Orientadores: Florencia Cecilia Menegalli, Paulo José do Amaral Sobral

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos

Resumo: Este trabalho de doutorado teve como objetivo estudar o potencial de uso do amido, farinha e nanofibras obtidos a partir de bananas verdes da variedade Terra (Musa paradisiaca) na elaboração de filmes biodegradáveis. Na primeira etapa do trabalho, o amido e a farinha de banana foram...

Resumo: Este trabalho de doutorado teve como objetivo estudar o potencial de uso do amido, farinha e nanofibras obtidos a partir de bananas verdes da variedade Terra (Musa paradisiaca) na elaboração de filmes biodegradáveis. Na primeira etapa do trabalho, o amido e a farinha de banana foram caracterizados quanto às propriedades físicoquímicas, funcionais e térmicas. Ambas as matérias-primas apresentaram considerável conteúdo de amido (94,8 e 83,2%, respectivamente) com alto teor de amilose (35,0 e 23,1%, respectivamente) e amido resistente (49,5 e 50,3%, respectivamente), além de fibras, proteínas e lipídios. Numa segunda etapa, filmes a partir de farinha de banana foram elaborados segundo um planejamento experimental. Os resultados obtidos foram analisados estatisticamente empregando a metodologia de superfície de resposta, que juntamente com a função de desejabilidade permitiu a obtenção da formulação e condições de processo ótimas (concentração de glicerol de 19%, temperatura de processo de 81 ºC, temperatura de secagem de 54 ºC e umidade relativa de 48%). Os filmes produzidos sob essas condições apresentaram tensão na ruptura de 9,2 MPa, elongação de 24,2%, módulo de Young de 583,4 MPa, permeabilidade ao vapor de água de 2,1 x 10-10 g/m.s.Pa e opacidade de 51,3%. Na terceira etapa do trabalho, foram elaborados filmes de farinha e amido de banana para determinar o efeito das fibras, proteínas e lipídios sobre as propriedades dos filmes. O filme de farinha de banana foi mais flexível, solúvel em água e opaco, e menos cristalino e resistente mecanicamente quando comparado com o filme de amido de banana. A partir da microestrutura, observou-se que o filme de farinha apresentou imperfeições na sua superfície e uma seção transversal menos densa com pequenas fissuras quando comparado com o filme de amido. Na quarta etapa, a casca da banana (subproduto do processamento da fruta) foi utilizada como matéria-prima para a obtenção de nanofibras de celulose, empregando tratamento químico e mecânico. A influência do número de passagens (0, 3, 5 e 7) das suspensões em um homogeneizador de alta pressão sobre a estrutura das nanofibras foi estudada. Os tratamentos foram efetivos no isolamento de fibras de banana na escala nanométrica (10,9 - 22,6 nm). Conforme o aumento do número de passagens no homogeneizador, nanofibras de celulose mais estáveis, cristalinas e de menor comprimento foram obtidas. Na última etapa, as nanofibras isoladas foram incorporadas na elaboração de nanocompósitos de amido da mesma fonte. As propriedades desses nanocompósitos foram comparadas com as de um filme de amido sem adição de nanofibras (controle), a fim de estudar o efeito deste reforço. Os nanocompósitos apresentaram uma melhora significativa nas propriedades tensão na ruptura, módulo de Young, resistência à água, opacidade e cristalinidade. Uma homogeneização mais drástica (7 passagens) promoveu a degradação das nanofibras, acarretando numa piora das propriedades do nanocompósito resultante, portanto, a condição de tratamento mecânico mais adequada foi de 5 passagens. As propriedades dos nanocompósitos foram relacionadas com as características físico-químicas das nanofibras incorporadas e também com a boa compatibilidade apresentada entre os biopolímeros amido e nanofibras, uma vez que estes foram obtidos da mesma fonte vegetal

Abstract: This doctor thesis aimed to study the potential use of the starch, flour, and nanofibers obtained from unripe bananas of the variety "Terra" (Musa paradisiaca) to develop biodegradable films. In the first stage of the work, banana starch and flour were characterized on the basis of their...

Abstract: This doctor thesis aimed to study the potential use of the starch, flour, and nanofibers obtained from unripe bananas of the variety "Terra" (Musa paradisiaca) to develop biodegradable films. In the first stage of the work, banana starch and flour were characterized on the basis of their physicochemical, functional, and thermal properties. Both raw materials exhibited considerable starch content (94.8 and 83.2%, respectively) with high amylose (35.0 and 23.1%, respectively) and resistant starch (49.5 and 50.3%, respectively), besides fibers, proteins, and lipids. In the second stage, films based on the banana flour were prepared according to an experimental design. The results were statistically analyzed using the response surface methodology which, along with the desirability function, furnished the optimum formulation and process conditions (19% for glycerol concentration, 81 ºC for process temperature, 54 ºC for drying temperature, and 48% for relative humidity). Films produced under these conditions presented tensile strength of 9.2 MPa, elongation at break of 24.2%, Young's modulus of 583.4 MPa, water vapor permeability (WVP) of 2.1 x 10-10 g/m.s.Pa, and opacity of 51.3%. In the third stage of the work, films from banana flour and starch were produced and the effect of fibers, proteins, and lipids on the properties of the flour film was studied. The results showed that the flour film was more flexible, soluble in water and opaque as well as less crystalline and mechanically resistant than the starch film. Compared with the starch film, the microstructure of the flour film has flawed surface, less dense cross-section, and small cracks. In the fourth stage, the banana peel (byproduct from fruit processing) was treated chemically and mechanically, to obtain cellulose nanofibers. The influence of the number of passages (0, 3, 5, and 7) in a high-pressure homogenizer on the structure of the nanofibers was investigated. The treatments were able to isolate the banana fibers in the nanometer scale (10.9 - 22.6 nm). Increasing the number of passages in the homogenizer afforded more stable, more crystalline, and less long cellulose nanofibers. In the last stage, the cellulose nanofibers were incorporated into starch nanocomposites from the same source. The properties of these nanocomposites were compared with those of a starch film without nanofibers (control), in order to study the effect of this reinforcement. The nanocomposites exhibited significantly improved tensile strength, Young's modulus, water resistance, opacity, and crystallinity. A more drastic homogenization (seven passages) degraded the nanofibers, deteriorating the properties of the resulting nanocomposite. Thus, the most suitable mechanical treatment condition involved five passages. The properties of the nanocomposites are a function of the characteristics of the nanofibers, such as crystallinity, zeta potential, and aspect ratio; they also depend on the compatibility between the starch and the nanofibers, which were obtained from the same plant source