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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Production and application of nanocomposites formed by starch and cellulose nanofibers from banana : Produção e aplicação de nanocompósitos formados por amido e nanofibras de celulose de banana
Title Alternative: Produção e aplicação de nanocompósitos formados por amido e nanofibras de celulose de banana
Author: Tibolla, Heloisa, 1989-
Advisor: Cunha, Rosiane Lopes da, 1967-
Abstract: Resumo: Este estudo teve como objetivo produzir e caracterizar filmes biodegradáveis de amido incorporados com nanofibras de celulose (NFCs), a fim de melhorar suas propriedades mecânicas e de barreira à umidade. Primeiramente foram investigados diferentes métodos para o isolamento de nanofibras de celulose a partir da casca de banana verde da variedade "Terra" (Musa paradisíaca). NFCs foram produzidas via hidrólise ácida, estudando o efeito do uso de diferentes concentrações de ácido e, também da adição de tratamento mecânico (homogeneização à alta pressão) nas propriedades das NFCs. Com o intuito de desenvolver um método menos agressivo ao ambiente, NFCs foram produzidas através de hidrólise enzimática com xilanase, processo que não envolveu o uso de reagentes químicos. Em seguida, NFCs obtidas foram caracterizadas quanto a sua morfologia, diâmetro e comprimento, potencial zeta, cristalinidade e composição química. As NFCs foram avaliadas quanto à sua toxicidade a partir de uma linhagem celular Caco-2. A realização deste estudo mostrou a potencialidade da casca de banana verde como matéria-prima para o isolamento de NFCs, as quais apresentaram características ideais para aplicação como agente de reforço em compósitos poliméricos. A análise toxicológica apresentou um elevado nível de segurança do uso das NFCs frente à saúde humana. Nas próximas etapas foram produzidos nanocompósitos à base de amido da polpa de banana verde da variedade "Terra" reforçados com NFCs. A fim de avaliar o efeito da adição de um material de reforço à matriz de amido, os filmes foram caracterizados quanto à sua microestrutura, cristalinidade, estrutura química e propriedades de barreira à umidade, mecânicas e óticas. Os nanocompósitos apresentaram um aumento da tensão de ruptura sem afetar drasticamente a sua elongação, o qual demonstrou que a incorporação de nanofibras melhorou a resistência mecânica dos filmes. A diminuição significativa da permeabilidade ao vapor de água, solubilidade e absorção de umidade também evidenciaram o efeito benéfico das nanofibras na matriz de amido. As propriedades dos nanocompósitos foram relacionadas com as características físico-químicas das nanofibras incorporadas e também com a boa compatibilidade apresentada entre o amido e as nanofibras. A última etapa deste trabalho foi avaliar o efeito dos nanocompósitos produzidos como embalagem frente à estabilidade de castanhas de caju durante 35 dias de armazenamento sob condições controladas (35 ºC e 58% umidade relativa). As amostras foram avaliadas em função das características de qualidade das castanhas de caju: nível de peróxidos (POV), acidez, ganho de peso, atividade de água (Aw), propriedades de cor e dureza (textura). As castanhas de caju embaladas com os nanocompósitos apresentaram estabilidade similar às das amostras embaladas com filme de polietileno (PEF) comercial, mostrando o potencial dos nanocompósitos para serem utilizados como material de embalagem. Os resultados experimentais obtidos no decorrer do estudo mostraram que foi possível o uso de um subproduto agrícola no desenvolvimento de um produto de alto valor agregado. Além disso, os nanocompósitos produzidos mostram competitividade com materiais de embalagem comerciais com a vantagem de ser um material renovável, de baixo custo, biocompatível e biodegradável

Abstract: This study aimed to develop and characterize starch-based biodegradable films incorporated with cellulose nanofibers (CNFs), in order to improve their mechanical and water barrier properties. At a first moment different methods to isolate cellulose nanofibers from unripe banana peel of variety "Terra" (Musa paradisíaca) was investigated. CNFs were isolated by acid hydrolysis and, the effect of the use of different acid concentrations and, also the addition of mechanical treatment (high pressure homogenizations) on the CNFs properties were studied. In order to develop an environmental friendly method, CNFs were produced from enzymatic hydrolysis using xylanase, which can be considered a mild process since it does not involve the use of chemical reagents. Then, CNFs were characterized in terms of their morphology, diameter and length, zeta potential, crystallinity and chemical groups. Toxicity of CNFs was also evaluated from a Caco-2 cell line. The accomplishment of this study showed the potentiality of the use of unripe banana peels as raw material for the CNFs isolation, which showed ideal features for their application as a reinforcing agent in polymeric composites. Toxicological analysis showed a high level of safety of the use of CNFs in relation to human health. In the next step, unripe banana starch-based nanocomposites reinforced with CNFs were produced. In order to evaluate the effect of adding a reinforcing material to the starch matrix, the films were characterized from their microstructure, crystallinity, chemical structure and water barrier, mechanical and optical properties. The nanocomposites showed an increase of the tensile strength without a remarkable effect on elongation, demonstrating that nanofibers incorporation improved the mechanical strength of the films. A significant decrease in water vapor permeability, solubility and moisture absorption also evidenced the beneficial effect of the nanofibers on the starch matrix. The nanocomposite properties were related to the physico-chemical characteristics of the incorporated nanofibers, and also to the good compatibility between starch and nanofibers. Lastly, the effect of the nanocomposites produced as packaging on the stability of cashew nuts during 35 days of storage under controlled conditions (35 ºC and 58% relative humidity) was studied. The samples were evaluated according to the quality characteristics of the cashew nuts: peroxides level (POV), acidity, weight gain, water activity (Aw), color properties and hardness (texture). The cashew nuts packed with the nanocomposites presented similar stability to the samples packed with commercial polyethylene (PEF) film, showing the potential of the nanocomposites to be used as packaging material. Experimental results obtained in this study showed that it was possible to use an agricultural byproduct in the development of a high-added value product. In addition, the produced nanocomposites show competitiveness with commercial packaging materials with the advantage of being a renewable, low cost, biocompatible and biodegradable material
Subject: Nanofibras de celulose
Citotoxicidade
Filmes de amido
Nanocompósitos (Materiais)
Embalagens
Language: Multilíngua
Editor: [s.n.]
Citation: TIBOLLA, Heloisa. Production and application of nanocomposites formed by starch and cellulose nanofibers from banana: Produção e aplicação de nanocompósitos formados por amido e nanofibras de celulose de banana. 2018. 1 recurso online (223 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEA - Tese e Dissertação

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