Development and comparative characterization of biodegradable bioplastics based on starch, pectin, chitosan and banana pseudostem-derived xylan

Abstract

The growing demand for sustainable alternatives to conventional plastics, together with the need to valorize agricultural residues, has stimulated the development of biodegradable materials from renewable resources. In this study, xylan was extracted from banana pseudostem and evaluated for the development of biodegradable films. Individual films based on starch, pectin, and chitosan were also produced using glycerol as a plasticizer and characterized for comparative purposes. Films produced from xylan alone were brittle and unsuitable for characterization; therefore, a xylan–chitosan composite film (80:20, w/w) containing gallic acid was developed and characterized. The physicochemical, mechanical, thermal, optical, and biodegradation properties of the films were evaluated. Chitosan films exhibited the highest tensile strength (33.56 ± 4.88 MPa) and elongation at break (39.93 ± 11.33%), whereas starch and pectin films showed tensile strengths of 19.92 ± 4.92 MPa and 23.52 ± 4.99 MPa, respectively. Pectin films exhibited complete water solubility (100%), while starch and chitosan films showed lower solubility ranges of 17.76–23.60% and 8.58–24.10%, respectively. The xylan–chitosan composite presented intermediate solubility (59.56–69.87%), high wettability, and low tensile strength (2.70 ± 0.64 MPa). Biodegradation assays revealed complete disintegration after approximately 20 and 34 days for pectin and starch films, respectively, while the composite remained visible for approximately 51 days and chitosan films for more than 65 days. Overall, the results demonstrate the potential for valorizing banana pseudostem through xylan extraction and show that the different polysaccharide-based films exhibit distinct properties, supporting their consideration for different potential applications.

O crescente interesse por alternativas sustentáveis aos plásticos convencionais, aliado à necessidade de valorização de resíduos agrícolas, tem estimulado o desenvolvimento de materiais biodegradáveis a partir de recursos renováveis. Neste estudo, a xilana foi extraída do pseudocaule de bananeira e avaliada para o desenvolvimento de filmes biodegradáveis. Filmes individuais à base de amido, pectina e quitosana também foram produzidos utilizando glicerol como plastificante e caracterizados para fins comparativos. Os filmes produzidos apenas com xilana apresentaram-se quebradiços e inadequados para caracterização; portanto, foi desenvolvido e caracterizado um filme compósito de xilana–quitosana (80:20, m/m) contendo ácido gálico. As propriedades físico-químicas, mecânicas, térmicas, ópticas e de biodegradação dos filmes foram avaliadas. Os filmes de quitosana apresentaram a maior resistência à tração (33,56 ± 4,88 MPa) e elongação na ruptura (39,93 ± 11,33%), enquanto os filmes de amido e pectina apresentaram resistências à tração de 19,92 ± 4,92 MPa e 23,52 ± 4,99 MPa, respectivamente. Os filmes de pectina apresentaram solubilidade completa em água (100%), enquanto os filmes de amido e quitosana apresentaram menores faixas de solubilidade, entre 17,76–23,60% e 8,58–24,10%, respectivamente. O compósito de xilana–quitosana apresentou solubilidade intermediária (59,56–69,87%), alta molhabilidade e baixa resistência à tração (2,70 ± 0,64 MPa). Os ensaios de biodegradação revelaram desintegração completa após aproximadamente 20 e 34 dias para os filmes de pectina e amido, respectivamente, enquanto o compósito permaneceu visível por aproximadamente 51 dias e os filmes de quitosana por mais de 65 dias. De modo geral, os resultados demonstram o potencial de valorização do pseudocaule de bananeira por meio da extração de xilana e mostram que os diferentes filmes à base de polissacarídeos apresentam propriedades distintas, permitindo considerar seu potencial para diferentes aplicações.