ELABORAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOFILMES À BASE DE ZEÍNA

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1 ELABORAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOFILMES À BASE DE ZEÍNA 1 Beatriz Mariani Corrêa, 2 José Francisco Lopes Filho 1 Bolsista de iniciação Científica FAPESP/Ibilce/UNESP, discente do curso de Engenharia de Alimentos 2 Professor do Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas da UNESP/São José do Rio Preto - SP 1,2 Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas da Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho. Rua Cristóvão Colombo, 2265, Campus de São José do Rio Preto SP, CEP lopes@ibilce.unesp.br RESUMO A zeína é a principal proteína do milho contida no endosperma do grão. Devido ao seu baixo valor agregado vem sendo utilizada basicamente em formulações para ração animal. Em busca de alternativas para sua utilização de forma a agregar um maior valor, vem sendo desenvolvido resinas poliméricas biodegradáveis com base nessa proteína. Além de aumentar seu valor, há também grandes vantagens econômicas para as indústrias moageiras e produtores do grão de milho. A zeína possui grau de polimerização duas vezes maior que o necessário para produzir polímeros lineares de poliamida/poliésteres e quando processada com ácido oléico produz filmes plásticos flexíveis e transparentes com propriedades que permitem seu uso na área agrícola, de alimentos, odontologia, entre outros. Como é matéria orgânica, contribui para atender a crescente demanda por materiais biodegradáveis que não poluam o meio ambiente. Palavras-Chave: zeína, biofilme, biodegradável INTRODUÇÃO O grão de milho possui aproximadamente 70 a 73% de amido, 9 a 10% de proteínas, 4 a 5% de óleos, 1 a 2% de cinzas, 2% de açúcares e 9 a 10% de fibras (JACKSON & SHANDERA, 1995). Em função de sua composição química e valor nutritivo, destaca-se como um dos mais importantes cereais cultivados e consumidos em todo mundo, seja na alimentação humana ou animal (NUSSIO, 1990). O Brasil, como terceiro maior produtor mundial de milho e primeiro do mercosul, tem cerca de 15% de sua produção destinada ao consumo industrial nos processos de moagem seca e úmida. A moagem úmida é um processo que envolve transformações químicas, bioquímicas e operações mecânicas (SINGH et al., 1996) e, através do qual se inicia o refinamento para a obtenção dos produtos derivados básicos: germe, fibra, proteína (glúten) e amido (LOPES FILHO, 1999). Apesar dos crescentes estudos desenvolvidos nos últimos anos relacionados ao processo de moagem úmida, há a necessidade de buscar alternativas de uso dos subprodutos obtidos, principalmente para os de menor valor agregado como as frações de fibra e glúten, que vem sendo utilizados basicamente para ração animal. A elaboração de outros produtos utilizando esses componentes permitirá agregar valor, proporcionando melhores alternativas de uso, porém, novas tecnologias devem ser desenvolvidas. Há um interesse considerável em substituir plásticos sintéticos por polímeros biodegradáveis. Recentemente, muitos grupos de pesquisa têm concentrado seus trabalhos no desenvolvimento de misturas biodegradáveis do polímero ou compostos de amido (GASPAR et. al., 2005), glúten de milho e zeína (WU et. al., 2003b). Na maioria dos casos, os biopolímeros comercialmente disponíveis contêm uma quantidade significativa de materiais não desejados após a extração/processo de isolação. O conteúdo de proteínas nos diferentes tipos de milho varia entre 6 a 12% na base seca, sendo que 75% destes componentes estão contidos no endosperma. De acordo com Landry e Moureaux (1970), as proteínas do grão de milho podem ser classificadas em quatro frações, como albunina, globulina, glutelina e prolamina (zeína). Destas, 20% são proteínas solúveis em água (albumina e globulina), 40% são solúveis em álcool (prolamina) e 40% são insolúveis em água e álcool (glutelina) (FORATO, 2000). A maioria das glutelinas torna-se solúveis em álcool, como as prolaminas, devido à redução das ligações dissulfetos, e também têm sido classificadas como prolaminas (zeínas) por várias semelhanças de seqüências de aminoácidos. Assim, a zeína representa cerca de 80% das proteínas do milho, tornando-se a principal VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica 27 a 30 de julho de 2009 Uberlândia, Minas Gerais, Brasil

2 proteína contida no endosperma do grão (FORATO, 2000). A zeína é produzida comercialmente, ainda de forma limitada, a partir do glúten do milho, subproduto da moagem úmida de pouco valor comercial. O processo de extração convencional da zeína é feito por solução aquosa de álcool que deve ser removido ao final por evaporação obtendo-se a fração protéica mais ou menos pura, dependendo da eficiência de remoção do solvente (CARTER e RECK, 1970; REINERS et al., 1973). Para a elaboração de uma solução filmogênica são necessários constituintes básicos como polímeros de alto peso molecular, denominados agentes formadores (lipídeos, proteínas e polissacarídeos), solvente (água e etanol), agente plastificante/plasticizante (glicerol, sorbitol e triacetina) e agente ajustador de ph (BATISTA, 2004). A zeína possui um grau de polimerização duas vezes maior que o necessário para produzir polímeros de poliamida/poliéster que quando processada com ácido oléico produz filmes plásticos, flexíveis e transparentes com propriedades que permitem seu uso na área agrícola, de alimentos, odontológica e outras. O desenvolvimento de resinas poliméricas biodegradáveis a partir de zeína tem um grande potencial de diversificação de mercado para a utilização da fração protéica do milho. Este aumento do valor agregado ao subproduto do milho é de grande importância econômica para as indústrias moageiras de milho, incluindo as de pequeno porte que trabalham com moagem seca. Contudo, é também de grande valia para os produtores do grão que serão beneficiados pela maior necessidade industrial do produto, além de contribuir para atender a crescente demanda por materiais biodegradáveis que não poluam o meio ambiente. OBJETIVO O objetivo desta pesquisa foi produzir filmes biodegradáveis a base de zeína (zeínaácido oléico) através do processo casting e identificar algums de suas propriedades físicas como a solubilidade em água, opacidade/transparência e permeabilidade ao vapor d água. METODOLOGIA Foi utilizada para o estudo a zeína comercial obtida na indústria Freeman Industries, Inc. NY, USA devidamente moída com granulometria homogênea, solução de etanol, plasticizantes e emulsificantes. Preparação do biofilme Para a formação dos biofilmes, a zeína (20g/100ml de etanol 75%) e ácido graxo oléico (70g/100g de proteína) foram solubilizados em solução aquosa de etanol 75% e agitados por 10 minutos aproximadamente a 65 C segundo Kleen et al., (2002) com adaptações. Glicerol (30g/100g de proteína) foi adicionado como coadjuvante do agente plastificante. Em seguida, essa solução foi aplicada em placas retangulares de acrílico e o material mantido a temperatura ambiente (25 C) sobre superfície nivelada durante 48h para a secagem. Após esse período os filmes foram retirados das placas e armazenados em dessecadores (58% UR a 25 C) durante três dias para posteriores análises. Caracterização do biofilme A escolha dos filmes apropriados para a caracterização foi feita através de análises táteis e visuais, logo após o processo de secagem. Este procedimento permitiu selecionar apenas os filmes que apresentaram homogeneidade no tocante à espessura e coloração, com ausência total de partículas insolúveis, e ainda sem apresentarem rupturas ou regiões quebradiças. Outras características importantes levadas em conta foram à continuidade e facilidade na remoção dos filmes do suporte. Deste modo, com vistas a não comprometer os resultados das análises, os filmes e formulações que não se adequaram às características descritas anteriormente foram descartados. Espessura: A estratégia adotada para definir a espessura dos filmes foi com base na aplicação da média aritmética considerando seis pontos aleatórios em diferentes zonas dos filmes, cujas medidas foram obtidas com o emprego de um micrometro digital, (modelo Digimess, resolução 0,001 mm). Opacidade/transparência: A opacidade aparente dos filmes foi determinada em um espectrofotômetro (Bioespectro, SP-220), como proposto por Gounga (2007) e Cao (2006). Os filmes foram cortados em retângulos e aderidos a parede interna da cubeta do espectrofotômetro. Foram feitas seis medidas para cada filme. A opacidade dos filmes foi calculada através da equação 1: Opacidade = A 600 (1) X Permeabilidade ao vapor d água: A permeabilidade ao vapor d água (PVA) dos filmes foi determinada gravimetricamente a 25 C utilizando o método padrão E da ASTM com adaptações (ASTM, 1995). As amostras dos filmes foram seladas em células de permeação de

3 acrílico, hermeticamente fechadas e contendo sílica gel em seu interior (0% UR, 0mmHg de pressão de vapor d água). Essas células foram acondicionadas em dessecadores com água destilada (100% UR, 23,76mmHg de pressão de vapor d água). As células de permeação de acrílico com abertura circular (diâmetro 3,4cm) possuíam área de exposição dos filmes de 9,08 cm 2. As determinações foram feitas em triplicata. O cálculo dos valores de PVA foi obtido utilizando a equação 2: Solubilidade: A determinação da solubilidade (SOL) foi realizada em triplicata conforme Davanço (2006) e Viega-Santos (2004) Inicialmente, três discos da amostra de filme de 2,0 cm de diâmetro, foram cortados e submetidos a secagem a 105 C por 24h, sendo posteriormente pesados. As amostras foram imersas em 50 ml de água destilada, mantidas sobre agitação lenta e constante por 24h a temperatura de 25 C em shaker (Marconi MA- 410). Os fragmentos de filmes restantes foram então retirados do shaker e secos em estufa a 105 C por 24h para determinação da massa seca final dos mesmos. A solubilidade foi calculada como a relação entre a matéria seca final e a matéria seca inicial, utilizando-se a equação 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Após a conclusão das análises em laboratório, os dados obtidos foram analisados através do programa Microsoft Office Excel. Espessura Todos os filmes apresentaram-se flexíveis, transparentes e homogêneos em espessura, sendo esta igual a 0,11 ± 0,01mm. Opacidade/transparência (2) (3) A opacidade/transparência do biofilme de zeína foi comparada com a opacidade/transparência de um filme comercial de polietileno. Na Tabela 1 observa-se que o biofilme de zeína apresentou-se menos transparente quando comparado ao filme comercial de polietileno. Tabela 1 Opacidade/transparência dos filmes de zeína e de polietileno comercial Material Absorbância a 600nm (Abs) Opacidade/ transparência (Abs.nm) Biofilme de zeína 1,399 ± 0,06 6,402 ± 0,09 Filme comercial de polietileno 0,046 ± 0,01 2,657 ± 0,09 Os valores da Tabela 1 indicam que o ácido graxo oléico aumentou a opacidade dos filmes, já que o biofilme possui em sua composição grande quantidade de ácido oléico (14g de ácido oléico/20g de zeína). Isto foi comprovado por diversos autores como Batista (2004), que observou que a opacidade dos filmes combinados de gelatina e pectina aumenta com a adição de ácidos graxos (ácido oléico). Além disso, Davanço (2006) verificou que os filmes combinados de gelatina e pectina sem a adição de lipídeos (ácidos graxos) foram mais transparentes. Permeabilidade ao vapor d água (PVA) A permeabilidade ao vapor d água dos filmes de zeína encontrada foi aproximadamente 0,5 gmm/m 2.d.KPa com uma permeância de 4,38 gmm/h.m 2.KPa (a permeância é a PVA dividida pela respectiva espessura do filme). Este valor está próximo ao encontrado por Wolf (2007) para filmes de colágeno (4,15 gmm/h.m 2.KPa). Esta PVA foi explicada por Li et al., (2008) que diz que a PVA depende do número de grupos (-OH) disponíveis que o polímero possui. Assim a menor PVA com biofilmes com amido modificado ocorre devido a adição de CMC (carboximetilcelulose) ocasionando a formação de uma matrix mais estruturada com grupos OH menos disponíveis e assim, com uma menor difusão de vapor d água. Além disso, Batista (2004) esclarece que, apesar da zeína e dos ácidos graxos serem hidrofóbicos esta permeabilidade pode também ser explicada já que os ácidos graxos (ácido oléico) contem grupos carboxílicos altamente polares e podem interagir com a molécula de água facilitando assim, a transferência de água através do biofilme. Gontard et al., (1994) também constataram aumento da permeabilidade ao vapor d água com a adição de componentes lipídicos em filmes de glúten, já que esses componentes, geralmente esféricos, não são capazes de se associarem totalmente a cadeia de proteína. Assim, a matriz de proteína pode ser rompida, resultando em

4 perdas das propriedades de barreira a umidade do biofilme. Análises de microscopia óptica e de varredura serão feitas, posteriormente, para verificar a incorporação dos componentes lipídicos na matriz do biofilme e observar a presença ou não de poros nestes materiais o que, poderá também, auxiliar no entendimento da PVA observada. Solubilidade em água A solubilidade encontrada para os biofilmes de zeína foi de 8,33%, mas o biofilme estudado se manteve íntegro depois de retirado da imersão de água. Isto indica que a rede protéica se manteve intacta, o que é devido ao fato do filme ser pouco hidrofílico. CONCLUSÃO O biofilme de zeína é mais opaco quando comparado com o filme comercial de polietileno, isso acontece devido à grande quantidade de ácidos graxos oléicos presente no biofilme de zeína. Além disso, sua permeabilidade ao vapor d água pode ser explicada pela quantidade de grupos OH livres, pela polaridade dos ácidos graxos oléicos, podendo estes interagirem com a água facilitando sua passagem pela matriz protéica ou ainda, pela ruptura da matriz protéica pelos componentes lipídicos facilitando assim, a passagem de água. Por fim, através do teste de solubilidade pode-se dizer que o biofilme é pouco hidrofílico, já que este se manteve intacto após ser retirado da imersão de água. NOMENCLATURA PVA: permeabilidade ao vapor d água (gmm/m 2.d.KPa) m: diferença de peso (quantidade de permante que atravessa o filme) (g) e: espessura do filme (mm) t: tempo no qual ocorre ganho de massa (h) A: área exposta do filme (m 2 ) p: diferença de pressão parcial de vapor d água a 100% UR e 0% UR, ambos a 25 C (KPa) SOL: porcentagem de material solubilizado (%) Mi: massa inicial da amostra (massa seca inicial) (g) Mf: massa final da amostra (massa seca final) (g) A 600: absorbância à 600 nm X: espessura dos filmes REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM. Annual Book of American Society for Test and Material Standards, Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials. E The Society: Philadelphia, PA., BATISTA, J.A. Desenvolvimento, caracterização e aplicações de biofilmes a base de pectina, gelatina e ácidos graxos em bananas e sementes de brócolos. 141 f. Dissertação (Mestrado Alimentos e Nutrição), Universidade Estadual de Campinas, Campinas, CAO, N.; FU, Y.; HE, J. Preparation and physical properties of soy protein isolate and gelatin composite films. Food Hydrocolloids (2006), doi: /j.foodhyd CARTER, R.; RECK, D.R. Low temperature solvent extraction process for producing high quality zein. U.S. Patent 3, 535, 305, DAVANÇO, T. Desenvolvimento e caracterização de biofilmes à base de gelatina, triacetina, ácido esteárico ou ácido capróico e surfactantes. 130f. Dissertação (Mestrado em Alimentos e Nutrição), Universidade Estadual de Campinas, Campinas, FORATO, L.A. Estudos das estruturas das zeínas por RMN, FTIR e MFA. 125f. Tese (Doutorado em Físico-Química), Universidade de São Paulo, São Carlos, GASPAR, M.; BENKÓ, Z.; DOGOSSY, G.; RÉCZEY, K.; CZIGANY, T. Reducing water absorption in compostable starch-based plastics. Polymer Degradation and Stability, v. 90, p , GONTARD, N.; DUCHEZ, C.; CUQ, J. L.; GUIL- BERT, S. Edible composite films ofwheat gluten and lipids: water vapor permeability and other physical properties. International Journal of Food Science and Technology. Oxford, v.29, n.1, p.39-50, GOUNGA, M.E.; XU, S-Y.; WANG, Z. Whey protein isolate-based edible films as affected by protein concentration, glycerol ratio and pullulan addition in film formation. Journal of Food Engineering, v. 83, p , JACKSON, D. S.; SHANDERA, D. L. Jr. Corn Wet Milling: Separation Chemistry and Technology. In: Advances in Food and Nutrition Research, V. 38, p , KLEEN, D.; PADUA, G.W.; ENGESETH, N., Stabilization of lipids in a biodegradable zeinoleate film by incorporation of antioxidants. Cereal Chem., 79, p LANDRY, J.; MOUREAUX, T. Heterogeneity of the glutelins of the grain corn: Selective extraction and composition in amino acids of the three isolated fractions. Bull. Soc. Chem. Biol., Princeton, v. 52, p , LI, Y.; SHOWMAKER, C.F.; MA, J.; SHEN, X.; ZHONG, F. Paste viscosity of rice starches of different amylose content and carboxymethylcellulose formed by dry heating and the physical properties of their films. Food Chemistry, In press.

5 LOPES FILHO, J. F. Avaliação da Maceração Dinâmica do Milho Após um Curto Período de Hidratação e Subseqüente Quebra do Pericarpo do Grão. Ciências e Tecnologia de A- limentos, Campinas, set/dez, NUSSIO, L. G. Milho. Piracicaba; ESALQ, A Cultura do Milho e Sorgo para a Produção de Silagem. p REINERS, R.A.; WALL, J.S.; INGLETT, G.E. Corn proteins: potential for their industrial use. In: Pomeranz Y (Ed.). Industrial uses of cereals. St. Paul, MN: American Association of Cereal Chemists, p , SINGH, N.; ECKHOFF, S.R. Wet milling of corn A review of laboratory scale and pilot plantscale procedures. Cereal Chem., Saint Paul, v. 73, p , VEIGA-SANTOS, P. Elaboração, aditivação e caracterização de biofilmes à base de fécula de mandioca. 252 f. Tese (Doutorado em Ciência de Alimentos), Universidade Estadual de Campinas, Campinas, WOLF, K.L. Propriedades físico-químicas e mecânicas de biofilmes elaborados a partir de fibra e pó de colágeno. 101f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Alimentos), Universidade Estadual Paulista, São José do Rio Preto, WU, S.; MYERS, D.J.; JOHNSON, L.A Effects of maize hybrid and meal drying conditions on yield and quality of extracted zein. Cereal Chem., 74, 3, p AGRADECIMENTOS A FAPESP pela bolsa de estudo concedida.