CARACTERIZAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE AMIDO DE MANDIOCA E MILHO PELA TÉCNICA DE ULTRASSOM

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE AMIDO DE MANDIOCA E MILHO PELA TÉCNICA DE ULTRASSOM Bravo, A. M. J. 1, Silva, N. M. C. 1, Fialho, R. L. 1,Albuquerque, E.C.M 1 1-Universidade Federal da Bahia, Departamento de Engenharia Química anabravo349@gmail.com RESUMO Esse trabalho tem como objetivo produzir e caracterizar nanopartículas de amido (NPA) de mandioca e de milho pela técnica de ultrassom. Para a produção das NPA, soluções de amido milho ou mandioca (1,5% m/v) em água que foram preparadas e sonicadas por 75 min. Os resultados de tamanho mostraram que aproximadamente 72% das nanopartículas de amido de mandioca presentes na dispersão apresentaram diâmetro médio de aproximadamente 60nm e distribuição bimodal de tamanhos. As nanopartículas de amido de milho apresentaram diâmetros maiores que 400 nm. A análise de potencial zeta revelou carga superficial levemente negativa para as nanopartículas de mandioca (- 8,7 mv) e de milho (-1,9 mv). A análise térmica mostrou que as nanopartículas de amido de milho e de mandioca apresentaram menor estabilidade térmica do que os amidos de mesma fonte. Os resultados mostraram-se promissores para incorporação das nanopartículas em filmes alimentícios a base de amido. 1. INTRODUÇÃO O amido pode ser considerado como a maior reserva energética presente nas plantas. Ele é produzido em forma de grânulos, que são formados por dois polímeros: amilose e amilopectina e é armazenado nas raízes, sementes e tubérculos. O tamanho e a forma do grânulo de amido variam a depender da espécie da planta de origem (Feniman, 2004). Tanto o tamanho quanto a forma dos grânulos influenciam as propriedades físicas dos diferentes tipos de amido e, consequentemente suas aplicações potenciais. Dentre as pesquisas realizadas no âmbito da Bionanotecnologia, o amido tem merecido destaque como material estrutural de nanopartículas (SNP). É perceptível a aplicabilidade das SNPs em diversas áreas, como nas áreas alimentícia, de cosméticos e farmacêutica (Lin, et al., 2011). Na industria alimentícia, as SNP são utilizadas não somente como veículos carreadores de bioativos termosensíveis, quanto material de reforço mecânico ou mesmo de melhora na biodegradabilidade.. Existem vários métodos de produção de nanopartículas, podendo ser eles químicos, enzimáticos

2 ou físicos e que ainda podem ser classificados quanto a maneira de produção em processos "topdown" ou "bottom-up"(kim, et al., 2015). Nos processos "top-down", as nanopartículas são produzidas a partir de de partículas maiores. São considerados processos "top-down": tratamentos enzimáticos e tratamentos físicos, como homogenização à alta pressão e moagem. Nos processos "bottom-up", as nanopartículas são preparadas através de ligações feitas entre átomos ou moléculas de forma controlada, regulada pelas leis da termodinâmica. A nanoprecipitação é um método "bottom-up". Os métodos "top-down" são considerados mais comuns já que são os mais relatados em estudos (Tan, et al. 2009). O processo mais comum utilizado na produção de nanopartículas de amido é a hidrólise ácida. Apesar de mais comum ela apresenta algumas desvantagens. Dufresne et al. (1996), em seu artigo, descreve a produção de nanopartículas de amido por esse método, relatando que o tempo total de produção pela hidrólise foi de 40 dias e que o rendimento de aproveitamento dos grânulos de amido utilizados para produzir as nanopartículas foi de 0,5 %. Com base nesse e em outros experimentos, é constatado que a produção de nanopartículas por hidrólise ácida é um processo de longa duração, e que possui um rendimento relativamente baixo (Kim, et al., 2015). Baseado nessas desvantagens, novas técnicas vem sendo desenvolvidas para produzir nanopartículas. Uma técnica introduzida recentemente é a ultrassonicação. Comparada com a hidrólise ácida, a sonicação é mais rápida e de fácil implementação, sem a necessidade de lavagens sucessivas devido ao fato de não usar reagentes químicos. Além disso, dispensa etapas de purificação, elevando o rendimento de produção de nanopartículas (pode chegar até 100%) (Kim, et al., 2015). Diante do exposto, este trabalho teve como objetivo caracterizar nanopartículas de amido de mandicoa e milho pela técnica ultrassom. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Produção de Nanopartículas de amido As nanopartículas de amido (SNP) de milho e mandioca foram preparadas pelo método de ultrassom, em um sonicador modelo Q55 (Estados Unidos), segundo metodologia adaptada de Bel Haaj et al. (2013). Foram utilizados 50 ml da suspensão de amido com um teor de sólidos de 1,5% e essa foi sonicada a 80% de potência durante 75 minutos. Em seguida, a dispersão coloidal foi submetida a secagem por congelamento (liofilização) Caracterização das nanopartículas Distribuição de tamanhos e Potencial Zeta:: O diâmetro médio e o potencial zeta das partículas de amido foram medidos através de espectroscopia de correlação de fótons (NanoSizer Malvern Inc.). Nesse método, o diâmetro hidrodinâmico é calculado através da equação de Stokes-einstein que

3 correlaciona o coeficiente de difusão translacional das partículas em movimento browniano com o raio hidrodinâmico médio. As medidas de pontencial zeta são obtidas considerando a mobilidade eletroforética através da equação de Henry.Os valores apresentados são valores médios de 4 medidas. Análise termogravimétrica (TGA): foi realizada com o intuito de avaliar a perda de massa em função da temperatura, em um analisador térmico da marca Perkin Elmer, modelo STA 6000, assistido pelo software Pyris Series. Nos ensaios foram usadas massas de aproximadamente 8 mg em atmosfera inerte de nitrogênio de 30 ml/min, com taxa de aquecimento de 10 ºC/min, no intervalo de temperatura de 25 a 600 ºC. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Distribuição de tamanhos, Índice de polidispersão e potencial zeta das nanopartículas O tamanho de partícula, polidispersão, e o potencial zeta são algumas características físicoquímicas fundamentais para a estabilidade dos sistemas. O conjunto de informações fornecidas pela caracterização desses sistemas pode conduzir a modelos descritivos da organização das nanopartículas em nível molecular, que será dependente da composição quali-quantitativa das formulações e método de preparação empregado (Guterres, Alves e Pohlmann, 2007). A análise de tamanho realizada mostrou que a dispersão de amido de mandioca apresentou distribuição bimodal com diâmetro (em volume) médio de aproximadamente 72,3% das nanopartículas de 57,45-61,68 nm (DP = 2,24). A segunda população de partículas apresentou variação de 254, nm de diâmetro médio (DP = 75,16). A dispersão de amido de milho apresentou distribuição bimodal com diâmetro médio de aproximadamente 77,3% das nanopartículas de aproximadamente 412,90-445,40 nm (DP = 16,38). A segunda população apresentou 44,89-55,92 nm de diâmetro médio (DP = 5,60). As SNP de amido de milho apresentaram uma maior heterogeneidade no tamanho de particulas quando comparadas as partículas de amido de mandioca (distribuição de tamanhos mais estreita). Os dados acima estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1- População, Faixa de distribuição de tamanho e desvio padrão das nanopartículas de amido de milho e mandioca Tipo de Nanopartículas População (%) Faixa de distribuição de tamanho (nm) Amido de mandioca 72,30 57,45-61,68 27,70 254,60-397,00

4 Amido de milho 77,30 412,90-445,40 22,70 44,89-55,92 O amido nativo de mandioca apresenta um padrão de cristalinidade corresponde ao tipo C, que é uma mistura dos tipos A e B, constituída por 90% de cristalinidade do tipo A e 10% do tipo B. Já o amido nativo de milho apresenta padrão de cristalinidade tipo A (Van Soest e Esser, 1997). De acordo com Srichuwong et al. (2005a), o tipo A é mais densamente empacotado em estruturas de hélices, sendo considerado mais homogêneo, com maior proporção de cadeias menores ramificadas e um maior número de cadeias por cluster, quando comparado aos outros dois tipos de amido (B e C). O amido tipo C pode ser considerado o intermediário entre os tipos A e B, tendo características mais próximas do tipo A. Tais fatores tornam o amido de milho, amido do tipo A, mais estável e de difícil degradação, quando comparado com o amido de mandioca, tipo intermediário, C, o que pode justificar o fato da faixa majoritária de distribuição de tamanho para o amido de milho ter sido maior que a faixa de distribuição do amido de mandioca. As amostras de amido de mandioca mostraram polidispersão variando de 0,20-0,50, e as de amido de milho apresentara valore de polidispersão de 0,89-1,00 esse parâmetro é um fator importante que determina a homogeneidade da dispersão. Valores menores que 0,5 indicam uma dispersão relativamente homogênea em se tratando de nanopartículas contendo polímeros naturais (Avadi et al., 2010). Percebemos que a dispersão de amido de mandioca se apresentou mais homogênea que a de amido milho. Além da distribuição de tamanhos, a análise de carga superficial (potencial zeta) das nanopartículas também foi realizada. A determinação do potencial zeta das nanopartículas é de fundamental importância, pois permite avaliar a estabilidade das dispersões coloidais ao longo do tempo. Em módulo, um valor de potencial zeta relativamente alto (maior que 30mV) é importante para uma boa estabilidade físico-química da suspensão coloidal, pois grandes forças repulsivas tendem a evitar a agregação em função das colisões ocasionais de nanopartículas adjacentes (Schaffazick et al., 2003). O resultado obtido demonstrou que tanto as partículas de amido de mandioca quanto as de milho têm carga superficial levemente negativa. As SNP de mandioca apresentaram valores médios de potencial zeta de - 8,67 mv, enquanto as SNP de milho apresentaram -1,9mV. Bel Haaj, et al. (2013) ao produzir nanopartículas de amido também pelo método de ultrassom obtiveram valores na ordem de -3 mv. Por conta das nanopartículas apresentarem módulo da carga superficial baixo, é esperado que as partículas apresentem tendência à agregação ao longo do tempo, tal comportamento mostra a instabilidade do armazenamento da dispersão coloidal Análise termogravimétrica (TGA) As curvas de TG dos amidos de mandioca e milho e das nanopartículas de amido de mandioca e de milho estão apresentadas na Figura 1. Analisando as curvas é possível constatar que todos os materiais analisados apresentam dois eventos de perda de massa. Para o amido de mandioca, o

5 primeiro evento ocorreu a uma temperatura de 118,07 C com uma perda de massa de 11,85%. Esse evento está associado a perda da umidade presente no amido. A partir desta temperatura inicia-se o segundo estágio, que consiste na variação de massa de materiais como o amido, que é concluído na faixa de temperatura de 499,2 ºC, quando a curva apresenta praticamente uma fase constante de não variação de massa. Observa-se que a temperatura da taxa máxima de decomposição térmica da amostra foi em torno de 356,8 ºC, com uma perda de massa de 77,4%. O amido de milho apresenta comportamento semelhante ao de mandioca, o primeiro estágio aconteceu a uma temperatura de 128,91 C com uma perda de massa de 14,95%. Já o segundo inicia-se a 297,56 C e tem temperatura de 376,29 C como aquela em que ocorre a maior perda de massa. Figura 1 - Curvas de TG dos amidos de mandioca e milho e das nanopartículas de mandioca e milho Na curva das nanopartículas de mandioca o primeiro evento ocorre a uma temperatura de 55 C com uma perda de massa de 8,97%, esse evento também atribuído a perda de umidade. A temperatura onde ocorre a máxima perda de massa (76,77%) foi de 338,97 C. As nanopartículas de amido de milho apresentam o primeiro evento iniciando em 50,89 C com uma perda de massa de 4,64% e a 382,94 C ocorre a máxima decomposição térmica (82,6%). A principal diferença observada entre as curvas dos amidos e das nanopartículas reside no fato de que o primeiro evento das nanopartículas ocorreu a uma temperatura bem menor quando comparado ao primeiro evento dos amidos nativos, o que demonstra uma menor estabilidade térmica

6 desse material. Este fato sugere que as nanopartículas de amido têm um número elevado de grupos hidroxilas na sua superfície, essas são responsáveis pela elevada hidroficilidade do amido o que pode provocar a degradação térmica mais cedo (LAMANNA, et al., 2013). A presença do número alto de hidroxilas na superfície pode estar associado ao fato de que com o tratamento ultrassom ocorre um desarranjo da região cristalina (amilopectina) do amido (BLASZCZAK et al., 2007; BEL HAAJ et al. 2013), assim a parte amorfa (amilose) passa a predominar e essa apresenta uma parte externa com numerosos grupos hidroxilas. Garcia et al. (2012) e Lamanna, et al. (2013), em diferentes tratamentos para obtenção de nanopartículas de amido, também constataram que as SNP iniciaram sua perda de peso em temperaturas mais baixas que aquelas apresentadas pelo amido nativo. 4. CONCLUSÃO A produção de nanopartículas de amido pelo método de sonicação se mostrou eficaz, principalmente para o amido de mandioca, que apresentou resultados da faixa de distribuição de tamanho menores do que os do amido de milho, e potencial zeta maior, o que indica maior estabilidade da solução. Quanto a análise térmica das nanopartículas de amido em comparação com os seus respectivos amidos, foi notado que tanto as nanopartículas de amido de milho quanto as de mandioca apresentaram menor estabilidade do que seus respectivos amidos. O que indica que o tipo de amido não influenciou nas características térmicas das diferentes nanopartículas, apenas na distribuição de tamanho. Assim, para a produção de nanopartículas de amido com faixas de tamanhos menores e mais estáveis, o investimento na produção de nanopartículas de amido derivados da mandioca se torna a melhor opção quando comparado com o amido de milho. 5. BIBLIOGRAFIA AVADI, M.R.; SADEGHI, A.M.; MOHAMMADPOUR, N.; ABEDIN, S.; ATYABI, F.; DINARVAND, R.; RAFIEE-TEHRANI, M. Preparation and characterization of insulin nanoparticles using chitosan and Arabic gum with ionic gelation method. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, v. 6, p , BEL HAAJ, S.; MAGNIN, A.; PÉTRIER, C.; BOUFI, S. Starch nanoparticles formation via high power ultrasonication. Carbohydrate Polymers, v. 92, p , BLASZCZAK, J. F.; KISELEVA, V. I.; YURYEV, V. P.; SERGEEV, A. I.; SADOWSKA, J. Effect of high pressure on thermal, structural and osmotic properties of waxy maize and hylon VII starch blends. Carbohydrate Polymers, v.683, p , FENIMAN, C. M. Caracterização de raízes de mandioca (Manihot esculenta Crantz) do cultivar IAC quanto à cocção, composição química e propriedades do amido em duas épocas de

7 colheita. Dissertação de mestrado, GARCÍA, N. L., LAMANNA, M., D ACCORSO, N., DUFRESNE, A., ARANGUREN, M., & GOYANES, S. (2012). Biodegradable materials from grafting of modified PLA onto starch nanocrystals. Polymer Degradation and Stability, 97, GUTERRES, S. S.; ALVES, M. P.; POHLMANN, A. R. Polymeric Nanoparticles, Nanospheres and Nanocapsules, for Cutaneous Applications. Drug Target Insights, v. 2, p , KIM, H.Y.; PARK, S. S.; LIM S. Preparation, characterization and utilization of starch nanoparticles. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, v. 126, p , LAMANNAA, M.; MORALES, N.J.; NANCY LIS GARCÍAA, N.G.; GOYANES, S. Development and characterization of starch nanoparticles by gamma radiation: Potential application as starch matrix filler. Carbohydrate Polymers, v. 97, p , LIN, N.; HUANG, J.; CHANG, P.R.; FENG, L.; YU, J. Effects of polysaccharide nanocrystals on structure, properties, and drug release kinetics of alginate-based microspheres. Colloids Surfaces B: Biointerfaces, v. 85, p , SCHAFFAZICK, S. R.; GUTERRES, S. S.; FREITAS, L.L.; POHLMANN, A. R.. Caracterização E Estabilidade Físico-Química De Sistemas Poliméricos Nanoparticulados Para Administração De Fármacos. Quimica Nova. v. 26, 5, p , SRICHUWONG, S.; SUNARTI, T.C.; MISHIMA, T.; ISONO, N.; HISAMATSU, M. Starches from different botanical sources I: Contribution of amylopectin fine structure to thermal properties and enzyme digestibility. Carbohydrate Polymers, v.60, n.4, p , 2005a. TAN, Y.; XU, K.; LI, L.; LIU, C.; SONG, C. WANG, P. Fabrication of size-controlled starchbased nanospheres by nanoprecipitation. ACS Apple Mater Interfaces, v 1 (9), p VAN SOEST, J. J. G.; ESSER, P. Influence of amylose-amylopectin ration on properties of extruded starch plastic sheets. Pure and Applied Chemistry, Oxford, v. 34, n. 9, p , 1997.