Elaboration and characterization of nanostructures and films based on chitosan and cellulose nanocrystal for food application

Abstract

The science of materials applied to the food area has gained a prominent position in recent years. Natural, sustainable and biodegradable polymer-based materials have been the focus of much research in the packaging sector and in the encapsulation of bioactive compounds. Among the polymers studied, cellulose and chitosan stand out because they are abundant and have several applications. In this sense, this work aimed to contextualize and indicate the main challenges and advances regarding the development of nanocomplexes and films based on chitosan and cellulose derivatives, especially cellulose nanocrystal (CNC), and to evaluate the developed structures regarding their structural, thermal, and physicochemical properties. First, chitosan/CNC nanocomplexes were developed and optimized by means of Box-Behnken design involving the variables pH CNC , NaCl concentration ([NaCl]) and chitosan:CNC molar proportion. Nanocomplexes with average size < 200 nm and zeta potential near +40 mV were obtained. Furthermore, high complexation yields (~8%) were obtained at higher pH values and lower [NaCl] (p < 0.05). XRD and TGA/DTG analysis showed higher thermal resistance of the nanocomplexes and crystallinity modifications compared to chitosan. The absence of microscopic changes indicated thermal stability for the CH:CNC = 3:1 nanocomplex stored for 30 days at 7 °C and 25 °C. In a second step, an active polymeric blend was developed. In this study, the objective was to evaluate the influence of the type of acid (lactic and propionic) used to disperse the chitosan and of different concentrations of CNC on chitosan/PVA films added with Jussara extract. Evaluation of the FTIR spectra showed a strong influence of the type of acid on the structure of the films, which influenced the color and antioxidant activity of the films, with those produced with propionic acid showing a purple coloration while those with lactic acid showed a reddish color and higher antioxidant activity (95%). Addition of CNC to the films increased Young's modulus and reduced the tensile strength and elongation at break of the films, and films formulated with lactic acid showed higher elongation at break (236 %) and lower elastic modulus (30 MPa compared to those with propionic acid (171.4% and 46.6 MPa, respectively). The studies conducted showed the potential application of materials based on chitosan and nanocellulose and how these can be functionalized and applied in the food area.New perspectives have been created for product development, showing that desired and unique properties are achieved when the intrinsic and extrinsic factors that influence the interactions, properties and functions of materials are explored. Keywords: Nanocomplexes. Box-behnken design. Packaging. Active films. Jussara extract.

A ciência de materiais aplicada à área de alimentos tem ganhado posição de destaque nos últimos anos. Materiais à base de polímeros naturais, sustentáveis e biodegradáveis têm sido o foco de pesquisas nos setores de embalagens e encapsulamento de compostos bioativos. Dentre os polímeros estudados, celulose e quitosana se destacam por serem abundantes e por apresentarem diversas aplicações. Nesse sentido, este trabalho visou contextualizar e apontar os principais desafios e avanços a respeito do desenvolvimento de nanocomplexos e filmes à base de quitosana e derivados de celulose, em especial o nanocristal de celulose (CNC), além de avaliar as estruturas desenvolvidas quanto a suas propriedades estruturais, térmicas e físico- químicas. Primeiramente, desenvolveu-se e otimizou-se nanocomplexos de quitosana/CNC por meio do design Box-Behnken. As variáveis envolvidas foram pH CNC , concentração de NaCl ([NaCl]) e proporção molar de quitosana:CNC. Nanocomplexos com diâmetro médio < 200 nm e potencial zeta próximo a +40 mV foram obtidos. Além disso, elevados rendimentos de complexação (~8%) foram obtidos em condições envolvendo maior valor de pH e menores [NaCl] (p < 0.05). Análises de XRD e TGA/DTG mostraram uma maior resistência térmica dos nanocomplexos e modificações de cristalinidade, em comparação com a quitosana. A ausência de alterações microscópicas indicou estabilidade térmica para o nanocomplexo CH:CNC = 3:1, armazenado durante 30 dias, a 7 ºC e 25 ºC. Em um segundo estudo, uma blenda polimérica ativa foi desenvolvida. Nesse estudo, objetivou-se avaliar a influência do tipo de ácido (lático e propiônico) usado para dispersar a quitosana e de diferentes concentrações de CNC em filmes de quitosana/PVA adicionados de extrato de Juçara. A avaliação dos espectros FTIR mostraram uma forte influência do tipo de ácido na estrutura dos filmes, o que influenciou a cor e a atividade antioxidante dos mesmos, sendo que aqueles produzidos com ácido propiônico apresentaram coloração roxa, enquanto aqueles com ácido lático apresentaram coloração avermelhada e maior atividade antioxidante (95%). A adição de CNC aos filmes aumentou o módulo de Young e reduziu a resistência à tração e alongamento na ruptura dos mesmos, sendo que filmes formulados com ácido lático apresentaram maior alongamento na ruptura (236%) e menor módulo elástico (30 Mpa), comparando com aqueles com ácido propiônico (171.4% e46,6 MPa, respectivamente). Os estudos conduzidos evidenciaram o potencial de aplicação dos materiais à base de quitosana e nanocelulose e como estes podem ser funcionalizados e aplicados na área de alimentos. Novas perspectivas foram criadas para o desenvolvimento de produtos, mostrando que propriedades desejadas e únicas são alcançadas quando os fatores intrínsecos e extrínsecos que influenciam as interações, propriedades e funções dos materiais são exploradas. Palavras-chave: Nanocomplexos. Box-behnken design. Embalagens. Filmes ativos. Extrato de Juçara.