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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO CARLOS CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DE
TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE QUMICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA
APLICAO DE NANOPARTCULAS EM FILMES UTILIZADOS EM EMBALAGENS PARA
ALIMENTOS
Mrcia Regina de Moura Aouada*
Tese apresentada como parte dos requisitos para obteno do ttulo
de DOUTORA EM CINCIAS, rea de concentrao: FSICO-QUMICA.
Orientador: Luiz Henrique Capparelli Mattoso
* bolsista CNPq
So Carlos - SP 2009
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Ficha catalogrfica elaborada pelo DePT da Biblioteca
Comunitria/UFSCar
A638an
Aouada, Mrcia Regina de Moura. Aplicao de nanopartculas em
filmes utilizados em embalagens para alimentos / Mrcia Regina de
Moura Aouada. -- So Carlos : UFSCar, 2009. 119 f. Tese (Doutorado)
-- Universidade Federal de So Carlos, 2009. 1. Fsico-qumica. 2.
Quitosana. 3. Filmes comestveis. 4. Hidroxipropil metilcelulose. 5.
Propriedades de barreira. I. Ttulo. CDD: 541.3 (20a)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO
CARLOSCentrodeCinciasExatasedeTecnologia
DepartamentodeQumicaPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA
CursodeDoutorado
Assinaturasdos membrosda bancaexaminadoraqueavaliarame
aprovarama defesadetesededoutoradoda candidataMarciaReginade
Moura Aouadarealizadaem30deabril de2009:
~~Dr.LuizHenriqueCapparelliMattoso
. uenritteMonteiroCordeirodeAzeredo
/~k~MProf.Dr.LeonardoFemandesFraceto
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Eu vos louvarei de todo o corao, Senhor, porque ouvistes as
minhas palavras. Na presena dos anjos eu vos cantarei. Ante vosso
santo templo prostrar-me-ei, e louvarei o
vosso nome, pela vossa bondade e fidelidade, porque acima de
todas as coisas, exaltastes o vosso nome e a vossa promessa. Quando
vos invoquei, vs me respondestes; fizestes crescer a fora de minha
alma. Ho de vos louvar, Senhor, todos os reis da terra, ao
ouvirem as palavras de vossa boca. E celebraro os desgnios do
Senhor: Verdadeiramente, grande a glria do Senhor. Sim, excelso o
Senhor, mas olha os
pequeninos, enquanto seu olhar perscruta os soberbos. Em meio
adversidade vs me conservais a vida, estendeis a mo contra a clera
de meus inimigos; salva-me a vossa
mo. O Senhor completar o que em meu auxlio comeou. Senhor,
eterna a vossa bondade: no abandoneis a obra de vossas mos.
SALMO 137 - Agradecimento
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Dedico esta tese aos meus
pais, PAULO RAIMUNDO e OLIVIA TEREZINHA, pelos maiores e
valiosos ensinamentos.
Por ter vocs, nenhuma dificuldade impedimento e toda alegria
completa.
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Dedico esta tese ao meu amor
FAUZE AOUADA, pelo carinho, ateno, fora e por sempre estar ao
meu lado.
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AGRADECIMENTOS
A DEUS, pela vida e pela presena constante nela, que me d fora
para ir cada vez mais longe.
Ao Dr. LUIZ MATTOSO, pela orientao, incentivo, confiana, amizade
e por
acreditar em mim na realizao do trabalho. Meus sinceros
agradecimentos.
Aos meus irmos ANA PAULA e LUIZ GUSTAVO, pela amizade e
confiana, por acreditarem em mim, me mostrando que posso alcanar
tudo que desejo.
Aos pesquisadores Dr. JOHN M. KROCHTA, Dra. TARA H. MCHUGH e
Dr.
ROBERTO J. AVENA-BUSTILLOS do USDA, Estados Unidos,
Albany-Califrnia, pela infra-estrutura disponibilizada, por
compartilharem seus conhecimentos comigo e por
todo auxlio e ensinamento dado a mim e ao trabalho.
A Dra. HENRIETTE MONTEIRO CORDEIRO DE AZEREDO da Embrapa-CNPAT,
pela amizade e disponibilidade a mim dispensada em vrios
momentos.
A professora e Dra. LCIA HELENA MASCARO da UFSCar, pela ateno
e
incentivo dado na correo do projeto de Doutorado e
relatrios.
Aos professores Dr. LEONARDO FRACETO e RENATA DE LIMA pela
amizade, partilha de conhecimentos e estudo toxicolgico das
nanoestruturas.
Aos secretrios, bibliotecrios, telefonistas, pesquisadores,
tcnicos, etc, a todos os colegas
da EMBRAPA-CNPDIA sempre atenciosos e prestativos.
A EMBRAPA INSTRUMENTAO AGROPECURIA, pela infra-estrutura e pelo
excelente ambiente de trabalho.
Ao Departamento de Qumica, da UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO
CARLOS,
pela oportunidade dada na realizao do Doutorado e apoio na
pesquisa.
Aos amigos da EMBRAPA-CNPDIA que de uma maneira ou de outra
contriburam para meu aprimoramento e fizeram parte do meu
dia-a-dia.
Ao CNPq pelo apoio financeiro.
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PRODUO CIENTFICA
Publicaes em Peridicos:
- MOURA, Mrcia R. de; AOUADA, Fauze A.; AVENA-
BUSTILLOS, Roberto J.; MCHUGH, Tara H.; KROCHTA, John M.;
MATTOSO,
Luiz Henrique C. Improved barrier and mechanical properties of
novel
hydroxypropyl methylcellulose edible films with
chitosan/tripolyphosphate
nanoparticles. Journal of Food Engineering, 92: 448-53;
2009.
- MOURA, Mrcia R. de; AVENA-BUSTILLOS, Roberto J.;
MCHUGH, Tara H.; KROCHTA, John M.; MATTOSO, Luiz Henrique C.
Properties of novel hydroxypropyl methylcellulose films
containing chitosan
nanoparticles. Journal of Food Science, 73: 31-7; 2008.
- MOURA, Mrcia R. de; AOUADA, Fauze A.; MATTOSO, Luiz
Henrique C. Preparation of chitosan nanoparticles using
methacrylic acid.
Journal of Colloid and Interface Science, 321: 477-83; 2008.
- AZEREDO, Henriette M.C.; MOURA, Mrcia R. de; OLSEN, Carl;
DU, Wen-X.; MATTOSO, Luiz Henrique C.; AVENA-BUSTILLOS, Roberto
J.;
McHUGH, Tara H. Performance of mango puree edible films as
affected by
chitosan submicronparticles and high methoxyl pectin.
International Journal of
Food Science & Technology, submetido.
- MOURA, Mrcia R. de; AOUADA, Fauze A.; FRACETO,
Leonardo F.; LIMA, Renata de; MATTOSO, Luiz Henrique C.
Evaluation of
toxicity of chitosan nanoparticles. Journal of Colloid and
Interface Science, a ser
submetido.
-
- MOURA, Mrcia R. de; AZEREDO, Henriette M. C.; McHUGH,
Tara H.; MATTOSO, Luiz Henrique C. Thickness effects of
hydroxypropyl
methylcellulose films with chitosan nanoparticles on their
properties. Journal of
Food Engineering, a ser submetido.
Publicaes em Anais e Participao em Congressos - MOURA, M. R. de;
AOUADA, Fauze A.; CATTELAN, Alexandre
J.; MOSCARDI, Flvio; MUNIZ, Edvani C.; VAZ, Carlos M. P.;
MATTOSO,
Luiz Henrique C. Desenvolvimento de nanopartculas e hidrogis
para sistemas de
liberao controlada de insumos agrcolas para a cultura de soja.
IV Congresso
Brasileiro de Soja, 2006, Londrina-PR, Brasil.
- MOURA, M. R. de; AOUADA, Fauze A.; MATTOSO, Luiz
Henrique C. Preparation of chitosan with controlled
nanoparticles sizes.
ISNAPOL, 2007, Gramado-RS, Brasil.
- MOURA, M. R. de; AOUADA, Fauze A.; MATTOSO, Luiz
Henrique C. Nanopartculas de quitosana para aplicao na sntese de
filmes
utilizados na indstria de alimentos. 3 Workshop de Rede de
Nanotecnologia
Aplicada ao Agronegcio, 2007, Londrina- PR, Brasil.
- MOURA, M. R. de; AVENA-BUSTILLOS, Roberto J.; MCHUGH,
Tara H.; MATTOSO, Luiz Henrique C. Mechanical properties of
films from
hydroxy propyl methyl cellulose and chitosan nanoparticles.
SBPMat, 2007,
Natal-RN, Brasil.
- MOURA, M. R. de; AVENA-BUSTILLOS, Roberto J.; MCHUGH,
Tara H.; KROCHTA, John M.; MATTOSO, Luiz Henrique C. Barrier
and
-
mechanical properties of hydroxypropyl methylcellulose edible
films containing
chitosan nanoparticles. IFT Annual Meeting & Food Expo,
2008, New Orleans-
LA, USA.
-AZEREDO, H. M. C.; MOURA, M. R. de; OLSEN, C.; MATTOSO,
L.H.C.; AVENA-BUSTILLOS, R. J.; McHUGH, T. H. Influence of
chitosan
submicronparticles and pectin on mechanical and barrier
properties of mango puree
edible films.IFT Annual Meeting & Food Expo, 2008, New
Orleans-LA, USA.
- MOURA, M. R. de; MCHUGH, Tara H.; KROCHTA, John M.;
MATTOSO, Luiz Henrique C. Influence of particle size on the
thermal and water
vapor barrier properties of HPMC films containing chitosan
nanoparticles. Nano
9th: International Conference on Nanostructured Materials, 2008,
Rio de Janeiro-
RJ, Brasil.
-AZEREDO, H. M. C.; MOURA, M. R. de; MATTOSO, Luiz
Henrique C.; AVENA-BUSTILLOS, Roberto J.; MCHUGH, Tara H.
Propriedades mecnicas e de barreira de filmes nanocompsitos de
quitosana e
celulose microcristalina. 18 Congresso Brasileiro de Engenharia
e Cincia dos
Materiais, 2008, Porto de Galinhas-PE, Brasil.
-MOURA, Mrcia R. de; AOUADA, Fauze A.; AVENA-
BUSTILLOS, Roberto J.; MCHUGH, Tara H.; KROCHTA, John M.;
MATTOSO,
Luiz Henrique C. Preparao e caracterizao mecnica de filmes
comestveis
sintetizados a partir de hidroxipropil metilcelulose e
nanopartculas. 18
Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais, 2008,
Porto de
Galinhas-PE, Brasil.
-
ix
LISTA DE ABREVIATURAS
Tenso ANOVA Anlise de Varincia
DSC Calorimetria Diferencial de Varredura
E Mdulo de Elasticidade
FT-IR Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de
Fourier
GS Grau de Substituio
HPMC Hidroxipropil Metilcelulose
KCl Cloreto de Potssio
MET Microscopia Eletrnica de Transmisso
MEV Microscopia Eletrnica de Varredura
NPs Nanopartculas
O2P Permeabilidade ao Oxignio
PMAA Poli(cido metacrlico)
QS Quitosana
RH Umidade Relativa
RMN Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear
Td Temperatura de Degradao
TG Termogravimetria
TPP Tripolifosfato de Sdio
WVP Ingls (Water Vapor Permeability) Permeabilidade ao Vapor de
gua
-
x
Lista de Tabelas TABELA 2.1: Trs diferentes tipos de
nanopartculas QS-TPP formadas, com diferentes concentraes dos
reagentes..........................................................................................................
29 TABELA 2.2: Valores de tamanho mdio para as diferentes NPs de
quitosana em pH = 4,0. .... 39 TABELA 2.3: Valores de H para as
diferentes NPs de
quitosana.............................................. 50 TABELA
2.4: Influncia da concentrao de QS e TPP no tamanho de partcula.
...................... 54 TABELA 2.5: Influncia da concentrao de QS
e TPP nos valores de potencial zeta................ 55 TABELA 3.1:
Valores de tamanho mdio para as diferentes NPs de quitosana em pH =
4,0. .... 69 TABELA 3.2: Solubilidade em gua dos filmes com e sem
nanopartculas incluso. ................... 71 TABELA 3.3: Tenso
para filmes de HPMC com diferentes concentraes e tamanhos de
partculas........................................................................................................................................
75 TABELA 3.4: Efeito da formulao e tamanho de partculas no mdulo
de elasticidade, e % de elongao nos filmes de HPMC.
...................................................................................................
76 TABELA 3.5: Tenso para filmes de HPMC com diferentes concentraes
e tamanhos de partculas, aps sete meses de
estocagem......................................................................................
77 TABELA 3.6: Permeabilidade ao oxignio para filmes de HPMC
contendo nanopartculas inclusas.
.........................................................................................................................................
81 TABELA 3.7: Temperatura de degradao dos filmes de HPMC e HPMC
com nanopartculas. 82 TABELA 4.1: Efeito da presena e tamanho de
partculas, no mdulo de elasticidade e elongao dos filmes contendo
nanopartculas de
QS-TPP............................................................................
96 TABELA 4.2: Tenso para filmes de HPMC com diferentes concentraes
e tamanhos de partculas, aps sete meses de
estocagem......................................................................................
96 TABELA 4.3: Efeito da presena e tamanho de partcula no WVP dos
filmes de HPMC.......... 97 TABELA 4.4: Temperaturas de degradao de
filmes de HPMC sem e com nanopartculas. .. 101
-
xi
Lista de Figuras FIGURA 1.1: Diferenciao estrutural entre
nanoesferas e nanocpsulas...................................... 7
FIGURA 1.2: Representao esquemtica da polimerizao em molde tipo I.
(POLOWINSKI,
2002)................................................................................................................................................
9 FIGURA 1.3: Representao esquemtica da polimerizao em molde tipo
II. (POLOWINSKI,
2002)..............................................................................................................................................
10 FIGURA 1.4: Gelatinizao da quitosana com tripolifosfato de
sdio......................................... 11 FIGURA 1.5:
Representao da estrutura primria da quitosana (a) e quitina (b)
onde n o grau de
polimerizao............................................................................................................................
12 FIGURA 1.6: Esquema da obteno da quitina e quitosana.
........................................................ 14 FIGURA
1.7: Estrutura qumica da hidroxipropil metilcelulose, onde n o grau
de polimerizao. (R = -CH2CH(OH)CH3, CH3 ou H)
......................................................................
17 FIGURA 1.8: Representao grfica das propriedades mecnicas de
tenso versus deformao. FONTE: (WARD e HARDLEY, 1998).
.......................................................................................
22 FIGURA 2.1: Fotografia da sntese das nanopartculas.
............................................................... 27
FIGURA 2.2: Foto das solues: com ausncia (soluo transparente) e
presena (soluo opalescente) de nanopartculas.
.....................................................................................................
28 FIGURA 2.3: Equipamentos utilizados na sntese das nanopartculas
QS-TPP. .......................... 29 FIGURA 2.4: Mecanismo
proposto de preparao das nanopartculas (MOURA et al., 2008). .. 35
FIGURA 2.5: Espectro de FT-IR da quitosana (2a) e nanopartculas
(2b-d)................................ 36 FIGURA 2.6: Espectro de
C13 VACP-MAS: a) quitosana pura; b) 0,2% (m/v) de quitosana na
sntese das nanopartculas; c) 0,5% (m/v) na sntese e d) 0,8% (m/v)
na sntese. * Corresponde ao grupo CH3 acetil residual.
..............................................................................................................
38 FIGURA 2.7: Distribuio do tamanho mdio de nanopartculas de
QS-PMAA com 0,5 % (82 nm) e 0,2 % m/v (110 nm) de quitosana.
......................................................................................
40 FIGURA 2.8: Dependncia do tamanho de partcula com a variao de pH
para concentraes de 0,2; 0,5 e 0,8% m/v de QS utilizadas na
sntese............................................................................
41 FIGURA 2.9: Micrografia de MET de nanopartculas de QS-PMAA
preparadas com 0,2% (m/v) de QS na sntese, equilibrada em pH
8,0.......................................................................................
42 FIGURA 2.10: Dependncia do potencial zeta com a variao do pH em
suspenses de nanopartculas preparadas com 0,2; 0,5 e 0,8 % (m/v) de
QS. As anlises foram realizadas na temperatura de 25 C.
....................................................................................................................
45 FIGURA 2.11: Micrografias de MET das nanopartculas de quitosana
preparadas com (a) 0,2; (b) 0,5 e (c) 0,8 (m/v) de quitosana a pH
4.
.....................................................................................
47 FIGURA 2.12: Micrografias de MET de nanopartculas de Q
sintetizadas com 0,2% (m/v) em pH = 4,0 e equilibradas aps a sntese
em a) pH= 7,0 e b) pH= 8,0.
.................................................. 48 FIGURA 2.13:
Curva de DSC para quitosana pura e nanopartculas sintetizadas com
0,2; 0,5 e 0,8% (m/v) de QS. A programao utilizada para todas as
anlises foi: rampa de aquecimento de 20 at 450 C; razo de 5 C/min
sob atmosfera de nitrognio com vazo de 50 mL/min. ........ 49
FIGURA 2.14: Curvas de TG para (a) QS, nanopartculas de QS com (b)
0,2; (c) 0,5 e (d) 0,8 % (m/v). As curvas foram obtidas nas
seguintes condies: rampa de aquecimento de 20 at 500 C, com razo de
aquecimento de 10 C/min para cada amostra; vazo de nitrognio
mantida em 60
cm3/min..........................................................................................................................................
51 FIGURA 2.15: Espectro de FT-IR da quitosana (A); TPP (B) e
nanopartculas QS-TPP(C)...... 52
-
xii
FIGURA 2.16: Micrografia eletrnica de transmisso de
nanopartculas sintetizadas a partir de 3,00 mg L-1 de QS e 1,2 mg
L-1 de TPP (85 nm).
.........................................................................
56 FIGURA 3.1: Fotografia do esquema de preparao do filme de
HPMC..................................... 62 FIGURA 3.2:
Micrografias de MEV: (a) filme controle (somente HPMC); (b) QS-PMAA
nanopartculas com 0,2 % (m/v) de quitosana; (c) filme de HPMC
contendo 6,3 % de nanopartculas com 110 nm; (d) o mesmo que (c) em
20.000 X de magnificao. ...................... 70 FIGURA 3.3: Curva
de tenso-deformao para filmes de HPMC com 6,3 % (110 nm), 14,3% (82
nm) e 20,7% (59 nm) de nanopartculas QS-PMAA adicionadas e com uma
curva de filme contendo somente quitosana sem nanopartculas
(QS-MAA)....................................................... 72
FIGURA 3.4: Tenso dos filmes de HPMC com diferentes concentraes e
tamanhos de nanopartculas. Os valores mdios so apresentados e as
barras indicam os erros das medidas. . 74 FIGURA 3.5: Dependncia da
permeabilidade dos filmes de HPMC com a concentrao de nanopartculas
para diferentes tamanhos de partculas: (a) 59 nm; (b) 82 nm e (c)
110 nm. Diferentes letras sobre as barras indicam significncia a P
< 0,05. Ou seja, a b c................. 78 FIGURA 3.6:
Representao esquemtica do modelo de permeao proposto.
........................... 79 FIGURA 3.7: Representao esquemtica
do modelo de permeao proposto. ........................... 80
FIGURA 3.8: Curva de DSC para filme de HPMC puro. A curva foi
obtida nas seguintes condies: vazo de nitrognio de 50 mL min-1,
razo de aquecimento de 10 C min-1, porta amostra de alumnio com
tampa....................................................................................................
84 FIGURA 4.1: Efeito da incorporao de nanopartculas na tenso de
filmes de HPMC. As colunas mostram os valores mdios e as barras de
erro indicam os desvios. As diferentes letras nas colunas indicam
significncia a P < 0,05. Ou seja, a b c.
................................................ 95 FIGURA 4.2:
Curva TG dos filmes de HPMC (A) e do filme de HPMC com NPs de 110
nm (B). As anlises foram realizadas em atmosfera de nitrognio com
vazo de 60 cm3 min-1, amostra com massa de 6-7 mg e porta amostra
de platina.
.......................................................................
100 FIGURA 4.3: Micrografias eletrnicas de varredura de filmes de
HPMC puro (a) e filme de HPMC contendo nanopartcula de QS-TPP com
221 nm (b)......................................................
102
-
xiii
Resumo
APLICAO DE NANOPARTCULAS EM FILMES UTILIZADOS
EM EMBALAGENS PARA ALIMENTOS: Nanopartculas formadas a partir
de
quitosana (QS) foram obtidas pelo mtodo de polimerizao em molde
(QS-
PMAA) e gelatinizao ionotrpica (QS-TPP). As nanopartculas foram
analisadas
atravs de anlises de FT-IR, tamanho de partcula, potencial zeta,
microscopias
eletrnicas (transmisso e varredura) e medidas de TGA. As
nanopartculas
sintetizadas apresentaram morfologia homognea, ou seja, tamanho
uniforme e
forma esfrica. O tamanho das partculas e o potencial zeta foram
dependentes da
concentrao de quitosana utilizada no mtodo de preparao e do pH.
As
diferentes partculas foram incorporadas em filmes de
hidroxipropil metilcelulose
(HPMC) a fim de melhorar suas propriedades. Para isso, uma soluo
de HPMC
com 3% m/v foi preparada e sobre esta foi adicionada soluo de
nanopartculas de
ambas as snteses. Nos filmes foram realizadas anlises de
propriedades mecnicas
(tenso, elongao e mdulo de elasticidade), propriedades de
barreira [vapor de
gua (WVP) e oxignio], anlise de espessura, microscopia eletrnica
de varredura
e anlises trmicas. O filme controle de HPMC sem nanopartcula
apresenta um
valor de WVP de 0,79 g mm/ kPa h m2. Com a incorporao das
nanopartculas de
QS-PMAA os valores de WVP do filme decrescem para 0,64; 0,59 e
0,47 g mm/
kPa h m2 com a incorporao de nanopartculas de 59; 82 e 110
nm,
respectivamente. Com a incorporao de nanopartculas de QS-TPP os
valores de
WVP decrescem para 0,58; 0,45 e 0,33 g mm/ kPa h m2 com a
incorporao de
nanopartculas com 220; 110 e 85 nm, respectivamente. Da mesma
forma, as
propriedades mecnicas dos filmes de HPMC foram
significativamente melhoradas
com a insero de nanopartculas de quitosana. Este trabalho
demonstrou que os
filmes contendo nanopartculas podem ser considerados como
extremamente
promissores para serem aplicados em embalagens na conservao de
alimentos.
-
xiv
Abstract
APPLICATION OF NANOPARTICLES IN FILMS USED FOR
FOOD PACKAGING: Dispersions composed of chitosan (CS) were
obtained by
the template polymerization (CS-PMAA) and ionotropic
gelatinization (CS-TPP).
The nanoparticles were analyzed by FT-IR analysis, particle
size, zeta potential,
electron microscopy (transmission and scanning), and TGA
analysis. The
nanoparticles obtained presented a very homogeneous morphology
showing a quite
uniform particles size distribution and a rather spherical
shape. The particle size
and zeta potential were dependent on the chitosan concentration
used during the
preparation method and pH. Different particles were incorporated
in the
hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) films in order to improve
their properties.
For this, a 3% HPMC (in w:v %) solution was prepared and added
in this
nanoparticles solutions of both syntheses. The films were
characterized by
mechanical (tensile, elongation and elastic modulus), barrier
[water vapor (WVP)
and oxygen], thickness, morphological, and thermal properties.
The WVP of the
control HPMC film was 0.79 g mm/kPa h m2. The WVP decreased
significantly
when CS-PMAA nanoparticles were incorporated to HPMC films. For
example,
WVP decreased to 0.64; 0.59 and 0.47 g mm/kPa h m2 for films
containing 59, 82
and 110 nm, respectively. For CS-TPP nanoparticles the WVP
decreased to 0.58;
0.45 and 0.33 g mm/kPa h m2 for films containing nanoparticles
with 220, 110 and
85 nm, respectively. The same way, the mechanical properties of
the HPMC films
were strongly improved when CS nanoparticles were incorporated.
In this way,
HPMC films containing nanoparticles could be considered as
promising materials
for application in packaging for preservation of foods.
-
xv
SUMRIO INTRODUO
.............................................................................................................................1
CAPTULO I: Reviso Bibliogrfica
.....................................................................................5
1.1. Nanotecnologia aplicada em
embalagens.............................................................................
6 1.2. Nanopartculas polimricas
..................................................................................................
6
1.2.1. Polimerizao em molde
...............................................................................................
8 1.2.2. Gelatinizao
Ionotrpica............................................................................................
10
1.3. Quitosana
............................................................................................................................
11 1.4. Matrizes
polissacardicas....................................................................................................
15 1.5. Hidroxipropil metilcelulose
(HPMC).................................................................................
17 1.6. Formao de filmes
............................................................................................................
18 1.7. Propriedades dos
filmes......................................................................................................
20
CAPTULO II: Sntese e Caracterizao de Nanopartculas de Quitosana
Sintetizadas Por Diferentes Mtodos
...............................................................................24
2.1.
Introduo...........................................................................................................................
25 2.2. Materiais e Mtodos
...........................................................................................................
26
2.2.1. Materiais
......................................................................................................................
26 2.2.1.1. Sntese
1................................................................................................................
26 2.2.1.2. Sntese
2................................................................................................................
26
2.2.2. Mtodos
.......................................................................................................................
26 2.2.2.1. Preparao das
Nanopartculas.............................................................................
26
2.2.2.1.1. Mtodo de polimerizao do cido metacrlico (QS-PMAA) -
Sntese 1 ..... 26 2.2.2.1.2. Mtodo de gelatinizao ionotrpica
(QS-TPP) - Sntese 2.......................... 28
2.2.2.2. Caracterizao de nanopartculas QS-PMAA
...................................................... 30
2.2.2.2.1. Anlise por
FT-IR..........................................................................................
30 2.2.2.2.2. Anlise por
RMN...........................................................................................
30 2.2.2.2.3. Tamanho mdio e distribuio do tamanho das
partculas............................ 31 2.2.2.2.4. Anlise por
Potencial
Zeta.............................................................................
31 2.2.2.2.5. Microscopia Eletrnica de Transmisso
(MET)............................................ 31 2.2.2.2.6.
Calorimetria Diferencial de Varredura
(DSC)............................................... 32 2.2.2.2.7.
Termogravimetria (TG)
.................................................................................
32
2.2.2.3. Caracterizao nanopartculas
QS-TPP................................................................
32 2.2.2.3.1. Anlise por
FT-IR..........................................................................................
32 2.2.2.3.2. Tamanho de partculas e distribuio do tamanho das
partculas ................. 33 2.2.2.3.3. Anlise por Potencial
Zeta.............................................................................
33 2.2.2.3.4. Termogravimetria (TG)
.................................................................................
33 2.2.2.3.5. Microscopia Eletrnica de Transmisso
(MET)............................................ 34
2.3. Resultados e Discusses
.....................................................................................................
34 2.3.1. Nanopartculas
QS-PMAA..........................................................................................
34
2.3.1.1. Sntese das nanopartculas
....................................................................................
34 2.3.1.2. Anlise de FT-IR
..................................................................................................
36 2.3.1.3. Anlise de RMN
...................................................................................................
37 2.3.1.5. Anlise do potencial zeta das partculas
............................................................... 43
2.3.1.5. Microscopia Eletrnica de Transmisso
(MET)................................................... 46
2.3.1.6. Calorimetria Diferencial de Varredura
(DSC)...................................................... 48
2.3.1.7. Termogravimetria (TG)
........................................................................................
50
-
xvi
2.3.2. Nanopartculas
QS-TPP...............................................................................................
52 2.3.2.1. Anlise de FT-IR
..................................................................................................
52 2.3.2.2. Tamanho mdio de Partculas
..............................................................................
53 O efeito da concentrao de QS e TPP no tamanho final das NPs e
parmetros que afetam o tamanho de partculas j foram relatados na
literatura. CALVO et al. (1997) relataram que o tamanho dessas
partculas depende de ambas as concentraes, tanto de QS quanto de
TPP. GAN et al. (2005) estudaram a diferena entre partculas
associadas com protena, tipo albumina do soro bovino (BSA) e
partculas sem BSA. Partculas carregadas com BSA apresentam tamanho
maior que partculas sem o carregamento. Esse fato ocorre devido
alta massa molar e tamanho das molculas de
protenas.................. 54 2.3.2.3. Potencial Zeta
.......................................................................................................
54 2.3.2.4. Microscopia Eletrnica de Transmisso
(MET)................................................... 55
2.4.
Concluses..........................................................................................................................
57 CAPTULO III: Sntese e Caracterizao de Filmes de Hidroxipropil
Metilcelulose Contendo Nanopartculas de Quitosana e Poli(cido
metacrlico) ..59
3.1.
Introduo...........................................................................................................................
60 3.2. Materiais e Mtodos
...........................................................................................................
62
3.2.1. Materiais
......................................................................................................................
62 3.2.2. Mtodos
.......................................................................................................................
62
3.2.2.1. Preparao dos
filmes...........................................................................................
62 3.2.2.2. Caracterizao dos Filmes
....................................................................................
63
3.2.2.2.1. Determinao da
espessura............................................................................
63 3.2.2.2.2. Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)
............................................... 63 3.2.2.2.3.
Solubilidade do filme em gua
......................................................................
64 3.2.2.2.4. Propriedades Mecnicas
................................................................................
64 3.2.2.2.5. Permeabilidade ao Vapor de gua
(WVP).................................................... 65
3.2.2.2.6. Permeabilidade ao Oxignio (O2P)
............................................................... 67
3.2.2.2.7. Termogravimetria (TG)
.................................................................................
67 3.2.2.2.8. Anlise
Estatstica..........................................................................................
68 3.2.2.2.9. Calorimetria Diferencial de Varredura
(DSC)............................................... 68
3.3. Resultados e Discusses
.....................................................................................................
68 3.3.1. Determinao do Tamanho Mdio
..............................................................................
68 3.3.2. Morfologia do
Filme....................................................................................................
69 3.3.3. Solubilidade do filme em gua
....................................................................................
70 3.3.4. Propriedades
mecnicas...............................................................................................
72 3.3.5. Permeabilidade ao Vapor da gua
(WVP)..................................................................
77 3.3.6. Permeabilidade ao Oxignio
(O2P)..............................................................................
81 3.3.7. Anlise da degradao
.................................................................................................
82 3.3.8. Estudos de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
.......................................... 83
3.4.
Concluses..........................................................................................................................
85 CAPTULO IV: Sntese e Caracterizao de Filmes de Hidroxipropil
Metilcelulose Contendo Nanopartculas de Quitosana e Tripolifosfato
de
Sdio........................................................................................................................................................86
4.1.
Introduo...........................................................................................................................
87 4.2. Materiais e Mtodos
...........................................................................................................
88
4.2.1. Materiais
......................................................................................................................
88 4.2.2. Mtodos
.......................................................................................................................
88
-
xvii
4.2.2.1. Preparao dos
filmes...........................................................................................
88 4.2.2.2. Caracterizao dos Filmes
....................................................................................
89
4.2.2.2.1. Determinao da
espessura............................................................................
89 4.2.2.2.2. Propriedades Mecnicas
................................................................................
89 4.2.2.2.3. Permeabilidade ao Vapor de gua
(WVP).................................................... 90
4.2.2.2.4. Permeabilidade ao Oxignio (O2P)
............................................................... 91
4.2.2.2.5. Termogravimetria (TG)
.................................................................................
91 4.2.2.2.6. Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)
............................................... 92 4.2.2.2.7.
Anlise
Estatstica..........................................................................................
92 4.2.2.2.8. Calorimetria Diferencial de Varredura
(DSC)............................................... 92
4.3. Resultados e Discusses
.....................................................................................................
93 4.3.1. Propriedades Mecnicas
..............................................................................................
93 4.3.2. Permeabilidade ao Vapor de gua
(WVP)..................................................................
97 4.3.3. Permeabilidade ao Oxignio
(O2P)..............................................................................
99 4.3.4. Degradao
Trmica..................................................................................................
100 4.3.5. Morfologia dos Filmes
..............................................................................................
102 4.3.6. Estudos de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
........................................ 103
4.4.
Concluses........................................................................................................................
103 CAPTULO V: Consideraes Finais
.................................................................................105
5.1. Concluses Gerais
............................................................................................................
106 5.2. Sugestes para trabalhos futuros
......................................................................................
107
CAPTULO VI: Referncias Bibliogrficas
....................................................................108
-
1
INTRODUO A conservao dos alimentos exige em geral tratamentos
fsicos ou
qumicos para manter ou aumentar a sua vida de prateleira. A
utilizao de
embalagens, rgidas ou flexveis, imprescindvel, visto que esta
tem que agir
como uma barreira entre o ambiente externo e o alimento.
Atualmente, a maioria
das embalagens flexveis produzida com plsticos, isto , de
materiais sintticos
de fonte no renovvel, que apesar de possurem excelentes
propriedades
funcionais, so consideradas no biodegradveis e esto envolvidas
em problemas
ambientais (SOARES et al., 2005).
Recentemente surgiu um grande interesse pelo desenvolvimento
de
embalagens biodegradveis, principalmente, devido demanda por
alimentos
ecologicamente corretos, de alta qualidade e devido, tambm, s
preocupaes
ambientais sobre o descarte desses materiais no renovveis que
levam milhares de
anos para serem degradados (LE HELLAYE et al., 2008; MARCOS et
al., 2008;
CAO et al., 2009).
Uma das solues encontradas para amenizar este problema,
particularmente na rea de embalagens de alimentos, o
desenvolvimento de
filmes ou biofilmes a partir de materiais renovveis que possam
substituir os
materiais sintticos. Porm o maior desafio da utilizao destes
filmes
biodegradveis substituir as embalagens convencionais, mantendo,
com a mesma
eficcia, a qualidade do produto, garantindo sua vida de
prateleira atravs do
controle de caractersticas mecnicas e de permeabilidade (KESTER
e
FENNEMA, 1986; KROCHTA et al., 2002; YAKIMETS et al., 2007;
SRINIVASA et al., 2007; OLIVAS e BARBOSA-CANOVAS, 2008).
Alguns sistemas promissores desenvolvidos pelo nosso grupo
para
melhorar as caractersticas dos filmes biodegradveis sintetizados
envolvem a
-
2
incorporao de nanoestruturas nos filmes (MOURA et al., 2008;
MOURA et al.,
2009).
O agronegcio brasileiro tem ocupado uma posio de lder
mundial,
entre outros aspectos, devido s pesquisas e investimentos neste
setor. Para que os
pases continuem crescendo e abrindo novos mercados, vrios
setores ainda
requerem agregao de valor aos seus produtos, o que s pode ser
feito pela
incorporao contnua de novas tecnologias.
As perdas ps-colheita de frutas frescas so enormes, cerca de 25
a
40%, dependendo do tipo de fruta e do uso de tecnologias de
operaes ps-
colheita. Isso reflete a falta de conhecimento dos manipuladores
de frutas sobre os
fatores biolgicos e as condies do ambiente envolvido na
deteriorao, ou a falta
de uso de tecnologias ps-colheita requeridas na preservao da
qualidade das
frutas.
Muita pesquisa atualmente vem sendo realizada com o objetivo
de
explorar o potencial dos filmes e coberturas comestveis e/ou
biodegradveis em
manter e estender a qualidade e a vida til de produtos frescos e
reduzir a
quantidade de embalagens descartveis no biodegradveis. As
coberturas so
formadas diretamente sobre a superfcie do alimento, enquanto os
filmes so pr-
formados e posteriormente aplicados. Entretanto comum que os
termos coberturas
e filmes sejam utilizados indistintamente.
Tradicionalmente, os filmes so usados para reduzir a perda de
peso,
alterando a permeabilidade e criando um efeito de atmosfera
modificada sobre as
frutas frescas. Coberturas j foram aplicadas em frutas como
bananas, mas,
mangas, pras, morangos, goiabas entre outras. As coberturas e
filmes sintetizados
apresentaram influncia na fisiologia das frutas, no atraso do
amadurecimento e no
metabolismo do fruto ps-colheita. Filmes sintetizados podem
tambm sofrer
-
3
modificao, com o intuito de melhorar ainda mais as propriedades
e desempenho
desse filmes, frente ao seu uso.
Neste contexto a aplicao da nanotecnologia para aumentar a
competitividade e a sustentabilidade do agronegcio pelo
desenvolvimento de
novos usos de produtos de origem agropecuria pode se tornar uma
soluo.
O presente trabalho busca a melhoria das propriedades mecnicas e
de
barreiras de filmes comestveis para a indstria de embalagens
pela insero de
materiais nanoestruturados em filmes de polissacardeos. A
utilizao de
polissacardeo como matriz muito importante, visando diminuio da
poluio
ambiental causada pelo excesso de embalagens plsticas
descartadas no ambiente.
Alm disso, o aprimoramento na sntese e caracterizao de
nanopartculas de
quitosana extremamente promissor na utilizao em embalagens.
Para uma melhor apresentao e discusso dos resultados obtidos,
essa
tese ser subdividida como descrito a seguir:
- Captulo 1: Onde foi apresentada uma reviso geral da
literatura
sobre os aspectos principais da tese.
- Captulo 2: Contm o mtodo de sntese e caracterizao de
nanopartculas de quitosana baseado em dois mtodos de sntese:
polimerizao em
molde e gelatinizao ionotrpica.
- Captulo 3: Contm a preparao e caracterizao dos filmes de
HPMC contendo nanopartculas sintetizadas com base na polimerizao
em molde.
- Captulo 4: Contm a preparao e caracterizao dos filmes de
HPMC contendo nanopartculas sintetizadas com base na gelatinizao
ionotrpica.
- Captulo 5: apresentado um resumo das principais concluses
da
tese, em um item denominado consideraes finais.
-
4
O principal objetivo da tese a incorporao de nanopartculas
polimricas em matrizes polissacardicas de fontes renovveis,
derivadas de
celulose, atuando como reforo nas propriedades mecnicas e
melhoria nas
propriedades de barreira.
Esse trabalho compreendeu ainda os seguintes objetivos
especficos:
1) Determinar o tamanho de partculas variando a concentrao
de
polmeros na sntese, a fim de se obter sistemas com possvel
controle de tamanho.
2) Caracterizar as nanopartculas quanto morfologia, potencial
zeta,
distribuio de tamanho, FT-IR, anlise trmica, dando nfase
principalmente para
o sistema de sntese desenvolvido por este grupo, baseado na
polimerizao em
molde.
3) Determinar a melhor condio de preparo dos filmes, a fim de
se
obter filmes homogneos.
4) Caracterizar os filmes quanto s propriedades mecnicas e
de
barreira com o objetivo de se otimizar as propriedades dos
filmes.
-
5
CAPTULO I: Reviso Bibliogrfica
-
6
1.1. Nanotecnologia aplicada em embalagens A nanotecnologia, a
manipulao da matria na escala dos tomos e
molculas (um nanmetro [nm] um bilionsimo de metro), est
rapidamente
convergindo com a biotecnologia e tecnologia da informao para
alterar
radicalmente os sistemas da alimentao e agricultura.
A nanocincia e a nanotecnologia so consideradas atualmente,
como
um dos mais fascinantes avanos nas tradicionais reas do
conhecimento e
constituem um dos principais focos das atividades de pesquisa,
desenvolvimento e
inovao em todos os pases industrializados (CHAVES, 2002; PIRES,
2004).
Atualmente, a embalagem e o monitoramento de alimentos
constituem
o foco principal de pesquisa e desenvolvimento nanotecnolgico da
indstria de
alimentos. As embalagens que incorporam nanomateriais podem ser
ativas, o que
significa que podem responder a condies ambientais ou se
autoconservarem, ou
inteligente, significando que podem alertar o consumidor sobre
contaminao,
condies inadequadas de estocagem e/ou presena de patgenos.
Existem vrios tipos diferentes de nanoestruturas, onde
dependendo do
material de composio e tipos de snteses, podem variar suas
caractersticas.
Dentre os materiais nanoestruturados as nanopartculas merecem
destaque, devido
ao grande nmero de estudos realizados nesses sistemas. As
nanopartculas podem
ser divididas em orgnicas (nanopartculas polimricas, que sero
aplicadas em
nosso trabalho) e inorgnicas (nanopartculas metlicas e
xidos).
1.2. Nanopartculas polimricas O termo nanopartcula inclui as
nanocpsulas e as nanoesferas, as
quais diferem entre si segundo a composio e organizao estrutural
(FIGURA
1.1). As nanocpsulas so constitudas por um invlucro polimrico
disposto ao
redor de um ncleo oleoso, ou seja, h diferenciao de ncleo. Por
outro lado, as
-
7
nanoesferas, que no apresentam leo em sua composio, so formadas
por uma
matriz polimrica, onde a diferenciao de ncleo no observada,
trata-se de uma
matriz mais homognea.
FIGURA 1.1: Diferenciao estrutural entre nanoesferas e
nanocpsulas.
As nanopartculas polimricas podem ser sintetizadas a partir
de
polmeros sintticos como poliacrilatos e policaprolactona (PCL)
ou polmeros
naturais como gelatina e quitosana (PANYAM e LABHASETWAR,
2003;
QURRAT-UL-AIN et al., 2003). Vrios mtodos de preparao so
encontrados
na literatura. Esses mtodos podem ser classificados em duas
principais categorias:
(1) as que requerem uma reao de polimerizao ou (2) as que
utilizam
diretamente uma macromolcula, ou um polmero pr-formado
(SCHAFFAZICK
et al., 2003).
No caso da sntese de nanopartculas polimricas, um material que
est
sendo bastante utilizado a quitosana. Uma grande variedade de
mtodos de
sntese e aplicaes de nanopartculas de quitosana encontrada na
literatura
(BORGES et al., 2007; AJUN et al., 2009; DU et al., 2009). No
presente trabalho
foram utilizados dois mtodos de sntese: polimerizao em molde e
gelatinizao
ionotrpica.
-
8
1.2.1. Polimerizao em molde A polimerizao em molde ocorre atravs
de interaes cooperativas
(interaes hidrofbicas, ligaes de hidrognio e foras
eletrostticas) entre os
grupos complementares de molculas de monmeros e o molde,
formando um
complexo polieletroltico (Polowinski, 2002). Interaes de van der
Waals no
especficas em combinao com interaes estereoqumicas do polmero
em
formao com o molde, tambm pode levar polimerizao em molde. De
modo
geral, forma-se um gel interpolimrico compacto ou um precipitado
de complexo
polimrico agregado. A presena de um molde normalmente afeta
vrias
caractersticas da polimerizao, tais como a cintica, a massa
molar e a
microestrutura do polmero formado.
O mecanismo de polimerizao em molde depende do grau de
adsoro ou complexao do monmero (M) pelo molde:
M + -T- -T(M)-
onde -T- significa um stio do molde. A constante de equilbrio
de
adsoro, KM , depende de alguns fatores tais como o modo de
interao, a
temperatura e o solvente. Dois casos extremos podem ser
discutidos: KM = e KM = 0. Quando KM se aproxima do (tipo I), o
monmero est completamente adsorvido por todos os stios do molde por
foras eletrostticas ou ligaes de
hidrognio. Uma forte preferncia do molde pelo monmero indica que
o molde
pode ser insolvel no solvente na ausncia do monmero. Se o molde
solvel em
um solvente apropriado, ento o solvente pode competir com o
monmero pelos
stios T, reduzindo KM. Deste modo, apenas variando o solvente,
pode-se ajustar o
KM e portanto, o modo de propagao do molde. Quando KM se torna
muito
-
9
pequeno, a propagao do molde se procede s custas da reao com o
monmero
adsorvido adjacentemente.
Com KM = 0 (tipo II) as macromolculas do molde esto
praticamente
solvatadas pelo solvente. Um pr-requisito para a propagao em
molde sob esta
condio que o oligmero formado na soluo (ou seja, a polimerizao
se inicia
fora do molde) se complexa com o molde, depois de atingido um
tamanho crtico.
A partir da, a propagao procede ao longo do molde pela adio de
molculas de
monmero advindo da soluo, presente na vizinhana do molde. Esses
dois tipos
de reaes podem ser ilustrados pelos esquemas apresentados nas
FIGURAS 1.2 e
1.3.
FIGURA 1.2: Representao esquemtica da polimerizao em molde
tipo I. (POLOWINSKI, 2002)
-
10
FIGURA 1.3: Representao esquemtica da polimerizao em molde
tipo II. (POLOWINSKI, 2002)
1.2.2. Gelatinizao Ionotrpica Uma propriedade da quitosana,
muito interessante, sua habilidade de
gelatinizar em contato com polinions especficos. Esse processo
de gelatinizao
se deve formao de reticulao inter- e intramolecular mediada por
esses
polinions. O mtodo de gelatinizao ionotrpica (FIGURA 1.4) um
dos
mtodos mais utilizados na obteno de nanopartculas de quitosana
(CALVO et
al., 1997; GAN et al., 2005). Essa tcnica envolve a adio,
temperatura
ambiente, de uma fase alcalina (pH 7-9) contendo tripolifosfato
(TPP) em uma fase
cida (pH 4-6) contendo quitosana. As nanopartculas so formadas
imediatamente
aps a mistura das duas fases atravs de ligaes inter- e
intramoleculares formadas
entre os fosfatos do TPP e os grupos amino da quitosana.
-
11
FIGURA 1.4: Gelatinizao da quitosana com tripolifosfato de
sdio.
A formao de nanopartculas de quitosana-TPP de alto
rendimento
com tamanho nanomtrico e densidade de carga predeterminada, pode
ser
simplesmente manipulada e controlada variando-se as condies de
processo como
concentrao de quitosana, razo em massa de quitosana e TPP e
valores de pH.
1.3. Quitosana A quitina um polissacardeo natural que se destaca
do ponto de vista
qumico por apresentar um grupo acetamido. Sua desacetilao conduz
a um novo
biopolmero denominado quitosana (KUMAR et al., 2000).
Durante os ltimos trinta anos, estes biopolmeros vm
despertado
bastante interesse junto comunidade cientfico mundial, devido
principalmente ao
grande potencial de aplicao apresentado por estes materiais em
diversas reas
(SHAHIDI e ARACHCHI, 1999). Este fato observado tanto para
formas
naturais como para os derivados. Entretanto, o reconhecimento
cientfico, como j
comentado anteriormente, no se deu imediatamente aps a
descoberta, mas s veio
depois do reconhecimento das propriedades qumicas e fsicas.
-
12
A confirmao de presena de glucasamida na estrutura desses
polissacardeos, que possui como caracterstica bsica um grupo
amino no carbono
2, os tornaram especiais do ponto de vista qumico, fsico e
biolgico (HIRANO et
al., 1999).
Sendo assim, a quitosana um polissacardeo derivado da
quitina,
cujas estruturas so mostradas nas FIGURAS 1.5a e 1.5b,
respectivamente.
Apresenta, em maior proporo na cadeia polimrica, unidades de -
(1 - 4) 2
amino 2 desxi D glicose e, em menor nmero, unidades de - (1 4)
2
acetamido 2 desxi D glicose da quitina. Possui semelhana na sua
estrutura
qumica com a celulose, porm exibe propriedades diferenciadas
devido presena
dos grupos amnicos (BELITZ e GROSCH, 1992).
(a)
(b)
FIGURA 1.5: Representao da estrutura primria da quitosana (a)
e
quitina (b) onde n o grau de polimerizao.
A quitosana pode ser encontrada naturalmente na parede celular
de
fungos, mas sua maior fonte disponvel obtida atravs do processo
de
-
13
desacetilao da quitina, polissacardeo encontrado abundantemente
na natureza e
que constitui o exoesqueleto de insetos e crustceos (SOLOMONS,
1996).
A prtica industrial mais comum, utilizada no processo de
desacetilao, e que tambm bastante empregada em laboratrio de
pesquisas
aquela na qual a desacetilao da quitina realizada em suspenso de
soluo
aquosa de hidrxido de sdio, sendo que a concentrao dessa soluo,
o excesso
de lcali, o tempo e a temperatura da reao so variveis, conforme
o
procedimento adotado (FIGURA 1.6). Assim, no se pode definir uma
condio
padronizada para a realizao dessa reao. Entretanto, NO et al.
(1992) afirmam
que a eficincia da desacetilao e as caractersticas da quitosana
so afetadas pelos
seguintes fatores:
a) temperatura e tempo de reao;
b) concentrao da soluo de lcali e adio de diluente (lcoois
de
cadeia curta e cetonas so empregados);
c) razo quitina/lcali;
d) tamanho das partculas de quitina;
e) atmosfera da reao e presena de agentes que evitem a
despolimerizao.
Quitina e quitosana so polmeros atxicos, biodegradveis,
biocompatveis e produzidos por fontes naturais renovveis, cujas
propriedades
vm sendo exploradas em aplicaes industriais e tecnolgicas h
quase setenta
anos (ROBERTS e GOOSEN, 1996).
Devido as suas caractersticas atxicas e de fcil formao de gis,
a
quitosana tem sido considerada, h dcadas, como um composto de
interesse
industrial e especialmente de uso farmacutico (CAMPANA-FILHO et
al., 2000).
Recentemente, contudo, uma srie de estudos tem sido publicada,
caracterizando o
-
14
uso da quitosana como cobertura de alimentos ou revestimentos
protetores em
frutas e legumes processados (COMA et al., 2002; EUSABEE et al.,
2008).
FIGURA 1.6: Esquema da obteno da quitina e quitosana.
Estes trabalhos enfocam, essencialmente, as propriedades
antifngicas
e antibacterianas da quitosana, conforme demonstrado por NO et
al. (2007),
indicando, por conseguinte, o seu uso potencial sobre superfcies
cortadas ou sobre
frutos com alta taxa de maturao ps-colheita. Como a quitosana se
constitui de
fibras no-digerveis, no apresenta, portanto, valor calrico,
independentemente da
quantidade ingerida, o que mais um atrativo para a indstria
alimentar.
-
15
DEVLIEGHERE et al. (2004) investigaram a atividade
antimicrobiana da quitosana, suas interaes com os componentes
alimentcios e
sua aplicabilidade no recobrimento de frutas e vegetais. Neste
estudo verificou-se
que o retardamento do crescimento microbiano ficou limitado a
produtos com baixa
concentrao de protenas e NaCl. Com relao ao recobrimento de
frutas e
verduras, no entanto, o efeito foi promissor quanto s frutas,
porm, foi verificada a
adio de um leve gosto amargo para as verduras.
CHIEN et al. (2007), trataram fatias de manga com solues de
quitosana, a diferentes concentraes, armazenadas a 6 C. As
coberturas no
afetaram o sabor natural da manga em fatias e a caracterstica de
cor no diferiram
das amostras in natura. Alm disso, inibiram crescimento de
microrganismos e
prolongaram a qualidade e a vida de prateleira da manga.
1.4. Matrizes polissacardicas A utilizao de revestimentos
comestveis ou biodegradveis com o
intuito de retardar a desidratao no recente. J no sculo XVI, os
europeus
protegiam a carne da perda de umidade atravs da aplicao de
gordura animal
(LABUZA e CONTRERAS, 1981).
Dentre as principais classes de materiais que so utilizados
na
formao de filmes esto: polissacardeos, lipdios e protenas.
Dentre esses os
polissacardeos merecem destaque.
Os polissacardeos apresentam caractersticas coloidais e, quando
em
contato com o solvente apropriado ou agente de intumescimento,
produzem gis ou
suspenses de elevada viscosidade mesmo em baixas concentraes.
Apresentam
uso consagrado na indstria alimentcia e farmacutica, atuando
como agentes
filmgenos, espessantes, emulsionantes, estabilizantes,
formadores de matrizes
-
16
hidroflicas e hidrogis, entre outras aplicaes, principalmente
devido a suas
caractersticas biodegradveis (WHISTLER e MILLER, 1997).
O grande crescimento na utilizao de polmeros biodegradveis e
sistemas polimricos aquosos, observado nas ltimas duas dcadas,
esto
diretamente relacionados reduo do impacto ambiental. Por
exemplo, o
crescente aumento na quantidade de materiais plsticos
desperdiados e
descartados, sendo que uma parte disso oriunda das embalagens,
tm levado
vrios pases a se mobilizarem para minimizar e tentar solucionar
problemas
ambientais. As embalagens produzidas com polmeros sintticos
convencionais so
consideradas inertes ao ataque imediato de microrganismos. Essa
propriedade faz
com que esses materiais apresentem um longo tempo de vida til
e,
conseqentemente, provoquem srios problemas ambientais, visto
que, aps o seu
descarte, demoram em mdia 100 anos para se decomporem totalmente
(ROSA,
2001).
Plsticos ou polmeros biodegradveis so aqueles que degradam sob
a
ao de organismos vivos, e tambm por meio de reaes abiticas tais
como foto-
degradao, oxidao e hidrlise, que podem alterar o polmero devido
a fatores
ambientais (RAGHAVAN, 1995; AMASS et al., 1998). Dentre estes
materiais,
polissacardeos, como derivados de celulose, quitina/quitosana,
alginato e
carragenina so extensivamente usados em alimentos, cosmticos e
na medicina,
devido s suas diferentes propriedades e biodegradabilidade. A
hidroxipropil
metilcelulose (HPMC), um ter de celulose no qual os hidrognios e
grupos
hidroxilas da celulose foram parcialmente substitudos por alquil
ou por grupos
alquil substitudos, para modificar as caractersticas da celulose
nativa. um
polmero altamente solvel em gua e de fcil obteno de filmes, e j
largamente
aplicado na indstria alimentcia.
-
17
1.5. Hidroxipropil metilcelulose (HPMC) A celulose formada por
unidades D-glicopiranosdicas, unidas por
ligaes 14 numa cadeia longa e no-ramificada, as quais levam a
formao de
uma cadeia linear. Os trs grupos hidroxilas por unidade
monomrica formam
fortes ligaes secundrias entre as cadeias, impedindo sua
fuso
(CANEVAROLO, 2002). Devido sua infusibilidade e insolubilidade,
a celulose
geralmente convertida em derivados para tornar-se mais
processvel. O nmero
mdio de hidroxilas que so substitudas em um determinado produto
conhecido
como grau de substituio (GS). Todos os derivados da celulose
importantes so
produtos da reao de um ou mais dos trs grupos hidroxilas, que
esto presentes
em cada unidade glicopiranosdica (CHANDRA e RUSTGI, 1998). A
estrutura do
HPMC encontrada na FIG. 1.7 (PEKEL et al., 2004).
Derivados de celulose so principalmente utilizados em
embalagens,
devido sua biodegradabilidade. Uma limitao destes materiais
sua
sensibilidade gua, produzindo uma perda de propriedades quando o
grau de
hidratao aumenta (COMA et al. 2003).
FIGURA 1.7: Estrutura qumica da hidroxipropil metilcelulose,
onde n
o grau de polimerizao. (R = -CH2CH(OH)CH3, CH3 ou H)
BALASUBRAMANIAM et al. (1997) utilizaram filmes de HPMC no
recobrimento de almndegas de frango fritas em leo de amendoim.
Este filme
-
18
reduziu a perda de umidade e a quantidade de leo absorvida a
partir de 40
segundos de fritura, entre 50 a 90 C.
HIREMATH et al. (2002) estudaram a miscibilidade entre
polivinil
pirrolidona (PVP) e HPMC. Os resultados mostraram que os
polmeros formaram
blendas miscveis em toda faixa de composio. Atravs de
infravermelho, os
autores demonstraram que ocorre forte ligao de hidrognio
intermolecular entre o
grupo carbonila do PVP e grupos hidroxila do HPMC.
Apesar da grande capacidade do HPMC em formar filmes, a
elaborao do mtodo de sntese dos filmes e mtodos para melhoria
das
propriedades, tanto de barreira quanto mecnicas, so etapas que
devem ser levadas
em considerao no estudo.
1.6. Formao de filmes Existe diferena em relao a recobrimentos
comestveis e filmes. Os
recobrimentos so aplicados ou confeccionados diretamente sobre o
produto ou
alimento a ser protegido enquanto filmes so estruturas
independentes que podem
ser utilizadas para envolv-los, aps sua fabricao (AZEREDO,
2003). Os filmes
podem localizar-se na superfcie ou como finas camadas entre
diferentes partes do
produto. No nosso trabalho estamos desenvolvendo a produo de
filmes e no de
recobrimentos. Ou seja, a preparao do filme feita em separado ao
produto que
este vai proteger.
O processo de revestimento de uma matriz por um filme
polimrico
envolve foras de coeso, que atuam entre as cadeias do polmero
formador do
filme, e foras de adeso, que atuam entre o filme e o suporte
(CARVALHO,
1996). Entre os materiais que constituem os suportes, so citados
na literatura: o
acrlico (TPIA-BLACIDO et al., 2005), o poliestireno (AUDIC e
CHAUFER,
-
19
2005), o vidro (GODBILLOT et al., 2006), o polietileno
(CARVALHO, 1996) e
o poli(tetrafluoretileno), Teflon (HOSNY et al., 1998).
Duas tcnicas podem ser usadas, basicamente, para a obteno de
filmes polimricos livres: o processo de nebulizao (spraying) e o
processo
conhecido como evaporao do solvente (solvent casting). Durante o
processo de
spraying, o filme formado por deposio de gotculas atomizadas,
formando
camadas homogneas de filmes (KFURI, 2003). O processo de
evaporao do
solvente envolve a disperso do polmero em um solvente ou mistura
de solventes
adequados, formando um sistema relativamente viscoso. A disperso
ento
vertida sobre uma superfcie no adesiva (suporte) e levada para
uma estufa para
que o solvente evapore.
Depois que todo o solvente foi evaporado, o filme seco pode
ser
retirado do suporte. Alguns fatores, tais como o tipo do
solvente utilizado e as
condies de evaporao (temperatura), exercem forte influncia nas
propriedades
finais de filmes polimricos (CARVALHO, 1996).
Alteraes estruturais nos filmes podem ser obtidas se as
disperses de
polmeros so preparadas com solventes adequados ou no, ou se so
preparadas
com uma mistura desses solventes. Pode-se dizer que um solvente
adequado para
um polmero quando os valores dos parmetros de solubilidade do
solvente e do
polmero forem semelhantes. Em solventes adequados, as molculas
polimricas
apresentam uma conformao em hlice de forma expandida. Durante a
evaporao
do solvente, h um aumento da concentrao da disperso. Assim, as
foras
intermoleculares, entre os segmentos das cadeias de uma molcula
polimrica e
tambm entre os segmentos das cadeias das molculas polimricas da
vizinhana,
tornam-se cada vez mais eficazes e o filme resultante formado
por uma estrutura
densa e forte, devido ao entrelaamento das cadeias.
-
20
Uma outra situao ocorre se o polmero for colocado em uma
soluo
diluda contendo solventes adequados ou solventes no adequados.
As hlices
polimricas so compactas e interagem somente superficialmente
quando o
solvente evaporar. O filme resultante heterogneo, pois sua
estrutura apresentar
microporos. Se o polmero for preparado com uma mistura de
solventes, devido s
diferentes taxas de evaporao de cada componente da mistura, uma
situao
crtica ocorrer durante a formao do filme, na qual a separao do
polmero a
partir da soluo acontecer (formao do gel).
A estrutura do filme polimrico dependente do estgio no qual
ocorre
a separao de fases. Se a separao ocorrer precocemente, por
exemplo, antes da
formao do gel, ento ser obtido um filme com poros abertos em sua
estrutura.
De uma outra forma, se a separao ocorrer em um estgio posterior
da formao
do filme, quando as molculas do polmero j estiverem interagindo
fortemente
(aps a formao do gel), ento filmes contendo poros fechados em
sua estrutura
sero formados. E se nenhuma separao ocorrer, filmes com
estrutura densa sero
formados de maneira similar aos filmes preparados com bons
solventes
(KROCHTA et al., 1994; JONES e MEDLICOTT, 1995).
Uma das preocupaes na tcnica de evaporao do solvente manter
constante para todos os filmes que sero sintetizados e
analisados, as mesmas
condies de preparao, como: temperatura, solvente, tempo de
evaporao e
suporte.
1.7. Propriedades dos filmes Os filmes utilizados em alimentos
no devem apresentar sabor para
no serem detectados durante o consumo do produto alimentcio que
foi coberto ou
embalado. Quando os filmes apresentarem um aroma ou sabor
particular, suas
-
21
caractersticas sensoriais devem ser compatveis ao alimento
(DEBEAUFORT et
al., 1998).
Os filmes para embalagens devem apresentar os seguintes
requisitos:
alta eficincia barreira (vapor de gua e gs) e mecnica;
estabilidade trmica,
obteno por tecnologia de processamento simples, no poluente e de
baixo custo,
tanto de matrias primas como de processo (DEBEAUFORT et al.,
1998).
A eficincia barreira de gua desejvel para retardar a
desidratao
da superfcie de produtos frescos (carne, frutas e verduras) ou
congelados. Muitos
produtos requerem embalagens que sejam barreira ao vapor de gua
para evitar
ganho ou perda de umidade. A migrao de vapor de gua um dos
principais
fatores de alterao da qualidade sensorial, caractersticas
microbiolgicas, fisico-
qumicas e sensoriais bem como estabilidade de estocagem.
Filmes preparados com polissacardeos apresentam alta taxa de
permeabilidade ao vapor de gua, devido principalmente, a grande
solubilidade
apresentada por esses. Assim esse um parmetro que necessita ser
melhorado.
O controle das trocas gasosas, particularmente do oxignio,
permite o
melhor controle da maturao das frutas ou a reduo da oxidao de
alimentos
sensveis ao oxignio. A transferncia de vapores orgnicos deve ser
diminuda a
fim de reter os compostos de aroma no produto durante a
estocagem ou prevenir a
penetrao de solventes no alimento, o que pode envolver
toxicidade ou sabor no
caracterstico (off-flavor) (GENNADIOS e WELLER, 1990). A
deteriorao
dos alimentos causada principalmente pelo crescimento microbiano
nas
superfcies dos alimentos (TORRES e KAREL, 1985). A utilizao das
pelculas
que apresentam baixa taxa de permeabilidade a gases, como as
sintetizadas por
polissacardeos, reduz o acesso do oxignio aos tecidos,
minimizando tais
alteraes (KESTER e FENNEMA, 1986).
-
22
Para que as embalagens no percam sua proteo pelo manuseio ou
armazenamento necessrio que os filmes apresentem uma certa
resistncia
ruptura, abraso e tambm uma certa flexibilidade, que permita a
deformao do
filme sem a sua ruptura (VICENTINI e CEREDA, 1999).
Assim, uma importante propriedade dos filmes polimricos sua
resposta aplicao de uma fora, indicada por dois tipos principais
de
comportamentos: o elstico e o plstico. Materiais elsticos iro
retornar sua
forma original desde que a fora seja removida. Materiais
plsticos no retomam
sua forma. Nestes, o fluxo ocorre semelhantemente a um lquido
altamente viscoso.
A maioria dos filmes polimricos sintticos demonstra uma combinao
dos
comportamentos elstico e plstico, apresentando comportamento
plstico aps o
limite elstico ter sido excedido. A FIGURA 1.8 exemplifica o
comportamento de
um material viscoelstico sob tenso.
FIGURA 1.8: Representao grfica das propriedades mecnicas de
tenso versus deformao. FONTE: (WARD e HARDLEY, 1998).
Uma das propriedades mecnicas apresentadas pelos filmes so
resistncia trao e elongao. A resistncia trao a mxima tenso
suportada
pelo filme at o momento de sua ruptura. A elongao a medida de
maleabilidade
do filme e pode ser considerada como uma caracterstica que
define a habilidade do
-
23
filme em deformar antes de ocorrer sua ruptura. Baixos valores
de elongao
implicam em filmes quebradios (MACLEOD et al., 1997). Outra
propriedade
mecnica avaliada em filmes polimricos o mdulo de elasticidade
(mdulo de
Young), que a relao linear entre a tenso aplicada e a deformao
sofrida e
determinado pela inclinao da curva de tenso versus deformao na
regio
elstica.
-
24
CAPTULO II: Sntese e Caracterizao de
Nanopartculas de Quitosana Sintetizadas Por
Diferentes Mtodos
-
25
2.1. Introduo A quitosana (QS) um biopolmero obtido da
desacetilao da quitina,
que o maior constituinte de exoesqueletos de crustceos e outros
animais
marinhos (BOONSONGRIT et al., 2006). Atualmente a quitosana vem
sendo
utilizada no tratamento de guas, produo de cosmticos, drogas e
medicamentos,
aditivos alimentcios, membranas semipermeveis e no
desenvolvimento de
biomateriais (JIANG et al., 2006; ALMENAR et al., 2009; XIAO et
al., 2009).
A abundncia (baixo custo), biodegradabilidade, no toxicidade
e
origem natural, fazem da quitosana um material bastante vivel na
utilizao na
agricultura.
O estudo de nanopartculas (NPs) de quitosana j algo bem
difundido
no meio cientfico. S que a cada ano, vem crescendo o nmero de
descobertas
inovadoras na rea de nanotecnologia utilizando a quitosana
(NASCIMENTO et
al., 2001; WU et al., 2005; BODNAR et al., 2005; DOUGLAS et al.,
2006). As
nanopartculas (NPs) tem sido desenvolvidas visando inmeras
aplicaes, tais
como: aumentar a capacidade de armazenamento e processamento de
dados dos
computadores; criar novos mecanismos para a liberao de
medicamentos mais
seguros e menos prejudiciais ao paciente dos que os disponveis
de hoje; criar
materiais mais leves e mais resistentes do que metais e
plsticos, para aplicao em
construes, automveis e avies; e diversas outras inovaes.
Novos meios de energia, proteo ao meio ambiente, menor uso
de
matrias primas escassas so possibilidades concretas dos
desenvolvimentos em
nanotecnologia que esto ocorrendo.
A literatura relata vrias maneiras diferentes de snteses de
nanopartculas, com diferentes tamanhos (JANES e ALONSO, 2003;
LIU et al.,
2005). Entretanto, as nanopartculas de quitosana na maioria dos
trabalhos
apresentam tamanhos maiores que 125 nm, usualmente na faixa de
175 600 nm.
-
26
A obteno de nanopartculas de quitosana com tamanhos menores
algo realmente inovador no campo da nanotecnologia.
Essa etapa teve como objetivo, sintetizar nanopartculas de
quitosana a
partir de dois mtodos diferentes: i) polimerizao em molde atravs
da
polimerizao de cido metacrlico em soluo de quitosana (QS-PMAA);
ii)
gelatinizao ionotrpica da quitosana com tripolifosfato de sdio
(QS-TPP).
2.2. Materiais e Mtodos
2.2.1. Materiais
2.2.1.1. Sntese 1 - Quitosana; a quitosana utilizada foi da
Polymar, (Fortaleza-Brasil).
(MW= 71,3 kDa, grau de desacetilao 94%, fornecido pelo
fabricante).
- Persulfato de potssio (K2S2O8); obtido da Aldrich (St. Louis,
USA).
- cido metacrlico (MAA); obtido da Aldrich (St. Louis, USA).
2.2.1.2. Sntese 2 - Quitosana; Polymar, Fortaleza-Brasil. (MW=
71,3 kDa, grau de
desacetilao 94%).
- Tripolifosfato de sdio (TPP); obtido da Aldrich (St. Louis,
USA).
2.2.2. Mtodos
2.2.2.1. Preparao das Nanopartculas
2.2.2.1.1. Mtodo de polimerizao do cido metacrlico
(QS-PMAA) - Sntese 1 As nanopartculas foram preparadas por
polimerizao do cido
metacrlico em soluo de quitosana, a partir de duas etapas (MOURA
et al.,
-
27
2008). Na primeira etapa, a quitosana foi solubilizada em soluo
de cido
metacrlico (0,5% v/v) por 12 horas, sob agitao magntica. As
concentraes de
quitosana utilizada na sntese foram de 0,2; 0,5 e 0,8 (% m/v).
Na segunda etapa,
adicionou-se sob a soluo previamente solubilizada 0,2 mmol de
K2S2O8 com
agitao mecnica. O sistema foi fechado e mantido a 70 C por 1
hora, para que
ocorresse a polimerizao do cido metacrlico (FIGURA 2.1). Com o
aumento de
poli(cido metacrlico) na soluo, essa muda de clara para uma
suspenso
opalescente, indicando a formao de nanopartculas QS-PMAA.
FIGURA 2.1: Fotografia da sntese das nanopartculas.
Finalmente, aps 1 hora de reao, a suspenso foi imersa em
banho
de gelo por 30 minutos. As nanopartculas foram centrifugadas e
ento re-
suspensas em gua deionizada (Mili-Q). Na FIGURA 2.2, apresentada
uma foto
da soluo de nanopartculas antes e aps a formao das
nanoestruturas.
-
28
FIGURA 2.2: Foto das solues: com ausncia (soluo
transparente)
e presena (soluo opalescente) de nanopartculas.
2.2.2.1.2. Mtodo de gelatinizao ionotrpica (QS-TPP) -
Sntese 2 Para a preparao de nanopartculas de quitosana e
tripolifosfato de
sdio, utilizou-se o mtodo de gelatinizao inica de grupamentos da
QS com
TPP.
As nanopartculas foram obtidas de acordo com o procedimento,
reportado primeiramente por CALVO et al. (1997). Na primeira
etapa, solubilizou-
se a quitosana em soluo de cido actico nas concentraes de 3,0 e
4,4 mg/mL.
Deixou-se a quitosana solubilizando em cido, por cerca de 6
horas. Aps esse
perodo, a soluo foi alocada em um homogenizador (Polytron PT
3000-
Brinkmann). Sob agitao de 4500 rpm, 28 mL de soluo de TPP
com
concentrao de 1,2 e 2,1 mg/ mL foram adicionados em 70 mL das
solues de
QS (TABELA 2.1). A taxa de adio da soluo de TPP foi de 1 mL/min.
A zona
de suspenso opalescente, que apareceu no sistema aps a adio do
TPP, foi
atribuda as nanopartculas formadas.
-
29
TABELA 2.1: Trs diferentes tipos de nanopartculas QS-TPP
formadas, com diferentes concentraes dos reagentes.
Concentrao de
Quitosana (mg/mL)
Concentrao de
TPP (mg/mL)
3,15 0,6
2,14 0,6
2,14 0,3
Na Figura 2.3, apresentado uma fotografia dos equipamentos
utilizados na sntese das nanopartculas.
FIGURA 2.3: Equipamentos utilizados na sntese das
nanopartculas
QS-TPP.
-
30
2.2.2.2. Caracterizao de nanopartculas QS-PMAA
2.2.2.2.1. Anlise por FT-IR A partir das nanopartculas
sintetizadas, estas foram centrifugadas,
congeladas em nitrognio lquido e liofilizadas, para s depois
serem misturadas
com brometo de potssio (KBr) e prensadas em alta presso,
formando pastilhas.
Espectros de FT-IR foram obtidos registrando 128 varreduras de
4000 a 400 cm-1,
com resoluo de 2 cm-1, em um Perkin Elmer Spectrum, modelo
Paragon 1000.
As anlises de FT-IR foram realizadas na quitosana pura e nas
NPs
com diferentes quantidades de QS. As anlises de FT-IR foram
importantes para
analisar o mecanismo pelo quais as NPs so formadas. Permitir
tambm, a
caracterizao estrutural e composio qumica dos diferentes tipos
de polmeros e
dos materiais, elucidando os tipos de ligaes qumicas e os grupos
funcionais
presentes nos polmeros utilizados no trabalho.
2.2.2.2.2. Anlise por RMN Os ensaios de RMN C13 VACP-MAS foram
realizados em um
espectrmetro Varian Inova 400, com campo de 9,4 T. Os espectros
de RMN no
estado slido foram obtidos utilizando os seguintes parmetros:
pulso de /2, tempo de aquisio de 12,8 ms, e tempo de repetio de 1
ms.
Foram utilizados aproximadamente 200 mg de amostra em rotores
de
zircnio com 5 mm de dimetro.
As amostras foram analisadas com frequncia de rotao de 6.500
Hz.
Todos os espectros foram filtrados usando funo de decaimento
exponencial
(lb=10).
-
31
2.2.2.2.3. Tamanho mdio e distribuio do tamanho das
partculas A distribuio do tamanho das partculas foi determinada
no aparelho
Fiber Optic Quasi Elastic Light Scattering (FOQELS) (Brookhaven,
USA), que
opera pelo princpio de difrao de raios laser. As medidas foram
realizadas em
triplicata, na temperatura de 25 C. As anlises foram feitas, em
solues com
diferentes concentraes de QS na sntese das nanopartculas (0,2;
0,5 e 0,8 %
m/v). Para nanopartculas obtidas a partir do mtodo de
polimerizao em molde,
foram realizadas medidas de tamanho em diferentes pHs na faixa
entre 3,0 - 9,0.
2.2.2.2.4. Anlise por Potencial Zeta A carga superficial das
partculas foi analisada por um Zeta Potencial
Analyzer (Brookhaven, USA). Nessas medidas, o KCl foi adicionado
fase
dispersora, de modo que sua concentrao foi de 10-4 mol L-1, a
fim de manter
constante a fora inica do meio. As medidas foram realizadas a
temperatura
ambiente (25 C). Para nanopartculas obtidos a partir do mtodo de
polimerizao
em molde, foram realizadas medidas de potencial zeta em
diferentes pHs, onde a
faixa analisada foi pH 3,5 - 9,0. Todas as anlises foram
realizadas em triplicata.
2.2.2.2.5. Microscopia Eletrnica de Transmisso (MET) As
suspenses de partculas foram caracterizadas quanto forma das
partculas e homogeneidade da suspenso, atravs de Microscopia
Eletrnica de
Transmisso (MET). O microscpio utilizado foi um Philips CM200.
As amostras
foram sonificadas por 2 min, para obter melhor disperso e
prevenir a aglomerao
das NPs. Uma gota da suspenso foi adicionada sobre uma grade de
cobre e seca a
temperatura ambiente, para ento ser analisada por MET.
-
32
2.2.2.2.6. Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Todas as
medidas de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)
realizadas nas nanopartculas foram feitas utilizando um
equipamento de DSC da
marca TA Instruments Q100.
Aproximadamente, 4 mg de amostra foram pesadas em panelas de
alumnio, essas panelas foram seladas e alocadas no equipamento.
A programao
utilizada para todas as anlises foi: rampa de aquecimento de 20
at 450 C; razo
de 5 C/min sob atmosfera de nitrognio com vazo de 50 mL/min.
2.2.2.2.7. Termogravimetria (TG) As anlises foram realizadas no
aparelho TGA Q-500.
Aproximadamente 5-6 mg da amostra foram analisados em panela de
platina. Os
experimentos foram programados com rampa de aquecimento de 20 at
500 C,
com razo de aquecimento de 10 C/min para cada amostra. A vazo de
nitrognio
foi mantido em 60 cm 3/min. Todas as anlises foram feitas em
triplicatas.
2.2.2.3. Caracterizao nanopartculas QS-TPP
2.2.2.3.1. Anlise por FT-IR As solues de nanopartculas foram
centrifugadas, congeladas em
nitrognio lquido e liofilizadas (12 horas), para s depois serem
misturadas com
brometo de potssio (KBr) e prensadas em alta presso, formando
pastilhas.
Espectros de FT-IR foram obtidos registrando 128 varreduras de
4000
a 400 cm-1, com resoluo de 2 cm-1, em um Perkin Elmer Spectrum,
modelo
Paragon 1000. As anlises de FT-IR foram realizadas na quitosana
pura e nas NPs
com diferentes concentraes de materiais na sntese. A anlise
permitir a
caracterizao estrutural e composio qumica dos diferentes tipos
de polmeros e
-
33
dos materiais, elucidando os tipos de ligaes qumicas e os grupos
funcionais
presentes nos polmeros utilizados no trabalho.
2.2.2.3.2. Tamanho de partculas e distribuio do
tamanho das partculas A distribuio do tamanho das partculas foi
medida no equipamento
Horiba LA 900, (Horiba Instruments Inc., Irvien, CA, USA), que
opera pelo
princpio de difrao de raios laser. As medidas foram realizadas
em triplicata na
temperatura de 25 C e pH 4,5.
2.2.2.3.3. Anlise por Potencial Zeta A carga superficial das
partculas foi analisada por um Zeta Potencial
Analyser (Brookhaven, USA). KCl foi adicionado fase dispersora,
de modo que
sua concentrao foi de 10-4 mol L-1, a fim de manter constante a
fora inica do
meio. As partculas foram analisadas na temperatura de 25 C e pH
4,5. Todas as
anlises foram realizadas em triplicata.
2.2.2.3.4. Termogravimetria (TG) O procedimento foi similar ao
descrito no item 2.3.2.7. As anlises
foram realizadas no aparelho TGA Q-500. Aproximadamente 5-6 mg
da amostra
foram analisados em panela de platina. Os experimentos foram
programados com
rampa de aquecimento de 20 at 500 C, com razo de aquecimento de
10 C/min
para cada amostra. A vazo de nitrognio foi mantida em 60
cm3/min. Todas as
anlises foram feitas em triplicatas.
-
34
2.2.2.3.5. Microscopia Eletrnica de Transmisso (MET) O
procedimento foi similar ao descrito no item 2.2.2.2.5. As
suspenses de partculas foram caracterizadas quanto forma das
partculas e
homogeneidade da suspenso, atravs de Microscopia Eletrnica de
Transmisso
(MET). O microscpio utilizado foi um Philips CM200. As amostras
foram
sonificadas por 2 min, para obter melhor disperso e prevenir a
aglomerao das
NP. Uma gota da suspenso foi adicionada sobre uma grade de cobre
e seca a
temperatura ambiente, para s ento ser analisada por MET.
2.3. Resultados e Discusses
2.3.1. Nanopartculas QS-PMAA
2.3.1.1. Sntese das nanopartculas A quitosana um polmero que
apresenta a caracterstica de um
polieletrlito positivo quando em soluo. Essa caracterstica faz
com que a
quitosana apresente interao eletrosttica com o cido, o que
provoca a formao
das nanopartculas, a partir, da polimerizao do cido na
soluo.
O mecanismo de preparao das nanopartculas est presente na
FIGURA 2.4. Em se tratando de um mtodo de polimerizao em molde,
a
quitosana insolvel em gua pura, atingindo uma completa
solubilizao quando
o MAA adicionado na soluo. Isso indica que, tal como ocorre com
o cido
actico nas solues comuns de quitosana, o MAA protonou os grupos
NH2 da
quitosana. Quando a polimerizao comeou, a propagao das cadeias
de PMAA
resultou em um aumento da densidade de carga, de modo que, ao
tornar-se crtica,
os complexos polieletrlitos insolveis entre a quitosana e o
poli(cido metacrlico)
so formados atravs de interaes eletrostticas. Naturalmente, as
interaes
hidrofbicas e as ligaes de hidrognio no podem ser
desconsideradas.
-
35
FIGURA 2.4: Mecanismo proposto de preparao das nanopartculas
(MOURA et al., 2008).
CH2 C
CH3
C
OH
O70 C , 1 h
CH2 C
CH3
C
OH
O
)( niniciador
cido Metacrlico Poli(cido metacrlico)
COO
COO
COO--- NH3
NH3
NH3+
+
+
COO
COO
COO---
NH3
NH3
NH3+
+
+
COO
COO
COO---
NH3
NH3
NH3+
+
+
CH2 C
CH3
C
OH
O
)( n +O
CH2OH
O
NH2
OH( )n
COO
COO
COO---
+NH3
NH3
NH3+
+
+
CH2 C
CH3
C
OH
O
)( n +O
CH2OH
O
NH2
OH( )n
COO
COO
COO---
+NH3
NH3
NH3+
+
+
Poli(cido metacrlico) Quitosana
-
36
2.3.1.2. Anlise de FT-IR A fim de estudar a interao existente
entre o grupamento amina da
QS e o grupamento cido do PMAA foram realizadas as anlises de
FT-IR.
O espectro de FT-IR pode ser observado na FIGURA 2.5 e foi
realizado nas nanopartculas contendo 0,2, 0,5 e 0,8 % (m/v) de
quitosana e na
quitosana pura. O espectro da quitosana pura (FIG. 2.5a)
apresenta picos
caractersticos: 1649 cm1 correspondente ao estiramento da ligao
C=O de amina
I; 1083 1020 cm-1 devido ao estiramento do C-O e 620 cm-1 devido
s vibraes
dos anis piranosdicos, de acordo com a literatura (TONHI e
PLEBIS, 2002).
2000 1500 1000 500
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
(d)
(c)
(b)
(a)
Tr
ansm
itnc
ia (%
)
Nmero de onda (cm-1)
QS
0,2%
0,8%
0,5%
FIGURA 2.5: Espectro de FT-IR da quitosana (2a) e
nanopartculas
(2b-d).
Na FIG. 2.5b observamos que a banda em 1649 cm-1, que
aparece
claramente no espectro da quitosana pura, diminui surgindo duas
novas bandas em
1638 cm-1 (grupo COO-) e 1545 cm-1 (grupo NH3+), indicando a
interao inica
entre PMAA e QS, caracterizando a formao de nanopartculas.
-
37
As bandas em 1703 e 1264 cm1 (C=O) confirmam a presena de
PMAA nas nanopartculas (AZHGOZHINOVA et al., 2004). O aumento
da
quantidade de quitosana nas NPs (FIG. 2.5b-d) provoca uma mudana
qumica
significativa, pois bandas em 1703 e 1264 cm-1 decrescem
drasticamente, com
aumento concomitante das bandas em 1638 cm-1 e 1545 cm-1. Esse
fato est
relacionado diretamente com o decrscimo na quantidade de PMAA, e
aumento nas
interaes inicas entre PMAA e quitosana que passam a existir no
sistema.
2.3.1.3. Anlise de RMN A FIGURA 2.6, apresenta o espectro de RMN
das nanopartculas de
QS-PMAA com 0,2, 0,5 e 0,8 % m/v de quitosana na sntese. Os
picos C1 (105,7),
C2 (57,6), C3 (75,5), C4 (82,9), C5 (76,1) e C6 (61,5), que
aparecem no
espectro da FIG. 2.6a correspondem estrutura da quitosana,
estando de acordo
com a literatura (SILVA et al., 2007).
Os picos caractersticos do poli(cido metacrlico) reportados
na
literatura so: C1 (183,6), C2 (43), C3 (57) e C4 (18,7). Para as
nanopartculas
QS-PMAA os picos de RMN obtidos, esto prximos dos picos
apresentados pela
QS e PMAA. Isto mostra que essa pequena diferena no deslocamento
dos picos
acontece devido formao de nanopartculas, ou seja, a interao
entre os dois
sistemas (FIG. 2.6b 2.6d).
Nos espectros das nanopartculas, o pico do C1 (183,6), referente
ao
grupamento COO- do cido, se desloca para uma regio de campo mais
baixo
(0,2% - 184,0; 0,5% - 188,5; e 0.8% - 190,8). Isso ocorre devido
mudana na
massa relativa da razo dos grupos COO- / COOH, que reflete nas
diferenas da
frequncia de vibrao. Os picos em 49 e 20 ppm so atribudos ao C2
e C4 do
PMAA, respectivamente. tambm observado um decrscimo na
intensidade de
ambos os picos, quando a concentrao de quitosana na sntese das
nanopartculas
-
38
aumentada. Com o aumento na quantidade de quitosana, uma maior
quantidade de
cido utilizada para solubiliz-las. Os outros picos, presentes
nos espectros das
nanopartculas, so atribudos estrutura da quitosana.
FIGURA 2.6: Espectro de C13 VACP-MAS: a) quitosana pura; b)
0,2% (m/v) de quitosana na sntese das nanopartculas; c) 0,5%
(m/v) na sntese e
d) 0,8% (m/v) na sntese. * Corresponde ao grupo CH3 acetil
residual.
2.3.1.4. Anlise do tamanho mdio das partculas
Na TABELA 2.2, apresentada dependncia entre a quantidade de
quitosana na sntese e o tamanho mdio das nanopartculas.
Nesta tabela observa-se que o dimetro das partculas est
diretamente
relacionado com a quantidade de quitosana utilizada na sntese.
Nas mesmas
condies de preparao, quanto menor a massa de quitosana maior o
tamanho
200 150 100 50 0
PMAA_C2
PMAA_C4PMAA_C3
*
QS_C1QS_C5
QS_C4
QS_C3
QS_C2
(d)
(c)
(b)
(
