Título: Propriedades Físicas de Embalagens Rígidas Biodegradáveis de Amido de Batata Reforçadas com Casca de Soja

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1 Título: Propriedades Físicas de Embalagens Rígidas Biodegradáveis de Amido de Batata Reforçadas com Casca de Soja Autores: Mariana Oliveira Ergel (1), Bruno Felipe Bergel Campomanes (2) & Elizangela Gonçalves Oliveira (1) (2), Ruth Marlene Filiação: (1) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Instituto de Ciência e Tecnologia de Alimentos ; (2) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Laboratório de Materiais Poliméricos. ruth.santana@ufrgs.br INTRODUÇÃO Problemas na gestão de resíduos polímeros sintéticos derivados do petróleo impõem a necessidade de serem investigados materiais compatíveis mecânica e fisicamente derivados de fontes renováveis. Compostos de polímeros biodegradáveis são materiais emergentes, vantajosos ambiental, socialmente e economicamente, uma vez que auxiliam a minimizar resíduos que seriam depositados em aterros e oriundos de uma fonte de baixo custo (Davis e Song 2006). Aproximadamente de 41% da produção de mundial plásticos é destinada a confecção de embalagens. Destes 47% aproximadamente corresponde a produção de embalagens para alimentos, que por sua vez, caracterizam-se como embalagens de uso única (Fomin e Guzeev, 2001). No caso das bandejas para o armazenamento de frutas, dos copos descartáveis para café, e de uma variedade de embalagens alimentares, o polímero utilizado é o poliestireno expandido (EPS). A reciclagem do EPS é custosa e praticamente inexistente. A larga disponibilidade de fontes renováveis de amido abre precedente a pesquisa de embalagens de base amilasea. O amido, quando adicionado de um plastificante, adquiri características termoplásticas, origem da denominação amido termoplástico (TPS), e quando submetido a processo de termoexpansão, origina

2 embalagens expandidas de estrutura celular, que vêm a ser semelhantes ao EPS (Glenn et al., 2001 e Schmidt, 2006). No entanto, devem ser investigados mecanismos que aperfeiçoem suas propriedades físicas, principalmente sua característica higroscópica (Glenn et al., 2001). Autores elucidaram que a adição de fibras reduz a absorção de umidade em bandejas TPS (Carr et al., 2006, Schmidt, 2006 e Cinelli et al. 2006). Segundo Hickert (2014) a casca de soja é um resíduo lignocelulósico, e, portanto fonte de fibras, largamente disponível, para o qual buscam-se alternativas de valorização. Nesse sentido, objetiva-se desenvolver um substituto para bandejas de EPS, biodegradável, compostável e fabricado com resíduos da agroindústria. A adição de casca de soja demonstrou em estudos prévios deste mesmo grupo, reduzir a higroscopicidade das bandejas quando armazenadas. No presente trabalho são apresentadas as características físicas de densidade e espessura, importantes para o desempenho global das embalagens, e mudanças de cor advindas da adição de fibras. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para confecção das placas de amido termoplástico enriquecido com fibras de casca de soja (TPS+CS) foi utilizado água destilada, amido de batata alimentar comercial, Giro Verde LTDA, casca de soja (CS) doada por produtor local e como plastificante álcool polivinílico (PVA), Neon comercial LTDA. O padrão foram espumas de amido TPS de batata sem adição fibras (TPS). Métodos Preparo da pasta e processo de termoexpansão das TPS: A pasta de amido foi obtida a partir da mistura de cinco componentes (PVA, água, CS e amido em duas formas, gelatinizado e seco). Para obtenção do amido gelatinizado, adiciona-se 20g de amido a 100 ml de água à ~70 ºC. As misturas foram realizadas com o auxilio de misturador mecânico dupla rosca. Após, a pasta preenche um molde de dimensões 15 cm x 15 cm em prensa hidráulica modelo Solar SL11, segue processo de compressão e termoexpansão com parâmetros de 240 segundos, à 180ºC e 2,5 toneladas. Composição das amostras: O software Statistica Statsoft for Windows 10.0 foi o programa de estatística empregado. Determinou-se o limite de ensaio para cada

3 componente a partir de resultados anteriores deste grupo de pesquisa (Engel et al., 2014). Os limites correspondem a 10-30% para casca de soja, 32-42% amido e 32-42% de amido gelatinizado. As frações dos componentes em cada formulação foram determinadas por planejamento experimental simplex-centroide ampliado com três pontos internos, descritos na Tabela 1. Amostra Composição A (fibra) B (amido) C (gel) PVA Água 1 V TPSCS1 0,30 0,32 0,32 0, V TPSCS2 0,10 0,42 0,42 0, V TPSCS3 0,20 0,42 0,32 0, V TPSCS4 0,20 0,32 0,42 0, C TPSCS5 0,25 0,32 0,37 0, C TPSCS6 0,15 0,42 0,37 0, C TPSCS7 0,25 0,37 0,32 0, C TPSCS8 0,15 0,37 0,42 0, / 10 TPSCS9/10 0,20 0,37 0,37 0, / 10 TPSCS9/10 0,20 0,37 0,37 0,06 60 Tabela 1. Planejamento simplex-centroide, ampliado com 10 pontos g O modelo cúbico utilizado para o estudo é a equação canônica de Scheffé (Equação 1), onde, Y é a função resposta; β 1, β 2, β 3, β 12, β 13, β 23 e β 123 são os coeficientes da regressão e X 1 (FIBRA), X 2 (AMIDO), e X 3 (GEL) são as variáveis (componentes da mistura). Avaliou-se estes parâmetros, pela análise de variância (ANOVA), determinando a significância do modelo com 5% de confiança e o coeficiente de determinação (R²). Os resultados não foram normalizados. Y = β 1 X 1 + β 2 X 2 + β 3 X 3 β 12 X 1 X 2 + β 13 X 1 X 3 + β 23 X 2 X 3 + β 123 X 1 X 2 X 3 (1) Ensaios físicos: A espessura das espumas após expansão foi medida com auxilio de um paquímetro e a densidade aparente (g/cm³) foi calculada dividindo-se o peso (g) volume total pelo volume (cm³) das amostras. Resultados são a média de dez amostras A cor 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*), coordenada a* (conteúdo de vermelho a+ a verde a-) e coordenada b* (conteúdo de amarelo b+ a azul b-) e foram convertidos em código de cores HTML por meio de um conversor de cores online. As medidas foram feitas utilizando-se fundo branco, e os resultados apresentados são a média de cinco amostras. RESULTADOS E DISCUSSÃO ml

4 A Tabela 2 apresenta os resultados para as características físicas. Análise de Cor Densidade Espessura Amostra L* a* b* Gloss Cor g / cm ³ cm 1 V TPSCS1 55,89 10,07 22,91 4,38 0,26 0,26 2 V TPSCS2 72,79 3,10 13,81 3,59 0,19 0,29 3 V TPSCS3 64,52 4,31 17,40 2,17 0,49 0,25 4 V TPSCS4 68,58 4,74 18,45 5,29 0,40 0,31 5 C(1) TPSCS5 61,31 6,34 19,32 3,46 0,18 0,34 6 C(1) TPSCS6 63,92 6,19 20,66 2,78 0,25 0,31 7 C(1) TPSCS7 60,30 6,78 21,63 2,67 0,24 0,30 8 C(1) TPSCS8 59,22 5,87 20,58 1,54 0,28 0,28 9 / 10 TPSCS9/10 59,36 6,74 20,45 3,01 0,19 0,36 PADRÃO 1 EPS 92,94 0,18-0,40 16,13 0,03 0,34 PADRÃO 2 TPS 85,28 0,33 6,93 7,24 0,23 0,22 Tabela 2. Propriedades físicas de: Densidade, Espessura, Cor e Brilho de TPS+CS Cor: Schmidt (2006), afirma que a cor é um parâmetro de aceitação determinante para o consumidor final, impactando na possibilidade de aplicação das embalagens TPS. Observa-se que o enriquecimento de fibra gera embalagens de coloração mais escura. Espessura: As bandejas EPS têm por aplicação primeira reduzir o impacto sofrido pelos produtos nelas acondicionados, como frutas e verduras. A espessura tornase, portanto um parâmetro físico importante. Observa-se que a espessura das formulações TPSCS 9/10, 5 e 4 foram próximas a espessura do padrão EPS. Densidade: Observa-se na Tabela 2 que as bandejas TPS reforçadas com casca de soja, apresentaram, em geral, densidades superiores quando comparadas ao do padrão TPS (sem fibras), o que pode estar indicando um aumento na rigidez das bandejas. Sabe-se da existência de correlação direta entre a resistência a tração e a densidade de embalagens TPS (Salgado et al., 2008). A análise de dados evidência que os componentes da mistura individualmente apresentaram efeitos significativos (p < 0,05) e impactaram na densidade (Fibra p = 0,011 ; Amido p = 0,034 ; Gel p = 0,002). Ainda que ainda as interações Fibra / Amido e Fibra / Gel apresentaram efeitos significativos (p < 0,1) para a densidade. O EPS é aplicado por possuir densidade bastante pequena e resistência ao impacto, busca-se portanto embalagens TPS que apresentem também baixa densidade. A superfície de resposta da Figura 2 mostra as formulações de menor densidade encontram na região central, ou seja, em proporções intermediarias dos componentes da mistura. Embora frente a outros polímeros fósseis expandidos o TPS apresente densidade elevada, ainda

5 assim, segue como alternativa vantajosa ambiental e econômica, tendo em vista seu caráter biodegradável e compostável. Gel de amido de batata 0,00 1,00 0,25 0,75 0,50 0,50 0,75 0,25 1,00 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Fibra Amido de batata Figura 2. Superfície de resposta para Densidade. Software Statistica Statsoft for Windows Model Special Cubic; F = 0, ; R² = 0, ,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 CONCLUSÃO A adição de fibras provocou aumento na densidade das bandejas de TPS. O planejamento experimental evidenciou que é possível produzir embalagens reforçadas com soja que possuam densidades satisfatórias entre 0,20 e 0,25 g / cm³. Mesmo que as fibras tornem as bandejas mais densas, as espessuras foram semelhantes as do EPS. A adição de fibras impactou visualmente as embalagens. Ainda assim, as embalagens TPS seguem como uma alternativa vantajosa à aplicação de polímeros de origem fóssil. REFERÊNCIAS DAVIS, G.; SONG, J.H. Biodegradable packing based on raw materials from crops and their impact in waste management. Industrial Crops and Product, v. 23, p , FOMIN, V. A., & GUZEEV, V. V. Biodegradable Polymers, their present state and future prospects. Progress in Rubber and Plastics Technology, v. 17(3), p , GLENN, G. M., ORTS, W. J., & NOBES, G. A. R.. Starch, fiber and CaCO3 effects on the physical properties of foams made by a baking process. Industrial Crops and Products, v.14, p , SCHMIDT, V. C. Desenvolvimento de embalagens biodegradáveis a partir da fécula de mandioca, calcário e fibra de celulose. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Alimentos. Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, CARR, L. G., PARRA, D. F., PONCE, P., LUGÃO, A. B., & BUCHL, P. M.. Influence of fibers on the mechanical properties of cassava starch foams. J. of Polymer Environment, v.14, p , 2006.

6 CINELLI, P., CHIELLINI, E., LAWTON, J. W., & IMAN, S. H. Foamed articles based on potato starch, corn fibers and poly(vinyl alcohol). Polymer Degradation and Stability, v. 91, p , HICKERT, L. R.. Bioconversão de casca de arroz e soja em xilitol e etanol por leveduras. Tese de doutorado em Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), ENGEL, M. O.; REATEGUI, D. R.; SANTANA, R. M. C.. Biocompósitos de Amido Termoplástico Expandido Reforçado com Casca de Soja. Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais. Anais CBECIMAT 2014p , SALGADO, P. R., SCHMIDT, V. C., ORTIZ, S. E. M., MAURI, A. N., & LAURINDO J. B.. Biodegradable foams based on cassava starch, sunflower proteins and cellulose fiber obtained by baking process. Journal of Food Engineering, v. 85, p , 2008.