ... 139

5. 2. 4. 10 Atomic force microscopy-based infrared spectroscopy (AFM-IR)... 140

(21)

5. 3. 2 Nanocomposite films characterization ... 142

5. 3. 3 Thickness and density ... 144

5. 3. 4 Mechanical properties ... 147

5. 3. 5 Water barrier properties (moisture content, solubility, water vapor permeability and water uptake) ... 147

5. 3. 6 Optical properties and light transmittance ... 149

5. 3. 7 X-Ray diffraction (XRD) ... 151

5. 3. 8 Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) ... 152

5. 3. 9 Atomic force microscopy-based infrared (AFM-IR) spectroscopy ... 156

REFERENCES ... 160

C

APÍTULO

6 S

HELF

L

IFE OF

C

ASHEW

N

UT

K

ERNELS

P

ACKED IN

B

ANANA

S

TARCH

-

BASED

N

ANOCOMPOSITES 6. 1 INTRODUCTION... 167

6. 2 MATERIALS AND METHODS ... 168

6. 2. 1 Materials ... 168

6. 2. 2 Film-packaging preparation ... 168

6. 2. 3 Film-packaging preparation of cashew nut kernels ... 170

6. 2. 3. 1 Storage conditions of cashew nut kernels ... 170

6. 2. 4 Cashew nut kernels characterization during storage ... 171

6. 2. 4. 1 Lipids extraction of cashew nut kernels ... 171

6. 2. 4. 1. 1 Peroxides value (POV) ... 172

6. 2. 4. 1. 2 Acidity value... 172

6. 2. 4. 2 Water activity and weight gain ... 173

6. 2. 4. 3 Mechanical properties (hardness) ... 173

6. 2. 4. 4 Color measurements ... 173

6. 2. 5 Statistical analysis ... 174

6. 3. 1 Effect of film-packaging on lipid oxidation of cashew nut kernels ... 174

6. 3. 2 Effects of film-packaging on weight gain and water activity (Aw) of cashew nut kernels ... 177

(22)

6. 3. 3 Effects of film-packaging on hardness of cashew nut kernels ... 178 6. 3. 4 Effects of film-packaging on color of cashew nut kernels ... 180 6. 4 CONCLUSION ... 182 ACKNOWLEDGMENTS ... 183 REFERENCES ... 183

C

APÍTULO

7 D

ISCUSSÃO GERAL 7. 1 DISCUSSÃO GERAL ... 187

C

APÍTULO

8

CONCLUSÃO GERAL E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

8. 1 CONCLUSÃO GERAL ... 191 8. 2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 193

R

EFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 195

A

PÊNDICE

1 P

RELIMINARY TESTS

:

C

ELLULOSE

N

ANOFIBERS

P

RODUCED FROM

B

ANANA

P

EEL BY

E

NZYMATIC

T

REATMENT

:

S

TUDY OF

P

ROCESS

C

ONDITIONS

1.1. OBJECTIVE ... 212 1.2. MATERIALS AND METHODS ... 212 Materials ... 212 Pretreatment of the banana peel bran ... 212 Production of cellulose nanofibers (CNFs) ... 212 CNFs characterization ... 215 1.2.4.1. Transmission electron (TEM) and atomic force microscopy (AFM) ... 215 1.2.4.2. Dynamic light scattering (DLS) ... 215 1.2.4.3. Yield of CNFs prepared by enzymatic hydrolysis ... 215 1.2.4.4. X-Ray diffraction (XRD) ... 216 1.2.4.5. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) ... 216 1.3. RESULTS AND DISCUSSION ... 216 1.4. CONCLUSION ... 220 REFERENCES ... 221

(23)

A

NEXO

1 A

UTORIZAÇÃO PARA PUBLICAÇÃO DE ARTIGOS EM TESE

- INDUSTRIAL CROPS AND PRODUCTS ... 222

A

NEXO

2 A

UTORIZAÇÃO PARA PUBLICAÇÃO DE ARTIGOS EM TESE

(24)

-

I

NTRODUÇÃO

G

ERAL

-

O

BJETIVOS

(25)

1. 1 INTRODUÇÃO GERAL

A crescente preocupação com o meio ambiente nas últimas décadas tem motivado o interesse pela pesquisa e desenvolvimento de processos e produtos sustentáveis. A necessidade de desenvolver materiais biodegradáveis tem conduzido a pesquisas que visam a utilização de recursos naturais e renováveis (Jiménez et al., 2012; Kaushik et al., 2010). O aproveitamento de resíduos agrícolas é uma tendência, pois seu uso favorece a obtenção de produtos de maior valor agregado. O Brasil é um país que possui grande disponibilidade de fontes vegetais, visto que apresenta a maior extensão territorial cultivável mundial. Por sua vez, o cultivo e industrialização da banana gera uma considerável quantidade de resíduos ricos em celulose e amido, que a caracterizam como uma fonte promissora e ainda pouco estudada, para produção de materiais biodegradáveis (Elanthikkal et al., 2010; Pelissari et al., 2013).

Os filmes biodegradáveis, quando empregados como materiais de embalagem, podem reduzir a migração de umidade, proteger os produtos alimentícios durante seu transporte, evitando danos mecânicos e conservando sua integridade física. Além disso, podem favorecer a conservação das características sensoriais e prolongar o período de armazenamento dos produtos (Mali et al., 2010). Compósitos são misturas preparadas na tentativa de conciliar as distintas propriedades dos componentes puros, e as interações favoráveis entre estes, levando a melhores características e desempenho dos materiais resultantes (Lu 2005 e Azeredo 2009). Os compósitos a base de amido têm grande potencial comercial, no entanto, ainda apresentam algumas fragilidades nas propriedades de barreira, térmicas e mecânicas (Follain et al., 2013). Na preparação de nanocompósitos, as nanoestruturas de celulose têm sido exploradas como uma alternativa para reforçar a matriz polimérica, pois são inúmeras as vantagens oferecidas quando incorporadas em compósitos, além de apresentarem características renováveis e biodegradáveis (Pelissari, 2017).

A nanotecnologia é uma ciência multidisciplinar que tem potencial de aprimorar produtos existentes, bem como gerar novos produtos, aumentando a exposição humana a nanomateriais. Entretanto, antes de sua ampla aplicação são necessários estudos toxicológicos. Desta forma, as pesquisas nesta área devem avaliar, além dos efeitos benéficos das nanopartículas, os possíveis riscos e perigo para a saúde humana (Jones and Grainger, 2009; Moreira et al., 2009; Pereira et al., 2014; Pereira et al., 2013a).

Neste enfoque, o grupo de pesquisa de filmes e coberturas comestíveis do Laboratório de Engenharia de Processos (DEA/FEA/UNICAMP) tem dirigido seus estudos em uma linha de pesquisa de desenvolvimento de embalagens biodegradáveis a partir de fontes

(26)

vegetais. Na busca pela inovação e aperfeiçoamento dos estudos, o grupo tem desenvolvido trabalhos na área da nanotecnologia, buscando obter materiais naturais de tamanho nanométrico para serem incorporados como agentes de reforço em filmes (nanocompósitos). Estudos anteriores mostraram resultados satisfatórios que incentivam a continuação e evolução da pesquisa nesta área (Andrade-Mahecha, 2012; Andrade-Mahecha et al., 2015; Pelissari et al., 2014; Tibolla et al., 2014).

Neste contexto, o presente projeto de doutorado teve como objetivo a produção, caracterização e aplicação de nanocompósitos de amido e nanofibrilas de celulose.

(27)

1. 2 OBJETIVOS

1. 2. 1 Objetivo geral

Este trabalho teve como objetivo principal a produção, caracterização e aplicação como embalagem de nanocompósitos à base de amido de banana verde (Musa paradisiaca) reforçados com nanofibrilas de celulose (NFCs) isoladas da casca de banana verde.

1. 2. 2 Objetivos específicos

Parte 1: Produção de NFCs por tratamento químico

a) Isolar nanofibrilas de celulose por hidrólise ácida, avaliando o efeito do emprego de diferentes concentrações de ácido (H2SO4) e tratamento mecânico (homogeneização a alta pressão) nas propriedades físico-quimicas das NFCs;

b) Avaliar o efeito das NFCs na viabilidade de células Caco-2, utilizada para simular o epitélio intestinal humano.

Parte 2: Produção de nanocompósitos

a) Produzir filmes biodegradáveis de amido de banana verde reforçados com NFCs obtidas por tratamento químico e caracterizá-los quanto às propriedades físico-químicas;

b) Produzir filmes biodegradáveis de amido de banana verde reforçados com NFCs obtidas por tratamento enzimático. Avaliação do efeito das NFCs na viabilidade de células Caco-2 e caracterização dos nanocompósitos quanto às propriedades físico-químicas.

Parte 3: Aplicação dos nanocompósitos como embalagem de alimentos c) Realizar um estudo comparativo avaliando o efeito dos filmes reforçados com

NFCs obtidas por tratamento químico e enzimático, como uma embalagem na manutenção da qualidade e estabilidade de castanhas de caju.

(28)

1. 3 ESTRUTURA DA TESE

A tese está estruturada na forma de capítulos, os quais apresentam as etapas do desenvolvimento do projeto de pesquisa. O Capítulo 1 apresenta uma introdução e justificativa geral e os objetivos pretendidos com a realização do projeto. O Capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre temas relacionados à produção de filmes biodegradáveis com a matéria-prima utilizada (amido de banana) e agentes de reforço para filmes (fibras vegetais lignocelulósicas em tamanho nanométrico). O Capítulo 3 apresenta os resultados obtidos da produção, caracterização e análise toxicológica de NFCs obtidas por hidrólise ácida a partir de casca de banana verde, gerando um artigo publicado no periódico “Food Hydrocolloids”. No Capítulo 4 estão apresentados os resultados da produção e caracterização de filmes a base de amido de banana verde reforçados com as NFCs (nanocompósitos) produzidas com base no estudo do capítulo anterior. No Capítulo 5 o artigo apresentado diz respeito à avaliação toxicológica de NFCs produzidas por hidrólise enzimática em ensaios preliminares. Além disso, filmes à base de amido de banana verde reforçados com estas NFCs (nanocompósitos) foram produzidos e caracterizados. O Capítulo 6 apresenta o estudo da aplicação dos nanocompósitos produzidos como um material de embalagem na manutenção da qualidade e estabilidade de castanhas de caju. O Capítulo 7 traz uma discussão integrada dos capítulos experimentais, bem como os resultados mais relevantes, melhorando assim o entedimento geral da tese. As conclusões gerais obtidas no desenvolvimento da tese estão apresentadas no Capítulo 8, seguido das referências bibliográficas. O Apêndice 1 apresenta os resultados dos experimentos preliminares referente ao estudo da produção e caracterização de NFCs obtidas por hidrólise enzimática, os quais estão publicados, juntamente com outros resultados, no periódico “Industrial Crops and Products”.

(29)

REFERÊNCIAS

Andrade-Mahecha, M. M.; Pelissari, F. M.; Tapia-Blácido, D. R.; Menegalli, F. C. Achira as a source of biodegradable materials: Isolation and characterization of nanofibers. Carbohydrate Polymers, v. 123, p. 406-415, 2015. ISSN 0144-8617.

Andrade-Mahecha, M. M.; Tapia-Blácido, D. R.; Menegalli, F. C. Development and optimization of biodegradable films based on achira flour. Carbohydrate Polymers, v. 88, n. 2, p. 449-458, 2012. ISSN 0144-8617.

Azeredo, H. M. C. et al. Nanocomposite Edible Films from Mango Puree Reinforced with Cellulose Nanofibers. Journal of Food Science, v. 74, n. 5, p. 31-35, 2009.

Follain, N. et al. Water transport properties of bio-nanocomposites reinforced by Luffa cylindrica cellulose nanocrystals. Journal of Membrane Science, v. 427, n. 0, p. 218-229, 2013. ISSN 0376-7388.

Jiménez, A.; Fabra, M. J.; Talens, P.; Chiralt, A. Edible and Biodegradable Starch Films: A Review. Food and Bioprocess Technology, v. 5, n. 6, p. 2058-2076, 2012. ISSN 1935-51301935-5149.

Jones, C. F.; Grainger, D. W. In vitro assessments of nanomaterial toxicity. Advanced Drug Delivery Reviews, v. 61, n. 6, p. 438-456, 2009. ISSN 0169-409X.

Lu, Y.; Weng, L.; Cao, X. Biocomposites of Plasticized Starch Reinforced with Cellulose Crystallites from Cottonseed Linter. Macromolecular Bioscience, v. 5, n. 11, p. 1101-1107, 2005. ISSN 1616-5195.

Moreira, M. R. Natureza das Interações Celulose-Água. Dissertação (Mestrado em Ciências). Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos. 2009.

Pelissari, F.; Sobral, P. A.; Menegalli, F. Isolation and characterization of cellulose nanofibers from banana peels. Cellulose, v. 21, n. 1, p. 417-432, 2014. ISSN 0969-0239.

Pelissari, F. M.; Andrade-Mahecha, M. M.; Sobral, P. J. d. A.; Menegalli, F. C. Nanocomposites based on banana starch reinforced with cellulose nanofibers isolated from banana peels. Journal of Colloid and Interface Science, v. 505, p. 154-167, 2017. ISSN 0021-9797. Pereira, M. et al. Ecotoxicological effects of carbon nanotubes and cellulose nanofibers in Chlorella vulgaris. Journal of Nanobiotechnology, v. 12, n. 1, p. 15, 2014. ISSN 1477-3155.

Pereira, M. M. et al. Cytotoxicity and expression of genes involved in the cellular stress response and apoptosis in mammalian fibroblast exposed to cotton cellulose nanofibers. Nanotechnology, v. 24, n. 7, p. 075-103, 2013. ISSN 0957-4484.

Tibolla, H.; Pelissar, F. M.; Menegalli, F. C. Cellulose nanofibers produced from banana peel by chemical and enzymatic treatment. LWT - Food Science and Technology, v. 59, n. 2, p. 1311-1318, 2014. ISSN 0023-6438.

Tibolla, H.; Pelissari, F. M.; Martins, J. T.; Vicente, A. A.; Menegalli, F. C. Cellulose nanofibers produced from banana peel by chemical and mechanical treatments: Characterization and cytotoxicity assessment. Food Hydrocolloids, v. 75, p. 192-201, 2018. ISSN 0268-005X.

Tibolla, H.; Pelissari, F. M.; Rodrigues, M. I.; Menegalli, F. C. Cellulose nanofibers produced from banana peel by enzymatic treatment: Study of process conditions. Industrial Crops and Products, v. 95, p. 664-674, 2017. ISSN 0926-6690.

(30)

(31)

2. 1 A BANANA

A bananeira é um vegetal herbáceo completo (pseudocaule, folhas, flores, frutos e sementes), típico de regiões tropicais úmidas. O ciclo vegetativo da bananeira é contínuo e acelerado, e esta característica de constante renovação permite dizer que os bananais têm vida permanente. O ciclo vegetativo de uma bananeira compreende o período entre sua brotação até a colheita do fruto produzido, podendo oscilar de 12 a 18 meses. A banana pertence à divisão Agiospermae, classe Monocotyledoneae, ordem Scitaminae e família Musaceae, sendo constituída por dois gêneros: Musa (banana comestível) e Ensete (banana silvestre) (Solé, 2004).

A banana é uma das frutas tropicais mais populares e consumidas no mundo (Nathoa et al., 2014). O Brasil, país de grande extensão territorial, é destaque na produção agrícola de banana, totalizando 7,5% da oferta mundial. No ano de 2013 registrou uma produção de 7,3 milhões de toneladas, atingindo a marca de quinto país no ranking mundial (IBGE, 2013).

Segundo Souza et al. (2012), durante a produção de banana é gerado uma grande quantidade de rejeitos e resíduos agroindustriais, visto que além dos frutos rejeitados para comercialização (rejeitos de frutas de má qualidade), para cada tonelada de banana colhida, aproximadamente três toneladas de resíduos são geradas como a casca do fruto industrializado, o pseudocaule, as folhas e o engaço da bananeira.

O material rejeitado da produção de banana é uma potencial fonte de amido (polpa) e de celulose (casca), que pode ser transformado via física, química, enzimática ou microbiologicamente em produtos de valor agregado (Naranjo et al., 2014).

2. 2 FILMES BIODEGRADÁVEIS

Os filmes biodegradáveis são estruturas produzidas a partir de biopolímeros que podem ser utilizados como material de proteção em alimentos, pois agem como uma barreira a elementos externos e consequentemente aumentam o “shelf-life” do produto embalado (Jiménez et al., 2012). O filme deve ser capaz de minimizar a permeação de umidade, o transporte de gases (O2 e CO2), aromas e a migração de lipídios, podendo também carregar aditivos alimentícios, antioxidantes e compostos antimicrobianos (Andrade-Mahecha, 2012).

(32)

2. 2. 1 Filmes biodegradáveis a base de amido

Os polímeros biodegradáveis naturais como os polissacarídeos, apresentam propriedades essenciais para produção de filmes biodegradáveis. O amido tem sido considerado um polissacarídeo com alto potencial para este fim, visto que seu perfil atrativo envolve características como baixo custo, alta disponibilidade na natureza, renovável, biodegradável, produzido em todo o mundo e produtos de degradação não tóxicos (Teixeira, 2007).

O amido é composto, principalmente, de duas macromoléculas: amilose (75% a 80%) e amilopectina (20% a 25%). A proporção de amilose / amilopectina depende da fonte e idade do amido. De fato, a maioria dos amidos nativos é semi-cristalina, com uma cristalinidade de cerca de 20– 45%. A amilose (região amorfa), devido à sua natureza linear, está associada à capacidade de formar filmes. Enquanto que a amilopectina é um polímero altamente ramificado e, as cadeias de ramificação curta na amilopectina são os principais componentes cristalinos do amido granular. Assim, quanto maior o teor de amilopectina no amido nativo, maior é a sua cristalinidade. Os grânulos de amido podem variar na forma, tamanho, estrutura e composição química, dependendo da origem do amido. (Molina, 2013, Jiménez et al., 2012).

Um interessante material renovável para preparação de filmes biodegradáveis é a banana verde. A polpa da banana verde contém grande quantidade de amido (70 % a 80 %, peso seco), porém este fruto também contém significativas quantidades de proteínas, lipídios e fibras, que o torna um produto de interesse na aplicação em alimentos processados e/ou para outros fins industriais, além de ser um material economicamente viável. O amido da banana, apesar de ser conhecido por ser resistente ao ataque de α-amilases e glucoamilases, durante o período de amadurecimento é degradado em açúcares, por isso o interesse na utilização da polpa verde (Zhang et al., 2005). Além disso, apresenta um conteúdo de amilose de 36,2% dependendo da variedade da banana (Zamudio-Flores et al., 2010).

As propriedades dos filmes de amido são altamente influenciadas pela proporção de amilose/amilopectina, o emprego de plastificante e as condições de fabricação do filme (técnica, temperatura e umidade) (Kramer, 2009). Os filmes biodegradáveis, em escala de laboratório, geralmente, são preparados pelo método de secagem por moldagem “casting”, onde a suspensão filmogênica é depositada numa superfície apropriada não adesiva e posteriormente submetida à secagem em estufas ou secadores de bandejas. A transformação da dispersão filmogênica em filmes é consequência de interações intermoleculares, que formam uma rede tridimensional semi-rígida (Jiménez et al., 2012; Meira, 2010).

(33)

Ainda que o amido seja um material com potencial para aplicação na produção de filmes biodegradáveis, estudos realizados com diversos tipos de amidos revelaram que estes materiais possuem moderada permeabilidade ao oxigênio, baixa barreira à umidade e baixa resistência mecânica. O foco das pesquisas atuais é a busca por alternativas para melhorar as propriedades dos filmes, seja pela combinação de polissacarídeos, proteínas e lipídios, ou até mesmo na adição de fibras em tamanho nanométrico (Follain et al., 2013; Jiménez et al., 2012; Kang and Min, 2010; Kaushik and Singh, 2011; Kaushik et al., 2010).

2. 2. 2 Agentes de reforço para filme

Os nanocompósitos consistem em uma matriz polimérica incorporada com componentes rígidos de tamanho nanométrico que agem como um material de reforço nas propriedades dos compósitos, aumentando seu potencial comercial (Bondeson et al., 2006). Os nanocompósitos têm diversas aplicações por causa do seu alto desempenho e versatilidade. Nas duas últimas décadas, as pesquisas estão voltadas para a obtenção dessas nanopartículas de reforço a partir de recursos naturais, tais como as fibras vegetais. Estas são consideradas um material promissor na substituição de fibras de reforço convencionais (fibra de vidro, carbono, entre outras) em compósitos (Kaushik and Singh, 2011). As fibras vegetais apresentam muitas vantagens, incluindo baixo custo, baixa densidade, não promovem abrasão do equipamento de processamento, baixo coeficiente de expansão térmica, mecânicas e de biodegradação (Bhatnagar, 2005).

A celulose, principal componente das paredes celulares das plantas, é um biopolímero de baixo custo, renovável, biodegradável e abundante na natureza. A fibra de celulose é considerada um potencial material para reforço de carga em compósitos, visto que apresenta boa resistência mecânica, rigidez e elevado grau de cristalinidade (Bhattacharya et al., 2008). A eficácia da celulose como material de reforço em compósitos depende de vários fatores como a origem, métodos de obtenção, características físico-químicas e preparação dos compósitos (Molina, 2013; John e Thomas, 2008).

As fibras de celulose como reforço têm sido foco dos estudos na produção de nanocompósitos, os quais relatam melhorias nas propriedades mecânicas, estabilidade térmica, propriedades de barreira ao vapor de água e oxigênio (Bondeson e Oksman, 2007; Moura et al., 2011). A melhoria das propriedades dos compósitos depende do grau de incorporação das fibras, sendo este limitado em função da dificuldade de dispersão na matriz polimérica. Assim,

(34)

as propriedades dos compósitos podem ser consideradas como uma combinação entre as propriedades da matriz, das fibras e das interfaces entre elas (Abdulkhani et al., 2014; John e Thomas, 2008; Xu et al., 2014). As cadeias de celulose são sintetizadas na forma de fibrilas nanométricas que geralmente, apresentam diâmetro de 5 - 100 nm e comprimentos de milhares de nanômetros (Bhatnagar, 2005).

2. 2. 2. 1 Fibras vegetais lignocelulósicas

As fibras vegetais são amplamente distribuídas na natureza e são classificadas de acordo com sua origem anatômica (folhas, talo ou tronco, lenho e superfície). Fibras desta natureza são compostas por um conjunto de células individuais (macrofibra), compostas por fibrilas alongadas de seção transversal arredondada. Estas fibrilas são constituídas por moléculas de celulose orientadas em ângulos distintos, as quais são mantidas unidas por camadas finas de polissacarídeos, pectina, hemicelulose e lignina (compostos amorfos), principais componentes estruturais das plantas (Lu e Hsieh, 2012). Por esta razão, as fibras vegetais também podem ser referidas como fibras celulósicas ou fibras lignocelulósicas (Siqueira et al., 2010a). A região cristalina das fibras vegetais, formada por diversas camadas de fibrilas de celulose que estão alinhadas ao longo da fibra, proporciona uma máxima tração e força de flexão, e o conjunto não-cristalino é responsável por proporcionar rigidez as fibras (John e Thomas, 2008). A cadeia de celulose é um material estrutural e extremamente forte, pois apresenta alta rigidez axial, sendo esta uma propriedade desejável para uma fibra de reforço em compósitos (Zhu et al., 2011).

A microestrutura das fibras vegetais pode ser diferente em sua aparência física, tendo em vista que suas características e comportamento são dependentes das propriedades dos seus constituintes individuais, da estrutura fibrilar e da matriz lamelar (Silva et al., 2009). Cada fibra lignocelulósica tem uma estrutura de camadas complexas com variações em suas características morfológicas e composição. A lamela média (ML) é composta predominantemente por pectina e atua consolidando as fibras em um feixe, enquanto que as camadas: primária (P) e secundárias (S) são compostas de microfibrilas de celulose (9 - 25 %), sendo estas envoltas por uma matriz de compostos amorfos: hemicelulose (10 - 40 %) e lignina (5 - 25%), conforme apresentado na Figura 2.1 (Ioelovich, 2008; Pietak et al., 2007).

(35)

Fonte: Pérez et al. (2002)

Figura 2.1 - Organização estrutural de uma fibra vegetal (fibra de madeira). S1, S2 e S3: Paredes secundárias, P:Parede primária e ML: Lamela média.

A celulose é um homopolissacarídeo linear não ramificado, formado por unidades de β-D-glicopiranose, as quais são unidas por ligações do tipo β-1-4. Os monômeros de glicose se dispõem paralelamente, de modo a formar pontes de hidrogênio entre si (Lehninger et al., 2002; Siqueira et al., 2010a). A partir da agregação das cadeias de celulose, via ligações intermoleculares, sucessivas estruturas são formadas dando origem à parede celular da fibra vegetal (Silva e D'Almeida, 2009).

A hemicelulose apresenta uma estrutura ramificada de natureza amorfa, e compreende um grupo de polissacarídeos intercalados às microfibras de celulose, que atuam como um elemento de ligação entre a celulose e a lignina, tornando-se um componente estrutural da parede celular de plantas, pois está envolvida no suporte e reticulação da matriz celulósica através de ligações de hidrogênio (Ogeda e Petri, 2010; Silva, 2002; Silva et al., 2009). Associada às cadeias de celulose e hemicelulose encontra-se a lignina, segunda macromolécula orgânica mais abundante dentre os materiais lignocelulósicos. A lignina, estruturalmente, consiste em um heteropolímero amorfo, altamente complexo e ramificado, com constituintes aromáticos e alifáticos. Sua estrutura é considerada rígida, de tal modo que fortalece e enrijece as paredes celulares das plantas, conferindo-lhe suporte estrutural (Pérez et al., 2002; Silva, 2002; Wu et al., 2008). A Figura 2.2 apresenta a estrutura dos componentes principais das fibras vegetais.

(36)

Fonte: Alonso et al. (2012)

Figura 2.2 - Estrutura dos principais componentes de uma fibra vegetal.

Além desses componentes, podem ser encontrados nas fibras, em menores quantidades, compostos inorgânicos, pectinas, carboidratos simples, alcalóides, saponinas, terpenos, polifenóis, gomas, resinas, gorduras e ceras, entre outros (Sonesso, 2011).

Devido a ampla variedade de fibras vegetais encontradas na natureza, diversas fontes já foram estudadas e caracterizadas quanto a sua composição típica, conforme apresentado na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 - Percentual da composição de diferentes fibras lignocelulósicas. Fonte das Fibras Celulose

(%)

Hemicelulose (%)

Lignina

(%) Fonte

Palha de trigo 33-38 26-32 17-19 Silva (2009)

Malva 76 10 8 Silva (2002)

Bagaço de cana-de-açúcar 43,6 33,5 18,1 Sun (2004a)

Palha de cevada 37,6 34,9 18,8 Sun et al (2005)

Os resíduos da bananeira por sua vez são fontes pouco estudadas e pouco utilizadas na elaboração de produtos sustentáveis, como os nanocompósitos, tal fato, gera o interesse pela busca de maiores informações sobre esta matéria-prima. A Tabela 2.2 apresenta a avaliação da composição química dos resíduos da bananeira.

(37)

Tabela 2.2 - Composição percentual em massa seca dos resíduos da bananeira. Resíduo da bananeira Celulose (%) Hemicelulose (%) Lignina (%) Fonte

Polpa 63-64 19 5 Deepa et al. (2011)

Nervura das folhas 39,5 23,2 18 Oliveira et al. (2007) Casca 7,6-9,6 6,4-9,4 6-12 Mohapatra et al. (2010)

Engaço 28,4 9,5 10,5 Oliveira et al. (2007)

Pseudocaule 37,1 12,6 13,3 Oliveira et al. (2007)

2. 2. 2. 2 Nanocelulose

A nanocelulose apresenta pelo menos uma das suas dimensões iguais ou menores que 100 nm e área superficial ao redor de 150 m²/g. Possuem um diâmetro típico que está em torno de 2 e 20 nm e uma ampla distribuição do comprimento (Hubbe et al., 2008; Silva et al., 2009; Siqueira et al., 2009). A literatura apresenta diferentes nomenclaturas aplicadas aos componentes da celulose, o que muitas vezes pode ser confundido. A padronização da nomenclatura foi recentemente proposta pela TAPPI - Technical Association of the Pulp and Paper Industry (Tappi, 2011). Uma recomendação sobre a estrutura e terminologia para nanocelulose está apresentada na Figura 2.3.

Fonte: TAPPI. (2011)

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As “microfibrilas de celulose” são fibras espessas formadas durante a biosíntese da celulose, com dimensões de 2-10 nm de espessura e várias dezenas de mícrons de comprimento. Enquanto que a “celulose microfibrilada” consiste de agregados de microfibrilas. Quando submetidas a tratamento químicos, físicos e outros, essas microfibrilas de celulose podem ser clivadas, resultando nos chamados “nanocristais de celulose”, que são os cristais puros de celulose, de forma curta e cilíndrica, também denominados de “whiskers” ou “nanorods”. Também, podem ser obtidas as denomidas “nanofibrilas de celulose” ou “nanofibras de celulose”, que são fibras longas e flexíveis entrelaçadas, as quais apresentam mais eficiência de reforço em nanocompósitos poliméricos (Xu et al., 2014; Molina, 2013; Lavoine et al., 2012; Svagan et al., 2009). A Figura 2.4 mostra esquematicamente essas formações mencionadas e em sequência, a Tabela 2.3 apresenta os parâmetros dimensionais para as várias formas de celulose citadas.

Fonte: Lavoine et al. (2012)

Figura 2.4 - Detalhes da estrutura de fibras celulósicas com ênfase nas microfibrilas de celulose e regiões cristalinas e amorfas.

Tabela 2.3 - Dimensões de diferentes formas de nanocelulose.

Tipo de estrutura Diâmetro (nm) Comprimento (nm) “Aspect ratio” (L/d)* Microfibrilas 2 -10 > 10.000 > 1.000 Celulose microcristalina > 1.000 > 1.000 ~1 Celulose microfibrilada 20 – 50 > 1.000 100 - 150 Nanocristais de celulose 5 – 10 50 -60 < 50 Nanofibrilas de celulose 2 – 20 > 1.000 50 - 500 *L: comprimento; d: diâmetro

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As NFCs apresentam importantes propriedades como a elevada área de superfície em relação ao volume, alta relação de aspecto (razão entre comprimento e largura) e boas propriedades mecânicas, dinâmicas, térmicas e de barreira, tais como: elevada carga superficial (potencial zeta), significativa área cristalina, elevado módulo de Young, resistência à tração, rigidez, flexibilidade, baixo coeficiente de expansão térmica e formação da malha altamente porosa em comparação com outras fibras comerciais (sintéticas) (Abe & Yano, 2009; Cherian et al., 2008b; Deepa et al., 2011; Tholstrup Sejersen et al., 2007). Além disso, outra característica importante citada na literatura é que as NFCs apresentam caráter não-tóxico frente à saúde humana (Abdulkhani et al., 2014; Xu et al., 2014) ainda que esta característica deve ser melhor estudada.

2. 2. 3 Filmes reforçados com nanofibrilas de celulose (nanocompósitos)

Os compósitos são materiais que consistem de, pelo menos, dois ou mais componentes (matriz e agente de reforço), e suas propriedades são definidas pela compatibilidade química e física entre estes constituintes (Silva et al., 2009).

A produção de materiais compósitos reforçados com partículas nanométricas rígidas, os chamados nanocompósitos, tem despertado interesse como uma alternativa de melhorar as propriedades dos filmes biodegradáveis e aumentar o seu potencial comercial. Os primeiros estudos da utilização de fibras vegetais em compósitos datam da década de 60, porém o assunto começou a ganhar mais importância na década de 90, quando uma visão mais realista e ambientalmente correta para processos industriais, motivou a busca e utilização de fontes renováveis, bem como na obtenção de processos e produtos sustentáveis (Abdulkhani et al., 2014; Bondeson et al., 2006; Bondeson e Oksman, 2007; John e Thomas, 2008; Kang e Min, 2010; Siqueira et al., 2010a).

A matriz polimérica tem a função de manter a integridade estrutural do compósito e a compatibilidade do material de reforço com a matriz polimérica possui um papel fundamental nas propriedades do compósito. Uma alta compatibilidade ocorre entre a matriz de amido e as nanofibrilas de celulose, devido à rede 3D de ligações de hidrogênio formado entre diferentes componentes (Abdulkhani et al., 2014; Kaushik et al., 2010).

Na preparação de nanocompósitos uma boa dispersão da nanopartícula na matriz polimérica é necessária, obtendo um produto homogêneo e com compatibilidade entre matriz-fibra. A dificuldade de se conseguir uma distribuição homogênea pode ser atribuída às

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características hidrofílicas das NFCs no caso de dispersão em uma matriz polimérica hidrofóbica ou ao alto grau de agregação das nanofibras em suspensão (Lee et al., 2011). A aglomeração das partículas causa a separação de fases no compósito, comprometendo suas propriedades (Wittaya, 2009). Assim, a utilização de uma suspensão coloidal de nanopartículas em meio aquoso, por incorporação de cargas superficiais facilita a formação de compósitos homogêneos, em virtude da sua alta dispersabilidade.

Diversas pesquisas nesta área têm sido realizadas a partir de diferentes polímeros e diferentes fontes de celulose. Os estudos confirmam que com a incorporação de NFCs, há uma melhora significativa nas propriedades dos filmes biodegradáveis. Na Tabela 2.4 são apresentadas as características de filmes incorporados com NFCs como material de reforço.

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Tabela 2.4 - Efeitos obtidos em filmes incorporados com nanofibrilas de celulose obtidas por diferentes métodos. Referência Biopolímero Nanofibra (fonte de celulose) Efeito nos filmes

Svagan et al. (2009) Amido de batata Madeira macia branqueada com sulfito por hidrólise enzimática e tratamento mecânico (agitação e homogeneização

à alta pressão) Diâmetro = ~ 30 nm

Comprimento = >1000 nm

70% de fibra - Rede de nanofibras bem dispersa na matrix - Homogeneidade

- Redução da difusividade

- Redução da absorção de umidade Saito et al. (2009) Amido de batata Polpa kraft branqueda (madeira dura)

Oxidação mediante à TEMPO/NaBr/NaClO Diâmetro = ~ 5 nm Comprimento = >2000 nm Oxidação mediante à TEMPO/NaClO/NaClO2 Diâmetro = ~ 5 nm Comprimento = 500 - 2000 nm

Ambos os sistemas de oxidação - Baixa densidade

- Aumento de Módulo Young - Alta tenacidade

- Transparência

TEMPO/NaClO/NaClO2

-Maior tensão -Maior elongação

Kaushik et al. (2010) Amido de milho Palha de trigo por hidrólise ácida Diâmetro = 30-70 nm

10% de fibra

- Fibras bem dispersas e cobertas pela matriz - Boa aparência do filme

- Homogeneidade 15% de fibra

- Melhoras nas propriedades mecânicas - Diminuição na absorção de água - Diminuição da difusividade - Baixa homogeneidade

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Continuação da Tabela 2.4

Referência Biopolímero Nanofibra (fonte de celulose) Efeito nos filmes Woehl et al. (2010) Amido de mandioca Celulose bacteriana por hidrólise

enzimática Diâmetro = 90 nm

2,5% de fibra - Aumento no módulo de elasticidade

- Aumento da resistência à tração - Baixa homogeneidade, superfície com

irregularidades George et al. (2011) Poli(vinil álcool)

(PVA) Celulose bacteriana por hidrólise enzimática Diâmetro = 10 - 15 nm

Comprimento = 100 - 300 nm

4% de fibra

- Aumentou a resistência à tração - Aumentou o módulo de elasticidade - Melhora nas propriedades térmicas Andrade-Mahecha

(2012)

Amido de Biri Biri por hidrólise ácida Diâmetro = 13 - 37 nm

5% de fibra - Aumentou a tensão de ruptura sem afetar a elongação

- Aumentou a barreira à luz (opacidade) - Diminuição da solubilidade

- Diminuição da permeabilidade ao vapor de água

Chen (2011) Amido de batata e Poli(vinil álcool) (PVA)

Casca de batata por hidrólise ácida Diâmetro = 10 nm

Comprimento = 410 nm

PVA

- Aumentou o módulo Young - Aumento na barreira ao oxigênio

Amido de batata

- Aumentou o módulo Young

- Não apresentou melhoras significativas para propriedades de barreira

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Continuação da Tabela 2.4

Referência Biopolímero Nanofibra (fonte de celulose) Efeito nos filmes Abdulkhani et al.

(2014) Poli (acido láctico) (PLA) NFCs industrial por acetilação (Nano Novin Polymer Co.) Diâmetro = 5,0 - 80,0 nm

5% de fibra - Aumentou a tensão a ruptura - Aumentou a resistência à tração

- Melhora nas propriedades térmicas

Pelissari et al. (2017) Amido de banana verde Casca de banana verde por hidrólise ácida Diâmetro = 10,9 - 22,6 nm Comprimento = 335,1 - 454,9 nm

5% de fibra

- Aumentou a tensão a ruptura - Aumentou o módulo de Young

- Aumentou a barreira a luz (opacidade) - Diminuição da solubilidade

Fukuzumi et al. (2013) Poli (acido láctico) (PLA)

Polpa kraft (madeira macia)

branqueada por oxidação mediante à TEMPO/NaBr/NaClO

Diâmetro = ~ 4,0 nm

Fibras de maior comprimento - Aumentou a tensão a ruptura - Aumentou a elongação -Alto índice de cristalinidade - Aumento na barreira ao oxigênio

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2. 2. 4 Isolamento de nanofibrilas de celulose

A obtenção de nanofibrilas de celulose, a partir de matrizes lignocelulósicas, envolve uma série de processos. O isolamento de NFCs ainda é um pouco limitado devido à dificuldade de separação das fibras vegetais em componentes nanoestruturados, visto as características químicas e morfológicas dos substratos lignocelulósicos. Além disso, durante o isolamento as condições de processo podem afetar as características morfológicas desses nanomateriais e consequentemente, seu desempenho como material de reforço em filmes (Silva e D'Almeida, 2009; Siro e Plackett, 2010). A partir da época em que processos e produtos sustentáveis tornaram-se o foco de pesquisas, diferentes métodos de isolamento das cadeias de celulose, em tamanho nanométrico, têm sido desenvolvidos (Bondeson et al., 2006). O processo de isolamento de NFCs, geralmente segue um esquema de três etapas: (1) pré-tratamento da matéria-prima, (2) hidrólise parcial (ácida ou enzimática) e (3) desintegração mecânica (Sun, 2004b).

A primeira etapa do processo é uma técnica geralmente empregada em materiais lignocelulósicos in natura, visto que apresentam uma estrutura morfológica bem rígida e recalcitrante, necessitando a remoção da matriz amorfa (lignina e hemicelulose) (Ogeda e Petri, 2010). A deslignificação com agente alcalino é um dos métodos químicos mais utilizados. Este método promove a ruptura da ligação de hidrogênio na estrutura da celulose e reduz certa quantidade de lignina, hemicelulose, ceras e óleos que recobrem a superfície externa da parede celular da fibra, formando uma barreira natural ao redor das cadeias de celulose. Assim, as moléculas de celulose ficam mais expostas à ação do agente hidrolítico (Faruk et al., 2012).

O pré-tratamento é uma etapa muito importante visto que a eficiência do ataque do agente hidrolítico às regiões amorfas depende de quão isolada está a nanofibra de celulose (Sannino et al., 2009). Faruk et al. (2012) reporta que compósitos reforçados com fibras que passaram por um tratamento alcalino, apresentaram propriedades mecânicas superiores em comparação com compósitos reforçados com fibras não-tratadas. A Figura 2.5 esquematiza o efeito da deslignificação (pré-tratamento) na estrutura de materiais lignocelulósicos.