22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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1 INFLUÊNCIA DO TEOR DE GLICEROL E DO TIPO DE AMIDO NO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DAS PASTAS UTILIZADAS NA PRODUÇÃO DE ESPUMAS DE TERMOPLÁSTICO DE AMIDO (TPS) 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), conhecido como isopor, pela sua estrutura celular possui características intrínsecas de embalagens, tais como leveza e bom isolamento térmico, e é utilizado em uma variedade de embalagens descartáveis para alimentos e consequentemente gerando grande volume deste resíduo. Polímeros naturais de Amido Termoplástico (TPS) são substitutos potenciais ao EPS, pois são biodegradáveis e de baixo custo. Porém, o sucesso do processamento das embalagens de TPS depende do comportamento reológico das pastas de amido plastificado. Este estudo objetiva avaliar a influência do teor de glicerol nas propriedades reológicas das pastas de amido utilizadas para formar a espuma de TPS. Três tipos de fontes de amido foram usados neste estudo: Batata, Mandioca e Milho. As misturas dos amidos com glicerol e água foram caracterizadas por testes físicos e reológicos. Resultados preliminares mostraram que o amido de batata foi o que apresentou maior viscosidade e o menor foi o da mandioca. Palavras Chave: TPS, Amido, EPS, Comportamento Reológico INTRODUÇÃO Nos últimos anos o crescente acúmulo de resíduos sólidos provenientes de embalagens poliméricas causa preocupação, pois estes resíduos geram custos, são muitas vezes de difícil reciclagem ou reuso, aumentam o volume de materiais 9031

2 depositados em aterros sanitários, e quando não são descartados corretamente podem causar grandes danos ao meio ambiente. Estes problemas ambientais podem atingir florestas, mares e inclusive podem afetar a saúde dos seres humanos. 1 Um dos plásticos sintéticos que se enquadra nestas definições é o poliestireno expandido (EPS), pois é usado em embalagens de uso único que são descartadas em grandes quantidades. Polímeros biodegradáveis e de fontes renováveis podem ser utilizados em substituição aos polímeros sintéticos para evitar o acúmulo de resíduos prejudiciais ao meio ambiente, pois depois do uso as embalagens biodegradáveis voltam a integrar o ambiente sem agredi-lo. Entretanto, para serem utilizadas e aceitas, as embalagens biodegradáveis devem possuir propriedades físicas e mecânicas compatíveis e semelhantes às apresentadas pelos polímeros sintéticos que se deseja substituir 2 5. Por sua grande produção e larga disponibilidade de fontes de produção, o amido abre precedentes para sua utilização em embalagens biodegradáveis. O amido, quando em contato com um plastificante, apresenta propriedades termoplásticas, dando origem ao amido termoplástico (TPS) e este quando submetido a um processo de termo expansão origina uma espuma de TPS que pode ser utilizada como substituta do EPS em alguns casos 4,5. A viscosidade das pastas de TPS tem impacto direto na formação das espumas, pois influenciam o processo de termo expansão e podem tornar as espumas mais densas, menos porosas e mais resistentes. Por sua vez, o teor de plastificante presente nas pastas também possui grande influência na viscosidade e consequentemente influencia a espuma resultante. Outro fator que pode influenciar na viscosidade das pastas TPS é a origem botânica do amido, pois todo amido proveniente de distinta fonte botânica possui características próprias (composição e estrutura química): teor de amilose e amilopectina assim como a sua temperatura de gelatinização 6,7. O objetivo deste estudo foi descrever e analisar as propriedades reológicas e físicas de pastas de TPS com diferentes teores de glicerol e obtidas a partir de amido de diferentes fontes botânicas: batata, mandioca e milho. METODOLOGIA Materiais e preparo das pastas TPS 9032

3 Para o preparo das pastas TPS 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) e água destilada. As pastas TPS foram obtidas a partir da mistura de amido, água e glicerol em temperatura de 70 C até a completa gelatinização do amido e homogeneização da mistura (5 min). Foram preparadas três formulações de amido/água/glicerol com proporções mássicas de: 62/33/5; 57/33/10 e 47/33/20. Ensaios reológicos e físicos A viscosidade das pastas de amido foi medida com auxílio de viscosímetro de Brookfield (marca Alemmar), em temperatura ambiente (25 C). As amostras foram ambientadas por 10 segundos dentro do viscosímetro e então os resultados foram anotados. A cor das pastas foi avaliada com um colorímetro portátil da marca BYK, foi adotado o sistema de cores CIELAB, da Comissão Internacional de Iluminação. As cores foram definidas pela luminosidade (L*)(Quanto maior a luminosidade, mais branco; quanto menor, mais escuro), coordenada a* (conteúdo de vermelho a+ a verde a-) e coordenada b* (conteúdo de amarelo b+ a azul b-). As medidas foram feitas utilizando-se fundo branco, e os resultados apresentados são a média de cinco amostras. As pastas de amido com diferentes teores de glicerol passaram pelo processo de termo expansão para a formação das espumas TPS. Estas espumas passaram por um teste visual que analisou a formação da espuma e sua porosidade aparente. RESULTADOS E DISCUSSÕES Viscosidade Os resultados de viscosidade das pastas de TPS (amido, batata e mandioca) com teor de glicerol de 5% em função da velocidade testada são apresentados na figura 1. Os resultados mostram que o TPS-batata apresentou maior viscosidade em comparação com as outras pastas em todas as velocidades analisadas. Isso pode ser devido ao fato de o TPS-batata gelatinizar em uma temperatura menor, 9033

4 aproximadamente 55 C, em comparação com o TPS-mandioca (~58 C) e o TPSmilho (~62 C). Os tempos de gelatinização diferentes provocam diferenças na viscosidade das pastas. O TPS-batata gelatiniza mais rápido que os demais, consequentemente sua pasta perde mais vapor de água e fica mais viscosa. Já o TPS-mandioca e o TPS-milho tornam-se menos viscosos, pois gelatinizam mais tarde e suas pastas não perdem tanto vapor de água Outro fator importante é a velocidade aplicada as pastas no processamento, pois em velocidades maiores a viscosidade das pastas de amido diminui, facilitando o processamento destas 1. Glicerol: 5% Figura 1 Viscosidade das pastas de amido contendo 5% de glicerol As figuras 2 e 3 apresentam as viscosidades das pastas de TPS (amido, batata e mandioca) com teores de glicerol de 10% e 20% respectivamente em função da velocidade testada. Os resultados mostram que a adição de glicerol baixou a viscosidade das pastas de amido. O glicerol é uma molécula pequena quando comparado as macromoléculas dos componentes de amido, pouco volátil e é adicionado ao amido para flexibilizar suas cadeias moleculares, para melhorar o processamento e diminuir seu ponto de gelatinização. Consequentemente a adição de mais glicerol torna as pastas de amido menos viscosas, indicando a desestruturação da estrutura cristalina do amido. Quanto ao tipo de amido, o TPS-Batata continuou sendo o mais viscoso, provavelmente devido a sua gelatinização rápida 6,

5 Glicerol: 10% Figura 2 Viscosidade das pastas de TPS contendo 10% de glicerol Glicerol: 20% Figura 3 Viscosidade das pastas de TPS com 20% de glicerol Análise da cor Os resultados da cor das pastas segundo o sistema de cores CIELAB é apresentado na tabela 1. Os resultados mostram que as pastas de amido são esbranquiçadas, pois seus valores de luminosidade são altos. Os valores para o parâmetro a* são muito baixos, consequentemente as pastas não tendem nem para o verde nem para o vermelho. Todas as pastas apresentaram uma tendência de coloração amarelada, destacando-se a pasta de TPS-milho indicada pelo maior valor no parâmetro b*, quando comparada com as outras pastas de amido. Todas as pastas de TPS apresentaram brilho similares, como melhor visualizado na Figura 4 11,

6 Tabela 1 Cores das pastas de amido segundo o sistema CIELAB. Pasta L* a* b* Brilho TPS-Batata 88,2-1,15 7,71 5,0 TPS-Mandioca 82,7 0,67 6,65 5,2 TPS-Milho 82,8 0,42 9,40 4,0 A B C Figura 4 Aparência e cor das pastas de TPS: A batata; B mandioca; C - milho Análise visual das espumas Após as analises de viscosidade e cor, as pastas de amido de TPS-batata com diferentes teores de glicerol foram selecionadas para o processo de expansão e obtenção de placas moldadas. Estas espumas foram avaliadas visualmente, como se pode ver nas figuras 4 e 5, para verificar o efeito do glicerol sobre as espumas. Observa-se que as espumas com 10% e 20% de glicerol apresentaram maior expansão e maior irregularidade de tamanho das células. A expansão das espumas é realizada pela expulsão violenta de vapor de água. Pastas menos viscosas tendem a facilitar essa expansão, pois a água encontra mais facilidades para expandir, e formam espumas mais porosas e com mais irregularidades. Já pastas mais viscosas tendem a formar espumas com menos irregularidades e são menos porosas. A espuma TPS com 5% de glicerol apresenta superfície livre de bolhas e sua estrutura é menos porosa e mais regular que as demais 1,4,

7 A B C Figura 4 Espumas de amido feitas com pastas de amido com diferentes teores de glicerol: A Espuma com 5% de glicerol; B Espuma com 10% de glicerol; C Espuma com 20% de glicerol CONCLUSÃO Resultados de este estudo comparativo conclui-se que a pasta fabricada com o amido de batata foi a mais viscosa dentre as pastas estudadas, o que indica que esta dificulta a passagem de vapor de água no processo de termo expansão e forma espumas com superfícies mais regulares. O aumento do teor de glicerol diminuiu a viscosidade das pastas de amido, tornando-as mais liquidas. Pastas menos viscosas tendem a formar espumas mais porosas e irregulares, pois o vapor de água não encontra tanta resistência na expansão. A cor analisada das pastas foi relativamente parecida, embora a pasta de TPS-milho aparentou ser mais amarelada do que as demais, o que pode formar também espumas mais amareladas. AGRADECIMENTOS (b) Os autores agradecem o Cnpq pelo auxílio financeiro a esta pesquisa científica e ao laboratório de materiais poliméricos (LAPOL) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) pelos auxílios realizados. REFERÊNCIAS 1. WILLETT J.L., SHOGREN R.L. Processing and properties of extruded starch/polymer foams. Polymer (Guildf). n.43, p , 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 , LÓPEZ O.V., CASTILLO L.A., GARCIA M.A., VILLAR M.A., BARBOSA S.E. Food packaging bags based on thermoplastic corn starch reinforced with talc nanoparticles. Food Hydrocoll. n.43, p.18-24,

8 4. SHOGREN R., LAWTON J., DOANE W., TIEFENBACHER K. Structure and morphology of baked starch foams. Polymer (Guildf). n.39, 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, RODRIGUEZ-GONZALEZ F.J., RAMSAY B.A., FAVIS B.D. Rheological and thermal properties of thermoplastic starch with high glycerol content. Carbohydr Polym. n.58, p , TAJUDDIN S., XIE F., NICHOLSON T.M., LIU P., HALLEY P.J. Rheological properties of thermoplastic starch studied by multipass rheometer. Carbohydr Polym. n.83, p , ZULLO R., IANNACE S. The effects of different starch sources and plasticizers on film blowing of thermoplastic starch: Correlation among process, elongational properties and macromolecular structure. Carbohydr Polym. n.77, p , GRYSZKIN A., ZIĘBA T., KAPELKO-ŻEBERSKA M., ATRASZKIEWICZ A. Hydrothermal modification of wheat starch part 1. Effect of particle size on the viscosity of formed pastes. J Cereal Sci. n.68, p.46-52, WANG S., WANG J., WANG S., WANG S. Annealing improves paste viscosity and stability of starch. Food Hydrocoll. n.62, p , USLU M.K., POLAT S. Effects of glyoxal cross-linking on baked starch foam. Carbohydr Polym. n.87, p , MUSCAT D., ADHIKARI B., ADHIKARI R., CHAUDHARY D.S. Comparative study of film forming behaviour of low and high amylose starches using glycerol and xylitol as plasticizers. J Food Eng. n.109, p , INFLUENCE OF GLYCEROL CONTENT AND STARCH TYPE IN RHEOLOGICAL BEHAVIOR OF THE PASTES USED IN THERMOPLASTIC STARCH FOAM PRODUCTION 9038

9 Abstract The expanded polystyrene (EPS), known as Styrofoam, for its cellular structure has intrinsic characteristics of food packaging, such as lightness and good thermal insulation, and is used in a variety of disposable food packaging and consequently generating a high volume of this waste. Natural polymers made of Thermoplastic starch (TPS) are potential substitutes for EPS due to their biodegradability and low cost. However, the successful processing of TPS packaging depends on the rheological behavior of plasticized starch pastes. This study aimed to evaluate the influence of glycerol content in the rheological properties of starch pastes used to form the TPS foams. Three types of starch sources were used in this study: potato, cassava and corn. Mixtures of starch with glycerol and water were characterized by physical and rheological testing. Preliminary results showed that the potato starch presented the higher viscosity and the lowest was the cassava. Keywords: TPS, Starch, EPS, Rheological behavior 9039