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Type: Dissertação
Title: Revestimento superhidrofóbico com celulose bacteriana funcionalizada para aplicação em embalagens de alimentos
Title in English: Superhydrophobic coating with functionalized bacterial cellulose for application in food packaging
Authors: Frota, Maryana Melo
Advisor: Vasconcelos, Lucicléia Barros de
Co-advisor: Bastos, Maria do Socorro Rocha
Keywords in Brazilian Portuguese : Celulose bacteriana;Cera de abelha;Desperdício de alimentos;Resíduo orgânico
Keywords in English : Bacterial cellulose;Beeswax;Food waste;Organic waste
Knowledge Areas - CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::CIENCIA E TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
Issue Date: 2023
Citation: FROTA, Maryana Melo. Revestimento superhidrofóbico com celulose bacteriana funcionalizada para aplicação em embalagens de alimentos. 2023. 84 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Alimentos) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Abstract in Brazilian Portuguese: Superfícies superhidrofóbicas (SH) são conhecidas por apresentarem altos valores de ângulo de contato (CA) e baixos ângulos de deslizamento (SA). São consideradas inovações tecnológicas para o setor de embalagem no combate ao desperdício de alimentos e redução do acúmulo de resíduos orgânicos no interior dos recipientes alimentícios. A utilização de matrizes orgânicas de fonte renovável, como as ceras alimentícias, combinadas com estruturas nanométricas, como a celulose bacteriana funcionalizada (BCn), podem melhorar a estabilidade e durabilidade das superfícies superhidrofóbicas. A aplicabilidade da BCn pode ser ampliada por meio de reações de funcionalização em sua matriz, permitindo a inserção de moléculas de caráter apolar que potencializam a sua hidrofobicidade. Portanto, o objetivo do presente estudo consistiu em desenvolver um revestimento com cera de abelha (BW) e nanofibrilas de celulose bacteriana funcionalizadas, adicionada como matriz estruturante, para obtenção das propriedades superhidrofóbicas com potencial aplicabilidade para embalagens de alimentos. A BC foi sintetizada por meio de fermentação estática com Camellia sinensis, sacarose e o consórcio simbiótico de bactérias e leveduras (SCOBY), em seguida purificada, neutralizada e desfibrilada em moinho coloidal. O processo de funcionalização foi iniciado a partir de um estudo em diferentes pH’s (3,5 a 7,5) para fins de otimização do processo. Por meio da comparação das intensidades das bandas obtidas após o processo de funcionalização nos diferentes pH’s, foi possível determinar o meio mais propício para ligações entre a celulose bacteriana e o dióxido de silício. Após isso, o material funcionalizado (BCn) foi caracterizado quanto a morfologia e perfil térmico. Para o desenvolvimento dos revestimentos superhidrofóbicos, aplicou-se um delineamento fatorial completo (2 2 ) tendo com variáveis independentes as concentrações de BW e BCn e variáveis dependentes as análises de CA e SA. Em seguida, foram elaborados três revestimentos: BW control (apenas com cera de abelha); BW/BCn (cera de abelha e BCn sem modificação); e, BW/BCn-SiO 2 (cera de abelha e BCn funcionalizadas com SiO 2 ), seguidos de caracterização quanto à composição química, morfologia, perfil de molhabilidade, propriedades ópticas, testes de durabilidade, perfil toxicológico e propriedades superhidrofóbicas (repelência a alimentos líquidos e capacidade autolimpante). Os espectros no IR das BCn em pH 4,5 apresentaram melhor interação da celulose com grupos silanóis através da avaliação de intensidade das bandas para fins da funcionalização. Com isso, o SiO 2 foi responsável por modificar a superfície das BCn e tornar o material mais estável termicamente. Além disso, o revestimento BW/BCn-SiO 2 , com superfície em micro e nanoescala, apresentou CA de 153° e SA de 3°, comprovando a obtenção de superfícies superhidrofóbicas. O revestimento aplicado em lâminas de vidro apresentou excelente aderência à superfície, resistência mecânica e estabilidade ao armazenamento em temperaturas baixas. Para fins de aplicabilidade em contato com alimento, os testes toxicológicos com náuplios de Artemia salina confirmaram a não toxicidade dos materiais de revestimento. Em testes com alimentos, o revestimento SH foi capaz de repelir alimentos líquidos e viscosos, além de apresentar capacidade autolimpante. Com isso, os resultados obtidos neste trabalho mostram o quanto é promissor e inovador o método de funcionalização de materiais celulósicos de origem bacteriana utilizando compostos a base de sílicio de base alimentar, mostrando alto potencial de aplicabilidade em superfícies de embalagens com características superhidrofóbicas e repelentes, com o objetivo de reduzir a aderência de resíduos orgânicos no interior das embalagens de alimentos.
Abstract: Superhydrophobic (SH) surfaces are known to have high contact angle (CA) and low sliding angle (SA) values. They are considered technological innovations for the packaging sector to combat food waste and reduce accumulation of organic waste inside food containers. The use of organic matrices from renewable sources, such as food waxes, combined with nanometric structures, such as functionalized bacterial cellulose (BCn), can improve the stability and durability of superhydrophobic surfaces. The applicability of BC can be expanded through functionalization reactions in its matrix, allowing the insertion of nonpolar molecules that enhance its hydrophobicity. Therefore, the objective of the present study was to develop a coating with beeswax (BW) and functionalized bacterial cellulose nanofibrils, added as a structuring matrix, to obtain superhydrophobic properties with potential applicability for food packaging. BC was synthesized through static fermentation with Camellia sinensis, sucrose and the symbiotic consortium of bacteria and yeast (SCOBY), then purified, neutralized, and defibrillated in a colloidal mill. The functionalization process started from a study at different pHs (3.5 to 7.5) for process optimization purposes. By comparing the intensities of the bands obtained after the functionalization process at different pHs, it was possible to determine the most suitable medium for bonds between bacterial cellulose and silicon dioxide. After that, the functionalized material (BCn) was characterized in terms of morphology and thermal profile. For the development of superhydrophobic coatings, a complete factorial design was applied (2 2 ) with the independent variables being the concentrations of BW and BCn and the dependent variables being the CA and SA analyses. Three coatings were then created: BWcontrol (only with beeswax); BW/BCn (beeswax and BCn without modification); and BW/BCn-SiO 2 (beeswax and BCn functionalized with SiO 2 ), followed by characterization regarding chemical composition, morphology, wettability profile, optical properties, durability tests, toxicological profile and superhydrophobic properties (repellent to liquid foods and self-cleaning capacity). The IR spectra of BCn at pH 4.5 showed better interaction of cellulose with silanol groups through the evaluation of band intensity for functionalization purposes. As a result, SiO 2 was responsible for modifying the BCn surface and making the material more thermally stable. Furthermore, the BW/BCn-SiO 2 coating, with a micro and nanoscale surface, presented a CA of 153° and a SA of 3°, proving the achievement of superhydrophobic surfaces. The coating applied to glass slides showed excellent adhesion to surface, mechanical resistance, and storage stability at low temperatures. For purposes of applicability in contact with food, toxicological tests with Artemia salina nauplii confirmed the non-toxicity of the coating materials. In tests with food, the SH coating was able to repel liquid and viscous foods, in addition to having self-cleaning capabilities. Therefore, the results obtained in this work show how promising and innovative the method of functionalizing cellulosic materials of bacterial origin using food-based silicon-based compounds is, showing high potential for applicability on packaging surfaces with superhydrophobic and repellent characteristics, with the aim of reducing the adhesion of organic residues inside food packaging.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/74557
Author's ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4103-6195
Author's Lattes: http://lattes.cnpq.br/7976327870316431
Advisor's Lattes: http://lattes.cnpq.br/7717393367009376
Access Rights: Acesso Aberto
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