ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE EMBALAGENS EXPANDIDAS BIODEGRADÁVEIS DE AMIDO DE: BATATA, MANDIOCA E MILHO

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1 ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DE EMBALAGENS EXPANDIDAS BIODEGRADÁVEIS DE AMIDO DE: BATATA, MANDIOCA E MILHO Bergel, B. F. 1 ; Santana, R. M. C 1 ; Luz, L. M 1 *UFRGS Campus do Vale, Av. Bento Gonçalves, 9500, Bloco IV, Prédio 74, Sala 117, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS, Brasil; bruno-bergel@hotmail.com 1 Departamento de Engenharia dos Materiais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul Resumo O Poliestireno Expandido (EPS) é muito utilizado em embalagens de alimentos, porém este polímero é de difícil reciclagem pelo grande volume e pouca massa o que o torna uma ameaça à natureza quando descartado de forma imprópria. Embalagens biodegradáveis produzidas a partir de termoplástico de amido (TPS) expandido podem substituir embalagens descartáveis de EPS, principalmente do setor alimentício. O objetivo deste trabalho foi realizar um estudo comparativo entre espumas de termoplásticos de amido de diferentes fontes amiláceas (batata, milho e mandioca) e comparar suas propriedades físicas e mecânicas. As embalagens de TPS foram feitas a partir da proporção mássica de amido/glicerol/água de: 62/5/33 (% m/m). Os ensaios demonstraram que existem diferenças entre os TPSs produzidos a partir de diferentes fontes amiláceas. O TPS de mandioca apresentou menor densidade enquanto o TPS de milho apresentou maior densidade e uma maior resistência a tração. Palavras Chave: TPS, Amido, Polímero Biodegradável, Propriedades Mecânicas INTRODUÇÃO Embalagens de uso único de poliestireno expandido (EPS) são muito utilizadas pela indústria de alimento, principalmente devido a seu baixo preço, sua versatilidade, baixa densidade e alta resistência mecânica e térmica. Por outro lado estas embalagens são descartadas em grande quantidade e geralmente não são 9040

2 descartadas de modo adequado, o que consequentemente causa danos ao meio ambiente, pois o EPS demora muitos anos para se decompor. Como substituto destas embalagens de uso único, pode-se utilizar a espuma de termoplástico de amido (TPS), pois esta vem de fonte renovável, possui baixo custo e é biodegradável, podendo ser descartada diretamente no meio ambiente 1,2. Espumas TPS são facilmente produzidas a partir de uma mistura de amido, água e um plastificante. Esta mistura passa por um processo de termo expansão, e o vapor liberado forma a estrutura porosa do interior da espuma. Espumas TPS podem ser feitas de amido provenientes de várias fontes amiláseas como batata, mandioca e milho. Cada amido provindo de diferentes fontes possui características próprias. Uma das diferenças mais importantes é o teor de amilose e amilopectina, os dois principais componentes que formam o amido. Embora estas duas macromoléculas sejam formadas por meros de glicose, as duas possuem conformações diferentes, enquanto que a amilose possui cadeia linear, a amilopectina possui cadeia ramificada 3 5. A variação destes dois componentes nos diferentes tipos de amido pode causar alterações nas espumas de amido resultantes. Alguns estudos indicam que quanto maior o teor de amilose do amido, maior será a densidade e a resistência à tração da espuma TPS 3,4. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o comportamento físico e mecânico de espumas TPS produzidas com amido de três fontes importantes de amido: batata, mandioca e milho e compara-las ao EPS. O desempenho mecânico aliado a baixa densidade das espumas TPS é essencial para viabilizar o uso deste material em substituição ao EPS. METODOLOGIA Materiais Para o preparo das espumas utilizou-se amido de batata (TPS-BAT), amido de mandioca (TPS-MAN) e amido de milho (TPS-MIL), todos adquiridos em mercado local. Como plastificante utilizou-se glicerol (Dinamica Ltda). Bandejas de alimento de EPS foram usadas como padrão para comparação. 9041

3 Preparo das espumas EPS Amido, água e glicerol, na proporção mássica de 62/33/5 respectivamente, foram misturados em temperatura de 70 até a obtenção de uma pasta homogênea. A pasta obtida foi colocada em um molde que foi introduzido em uma prensa hidráulica modelo Solar SL11, onde ocorreu o processo de compressão e termo expansão da pasta de amido em temperatura de 180 C e 2,5 toneladas de pressão por 240 segundos. As espumas resultantes do processo foram postas em dessecador, para evitar o contato com a umidade. Ensaios de caracterização das espumas A morfologia da estrutura celular das espumas foi estudada através das imagens obtidas utilizando um microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM A densidade aparente (g/cm³) das amostras de TPS expandido foi obtida por gravimetria. Os resultados são a média de 10 amostras. O ensaio de tração foi realizado de acordo com a ASTM D638 em uma máquina de ensaio universal (INSTRON, modelo 3382). Foram analisadas 8 amostras cujas dimensões eram 100mm x 25mm x 3mm. RESULTADOS E DISCUSSÕES Estrutura celular das espumas A figura 1 apresenta a morfologia da estrutura celular das espumas TPS de batata, mandioca e milho e também do EPS. As micrografias mostram que o interior das espumas TPS possuem estrutura de células globulares e grande espaço vazio, formados pelo vapor de água que expandiu o material 6,7. Nota-se que as espumas de amido de batata e mandioca apresentam células globulares e mais regulares, enquanto que a espuma de amido de milho apresenta células irregulares e uma camada externa mais densa, o que pode significar uma expansão incompleta e por consequência formar uma espuma mais densa. O teor de amilose, mais alto no milho do que na batata e na mandioca pode influenciar no processo de expansão. Altos teores de amilose retardam a expansão, formando espumas mais densas. 3 O padrão EPS apresenta uma estrutura celular interna muito mais regular (células pequenas e alongadas) quando comparado com as espumas TPS, com células menores e mais finas. 9042

4 (a) (b) (c) (d) Figura 1 MEV das espumas de amido: (a) batata, (b) mandioca, (c) milho; e MEV de espuma de poliestireno (EPS) - (d) Propriedades físicas e mecânicas das espumas A densidade aparente das espumas estudadas é apresentada na tabela 1. O TPS-MIL apresentou a maior densidade dentre as espumas analisadas, o que era esperado, pois esta apresentou uma estrutura interna com menos espaços vazios (Fig. 1-c). Alguns estudos indicam que amidos que possuem maior teor de amilose tendem a formar espumas mais densas, pois a amilose retardaria a expansão da pasta de amido 3,8. Consequentemente, amidos com teor de amilose menor formam espumas menos densas e expandem mais. O amido de milho possui maior teor de amilose em comparação com o amido de mandioca e o de batata, e isso explicaria a maior densidade das espumas TPS-MIL 9. Os valores médios das densidades das espumas TPS-BAT e TPS-MAND foram semelhantes e baixos (característicos de espumas), porém superiores ao padrão EPS que apresentou densidade média de 0,03 g/cm³. Os resultados do ensaio mecânico de tração das espumas de TPS e EPS são apresentadas na tabela 1. Verifica-se que a amostra TPS-MIL apresenta maior módulo e maior resistência à tração comparada as outras espumas, indicando que esta espuma é mais rígida 3. Estes resultados são explicados pela maior densidade 9043

5 apresentada pelo TPS-MIL, pois a densidade esta correlacionada com a resistência à tração destas espumas 10. Como a densidade elevada foi causada pelo teor de amilose elevado, estas propriedades estão todas relacionadas. Em geral, as espumas TPS apresentaram maior resistência mecânica e maior rigidez em comparação com o EPS de bandejas de alimentos. A maior resistência à tração apresentada é desejável em embalagens embora a maior rigidez constitua um problema, pois torna o material quebradiço, uma propriedade indesejável para embalagens de alimentos. Tabela 1 Densidade, propriedades mecânicas das espumas analisadas Densidade (g/cm³) Tensão Máxima na ruptura (MPa) Módulo de Young (MPa) TPS-BAT 0,1103 ± 0,011 1,092 ± 0,136 39,06 ± 1,624 TPS-MAND 0,1029 ± 0,009 1,015 ± 0,170 39,88 ± 6,301 TPS-MIL 0,2023 ± 0,012 1,341 ± 0, ,79 ± 8,512 EPS 0,0304 ± 0,001 0,736 ± 0,102 9,41 ± 1,821 Na Figura 2 é melhor visualizado a superioridade e a maior resistência a tração na ruptura da espuma TPS-MIL quando comparada as outras amostras. Figura 2 Tensão na ruptura das espumas TPS e do padrão EPS CONCLUSÃO Neste trabalho foram estudadas espumas TPS de três fontes de amido: batata, mandioca e milho. A espuma TPS-MIL apresentou uma estrutura interna com células irregulares e sem formato globular, o que indica que não houve grande expansão 9044

6 desta espuma. Consequentemente, esta espuma apresentou a maior densidade dentre as espumas estudadas, enquanto o TPS-MAND obteve a menor densidade. O TPS-MIL também apresentou maior resistência à tração e maior módulo quando comparado as outras espumas (TPS e EPS). As diferenças entre as espumas produzidas a partir de diferentes fontes de amido são devido ao teor de amilose destes amidos. De um modo geral, dentre as espumas estudadas, o TPS-BAT e o TPS-MAND apresentaram propriedades mais próximas ao EPS, obtendo valores mais satisfatórios de densidade e módulo, podendo substituir embalagens EPS em alguns usos específicos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Laboratório de Materiais Poliméricos (LAPOL) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) pelo apoio e ao CNPQ pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS 1. CASTILLO L.A., LÓPEZ O. V., GHILARDI J., VILLAR M.A., BARBOSA S.E., GARCÍA M.A. Thermoplastic starch/talc bionanocomposites. Influence of particle morphology on final properties. Food Hydrocoll. n.51, p , CINELLI P., CHIELLINI E., LAWTON J.W., IMAM S.H. Foamed articles based on potato starch, corn fibers and poly(vinyl alcohol). Polym Degrad Stab. n.91, p , SHOGREN R., LAWTON J., DOANE W., TIEFENBACHER K. Structure and morphology of baked starch foams. Polymer (Guildf). n. 39, p , CORRADINI E., LOTTI C., MEDEIROS E.S., CARVALHO A.J.F, CURVELO A.S., MATTOSO L.H.C. Estudo comparativo de amidos termoplásticos derivados do milho com diferentes teores de amilose. Polímeros. n. 15, p , SHOGREN R.L., LAWTON J.W., TIEFENBACHER K.F. Baked starch foams: Starch modifications and additives improve process parameters, structure and properties. Ind Crops Prod. n. 16, p.69-79, MATSUDA D.K.M., VERCELHEZE A.E.S., CARVALHO G.M., YAMASHITA F., MALI S. Baked foams of cassava starch and organically modified nanoclays. Ind Crops Prod. n. 44, p , VERCELHEZE A.E.S., FAKHOURI F.M., DALL L.H., URBANO A., YOUSSEF 9045

7 E.Y., YAMASHITA F. Properties of baked foams based on cassava starch, sugarcane bagasse fibers and montmorillonite. Carbohydr Polym. n. 87, p , SHOGREN R.L., LAWTON J.W., TIEFENBACHER K.F., CHEN L. Starch-poly (vinyl alcohol) foamed articles prepared by a baking process. J Appl Polym Sci. n. 68, p , GUINESI L.S., Da RÓZ A.L., CORRADINI E., MATTOSO L.H.C., TEIXEIRA E.M., CURVELO A.A.S. Kinetics of thermal degradation applied to starches from different botanical origins by non-isothermal procedures. Thermochim Acta. n. 447, p , SALGADO P.R., SCHMIDT V.C., MOLINA ORTIZ S.E., MAURI A.N., LAURINDO J.B. Biodegradable foams based on cassava starch, sunflower proteins and cellulose fibers obtained by a baking process. J Food Eng. n. 85, p , COMPARATIVE STUDY OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF EXPANDED BIODEGRADABLE PACKAGING MADE OF POTATO, CASSAVA AND CORN STARCH The Expanded Polystyrene (EPS) is widely used in food packaging but this polymer is difficult to recycle due the large volume and low mass which makes it a threat to nature when discarded improperly. Biodegradable Packaging produced from thermoplastic starch (TPS) can replace disposable packaging made of EPS, especially in the food industry. The aim of this study was to perform a comparative study of thermoplastic starch foams of different sources starch (potato, corn and cassava) and compares their physical and mechanical properties. The starch foams were made from starch, glycerol and water in the proportion of 62/5/33 (% m/m). The tests demonstrated that differences exist among the TPS foams produced from different amylaceous sources. TPS made of cassava starch showed lower density while corn TPS showed higher density and greater tensile strength. Keywords: TPS, Starch, Biodegradable polymer, Mechanical properties 9046