Disintegration evaluation of bioplastic elaborated with polysaccharides from plant biomass

Abstract

Since 1950, the growing demand for plastic resins has increased the production of this material. This increase is due to the different applications of these materials, with advantages due to low cost, mechanical properties, water vapor barrier, chemical inertness and reduced or lack of biodegradation. Even with all the clear advantages of using synthetic plastics, the accumulation of this material represents a wide variety of problems such as outbreaks of disease proliferation, animal strangulation, damage to the fishing economy, causes of liver protein anomalies, the modifier of the physical-chemical biological soil profile, in addition to many other social and environmental impacts. Therefore, the development of biomaterials such as bioplastics from renewable and/or biodegradable sources is important to mitigate the environmental problems of plastics, at least in a few areas of the use of synthetic plastics. In this context, this study aimed to evaluate the addition of xylan in starch bioplastic’s to verify biodegradation and possible ecotoxic effects. The bioplastics were prepared with 10, 15, and 25% (w/w) of xylan, in 5% (w/v) total polysaccharides including starch, dried at 30 °C. The bioplastic resulted in a continuous and homogeneous plastic matrix without cracks. The bioplastic was buried to evaluate the biodegradation showing disintegration after 13 days. The time period for composting and disintegration in the soil was short compared to plastics from petroleum. In general, the bioplastic did not negatively influence the germination and tissue development of seeds of Cucumis sativus, with 100% of seed germination. A positive influence was observed on the root and hypocotyl growth but with a temporary inhibition of C. sativus tissue exposed to 10-days biodegradation soil washing. The optical and photoprotective properties and the solubility in food simulants (waxy and acidic foods) of bioplastics were also analyzed. Also, employing Thermogravimetric Analysis, Dynamic Mechanical Analysis, Differential Scanning Calorimetry Analysis, Scanning Electron Microscopy, the thermal resistance, mechanical resistance, crystallinity, and morphology of bioplastics were performed, respectively. The highest tensile strength was with the composition 15/25% (w/w) of xylan/starch (2.99 MPa). All bioplastic compositions resulted in homogeneous and bubble-free materials, and there was no difference in transparency at 600 nm (except for the bioplastic with alpha-cellulose and hemicellulose), however, between 200- 400 nm of the wavelength of light, the bioplastics with higher concentrations of xylan reduced transmittance, probably due to the presence of lignin. The bioplastic with 25% xylan showed a small photoprotective capacity against the yeast Saccharomyces cerevisiae when exposed to UVC light. Solubility increases in acid simulants with plastics with higher xylan concentration (25% w/w), however, in fatty food simulants, the solubility of bioplastic with 25% (w/w) xylan was negligible. In general, the addition of xylan, alpha-cellulose, and holocellulose reduced the thermal resistance in relation to the pure starch-based bioplastic, as well as reduced crystallinity with higher concentrations of xylan, except for the addition of alpha-cellulose and holocellulose.

Desde 1950, a crescente demanda por resinas plásticas aumentou a produção desse material. Este aumento deve-se às diferentes aplicações destes materiais, com vantagens devido ao baixo custo, propriedades mecânicas, barreira ao vapor de água, inércia química e reduzida ou não biodegradação. Mesmo com todas as claras vantagens do uso de plásticos sintéticos, o acúmulo desse material representa uma grande variedade de problemas como surtos de proliferação de doenças, estrangulamento de animais, prejuízos à economia pesqueira, causas de anomalias de proteínas hepáticas, modificação do perfil físicoquimico e biológico do solo, além de muitos outros impactos sociais e ambientais. Portanto, o desenvolvimento de biomateriais como os bioplásticos de fontes renováveis e/ou biodegradáveis é importante para mitigar os problemas ambientais dos plásticos, pelo menos em algumas áreas de uso de plásticos sintéticos. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo avaliar a adição de xilana em bioplásticos de amido para verificar a biodegradação e possíveis efeitos ecotóxicos. Os bioplásticos foram preparados com 10, 15 e 25% (m/m) de xilana, em 5% (m/v) de polissacarídeos totais incluindo amido, secos a 30 °C. O bioplástico resultou em uma matriz plástica contínua e homogênea sem rachaduras. O bioplástico foi enterrado e a desintegração ocorreu após 13 dias. O período para compostagem e desintegração no solo foi curto em comparação com plásticos de petróleo. Em geral, o bioplástico não influenciou negativamente na germinação e desenvolvimento tecidual das sementes de Cucumis sativus, com 100% de germinação das sementes. Uma influência positiva foi observada no crescimento da raiz e do hipocótilo, mas com uma inibição temporária do desenvolvimento do hipocótilo e da radícula de C. sativus exposto a lavagem do solo de 10 dias de desintegração. As propriedades ópticas e fotoprotetoras e a solubilidade em simuladores alimentares (alimentos cerosos e ácidos) de bioplásticos também foram analisadas. Além disso, empregando Análise Termogravimétrica, Análise Dinâmico-Mecânica, Análise Calorimétrica Diferencial de Varredura, Microscopia Eletrônica de Varredura, foram realizadas a resistência térmica, resistência mecânica, cristalinidade e morfologia dos bioplásticos, respectivamente. A maior resistência à tração foi com a composição 15/25% (w/w) de xilana/amido (2,99 MPa). Todas as composições de bioplásticos resultaram em materiais homogêneos e sem bolhas, e não houve diferença na transparência em 600 nm (exceto para o bioplástico com alfa-celulose e hemicelulose), porém, entre 200-400 nm do comprimento de onda da luz, os bioplásticos com maiores concentrações de xilana reduziu a transmitância, provavelmente devido à presença de lignina. O bioplástico com 25% de xilana apresentou reduzida capacidade fotoprotetora da levedura Saccharomyces cerevisiae quando exposta à luz UVC. A solubilidade aumenta em simuladores ácidos com plásticos com maior concentração de xilana (25% m/m), porém, em simuladores de alimentos gordurosos, a solubilidade do bioplástico com 25% (m/m) de xilana foi insignificante. Em geral, a adição de xilana, alfa-celulose e holocelulose reduziu a resistência 6 térmica em relação ao bioplástico à base de amido puro, assim como reduziu a cristalinidade com maiores concentrações de xilana, exceto pela adição de alfa-celulose e holocelulose