Título: Estudo Comparativo das Propriedades Físicas e Reológicas de Embalagens Rígidas Biodegradáveis de Amido de Batata, Amido de Mandioca e Amido de Milho Autores: Mariana Oliveira Engel (1), Bruno Felipe Bergel (2) & Ruth Marlene Campomanes Santana. (2) 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 O acúmulo de resíduos poliméricos sintéticos derivados de petróleo, principalmente nas grandes aglomerações, gera custos e aumenta o volume de materiais depositados em aterros sanitários. Assim impõe-se a necessidade de serem investigados materiais compatíveis mecânica e fisicamente, porém derivados de fontes renováveis. Polímeros biodegradáveis são materiais emergentes oriundos de uma fonte de baixo custo, vantajosos ambiental, socialmente e economicamente (Davis e Song 2006 e Fomin e Guzeev, 2001). 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 embalagens expandidas de estrutura celular, que vêm a ser semelhantes ao poliestireno expandido EPS (Glenn et al., 2001 e Schmidt, 2006). O EPS o polímero utilizado em bandejas para armazenar frutas, em copos descartáveis para café, e em uma variedade de embalagens alimentares, que após uso são descartadas. Todo amido proveniente de distinta fonte botânica em distintos estágios de maturação da planta, possui características próprias (Bicudo, 2008 e Carvalho, 2005). Diferenças como a
temperatura de gelatinização, o teor de amilose e o teor de amilopectina, são interessantes do ponto de vista tecnológico. São estas distinções que conferem ao amido uma larga gama de aplicações e grande versatilidade. O teor de amilose de algumas fontes é descrito na Tabela 1. Variedade Amilose Botânica % Milho 28,0 Mandioca 17,0 Batata 20,0 Tabela 1. Teor de Amilose em amidos de distintas fontes botânicas (Aditivos e Ingredientes) Embalagens TPS vêm sendo produzidas a partir de diversas fontes de amidos. Autores correlacionaram o teor de amilose presente no amido com a densidade final de embalagens TPS pós expansão (Salgado, 2008). A densidade de embalagens TPS, por sua vez, diretamente proporcional ao parâmetro mecânico de resistência a tração. O bom desempenho mecânico das embalagens TPS é essencial para que possam ser indicadas como substitutos potenciais as embalagens de EPS. O objetivo deste estudo é descrever as características físicas dos amidos mais utilizados na produção de embalagens TPS: Mandioca, Milho e Batata, e compara-las com as propriedades físicas do EPS. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para confecção das placas de amido termoplástico foi utilizado água destilada, amido de batata alimentar comercial (Giro Verde), amido de milho comercial (Unilever) e amido de mandioca comercial (Amafil). Como plastificante álcool polivinílico (PVA), Neon comercial. O padrão foram bandejas de poliestireno expandido (EPS), destinadas ao armazenamento de frutas. Métodos Preparo da pasta e processo de termoexpansão das TPS: As pastas de amido foram obtidas a partir da mistura de quatro componentes (PVA, água 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: As espumas possuem a formulação indicada na Tabela 2, com teor de sólidos de 40%. Os códigos correspondem : Amido de Mandioca (TPS-MAND), Amido de Batata (TPS-BAT) e Amido de Milho (TPS-MIL). Amostra Amido Gel PVA Água g g g ml TPS-MAND 47,0 47,0 6,0 50,0 TPS-BAT 47,0 47,0 6,0 50,0 TPS-MIL 47,0 47,0 6,0 50,0 Tabela 2. Formulação das espumas TPS. 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 nove amostras. A viscosidade das pastas de amido anterior ao processo de termoexpansão foi medida com auxilio de viscosímetro Brookfield. 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-). As medidas foram feitas utilizando-se fundo branco, e os resultados apresentados são a média de três amostras. RESULTADOS E DISCUSSÃO Viscosidade: A Figura 1 ilustra o aspecto das distintas pastas de amido. A Tabela 3 descreve os valores de viscosidade para as pastas de amido. Mesmo com mesmo teor de sólidos (40%), observa-se que o Amido de Batata originou pasta de maior viscosidade, seguido pelo Amido de Milho. A pasta de Amido de Mandioca foi a menos viscosa. A viscosidade das pastas tem impacto direto no fenômeno de termoexpansão. A expansão é realizada pela expulsão violenta de vapor da amostra. Estudos anteriores deste mesmo grupo mostram que pastas muito viscosas têm expansão dificultada, uma vez que o peso da pasta é mais importante e a água encontra maior dificuldade para abandonar vigorosamente a pasta.
Amido de Batata Amido de Milho Amido de Mandioca Figura 1. Pastas de Amido antes da termoexpansão. Amostra Viscosidade Torque Temperatura Velocidade cp % C RPM Amido de Batata 32085 40,7 26,2 10 Amido de Milho 19530 21,6 27,1 10 Amido de Mandioca 9201 15,7 28,1 20 Tabela 3. Viscosidade das pastas de amidos. Espessura e Densidade: Tendo em vista que a aplicação primeira de embalagens EPS é a proteção do material nelas armazenado, a espessura vem a ser um parâmetro importante. Para justificar sua aplicação as espumas TPS devem obter espessuras próximas as do EPS, e uma densidade satisfatória, pois outra característica o EPS é a baixa densidade. A Tabela 4 apresenta os valores para as propriedades físicas de espessura e densidade. A espessura de todas as espumas TPS foram inferiores a do EPS, a mais próxima sendo a da espuma TPS de Amido de Milho. Entretanto a amostra de Amido de Milho foi a que apresentou maior densidade em comparação com o EPS, o que pode inviabilizar a substituição. Vale resaltar que a amostra de Amido de Milho, por possuir maior densidade, deve possuir melhore propriedade mecânica de resistência a tração, uma vez que estas duas são diretamente correlacionadas. Ainda, o Amido de Milho foi descrito como tendo o maior teor de amilose entre os amidos estudados e apresentou maior densidade, resultado que já foi observado por outros autores (Salgado, 2008). As espumas produzidas com Amido de Batata e Amido de Mandioca obtiveram densidades próximas e mais próximas as do EPS. A espessura do Amido de Mandioca foi a que obteve valores mais próximos a do EPS.
Dimensões Amostra L C E Peso Densidade mm mm mm g g / cm³ TPS-BAT 25,29 101,91 2,47 1,10 0,17 ± 0,96 0,48 0,27 0,14 0,02 TPS-MIL 24,57 101,23 2,87 2,47 0,35 ± 1,27 1,10 0,06 0,28 0,04 TPS-MAND 25,54 101,29 2,77 0,93 0,13 ± 0,51 0,37 0,20 0,07 0,01 EPS 25,29 101,02 3,37 0,25 0,03 ± 0,95 0,14 0,03 0,02 0,001 Tabela 4. Dimensões e densidade das espumas TPS e EPS. Análise de Cor: A Tabela 5 apresenta os resultados da análise de cor. A cor é parâmetro que impacta diretamente a aceitação das embalagens TPS por parte do consumidor final. As embalagens apresentaram valores próximos entre elas, mas distantes do EPS. CONCLUSÃO Amostra Análise de Cor L* a* b* Gloss TPS-BAT 88,227-1,147 7,713 4,743 ± 0,194 0,099 0,238 0,273 TPS-MIL 82,817 0,420 9,397 3,991 ± 0,134 0,028 0,582 0,252 TPS-MAND 82,717 0,665 6,640 5,242 ± 0,830 0,049 0,354 0,804 EPS 93,258 0,060-0,413 16,200 ± 0,666 0,000 0,032 1,058 Tabela 5. Análise de cor das espumas TPS e EPS. A pasta fabricada a partir do Amido de Batata foi a mais viscosa, porém não foi a amostra que originou as bandejas mais densas, o que caracteriza processo de termoexpansão adequado. A amostra de Amido de Milho, que segundo a literatura possui o maior teor de amilose originou as embalagens mais densas. Os parâmetros de cor foram distintos do EPS, mas, ainda assim as amostras apresentam colorações em tons de branco, o que as aproxima do padrão, e pode evitar rejeição por parte do consumidor. Dentre os amidos estudados, o Amido de Mandioca mostrou ser tecnologicamente o amido que origina espumas TPS mais próximas do padrão EPS, obtendo valores satisfatórios para a densidade e espessura. Ainda, por apresentar baixa viscosidade, o Amido de Mandioca facilita o processo de termoexpansão, melhorando o rendimento na produção das espumas TPS. REFERÊNCIAS Aditivos e Ingredientes. Amidos: fontes, estruturas e propriedades funcionais. p. 26-37. Disponível em <http://www.insumos.com.br/aditivos_e_ingredientes/materias/124.pdf>
BICUDO, S. C. W.. Caracterização de amidos nativos de diferentes fontes botânicas através de técnicas temoanalíticas e teor de amilose. Dissertação de Mestrado. Universidade Estadual de Ponta Grossa, 2008. CARVALHO A. J. F., CURVELO A. A. S. & MATTOSO L. H. C.. Estudo Comparativo de Amidos Termoplásticos Derivados do Milho com Diferentes Teores de Amilose. Polímeros: Ciência e Tecnologia, v. 15, n 4, p. 268-273, 2005. 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. 147-161, 2006. FOMIN, V. A., & GUZEEV, V. V.. Biodegradable Polymers, their present state and future prospects. Progress in Rubber and Plastics Technology, v. 17(3), p. 186 204, 2001. 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. 201 212, 2001. (4) 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. 435-443, 2008. 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, 2006.