Bioeconomia: Filme biodegradável para embalar de alimentos usa gelatina e nanocristais de celulose

Imagem: Divulgação | Por Joana Silva (MTb 19554) – Embrapa Instrumentação – A pesquisa gerou uma película biodegradável, antimicrobiana e com propriedades antioxidantes. Na foto, detalhe da produção do filme passando pelo infravermelho

Janeiro de 2023 – O pó fino secular e versátil da gelatina é a base de um novo filme comestível e biodegradável para embalagem de alimentos multifuncionais. Utilizando o método de “casting contínuo”, pesquisadores brasileiros e franceses incorporaram nanocristais de celulose (CNCs, na sigla em inglês), modificados com resina de pinus, à estrutura frágil da gelatina para reforçá-la e produzir um filme, de forma mais rápida e mais resistente. O resultado é uma película biodegradável, antimicrobiana e com propriedades antioxidantes.

A preparação do material por laminação contínua, conhecida como “casting contínuo”, é uma técnica com potencial de aplicação na indústria, de baixo custo e alta produtividade. Ela permite o uso de soluções ou dispersões à base de água, sem a necessidade de empregar aditivos de processamento.

O uso do “casting contínuo” ainda não havia sido explorado para o processamento de filmes proteicos em escala-piloto. O trabalho inovador envolveu pesquisadores da Embrapa Instrumentação (SP), da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e da Universidade de Grenoble Alpes (UGA), França. 

Atualmente, a técnica mais empregada para processamento de filmes de gelatina é o “casting convencional” (Bench casting), mas o método falha pela baixa produtividade, porque em uma das etapas de produção do filme, a secagem, requer tempos relativamente longos, de até 24 horas. 

Já o “casting contínuo” tem a vantagem de requerer tempos de processamento curtos, graças ao uso de radiação infravermelha na etapa de pré-secagem, temperaturas mais altas e intensa circulação de ar. A produção do filme, com maior rapidez, entre 10 a 20 minutos, levou a um aumento significativo de produtividade, desempenho que aproxima a pesquisa da necessidade da indústria. Com a técnica foi possível produzir 12 metros de filme por hora em escala de laboratório. 

Os filmes apresentaram formato transparente e incolor – características importantes, porque permitem ao consumidor visualizar o conteúdo e a qualidade do produto – sem fraturas após a secagem, com ausência de partículas insolúveis na sua superfície, seguro, estável, ecologicamente correto, eficiente barreira contra óleos e lipídios, boa capacidade de formação de filme e natureza comestível.

Como funciona o casting contínuo

O método de “casting contínuo” promove alto controle de espessura da lâmina úmida, sem a necessidade de aditivos de processamento, permite o uso de soluções-dispersões aquosas e menor necessidade de espaço e de mão-de-obra para a fabricação. 

Nesse processo, as soluções são espalhadas continuamente sobre um substrato móvel, como poliéster ou papel revestido, com uma lâmina úmida de altura ajustável para controlar a espessura do filme seco. 

Leite, que foi orientada pelo pesquisador Luiz Henrique Capparelli Mattoso, da Embrapa Instrumentação, explica que o substrato revestido passa, então, por um aquecedor infravermelho de pré-secagem e câmaras de secagem e, no final, o filme seco é resfriado à temperatura ambiente e enrolado enquanto ainda está aderido ao substrato. 

Similar ao plástico convencional, porém biodegradável

Além disso, os filmes se mostraram com propriedades ópticas e mecânicas similares aos plásticos convencionais, mas com a vantagem de ter fontes naturais como matéria-prima e de serem biodegradáveis. Outra vantagem é que o filme é antimicrobiano, inibiu o crescimento de bactérias Staphylococcus aureus e Escherichia coli em testes acelerados de laboratório e prolongou a vida útil em queijo mussarela, em até um mês.

O filme de gelatina apresentou alta barreira contra a radiação ultravioleta (UV), quase 100% para UVC, mais de 93,3% para UVB e 54,0% para UVA, devido a grupos cromóforos – parte ou conjunto de átomos de uma molécula responsável por sua cor – como tirosina e fenilalanina. 

Os resultados obtidos pela pesquisa demonstram uso promissor de filmes de gelatina reforçados com CNC para aplicações como embalagens, cujo papel fundamental é manter a qualidade e segurança dos produtos alimentícios durante o armazenamento e transporte.

Validado em ambiente de laboratório e em escala pré-piloto, os próximos desafios envolvem a demonstração do protótipo com filmes à base de gelatina termo-seláveis (que pode ser fechada sem uso de cola, mas apenas com aplicação de calor) destinados ao armazenamento de diferentes produtos alimentícios em escala industrial. 

O desempenho do filme, mesmo em escala-piloto já chamou a atenção de empresa global de fornecimento de proteínas de colágeno para as indústrias de alimentos, farmacêutica, saúde e nutrição e de aplicações técnicas. 

Solução verde 

Ela explica que, sem qualquer aditivo, os filmes de gelatina tornam-se quebradiços e difíceis de manusear e que, com a adoção de plastificantes podem aumentar a flexibilidade dos filmes, mas diminuem as propriedades mecânicas de tração e reduzem a barreira a gases e ao vapor de água. Leite anda conta que o emprego de reforços nanométricos podem aumentar a resistência mecânica, tenacidade, estabilidade térmica e as propriedades de barreira de vários biopolímeros como a gelatina.

“Os ensaios mecânicos revelaram que adição de CNC à matriz de gelatina levou a um aumento de três vezes na resistência à tração e de 3,5 vezes no módulo de elasticidade – uma propriedade mecânica que mede a rigidez de um material sólido – e redução de 70% no alongamento máximo, quando comparado aos filmes de gelatina sem adição de CNC”, revela. 

Pioneiro e entusiasta do “casting contínuo” no Brasil, o professor Francys Vieira Moreira,da UFSCar, coorientador de Liliane Leite, relata que os nanocristais de celulose modificados com rosin (r-CNCs)  melhoraram consistentemente as propriedades ópticas e de barreira ao vapor de água dos filmes de gelatina em comparação com os CNCs convencionais. 

“A resistência mecânica da matriz de gelatina foi aumentada e pode ser ajustada variando o teor de r-CNCs. Esse estudo demonstra como as reações de modificação superficial podem estender as funcionalidades das nanoceluloses para uso em materiais de embalagens flexíveis, que, de outra forma, sofreriam de propriedades físicas e biológicas limitadas”, declara Moreira.

Para Leite, o estudo forneceu uma compreensão abrangente de como os CNCs podem ser explorados para desenvolver filmes biodegradáveis à base de gelatina com propriedades aprimoradas ou funcionalidades extras. 

Os CNCs são partículas cristalinas rígidas em forma de bastão extraídas de materiais celulósicos de origem vegetal. Eles são biodegradáveis, abundantes, renováveis e apresentam baixa densidade, alto módulo de elasticidade e excelentes propriedades mecânicas, sendo produzidos em escala comercial. 

Outra vantagem enfatizada pela pesquisadora é que o material pode ser completamente decomposto pelo meio ambiente após o descarte como resultado das propriedades dos ingredientes gelatina e celulose.

Publicação científica

Boa parte dos resultados da pesquisa foram publicados no artigo Eco-friendly gelatin films with rosin-grafted cellulose nanocrystals for antimicrobial packaging no volume 165 do International Journal of Biological Macromolecules. O trabalho é assinado por Liliane Leite, Luiz Mattoso, Francys Moreira, Julien Bras, além dos pesquisadores Stanley Bilatto e Andrey C.Soares, que realizam pós-doutorado no Laboratório Nacional de Nanotecnologia para o Agronegócio (LNNA), sediado na Embrapa Instrumentação, Rafaella T. Paschoaline e Osvaldo N.Oliveira Jr., da Universidade de São Paulo (USP).

Imprensa | Agência Embrapa